魏 雄, 徐弘萱, 馬佳軍, 李光潔, 左健存

(上海第二工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,上海 201209)

0 引言

在我國能源消耗巨大的背景下, 未來很長一段時(shí)間內(nèi)火力發(fā)電仍將是發(fā)電的主要方式之一。隨著國家節(jié)能減排政策的出臺(tái),對(duì)火電廠污染物質(zhì)的排放提出了新的標(biāo)準(zhǔn),要求所有火電廠安裝煙氣脫硝裝置。選擇性催化還原法(selective catalytic reduction, SCR) 作為世界上應(yīng)用最廣泛、最有成效的煙氣處理技術(shù),在火電廠脫硝系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。由于火電廠脫硝系統(tǒng)設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 且目前對(duì)脫硝系統(tǒng)的故障分析仍大多停留在主觀性和經(jīng)驗(yàn)性上, 很難快速準(zhǔn)確地分析出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)?；痣姀S脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的故障,若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理,因故障引起的污染會(huì)對(duì)企業(yè)和社會(huì)造成巨大的危害。因此, 如何高效且準(zhǔn)確地對(duì)故障進(jìn)行判定對(duì)火電廠正常工作具有重要意義。

故障樹分析法由美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室于1962年首次提出后,受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,在各領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛的研究[1]。Dobrivoje 等[2]將故障樹分析法運(yùn)用于液壓動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng),對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的故障進(jìn)行分析并提出解決方案。Vencl 等[3]通過故障樹分析法對(duì)滾動(dòng)軸承的摩擦故障進(jìn)行分析,找出軸承故障的根本原因,從而給維護(hù)工程師提供重要建議。李欽奉等[4]將故障樹分析法對(duì)機(jī)床設(shè)備潤滑系統(tǒng)進(jìn)行了分析,并提出相應(yīng)的措施來提高系統(tǒng)的可靠性。Wang 等[5]提出了采用故障樹分析法對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性進(jìn)行分析,為解決發(fā)動(dòng)機(jī)的故障提供了理論依據(jù)。但到目前為止,尚未有將故障樹方法應(yīng)用于火電廠脫硝系統(tǒng)故障分析的先例。

本文提出了使用故障樹對(duì)火電廠脫硝系統(tǒng)進(jìn)行故障分析的方法,并給出主要故障的應(yīng)對(duì)方案,以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 故障樹分析方法

故障樹分析法是一種邏輯框圖方法,根據(jù)系統(tǒng)故障形成的原因由總體至部分按樹狀逐級(jí)細(xì)化分析。故障樹分析法不僅能對(duì)系統(tǒng)的危險(xiǎn)性進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)價(jià),分析出故障的直接原因,還能深入揭示故障的潛在原因,從而準(zhǔn)確、系統(tǒng)地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)和分析[6]。

故障樹分析法是將系統(tǒng)中最不希望發(fā)生的故障狀態(tài)作為故障分析的目標(biāo),并找出引起頂事件發(fā)生的全部原因,然后進(jìn)一步分析,直到找出產(chǎn)生故障的所有事件,并用相應(yīng)的符號(hào)及邏輯門連接成邏輯因果關(guān)系圖[7]。在故障樹中, 其中頂事件表示故障樹的分析目標(biāo),位于故障樹的頂端?；臼录菍?dǎo)致其他事件發(fā)生的原因事件,位于故障樹底端。中間事件是位于基本事件和頂事件之間的事件,由其他事件的邏輯組合引起的故障[8-9]。在故障樹中各事件之間的關(guān)系如表1 所示。

表1 故障樹中事件與邏輯關(guān)系表示法Tab.1 Logical relation representation

使用故障樹分析法,可以分為3 個(gè)階段,即建立故障樹、定性與定量分析、以及制定預(yù)防措施。其分析過程如圖1 所示。

圖1 故障樹分析過程Fig.1 Fault tree analysis process

具體步驟為:

(1)建立故障樹。定義系統(tǒng)和系統(tǒng)故障,根據(jù)故障的危險(xiǎn)程度,把對(duì)系統(tǒng)影響最大的故障作為分析對(duì)象, 即“頂事件”。然后分析故障原因, 如涉及制造、裝配、運(yùn)行、環(huán)境條件、人為因素等,最后根據(jù)資料分析建立故障樹。

(2)定性和定量分析。其中定性分析主要是使用布爾代數(shù)定律和運(yùn)算法則對(duì)故障樹作等價(jià)簡化,求出最小割集和結(jié)構(gòu)重要度。定量分析則是通過對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到頂事件發(fā)生概率及基本事件的重要度。

(3) 制定預(yù)防措施。對(duì)建立的故障樹進(jìn)行全面分析,確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),制定相應(yīng)防止災(zāi)害的措施,從而提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,并為企業(yè)安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)意見。

2 故障樹建立

2.1 火電廠脫硝系統(tǒng)

20 世紀(jì)70 年代, 火電廠脫銷系統(tǒng)首次應(yīng)用于日本的工業(yè)鍋爐。目前該技術(shù)已經(jīng)在大多數(shù)國家得到了廣泛的應(yīng)用。SCR 脫硝原理是在催化劑作用下,利用還原劑NH3,在溫度為200～450 ℃時(shí),“有選擇性”地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無毒無害的N2和H2O。SCR 煙氣脫硝反應(yīng)機(jī)理如圖2 所示。

圖2 SCR 脫硝反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Denitration reaction mechanism of SCR

在SCR 反應(yīng)過程中,其主要的化學(xué)反應(yīng)方程式為[10-12]:

根據(jù)上述的反應(yīng)過程,脫硝系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、SCR 催化反系統(tǒng)、噴氨系統(tǒng)、液氨儲(chǔ)存蒸發(fā)系統(tǒng)組成,如圖3 所示。

圖3 SCR 脫硝工藝流程Fig.3 SCR denitration process

煙氣系統(tǒng)是指從鍋爐尾部低溫省煤器下部引出口至SCR 反應(yīng)器本體入口、SCR 反應(yīng)器、SCR 反應(yīng)器本體出口至回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器入口之間的連接煙道。煙氣系統(tǒng)由膨脹節(jié)、導(dǎo)流板、煙道組成。

SCR 催化反系統(tǒng)是脫硝系統(tǒng)的核心設(shè)備,主要作用是裝載催化劑, 提供煙氣中的NOx與NH3在催化劑表面上生成N2和H2O 的場所,同時(shí)保證煙氣流動(dòng)的順暢與氣流分布均勻,為脫硝反應(yīng)的順利進(jìn)行創(chuàng)造條件。SCR 催化反系統(tǒng)由帶有加固肋的鋼制塔體、煙氣進(jìn)出口、催化劑放置層、導(dǎo)流葉片、噴氨格柵、吹灰器組成。

噴氨系統(tǒng)是將液氨靠自身的壓力從儲(chǔ)氨罐輸送到蒸發(fā)器,液氨在蒸發(fā)器中被加熱蒸發(fā)成氨氣,然后氨氣進(jìn)入氨氣緩沖罐,從緩沖罐出來的氨氣經(jīng)過控制流量的控制閥后進(jìn)入氨氣/空氣混合器。氨氣與稀釋風(fēng)機(jī)過來的空氣混合,濃度降低到一定的程度,再經(jīng)過噴氨格柵注入到煙氣中。噴氨系統(tǒng)包括稀釋風(fēng)機(jī)、氨控制閥、氨氣/空氣混合器、噴氨柵格及相應(yīng)的輔助設(shè)施。

液氨儲(chǔ)存蒸發(fā)系統(tǒng)利用卸氨壓縮機(jī)將液氨由槽車輸入儲(chǔ)氨罐內(nèi),將儲(chǔ)氨罐內(nèi)的液氨輸送到液氨蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氨氣,經(jīng)氨氣緩沖罐控制壓力和流量后, 在混合器中與空氣稀釋混合均勻。液氨儲(chǔ)存蒸發(fā)系統(tǒng)包括卸氨壓縮機(jī)、儲(chǔ)氨罐、液氨蒸發(fā)器、氨氣稀釋罐、廢水泵、廢水池等。

2.2 脫硝系統(tǒng)故障樹

在SCR 脫硝系統(tǒng)中, 系統(tǒng)運(yùn)行過程如下: 首先將液氨灌入到氨蒸發(fā)器里,通過壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行減壓,其次經(jīng)過蒸發(fā)后產(chǎn)生的氨氣再經(jīng)過氨氣緩沖槽,與來自稀釋風(fēng)機(jī)的空氣在氨氣/空氣混合器中混合稀釋,再次被稀釋的氨氣和煙氣在進(jìn)入SCR 前充分混合,最后混合均勻的混合氣體經(jīng)過噴氨格進(jìn)入脫硝反應(yīng)裝置,經(jīng)過催化劑作用從而將氮氧化物生成無毒害的氮和水[11]。

SCR 脫硝系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的失效模式主要為:脫硝系統(tǒng)積灰嚴(yán)重、稀釋風(fēng)機(jī)故障、脫硝效率下降和液氨存儲(chǔ)爆炸。其中, 脫硝系統(tǒng)積灰嚴(yán)重是由煙氣分布不均勻和導(dǎo)流板損壞等引起; 稀釋風(fēng)機(jī)故障的原因是震動(dòng)大、軸承溫度高和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障等; 脫硝效率下降是由噴氨格柵堵塞致噴氨量不足、煙氣溫度低和催化劑失效等引起; 液氨存儲(chǔ)爆炸的原因是蒸汽泄漏、通風(fēng)不良、撞擊火花、靜電火花和庫內(nèi)吸煙等。

根據(jù)系統(tǒng)的主要失效模式以及所有事件之間的邏輯關(guān)系,自上而下逐層地對(duì)這些事件進(jìn)行分析,直到找出產(chǎn)生故障的所有事件,并用事件符號(hào)及邏輯門連接, 最終獲得的脫硝系統(tǒng)故障樹, 如圖4 所示。圖中,T表示頂事件, 即火電廠脫硝系統(tǒng)故障,T1～T17表示中間事件;X1～X24表示基本事件。故障事件及其具體含義如表2 所示。

圖4 脫硝系統(tǒng)故障樹Fig.4 Fault tree of denitration system

表2 脫硝系統(tǒng)故障事件及其含義Tab.2 Denitration system fault events and meanings

3 定性分析

故障樹的定性分析是通過使用布爾代數(shù)的有關(guān)定律和運(yùn)算法則對(duì)故障樹進(jìn)行運(yùn)算和分析,通過定性分析得出事件的發(fā)生規(guī)律及特點(diǎn),并找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的所有故障。同時(shí), 從故障樹的結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度,進(jìn)而判斷各事件在系統(tǒng)可靠性中的重要程度,最后根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度的大小分別采取措施。對(duì)故障樹進(jìn)行定性分析,需從最小割集和結(jié)構(gòu)重要度兩方面進(jìn)行。

3.1 最小割集

割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本事件的集合。而最小割集是引起頂事件發(fā)生的基本事件的最小組合,即表征這些基本事件集合的狀態(tài)發(fā)生,則頂事件必定發(fā)生[8]。最小割集有助于理解事件之間的因果關(guān)系以及導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因,每個(gè)最小割集代表基本事件導(dǎo)致頂事件發(fā)生的可能途徑[13]。對(duì)圖4中的故障樹使用布爾代數(shù)運(yùn)算法則進(jìn)行化簡運(yùn)算。其布爾表達(dá)式為

得出脫硝系統(tǒng)故障樹的最小割集為:

即火電廠脫硝系統(tǒng)頂事件的發(fā)生有31 個(gè)最小割集,表明該系統(tǒng)存在許多能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的故障。因此,必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)、改進(jìn)和維護(hù),以減少故障的發(fā)生。

3.2 結(jié)構(gòu)重要度

在故障樹的定性分析中, 結(jié)構(gòu)重要度是最小割集的一種衡量指標(biāo),主要反映基本事件在故障樹結(jié)構(gòu)中的重要程度。對(duì)重要度大的基本事件進(jìn)行改進(jìn),可以提高系統(tǒng)整體的可靠性。根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度判斷法則,當(dāng)最小割集中只含一個(gè)基本事件,則該基本事件的結(jié)構(gòu)重要度最大。當(dāng)最小割集的基本事件數(shù)不等,基本事件少的割集中的基本事件的結(jié)構(gòu)重要度大?；臼录i的結(jié)構(gòu)重要度I?(Xi)的近似解可表示為[14]:

式中:k表示最小割集的總數(shù);Ej表示第j個(gè)最小割集;nj表示第j個(gè)最小割集中的基本事件總數(shù)。

在分析基本事件的重要性時(shí),需先計(jì)算事件的結(jié)構(gòu)重要度,再根據(jù)重要度的大小進(jìn)行排序,從而得出基本事件對(duì)頂事件的影響程度。通過對(duì)火電廠脫硝系統(tǒng)故障樹的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算,可得出基本事件X1～X24的結(jié)構(gòu)重要性順序?yàn)?

通過式(4)對(duì)故障樹的定性分析,得到了各基本的結(jié)構(gòu)重要度順序。其中儲(chǔ)氨密封不良(X16)、儲(chǔ)氨敞開(X17)、排風(fēng)設(shè)備故障(X18) 和未定時(shí)檢修設(shè)備(X19)對(duì)頂事件的影響較大。因此,在對(duì)火電廠脫硝系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)因素分析過程中,優(yōu)先考慮對(duì)上述事件的分析。

4 定量分析

故障樹分析中,除了從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行定性分析外,還要運(yùn)用數(shù)學(xué)方法即定量分析對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,從而為系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)和決策提供科學(xué)的依據(jù)[15]。定量分析是根據(jù)基本事件的發(fā)生概率計(jì)算頂事件的發(fā)生概率,以及計(jì)算基本事件的概率重要度,并以此為依據(jù),綜合考慮頂事件的故障嚴(yán)重程度,與預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行比較。如果得到的結(jié)果超過了允許目標(biāo),則必須采取相應(yīng)的改進(jìn)措施,使其降至允許值以下[16]。

4.1 頂事件故障率

在故障樹分析中,頂事件的發(fā)生概率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)是否可靠的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在火電廠脫硝系統(tǒng)故障樹中,各基本事件相互獨(dú)立,用邏輯“與”和“或”門相互連接,并與中間事件連接?！芭c”和“或”門對(duì)應(yīng)頂事件發(fā)生概率P(T)的計(jì)算公式分別為[17]:

式中:P(Xi)表示基本事件的發(fā)生概率;n表示基本事件的個(gè)數(shù)。

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)得到基本事件的失效概率,如表3 所示。則故障樹頂事件的失效概率為:P(T)≈0.0033。

表3 基本事件的概率Tab.3 Probability of basic events

4.2 概率重要度

故障樹具有多個(gè)基本事件,而各個(gè)基本事件的重要性是由所代表的系統(tǒng)部件在系統(tǒng)中的位置或者作用不同決定的。因此, 基本事件在頂事件的發(fā)生中所做出的貢獻(xiàn)稱為該基本事件的重要度。而基本事件發(fā)生概率的變化引起頂事件發(fā)生概率的變化程度稱為概率重要度。通過減小概率重要度值大的基本事件的發(fā)生概率,則可以降低系統(tǒng)故障的發(fā)生概率。由于頂事件發(fā)生概率函數(shù)是1 個(gè)復(fù)雜函數(shù), 對(duì)自變量求偏導(dǎo),可得該基本事件的概率重要度[18]:

根據(jù)表3 中基本事件的概率,通過式(5)～(7)可以近似計(jì)算出圖4 中各基本事件相應(yīng)的概率重要度X1～X25的順序?yàn)?

由上述結(jié)果可見,概率重要度最大的基本事件為X5～X7和X10～X12,其次為基本事件X1,X8和X9。表明減小這些基本事件的發(fā)生概率能使頂事件的發(fā)生概率迅速減小,它比按照同樣數(shù)值減小其他任何基本事件的發(fā)生概率都有效,則這些事件為系統(tǒng)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。

5 主要因素與應(yīng)對(duì)措施

通過對(duì)故障樹的定量分析,并根據(jù)張紅星等[19]采用故障樹分析法對(duì)尿素?zé)峤饷撓跸到y(tǒng)的進(jìn)行可靠性分析, 以及陳崇明等[20]依靠人的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷分析,可得脫硝系統(tǒng)發(fā)生的故障主要由事件軸承故障(X5)、聯(lián)軸器不同心(X6)、風(fēng)機(jī)軸變形(X7)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障(X10)、煙氣溫度低(X11)、催化劑失效(X12)引起,其次由事件煙氣分布不均勻(X1)引起。針對(duì)以上故障,參照現(xiàn)有規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),并結(jié)合以往的事故分析可提出以下解決方法:

(1)導(dǎo)致稀釋風(fēng)機(jī)故障主要原因是軸承故障、聯(lián)軸器不同心、風(fēng)機(jī)軸變形和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障。軸承故障表現(xiàn)為軸承損壞、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速過大等, 可通過加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視進(jìn)行解決。聯(lián)軸器不同心、風(fēng)機(jī)軸變形是由聯(lián)軸器安裝不對(duì)、風(fēng)機(jī)軸和電動(dòng)機(jī)軸中心未對(duì)正等引起, 可通過對(duì)靜、動(dòng)平衡和同軸度校正來解決。電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障表現(xiàn)為開關(guān)的接觸器性能差、電動(dòng)機(jī)繞組故障等, 可通過加強(qiáng)對(duì)電動(dòng)機(jī)日常的維護(hù)和檢修實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸頭的及時(shí)調(diào)整。

(2)導(dǎo)致脫硝效率低的主要原因是煙氣溫度低和催化劑失效。煙氣溫度低由鍋爐的啟動(dòng)、停爐、主燃料跳閘或輔機(jī)故障等導(dǎo)致,可通過在鍋爐啟動(dòng)時(shí)迅速提溫, 停爐后及時(shí)停止噴氨進(jìn)行解決。催化劑失效是由催化劑中毒和催化劑堵塞引起。防止催化劑中毒,應(yīng)避免催化劑與液體產(chǎn)生接觸或在不恰當(dāng)?shù)臏囟葏^(qū)間運(yùn)行等; 而防止催化劑堵塞應(yīng)改進(jìn)反應(yīng)器入口的煙道結(jié)構(gòu),從而改善煙氣流速及流場,減少煙氣中的煙塵沉降。

(3)導(dǎo)致脫硝系統(tǒng)積灰的主要原因是煙氣分布不均勻, 表現(xiàn)為催化劑入口面煙氣流場不均勻。可通過改善導(dǎo)流和整流裝置,從而調(diào)節(jié)噴氨格柵入口的煙氣分布均勻度,提高飛灰顆粒分布均勻度。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于故障樹的火電廠脫硝系統(tǒng)故障分析方法。建立了以SCR 脫硝系統(tǒng)為頂事件,以脫硝系統(tǒng)積灰嚴(yán)重、稀釋風(fēng)機(jī)故障、脫硝效率下降、液氨存儲(chǔ)爆炸為中間事件的主要失效模式的故障樹, 全面、準(zhǔn)確地表達(dá)了系統(tǒng)各組成單元直接的邏輯關(guān)系。同時(shí)對(duì)建立的故障樹進(jìn)行了定性和定量分析,找出了影響系統(tǒng)安全性的薄弱環(huán)節(jié),并對(duì)脫硝系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和維護(hù)提出了意見,從而指導(dǎo)企業(yè)的工作人員有效地防范事故、消除安全隱患。