可靠性性能管理（通用7篇）
可靠性性能管理 篇1
0 引言
输电网是电力系统的重要组成部分,其主要任务是完成电力的输送,同时要满足安全、可靠性的要求。因此,衡量输电系统性能的重要标志就是在考虑设备随机故障的条件下系统完成输电功能的能力。该能力不仅体现了系统设计、运行和维护水平,还与设备本身质量有密切关系。对于中国这样一个需要大量能源远距离传输的电网,其输电网性能评价显得尤为重要。
世界范围内输电网性能评价都是起步于输变电设施可靠性管理。北美可靠性组织(NERC)把输电网可靠性性能分为:输变电设施可靠性性能和输电网系统可靠性性能两部分,输电网系统可靠性性能进一步分解为输送能力和输电服务能力。我国对输电网可靠性性能管理还处于设施可靠性管理阶段,2010年国家电网公司把输电能力指标整合到国家电网的管理中,并改进了相应的数据采集和评价系统。随着国内新能源发电的快速发展以及电力改革步伐的加快,对输电网可靠性提出了更高的要求,监管部门和电力企业对可靠性的关注和需求都将发生变化,如何在新的形势下开展输电网可靠性性能管理成为一个重要的课题。
国内学者借鉴国外的研究成果开展了相关研究,文献[1]参考北美的输电能力评价指标,结合国内电网特征,改进性地提出了国家电网公司基于回路的输电系统可靠性评价指标体系和计算方法。文献[2]参考北美输电系统输电服务能力评价体系,提出了适应于中国发展现状的连接点评价指标。文献[3]介绍了北美以及英国所使用的输电系统可靠性性能评价指标,并通过对比得到我国与英国、北美评价指标方面的差异。上述研究都是在北美评价体系基础上建立的国内评价系统,虽稍有改进但未跳出总体框架,而且对国内现有管理体系的问题和需求分析不足。
本文在对国内外输电网可靠性性能管理全面调研和分析的基础上,对比了国内外管理体系的差异,提出了国内目前存在的问题,分析了电力改革形势下国内对输电网可靠性性能管理的需求,并论证了未来管理中所需的关键技术。
1 国内外输电网可靠性性能管理现状及对比
1.1 国内输电网可靠性性能管理现状及成效分析
1.1.1 管理现状
中国对输电网可靠性性能管理还处于设施可靠性管理阶段。
1)标准体系。2003年电力可靠性管理中心组织制定的《输变电设施可靠性评价规程》正式签发实施,并于2012年进行修订和完善,用于指导各电网公司输变电设施可靠性工作的开展。2010年,国家电网公司发布了《输电系统可靠性评价实施(试行稿)》,提出了输电系统回路的概念,在此后的可靠性信息管理系统中,13类输变电设施全部被关联到三大回路中[4]。
2)数据采集及评价系统。评价规程出台后,电力可靠性管理中心建立了一系列以输变电设施为对象的可靠性信息管理系统,在全国范围内进行推广应用。2009年,国家电网公司在已有推广系统的基础上建立生产管理系统(PMS),实现了设施及生产运行的全过程管理。
现阶段,国家电网公司所使用的信息系统结合了资产全寿命周期管理研究的课题成果;通过科学的历史数据分析挖掘,准确、及时的当前状态评估,实现了前瞻性的风险评估。信息系统关联关系见图1。
3)评价体系。中国建立了较全面的设施可靠性指标评价体系,该体系主要分为时间类以及次数类两大类[5]。指标体系是对输变电设施是否可用的量化描述,是规划设计、设施制造、安装调试、生产运行、检修维护、生产管理等各个环节综合水平的度量。
1.1.2 工作成效
中国的可靠性管理历经30多年的发展,取得了显著的成效,主要表现在以下几个方面:
1)促进了设施制造质量的提高。
通过对全国可靠性统计数据分析,因产品质量不良造成的非计划停运事件总数呈逐年下降趋势。
2)促进了设施运维管理精益化水平的提高。
为了减少检修带来的停运,各电网公司纷纷尝试开展状态检修,使得110(66)k V及以上输变电设施大修次数和工作量、维修试验次数和工作量逐年减少,输变电设施的计划停运率逐年下降。
3)输变电可靠性指标管理手段和管控水平有效提高。
通过对可靠性指标的管控,促进了电网企业改进管理手段,如科学安排检修和维护,减少重复停运率;排查输变配电设施安全隐患及缺陷,降低故障次数;开展规划、采购、检修、调度多部门协同工作以提高系统可靠性。
1.2 国外输电网可靠性性能管理体系与发展趋势
现阶段,各国针对输电网可靠性性能建立的管理体系具有一定共性,本文选择开展输变电可靠性性能管理较早、管理体系较为完善并且管理成效显著的北美地区作为分析对比对象。
1.2.1 管理机构及评价体系
1)管理体系。NERC[6]对电压等级大于等于200k V的4类输电设施进行管理。作为北美地区输变电系统性能管理的核心机构,NERC的主要职责包括:制定发输电系统可靠性标准,并监督相关企业强制执行;负责发输电系统的可靠性评估工作;对发输电系统进行监测,组织典型事故调查;负责行业内的培训和运行人员认证等工作。管理体系见图2。
2)数据采集流程。北美地区将数据收集分为两个阶段:第一阶段仅收集自动报告的停电故障数据,包括持续(永久性)停电故障和瞬间停电故障(不到1min),表征设施在无人为调控因素干扰的状态下的运行可靠性情况;第二阶段收集非自动报告的停电故障数据,包括计划停运和运行停运,表征人为调控因素对设施可靠性的影响,一定程度体现出相关输变电调控人员的工作质量。两阶段数据收集、分析和报告流程见图3。
各环节负责部门的具体职责:TO负责按上级要求收集基础数据;RC负责数据检查,事故编号并评估同一结构故障引发的多条线路停电事故;NERC负责对涉及多个区域电力可靠性管理中心的停电事故进行事故编号,并补充缺省数据,计算可靠性指标,制定一份年度报告。
3)评价体系。北美地区现阶段所使用的设施可靠性评价指标主要体现了设施发生瞬时停运和持续停运的频率、设施故障时间的数据分布、故障设施占比以及同杆并架线路运行状况[7]。NERC根据这些指标的计算结果每年发布一次公开报告显示每个地区以及全国水平,提供可用于提高可靠性的数据,并向每个输电公司提供相同规格的设施情况内部报告。
1.2.2 发展趋势
现阶段,北美的输电网可靠性性能管理主要是以州(省)为主体的可靠性指标评价,存在一定不足。经分析,北美地区的输变电系统性能管理体系有如下发展趋势[8]。
1)分散管理向集中管理发展。
大容量、远距离传输已成为当代电力系统的主要特征,系统日益庞大、复杂,传统的以州(省)为主体的分散管理模式已难以适应当前社会对资源配置和电能交换的要求。
2)行政化向市场化发展。
与传统的行政手段相比,市场化管理较少干涉企业的内部事务,完全以结果为导向。通过市场来引导企业决策,可兼顾供电可靠性和经济性。
3)单一指标管理向指标、统计方法和统计流程并重的方向发展。
输变电可靠性指标评价体系及其统计方法趋同化、标准化,并侧重于从输电系统的角度对输变电设施和输电网性能进行总体评价。
4)输电网可靠性评价向电力系统可靠性评价发展。
可靠性评价趋向于将发电、输电以及配电各自独立的评价联合,形成包含整个电力系统各部分的整体评价。
5)可靠性评价向可靠性性能风险评价发展。
2009年开始NERC逐步建立起以发、输电系统可靠性为基础,同时涵盖需求侧信息的数据采集和统计系统。并建立了基于事件驱动、基于运行状态驱动和基于标准驱动的电力系统风险评估体系,从每天、月、年、多年多个时间尺度对运行的电力系统开展风险评估,并根据评估结果发现系统薄弱点,提出未来运行和规划的重点关注问题。
1.3 国内外对比分析
由于中国在行业标准方面只包含设施可靠性管理,因此本文主要将国家电网公司与北美的管理体系进行对比分析,内容主要集中于设施的基本信息记录、可靠性指标评价以及可靠性管理成效3个方面。
1.3.1 设施状态分类方法差异
中国与北美所使用的设施状态分类方法见图4。
北美对不可用状态的分类以自动和非自动划分,能够体现自动化水平的影响。同时自动停电又划分为瞬时和持续,体现出更加注重停运的后果。中国对可用状态的划分,一定程度上可以反映设施利用率。同时对停运状态的细致分类,更多强调的是停运原因和时间,有助于发现运行管理中的问题。状态划分的差异与管理目的有必然的联系,北美的标准立足于监管,而中国既立足于监管,同时又要服务于企业。
1.3.2 设施可靠性评价指标差异
中国与北美的设施可靠性评价指标都分为时间以及频率两大类[9]。①针对时间类指标,北美以描述停运时间数据分布的指标为主,中国以不同停运状态占总运行时间比例的指标为主。②针对频率类指标,北美与中国大部分指标的差异与两方设施状态分类的差异相同,同时两方也各有一些特色指标,如中国建立了反映设施利用率的暴露率指标,北美建立了反映设施之间互相影响的共因停运指标和反映设施本身质量情况的故障元件比例指标。
1.3.3 系统可靠性指标对比
目前,北美输变电系统可靠性性能评价分为输电能力和输电服务能力。而中国国家电网公司目前的评价只局限于输电能力。北美和中国针对输电能力的评价都是基于回路的“设施组”可靠性展开的[10]。北美的回路只限于电缆、架空线、直流线路等输电回路,而中国包括输电、变电、母线三种回路,相比之下中国统计的更加全面。两方在输电回路的状态划分也少有差别,类似设施状态划分。
1.3.4 设施故障原因分类设置的差异
故障原因分类设置是故障分析的基础,北美NERC按照故障原因占比划分了12大类故障原因[11],包括天气、雷电、环境因素、污染、外部因素、火灾、恶意破坏等共43项,比较简单实用。中国把故障原因分为责任原因和技术原因,设定的故障原因采用全覆盖的思路,其中责任原因分为10大类,包括爆炸、指挥不当、错用材料、封堵不严等共93项;技术原因分为8大类,包括断裂、单相短路、漏油等137项。相比国外来说,中国的停运原因分类相对复杂。
1.3.5 现阶段设施可靠性水平对比分析
由于两方之间存在管理的差异性,因此选择2010–2014年两方评价方式相同的线路和变压器的可用率作为可靠性水平的比较对象。同时基于两方故障原因的差异,根据运行数据对两方的实际设施故障原因[12]进行对比分析。
1)输变电设施的可用性对比及分析。
对比范围内两方的线路和变压器的可用率变化情况如图5所示。
显然,中国输变电设施的可用性明显高于北美地区,交流线路可用率平均高出约1个百分点,变压器可用率平均高出2.6个的百分点。通过计算设施的计划停运时间与非计划停运时间的比值,深入分析两方输变电设施的可用性管理水平,见表1、表2。
由表3、表4可以看出,北美地区的计划停运时间与非计划停运时间的比值水平明显优于中国,2011年的变压器时间比值甚至相差了接近100倍。这说明,北美地区关于输变电设施计划检修方案的管理方式明显优于中国。
2)输变电设施故障原因比例对比。
2012–2014年NERC统计的引起输变电设施故障的各原因的次数表明[6]:天气因素、误操作、交流线路和变电站设施故障占了所有故障原因中的55.21%,同时,存在20.79%的停运事件故障原因不明。在相同统计年限里,中国主要的故障原因为气候因素、自然灾害、外力损坏和产品质量不良,4类原因造成的非计划停运事件占停运事件总数的78.75%,同时中国有6.48%的非计划停运事件的责任原因不明。
2 中国输电网可靠性性能管理中存在的问题分析
基于以上国内外输电网可靠性性能管理情况的对比以及中国实际管理工作的调研,总结得到中国在管理方式、数据记录、数据挖掘以及管理经济性等方面的问题主要有以下几个方面。
2.1 管理体系导致监管力度不足
中国输变电可靠性监管部门功能定位侧重于服务电力系统,对电力系统的监管力度较弱。可靠性管理中电力企业完成了数据采集到上报的整个过程,缺失中间环节监管,导致故障原因、故障时间等重要信息的真实性受到质疑,使可靠性管理失去了基本的支撑。
2.2 管理目标与管理职能不对应
可靠性管理可以分为监管和企业两个大的层面,每个层面形成闭环的管理才能真正提升可靠性。监管层面要提升可靠性、制定全国的可靠性标准必须在掌握负荷、系统运行和可靠性全面状况的基础上,而中国目前可靠性监管职能和掌握的信息都过于单一;企业层面要在保证可靠性标准的基础上,力求经济运行。因此企业要将可靠性统计、设备维护、检修、规划等融入到设备的全寿命周期管理中,而目前更侧重统计,服务于监管,却忽视了企业内部的管理目标。
2.3 故障的技术原因和责任原因设置需要改进
1)输变电技术原因问题。
根据2010–2014年的统计数据,输变电设施运行事件中技术原因填写为“其他”的比例分别为51.5%、35.7%、34.1%、36.8%和49.2%,填写比例极高,影响了故障原因的深入分析。
2)输变电责任原因问题。
结合2011–2014年全国输变电设施的历史运行数据,统计分析得到每年主要责任原因占比见图6。
根据图6可知,中国输变电设施发生非计划停运部分原因占比相对较低,尤其是调度不当、领导指挥不当以及燃料影响在统计期间没有出现历史记录。
以上分析一方面说明中国在责任原因和技术原因的设置选项上存在不合理因素,另一方面也说明可靠性录入人员在运行数据记录时存在填写不认真的情况。
2.4 数据准确性、规范性和完整性有待提高
目前国内各单位对于架空线路、变压器、断路器和隔离开关4类纳入对标统计的设施可靠性数据填报比较重视,但对其他设施的数据关注度不足。同时,国内也存在数据录入人员对规程理解不透彻、系统使用不熟练以及刻意改动数据的现象。以上原因大幅影响了输电网可靠性性能数据的准确性、规范性和完整性。
2.5可靠性指标不能反映可靠性的差异
可靠性指标统计中没有考虑特殊地形和特殊环境对可靠性数据的影响,导致指标的应用受限。例如台风多发地区可靠性指标受台风影响较大,而内陆地区无台风影响,将台风对可靠性的影响纳入指标的计算,不能真正反映不同地区可靠性管理水平的差异。
2.6 数据深度分析不足
虽然中国已经积累了大量输电网可靠性运行数据,但由于深度分析不足,数据不能为部分实际工作提供支撑。输电网可靠性数据对提高电力设施制造质量、工程建设质量以及改进电网企业可靠性水平的作用没有完全发挥出来。
2.7 可靠性与经济性的协调应用还远未实现
在电网企业输变电设施管理的各阶段,可通过提高设施制造质量和安装质量、严格设施选型及检修维护、生产运行等手段来提高输变电设施可靠性,但无法实现基于可靠性的成本精细核算。电网企业更多地关注输变电设施的可靠性,对经济性关注度不足,导致电网企业在资产管理方面远没有实现可靠性与经济性的平衡。
2.8 输变电可靠性管理信息系统有待完善
目前,电力可靠性管理中心与电力企业同用一套系统,该系统主要满足电力可靠性管理中心指标统计的需求,由于该系统基础数据不够完备并且对数据的挖掘度不足,导致对企业内部可靠性数据以及经济性需求的满足度较差。
3 中国输电网可靠性性能管理发展方向
3.1 电力改革的影响
从监管角度分析:全社会对电力系统可靠性需求越来越高[13];同时随着全面电力市场化改革的启动,电力可靠性管理的缺失增加了改革的风险。从企业角度分析,电力市场化改革加剧了成本控制对于企业良性发展的影响。电力企业属于资产密集型企业,资产利用率的降低迫使电力企业必须开展资产管理。资产管理的重要部分之一就是设备可靠性管理,因此输电网可靠性管理不仅满足监管需求,还应该满足企业内部的管理需求。
3.2 企业资产管理的需求分析
2008年中国电力企业结合自身特点以及国外先进的管理经验,逐步开展资产全寿命周期管理的工作。目前,国内电力企业的资产全寿命周期是以电力设施为主展开的[13]。开展资产全寿命周期管理的实质是在保障设施运行可靠性的基础上尽可能降低其全寿命周期成本[14]。因此输电网可靠性性能管理也是企业资产管理的需求。
3.3 未来需要改进的关键问题
鉴于国内可靠性管理现状以及未来改革的驱动,提出几个比较紧迫需要改进的关键问题:
1)中国可靠性监管职能如何保证可靠性数据的真实性:通过管理职能和管理流程的调整,加强事故追踪和监管力度,或者通过可靠性立法保证。
2)监管和企业两个层面管理内容与目标的协调:中国目前力图实现全电压等级、全设施的实时可靠性监管,增加了管理难度和管理成本。按照监管全面、突出重点、控制周期的指导思想改进管理设备种类和上报周期,追求有效管理。企业根据全寿命周期的需求,开展无功设备、二次设备、通信信息设备的全资产管理。企业系统可以产生监管中心数据,实现定期数据增量更新。
3)监管部门完善评价体系:结合中国自身电网的特点,逐步开展输电能力、输电服务能力以及电力系统可靠性的评价,深入研究指标体系完善性以及各指标的指向性、可测性以及一致性,逐步建立风险评价体系。
4)电力企业可靠性闭环管理:首先建立企业面向全寿命周期资产管理的信息支撑体系,从设备招投标开始进入管理档案,设备管理贯穿修护、检修、故障等各个运行过程,并实现与财务等数据的关联;而后开展输电网设备故障信息的深度挖掘,提供企业全寿命周期管理的必要数据;最终通过分析提出可靠性提升手段。
4 结语
本文分析了中国目前输电网可靠性性能管理现状并将其与北美先进管理经验进行对比,得到国内外输电网可靠性性能管理差异与效果分析。最后考虑了电力改革以及企业全寿命周期管理的需求,分析了未来输变电可靠性性能的发展方向,为未来管理体系的调整优化提供参考。
摘要：随着电力系统的变革,电网规模、电网结构、设施种类以及管理需求发生了变化,现有的输电网可靠性性能管理在管理手段、管理范围和领域、管理技术等方面需要进行改进。文章介绍了中国以及北美地区输电网可靠性性能管理的方式体系并进行对比分析,同时指出中国在输电网可靠性性能管理方面所存在的问题以及在电力改革大环境下的未来发展方向,可为中国输电网可靠性性能管理提供参考。
关键词：输电网,可靠性性能管理,国内外差异,未来发展
国产厚壁钢板性能可靠性分析 篇2
(一) 材料国产化的技术论证
反应器是该装置的核心设备。据外方要求, 反应器应采用SA516Cr70板材制造。目前国内采用UNIPOL工艺技术的全密度聚乙烯装置反应器没有使用国产材料的业绩。
为了实现大型设备全面国产化, 对材料国产化进行了技术论证:
(1) SA516Cr70材料是ASME标准经典钢种, 16MnR、16MnDR材料是SA516Cr70派生钢种。国产钢材与ASME材料相比, 随着厚度的增加, 强度下降较大且变化明显, 但化学成分变化不大;ASME材料随着厚度的变化, 化学成分也发生变化, 通过增加碳含量提高强度。从化学成分、力学性能比较, 两种材料相当。国内16MnR、16Mn使用广泛, 制造厂对其性能比较了解, 制造和焊接技术成熟, 设备制造质量容易保证。
(2) 兰州冬季月平均最低温度为-13.4℃, 16MnR材料理论上可以满足其自然条件要求;全密度聚乙烯工艺条件相对温和, 对材料无明显化学腐蚀和应力腐蚀情况。
(3) 反应器只有锥体段材料厚度δ=92mm, 其余部分材料厚度δ≤60mm, 目前国内16MnR (δ≤60 mm) 板材质量稳定, 完全可以替代ASME材料。
(4) 为了提高设备安全可靠性, 可在现有标准基础上提高质量要求, 如“提高探伤合格级别、低温韧性”等。
通过调研发现, 当前国内厚板在制造厂卷轧过程中曾发生开裂。究其原因:国内外标准存在差异, 国外标准范围较宽, 但实物质量较高;国内标准较严格, 但钢厂实际执行情况不一致, 钢板质量稳定性差。16MnR厚板表面质量明显劣于进口材料, 易起层、易出现缺口裂纹, 颗粒度较差影响耐压性能, 杂质 (硫、磷等) 分布不均匀, 会影响力学性能。
目前国内钢厂生产情况:重庆钢厂只能生产≤60mm厚16MnR板材, 生产质量较好 (力学性能实测值高于国标) ;舞阳钢厂生产16MnR板材板厚可达150mm;武汉钢厂介于二者之间, 生产板厚≤80mm 16MnR板材。
通过对比, 只有舞阳钢厂可以生产满足设备制造需要厚度的板材。为了确保厚壁钢板性能的可靠性, 实地考查了舞阳钢厂的冶炼、轧钢等主要工序, 参观了舞阳钢厂的产品及成果展示。该厂目前1#、2#两个炼钢炉均使用, 其中1#炉设计能力为75t, 2#炉设计能力为90t, 目前实际年生产能力为130万吨。舞阳钢厂具有目前国内最大的轧机 (4.2m) , 为三峡工程所供钢板中最大宽度达4020 mm。另外三峡工程中永久性船闸24扇闸门也均是该厂供货。舞阳钢厂目前生产钢板的厚度系列有:420, 300, 250, 200, 150, 100, 90, 80, 70, 60, 50, 30mm。曾获得国家质量奖审定委员会颁发的“16MnR压力容器用宽厚钢板银质奖章证书”。舞阳钢厂的生产能力、产品种类、质保体系, 能够满足标准和技术条件对反应器用钢板的质量要求。最终实测结果也证明材料各项性能指标满足设计要求 (见表1国内外SA516Gr70、16MnR材料成分对比分析) 。
根据理论分析和实际工作经验, 对SA516Gr70、16MnR材料进行了对比论证, 最终确认以国产16MnR替代SA516Gr70材料。
(二) 国产及进口材料成分对比
表1给出了进口SA516Gr70与国产16MnR材料成分对比分析。
(三) 结束语
浅述智能电能表外观与性能可靠性 篇3
关键词：智能电能表,表壳材料,安全性
0 引言
自2009年起,国家电网开始对智能电能表进行统一招标,便对各个厂方的表计制造制定了1个统一的标准。这次的统一对智能电能表的外形尺寸、液晶显示以及内部程序进行了统一的规定,是对电表行业的一次革新,由普通电子表过度到智能电能表,是1个飞跃,对发展智能电网向前迈进了一大步。
在我们校验的工作中,除了对计量准确性的校验,更多地关注在智能电能表的外观和安全性能上。
1 智能电表外观的材料选取
表壳作为智能电能表上外观方面最直观的体现,用来制作表壳的材料也各有不同。对于表壳材料,需要在挂网的外界环境中经受各种环境的考验,这对表计表壳材料的选择有了1个相对重要的考验。目前国网智能电能表表壳主要由PC/ABS合金系列和PC/GF合金系列材料构成。前者底座+上盖用PC/ABS合金料,PC含量一般在60%,ABS的含量在40%,阻燃等级一般都为V0;接线芯端子用PC/GF料按国网要求,PC料加20%,阻燃等级一般都为V0;显示面板和上翻盖面板采用透明PC原料生产,阻燃等级一般都为V2。后者底座+上盖用PC/GF合金料,PC含量一般在90%,GF的含量在10%左右,阻燃等级一般都为V0;接线芯端子用PC/GF料按国网要求,GF料加20%,阻燃等级一般都为V0;显示面板和上翻盖面板采用透明PC原料生产,阻燃等级一般都为V2。
各种材料之间也有各自所具有的特性和优点,将这些材料的主要参数做了以下的对比(见表1)。
虽然这种材料都具有自己的优点、缺点,在各类材料对各个主要参数温度对比后,得出PF(胶木)虽然成本较高,但是作为需要承受瞬间短路冲击电流的电能表来说,是最耐热的材料。而且较低的注塑温度,也可减少生产过程中的不良品,300℃的最高使用温度也能满足现在智能表计挂网后所承受的温度。可以保证智能电能表在正常工作中的正常使用,也可保证在挂网后承受外界恶劣环境的同时,依旧能正常工作。
2 电能表螺丝的检查
在电能表计上的螺丝,虽然是个细节,也是外观中,需要检查的1个项目。电压、电流端子螺丝应使用防锈且导电性能好的一字、十字通用型螺丝,经互感器接入式电能表接线螺杆直径不M4,直接接入式电能表接线螺杆直径在Imax≤60 A时,应不小于M5,Imax>60 A时,应不小于M6,并有足够的机械强度。一般端子螺丝表面采用冷镀镀彩锌处理,防锈等级一般要求满足盐雾实验96 h,E6级(48 h无白斑,96 h无红锈)电镀彩锌工件表面光滑平整,但是因为镀层比较薄,一般在5μm~30μm内,所以防腐蚀的时间会比较短。
3 电能表电池的使用
相对于外观,表计性能的安全性也是比较重要的一点。智能电能表能通过核心的CPU能对当前及之前13个月的电量和事件进行存储。时钟电池在此起了比较重要的作用,曾发生过,因时钟电池没电,引起的计量误差,漏计、多计,导致最终分时段的电量之和与总电量不同。用作时钟电池的一次锂电池的安全性能更为重要。锂电池具有单体电压高、比能量高、贮存寿命长,工作温度范围宽等突出的优点,受到人们普遍关注。
由于电池存在自放电,必然存在贮存寿命。电池使用者应考虑到这一因素。设计相配合的电路板,避免在电表使用寿命中电池没电等现象出现,也应注意电池在智能电能表上电与下电时,使用与不使用转换的瞬间对智能电能表电量计量的影响,避免造成不必要的计量误差。
所以对智能电能表内电池的选择,也是相当重要的,要保证电能表不会因为电池故障引起表计的计量误差。而作为智能电能表内新加入的继电器,也需要有良好的散热能力,才能在确保电能表正确计量的同时能正确动作,并承受过流、过压等瞬间电流的冲击。只有在元器件都有良好的性能时,才能保证智能电能表能够在挂网的各类环境中,正确的计量和运行。
4 结语
可靠性性能管理 篇4
滚动轴承是各类机械装备广泛应用的重要基础件, 其使用性能对主机的使用性能有非常大的影响, 因而, 轴承的性能可靠性研究一直倍受关注。轴承的失效一般都发生在工作接触表面或表面层[1],改善轴承零件接触表面的综合性能,是提高轴承性能可靠性的重要措施。
表面改性技术能够延长轴承寿命、降低摩擦力矩,是提高轴承性能可靠性的有效手段[2,3]。磁控溅射离子镀技术是一种新型的低温、高效表面改性技术,其镀膜具有组织均匀致密、附着性好、制备工艺稳定等特点[4],适宜作为精密轴承零件的最终处理工序,但该技术在滚动轴承上的应用在国内尚鲜见报道。
类金刚石具有力学和摩擦学性能良好、硬度高、化学稳定性好等特性,是一种优良的薄膜材料[5,6],在轴承、齿轮、航天微电子机械系统等领域具有广阔的应用前景。但是,单一的类金刚石镀层存在很大的缺陷(内应力大、膜-基附着强度低等),限制了其在产品中的应用[5,6]。通过掺入一定量附加元素到类金刚石镀层,可以极大地提高其附着强度和韧性,改善其使用性能,扩大其应用范围[7,8,9]。铬与钢基体有很好的亲和力,CrN镀层具有良好的膜基结合强度、较高的硬度和很好的热稳定性,常用于提高工件表面的耐磨性[10]。
鉴于此,本文将铬和氮两种元素掺入到类金刚石薄膜中,应用磁控溅射离子镀技术在6204轴承钢球表面制备CrCN复合镀层,探讨CrCN复合镀层对轴承性能可靠性的影响。
1 实验方法
1.1 CrCN复合镀层钢球的制备
图1为制备CrCN复合镀层的磁控溅射设备的溅射原理示意图。制备CrCN复合镀层的磁控溅射靶为2个C靶和2个Cr靶,C靶和Cr靶相互间隔均布于真空室侧壁,C靶和Cr靶中的C元素和Cr元素的质量分数均不小于99.99%,N2的体积分数不小于99.99%。制膜时的靶-基距约为120mm。镀层制备过程中,试样台在真空室内匀速转动,钢球试样在试样台的载物架上随机转动,以保证镀膜的均匀性和性能的一致性;对试样施加一定的偏压,以保证镀层的致密性,提高制模质量。沉积过程中的工艺参数是逐步缓慢改变的,以使制备的镀层结构平稳过渡,减小制模的内应力。
钢球试样在放入真空室前用丙酮和酒精进行超声波清洗,以除去其表面的杂质,提高膜-基附着强度;镀层沉积前的本底真空度为4.0mPa,沉积时通入氩气(体积分数不小于99.99%),待气压升至0.12Pa时,施加400V的负偏压对基体进行离子清洗,以获得清洁的基体表面,并活化基体,提高膜-基的附着强度;沉积过程中,对基体施加90V的负偏压。CrCN复合镀层主要包括离子清洗、Cr打底层、Cr-C梯度过渡层和Cr-C-N纳米复合工作层。在沉积Cr-C-N纳米复合工作层时,C靶材电流为1.2A,Cr靶材电流为1.0A,N2的流量用光发射谱法来控制。制备的CrCN复合镀层中,主成分元素的原子数百分比如下:C为28.0%,Cr为64.06 %,N为7.84%,复合镀层的厚度约为1.5μm。
1.2 性能可靠性实验参数的确定
根据机械行业标准JB/T50013《滚动轴承寿命及性能可靠性实验规程》的相关要求,在进行轴承接触疲劳性能可靠性寿命实验时,实验的转速、载荷分别为6000r/min和7.0kN。
精密轴承要求有高的寿命可靠度(99%),其寿命计算公式[11]为
L1a=α L10h (1)
式中,L1a为99%可靠度下的疲劳寿命,h;α为99%寿命可靠度修正系数,α=0.21;L10h为90%可靠度下的疲劳寿命,h;n为实验转速,r/min;F0r为实验轴承的额定动载荷,kN;F为轴承的实验载荷,kN;ε为疲劳寿命指数,对于球轴承取3。
由式(1)可知,精密6204滚动球轴承在6000r/min和7.0kN作用下的疲劳寿命(99%可靠度)约为28h。
1.3 轴承性能可靠性实验
实验的6204轴承为同一批次、相同精度的轴承,材料为GCr15。6204轴承主要结构参数如下:内径为20mm,外径为47mm,宽度为14mm,钢球个数为8,钢球直径为7.938mm,内沟曲率系数为0.525,外沟曲率系数为0.535。
6204轴承实验原理如图2所示。此实验机每次实验可以同时安装4套实验轴承,其主轴由电主轴驱动,并由变频器来实现电主轴的无级调速(转速误差不大于1%);加载采用比例液压加载方式(加载误差不大于1%);用轴承专用润滑油润滑实验轴承,轴承润滑油的温度由油冷机自动控制,控制温度浮动范围为5℃,供油压力为1MPa。实验过程中,每次实验安装4套相同的轴承,轴承的外圈静止、内圈旋转。测试轴承外圈温度和壳体振动,并将其作为判别轴承性能和性能可靠性的基本依据。实验过程中,轴承的温度、转速、振动及实验时间由计算机自动检控。
2 结果与讨论
2.1 CrCN复合镀层的制备质量
图3所示为JSM-6700F型扫描电子显微镜观察得到的CrCN复合镀层的表面形貌。可以看出,复合镀层表面平滑,颗粒细小而均匀、排列结合致密,没有鳞状剥落和团聚等缺陷。SP13800-SPA-400型原子力显微镜测得的复合镀层表面粗糙度Ra=7.526nm(无镀层基体表面粗糙度Ra=100nm)。这表明复合镀层可以降低试样基体表面的粗糙度,减小基体的表面缺陷。因而,采用磁控溅射技术制备出的复合镀层提高了试样基体的表面质量。
2.2 镀层轴承的性能可靠性
图4所示为镀层轴承性能和无镀层轴承性能可靠性实验结果。从图4可以看出:在轴承稳定工作时间内,镀层轴承的振动值大约为0.50g,无镀层轴承的振动值大约在0.76g;镀层轴承的振动值的波动小,无镀层轴承的振动值有大的锯齿状的波动。由此可见,镀层降低了轴承的振动值,提高了振动的稳定性,这说明CrCN复合镀层能够提高轴承的性能及性能可靠性。
由镀层轴承性能可靠性进行的测试结果(图4a)可以看出,镀层轴承的耐磨性振动曲线大致可分为3个阶段:第一阶段是0～46h,此阶段镀层轴承的振动非常稳定,显示CrCN复合镀层完好,镀层轴承在稳定工作;第二阶段大约是46～48h,镀层轴承的振动已有逐渐变大的趋势,表明CrCN复合镀层逐渐被破坏;48h后为第三阶段,镀层轴承的振动明显快速增大,可以认定CrCN复合镀层已破坏。可见,镀层轴承的性能可靠性寿命为46～48h,而精密轴承要求其可靠性寿命为28h,因而,制备的CrCN复合镀层钢球轴承的性能可靠性寿命完全满足精密轴承的寿命可靠性相关要求。另外,还可根据精密轴承使用工况条件的不同,适当增加CrCN镀层制备厚度,以提高镀层轴承的耐磨性和性能可靠性。
实验过程中油冷机设置的工作温度变化范围为5℃,这使实验轴承的温度呈现出锯齿状的波动。温度的波动是导致无镀层轴承的振动呈现明显锯齿状的主要直接原因之一,温度的变化对无镀层轴承的性能可靠性影响是非常大的。
2.3 轴承的失效分析
对实验轴承的失效进行了观察分析,从观察各个失效的轴承情况来看:镀层轴承的内外圈滚道看不到任何失效,都完好如初,而钢球上的复合镀层几乎已磨损完,复合镀层磨损形貌如图5a所示,无镀层轴承的失效特征如图5b所示,可以看出其失效形式主要是疲劳剥落失效。用X射线能谱分析方法对图5a选区的元素含量(能量)进行了分析,其分析结果如图6所示,材料表层元素主要为铁元素,此外还含有铬元素和碳元素,此时的元素含量已不是前述的复合镀层的各元素含量,这表明镀层轴承的失效主要是由于镀层的磨损失效。
镀层轴承的主要失效形式是镀层的磨损失效,因而,提高镀层耐磨性是提高镀层轴承的性能可靠性的关键。可以采取提高镀层硬度、耐磨性、韧性、膜-基附着强度,减小镀层的摩擦因数和残余拉应力,适当增大镀层的厚度等措施,来提高镀层的性能可靠性,进而提高镀层轴承的性能可靠性。
3 结论
(1)采用磁控溅射离子镀技术制备的CrCN复合镀层能够极大地提高轴承的性能及性能可靠性,是提高轴承性能及性能可靠性的有效途径。
(2)镀层轴承的失效形式是镀层的磨损失效,提高镀层的耐磨损性能和减小镀层磨损量的措施都可以提高镀层轴承的性能可靠性。
摘要：应用磁控溅射离子镀技术在6204轴承钢球表面制备出CrCN复合镀层,用扫描电子显微镜扫描并用原子力显微镜检测了CrCN复合镀层的表面质量,对CrCN镀层轴承的性能可靠性进行了实验。研究结果表明:制备的CrCN复合镀层具有优异的表面质量,Ra为7.526nm;与无镀层轴承相比,CrCN复合镀层钢球轴承降低了轴承的振动,提高了轴承的性能可靠性,镀层轴承的失效形式为镀层磨损失效。
关键词：磁控溅射,CrCN复合镀层,轴承,钢球,性能可靠性
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可靠性性能管理 篇5
为改进高速电主轴可靠性设计,提高国产电主轴可靠性水平,国内研究机构近年来相继开展了电主轴可靠性试验技术研究。电主轴作为高新技术产品,具有转速高、寿命长、造价高等特点,不仅难以完成加载及可靠性试验,受试验条件影响,还难以进行大样本、失效数据的可靠性理论分析。针对电主轴可靠性试验及理论分析存在的问题,邱荣华等[1]设计了高速电主轴电磁加载装置,解决了电主轴可靠性试验方法的问题。近二十年来,随着高可靠、长寿命产品可靠性分析的需要,研究者提出了小子样条件下基于性能退化量的无失效数据可靠性分析方法,为电主轴可靠性分析提供了理论基础。
目前,小子样条件下无失效数据处理与分析方法仍是可靠性理论研究的难点问题,主要原因在于,依据小子样性能退化试验检测的无失效数据难以准确分析产品退化轨迹模型和失效值,由此难以确定合理的寿命分布模型。针对此问题,多数研究均选用几种典型函数拟合退化模型,如线性、指数、幂函数及对数函数等,寿命分布模型则根据工程经验选择Weibull分布、正态分布或Beta分布函数等。根据上述小子样退化模型和寿命分布模型评估的产品寿命与实际使用值基本一致,上述方法不仅完善了可靠性理论,也很好地推动了可靠性理论在工程中的广泛应用。
基于性能退化量的小子样可靠性分析方法主要有虚拟增广样本法、贝叶斯法和极大似然法,Jayaram等[2]提出产品性能退化数据的分析模型,利用极大似然法对主轴产品实时可靠性水平进行了分析和预测;Xu等[3,4]提出了识别不明显退化量及动态系统实时可靠性水平的在线分析方法;Xu等[5]利用EM算法建立退化数据模型,据此分析了通用主轴可靠性指标;Wang等[6]利用模糊退化数据,提出基于竞争失效模式的可靠性分析方法;Zhao等[7]利用退化数据评估了金属化膜电容器的可靠性;Peng等[8]应用贝叶斯法评估了卫星的可靠性水平;朱德馨等[9,10]针对随机性能退化过程,应用混合Beta分布模型评估小样本高速列车轴承寿命;邓爱民等[11]利用加速退化试验数据建立武器装备性能退化量分布模型,并提出可靠性评估方法;傅惠民等[12]针对航空设备,提出Weibull分布定时无失效数据可靠性分析方法;金光[13]建立小子样航天轴承性能退化过程的Bayes层次化模型,应用虚拟增广样本法评估了轴承对数正态寿命分布参数;蒋喜等[14]分析了极小子样电主轴伪寿命分布及虚拟增广样本数,应用虚拟增广法评估了电主轴平均寿命等可靠性指标。
综上所述,基于性能退化量的小子样可靠性研究涉及诸多领域,但有关电主轴的可靠性研究资料并不多。为完善高速电主轴可靠性试验技术,本文探讨了小子样电主轴性能退化试验方法;针对170MD18Y16型电主轴性能退化试验,以轴端径向跳动量(位移)作为性能退化特征量,应用对数线性函数拟合两根试样电主轴退化量,建立退化轨迹模型,由设定的退化量失效阈值确定试样电主轴失效寿命;根据Weibull寿命分布,分析170MD18Y16型电主轴分布模型参数,确定其寿命分布模型。
1 性能退化试验装置
为完成电主轴可靠性试验,文献[1]设计了非接触电磁加载装置,通过直流电磁铁与加载盘相互作用,在主轴上产生电磁力,模拟主轴切削力载荷,以此实施可靠性负载试验。本文利用电磁加载装置设计了电主轴性能退化试验台,完成170MD18Y16型电主轴性能退化可靠性试验。具体方法如下:在加载装置产生电磁力载荷作用下,电主轴长时间、连续运行,其轴承出现磨损,使主轴轴端径向跳动量增大,该值达到设定值即可判定电主轴失效,故轴端径向跳动量为表征电主轴性能劣化的退化量;负载试验中,在定时截尾时间内实时检测该性能退化量,即可完成电主轴性能退化试验。图1所示为电主轴性能退化试验台,主要由电主轴、加载盘、直流电磁铁、直流电源、激光位移传感器和大功率轴流风机组成。其中,加载盘为高导磁铁镍合金圆盘,安装在电主轴轴端,直流电源采用恒流源为电磁铁提供励磁电流,经电磁铁产生直流电磁场,并经加载盘在主轴上形成电磁力载荷,实现电磁非接触加载;激光位移传感器用于检测电主轴轴端径向跳动量,采集性能退化量数据;大功率轴流风机用于电磁加载装置散热,使性能退化试验台可长时间连续运行。
2 截尾时间及性能退化特征量分析
高可靠、长寿命产品可靠性试验多采用小子样方法,针对复杂系统,考虑装置造价及试验条件,试验样本数可取1~2个[11,13],电主轴装置结构复杂、技术含量高、价格昂贵,故可靠性试验选取两根试样电主轴,样本数为2。根据电主轴性能,采用定时截尾方法判定试验终止时间,截尾时间依据GJB899A-2009标准进行判定,具体方法为:选取170MD18Y16型电主轴定时试验统计方案,确定两根试样电主轴总试验时间Td=2880h,则每根试样截尾时间Tr≥Td/2,即截尾时间Tr≥1440h。依据类似电主轴的平均寿命,本文设定Tr=1700h。在规定截尾时间内,连续若干个轴端径向跳动量测试值超过初始值的1.6倍,则终止性能退化试验;若到规定截尾时间,测试值未达到初始值的1.6倍,则按定时截尾试验原则,仍终止性能退化试验。
为准确获得电主轴性能退化数据及退化失效状况,需适当选取电主轴工作性能指标作为性能退化特征量。170MD18Y16型电主轴主要性能指标为前后轴承温升、主轴振动速度及轴端跳动量。电主轴在轴端径向载荷持续作用下,前后轴承磨损加剧,加大了轴承温升及主轴的振动,并导致轴端径向跳动量超过允许值,表现为主轴回转误差过大、丧失精度,造成电主轴失效。故轴端径向跳动量反映了主轴回转精度,确定其为电主轴性能退化特征量。
3 小子样电主轴退化轨迹模型
3.1 退化量数据
文献[1]设定的电主轴可靠性试验条件为应力载荷Fy=81.1N,主轴转速9000r/min。按此试验条件,选用FT5070F型激光位移传感器检测170MD18Y16试样电主轴的轴端径向跳动量,按一定间隔时间连续采集轴端径向位移,一个采样周期内的实测波形如图2所示。
一个采样周期时间显示的轴端径向跳动量幅值变化不大,随着采样时间的增加,轴端径向跳动量幅值将逐渐增大。根据采样间隔时间,整理的两根170MD18Y16型试样电主轴轴端跳动量部分实测数据如表1所示。
μm
3.2 退化量建模
表1中测试数据按试验时间间隔12h取值,试验时间应取至试验设定的截尾时间Tr=1700h,轴端径向跳动量y为采样时间点的测试值。根据表1轴端径向跳动量数据,可建立退化量统计模型。该模型为电主轴的退化轨迹,表示退化量与时间变化关系。对于应力加载的性能退化试验,由磨损效应产生退化量,则退化轨迹方程可采用幂函数表示[11],即
对式(1)两边取对数,可得线性化方程:
式中,y为退化量;α、β为模型参数。
该模型实际表示退化量与时间的对数线性关系。设定失效阈值,根据退化量统计模型可得失效寿命。
表1中两根试样电主轴轴端径向跳动量数据分布点如图3所示,图中样本退化量分布点基本呈直线退化趋势。应用最小二乘法拟合样本退化量分布点,得到电主轴性能退化拟合曲线。
图3中拟合曲线表示电主轴轴端径向跳动量的实际退化轨迹。通过数据拟合,直接得到相应退化量拟合函数式如下:
样本1线性退化模型为
样本2线性退化模型为
式(3)和式(4)中所示直线退化模型与式(2)一致,表明退化模型与主轴磨损退化量经验分布模型相符。根据退化数据拟合的退化模型,可直接得到模型参数α和β的估计值,如表2所示。
3.3 退化模型假设检验
根据退化量试验数据,可选用经验分布函数对样本退化模型进行拟合检验[15]。经验分布函数Fn(t)是理论分布函数F(t)的较优估计,可表示为
计算检验统计量Dn,并确定Dn计算值中的最大值,方法如下:
式(6)中,Fn(t0)=0。
表1中样本数据容量n为142,根据表1试验数据,应用式(5)和式(6)分别求出i=1,2,…,n时的|Fn(ti)-F0(ti)|和|Fn(ti+1)-F0(ti)|。其中,检验统计量Dn最大值Dmax=0.0809。经验分布函数拟合检验的显著性水平τ一般在0.10~0.20范围内取值,本文取较小值τ=0.10。查统计量Dn极限分布函数值表得λ1-τ=λ1-0.10=1.23[16],样本数据容量n=142,计算得。由于检验统计量最大值Dmax<Dn,τ,故退化模型假设检验成立,所以式(3)和式(4)退化模型正确。因此,可确定式(3)和式(4)分别为两根试样电主轴性能退化轨迹模型,对应幂函数模型分别为
样本1幂函数退化模型
样本2幂函数退化模型
当退化量相对失效阈值为1.6,即式(7)和式(8)中退化量y1和y2达到初始值的1.6倍时,试样电主轴失效。根据检测值,样本1初始跳动量为5.6μm,其失效阈值为8.96μm;样本2初始跳动量为4.8μm,其失效阈值为7.68μm。将失效阈值分别代入式(7)和式(8),可计算试样电主轴失效寿命^T,分别为2239h和2884h,均值为2561h,失效寿命如表2所示。
两根试样电主轴失效寿命存在一定偏差,主要原因如下:轴端径向跳动量为微米级,而FT5070F型激光位移传感器精度也为微米级,受试验条件限制,若选用更高等级精度的激光位移传感器,可明显提高跳动量测试精度,减小失效寿命误差;激光位移传感器安装支架需采用更有效固定方式,以减小周围环境对试验测试的影响;减小采样间隔时间,增大采样值数量也可有效减小误差。文献[14]给出170MD18Y16型电主轴实际使用寿命为2221h,考虑误差影响及小子样条件,本文试样电主轴失效寿命均值与同类型电主轴实际寿命基本一致,表明小子样电主轴退化量建模方法有效。此外,本文失效阈值取值较为保守,适当降低失效阈值,可缩短试样电主轴失效寿命均值,更接近于实际使用寿命。
4 电主轴寿命分布模型及参数估计
根据小子样失效寿命,应用极大似然法或虚拟增广样本法可确定电主轴寿命分布模型。虚拟增广样本法需合理选择虚拟增广样本数,而样本数的确定有一定主观性,不同样本数分析的可靠性指标存在较大偏差。极大似然法可有效利用退化量测试数据计算寿命分布参数,并利用寿命分布验前、验后信息确定寿命分布置信限,分析结果较为准确。该方法先假定寿命分布函数,对于电主轴等高可靠长寿命机电产品,可假定寿命服从Weibull分布[15]。基于此,鉴于极大似然法已广泛用于小子样可靠性分析[2,11?12],本文针对两根试样电主轴的可靠性试验,应用改进极大似然法分析电主轴可靠性指标。该方法依据寿命分布函数推导出修正极大似然函数,并应用修正极大似然函数和性能退化试验数据估计分布参数,其估计值可取代真值,从而确定电主轴寿命分布模型,评定其可靠性指标[17]。
电主轴性能退化试验数据可表示为(ti,ni),i=1,2,…,k,针对Weibull分布函数,文献[17]推导了修正极大似然函数和分布参数估计式如下:
式(9)为修正极大似然函数,其中,C为常数,为权函数,ti为试验时间,ni为试验样本数。根据式(9)进一步推导分布模型形状参数m的估计(式(10))和尺度参数η的估计(式(11))。
针对两根电主轴性能退化试验,将表1数据表示为(ti,2)(i=1,2,…,k)。根据经验值,取式(9)中权函数[17],由表1数据知k=2,故设l1=l2=0.3。将试验数据代入式(10)计算出,再将代入式(11)计算出。计算结果为:。
因修正极大似然参数估计值可取代真值,所以Welbull分布形状参数m=1.6472,尺度参数η=2494。Welbull寿命分布尺度参数η即为电主轴特征寿命,故170MD18Y16型电主轴寿命理论值为2494h,而该型电主轴使用寿命为2221h。对比可知,寿命理论值与实际使用值基本一致,表明本文分布模型及参数分析方法有效。
根据模型参数m和η计算值,可得170MD18Y16型电主轴Welbull寿命分布概率密度函数f(t)为
分布函数F(t)为
5 结语
探讨了小子样电主轴性能退化试验方法,检测了两根170MD18Y16型电主轴性能退化数据;对试样电主轴轴端径向跳动量检测数据进行拟合,得到对数线性退化模型,完成模型假设检验,建立了170MD18Y16型电主轴幂函数退化模型;基于小子样轴端径向跳动量试验数据和Weibull分布函数,应用修正极大似然函数分析分布参数,确定170MD18Y16型电主轴寿命分布模型。
可靠性性能管理 篇6
1 F级燃机汽轮机产品及性能的演变
F级燃机汽轮机型号的多样性, 能够满足不同使用者的需求, 其中, MS9000、MS7000以及MS9000的燃机系列中, 都生产有F级产品, 而且运行性能良好 (见表一) 。
MS6001FA、MS7001FA及MS9001FA的燃机汽轮机均设有3级燃气透平和18级压气机, 它们都是以轴向排气和冷端驱动为主要特征, 对联合循环的布置非常有利。F级的燃机汽轮机采用的是GE公司分管式的燃烧系统, 并具有传统性和可靠性, 而且F级燃机还可配置有双燃料的燃烧系统, 例如, 如果主燃料为天然气, 那么轻油就是其辅助燃料。
在主燃料天然气发生意外故障时, 轮机组就会自动的把主燃料变换成轻油, 以确保燃机不会因为燃料供应出现故障而终止运转, 这样就更加保证了机器运转的可用性和可靠性。同时机组也可以根据实际情况使用双燃料方式进行混合燃烧。除此之外, F级的燃机汽轮机也能够使用低热量的燃料, 这样就在很大程度上扩大了燃料供应的范围及灵活性。而且F级燃机汽轮机由IGCC电厂提供能源, 这也在燃煤过程中, 最大程度上降低了对自然环境的影响。
2 压气机
GE公司的F级燃机汽轮机中所使用的压气机, 运用E型燃机汽轮机的17级压气机, 用空气动力学进行模化的原理设计, 同时又加大了1个零级, 即:增加到18级。压缩比率大约为15。为了避免在机器启动时出现压气机喘振的现象, 在压气机内都会装有1~2个中间级别的出气口和进口转导叶, F级机组放气口一般置于第9和13级之后, 联合循环方式在运行的过程中, 进口可以转为导叶, 而且还能在一定的承载范围内保证在透平之前燃气的温度不会改变。
GE公司所生产的燃机汽轮机, 其压气机转子, 是采用的连接外围拉杆螺栓的盘鼓式结构类型, 盘鼓式转子就是将在与接近轮缘处各级轮盘的鼓环, 通过多条长且细的拉杆, 经过螺栓进行彼此压机, 最终连为一体, 所以压气机转子在轮缘连接处属于一个转鼓, 这样能保证转子具有非常好的刚性。
3 燃烧室
GE公司的F级燃机汽轮机都是才有传统逆流使得分管性燃烧室, 根据机组的容量不同, 燃烧室的数量也就不同。在GE公司中, 提供有两种燃烧室, 一种为低NOX干式燃烧室, 这种燃烧室采用的是稀释态的燃料混低NOX干式燃烧的技术, 这用技术能够用于轻质液体或者气体燃料, 在进行天然气燃烧时NOX的排放量要低于25mg/kg, 而在进行液体燃料燃烧室, 则需用注水的方式来减少NOX的排放。另一种为标准型, 这种类型可以使用气体以及其他各种液体燃料的燃烧, 一般情况下, 都会置有双燃料喷嘴, 双燃料喷嘴属于空气喷雾化式, 能够带有或者不带有能减少NOX的排放, 或者加大出力的注蒸汽或注水装置。
伴随着燃气在透平之前温度的提高, 必须对燃烧室的过渡段冷却进行加强, GE公司专门为F级的燃机汽轮机设计了具有冷却冲击效果的过渡段。这种过渡段属于双壳体形式, 用一个有很多小孔的外套对里过渡段进行包围, 在压气机中的空气穿过小孔时, 就会形成一种射流, 进而冷却冲击里过渡段。里过渡段由Nimonic263制作而成, 而且在里过渡段内部涂有耐热涂层。
4 透平
GE公司的F级燃机汽轮机, 其透平都是采用3级轴流式的透平, 这是用GE公司的航空技术设计而成的, 现代的科技中, 随着冷却技术及高温材料的迅猛发展, 燃气的温度由从前的1260摄氏度, 逐渐向FA型1327摄氏度及FB型1371摄氏度提高。第一和第二级的动叶片和整个三级的静叶片, 都是采用对高温化、高性能的空气冷却有很强的适应性。压气机的第十三级抽气, 是在透平第二和三级冷却之后, 在转子密封空气和冷却空气中使用。三级动叶片采用的都是具有很好的高温强度, 并且有航空使用经验的r相析出的硬化型的NI超合金GTD-111。同时也进行精密的铸造。透平气缸所用的是双层的结构, 而且有冷却的空气, 外部为气缸, 内部是由静叶片的护环和外援板等组成, 属于一种承热件和承压件相分开的结构类型。高温燃气和气缸相隔绝, 这种情况不仅能有效的对气缸工作温度进行降低, 以便于与较差材料的使用, 而且还能对气缸的热应力、热冲击力和热膨胀量起到减少的作用, 这种情况对透平动叶片向间隙运动时发生变化的控制非常有利。
F级燃机气轮机具有非常高的燃料适应能力, 可以燃用天然气和蒸馏油, 其中包括液化天然气、煤制气以及液化石油气, 而且在启动机组后, 燃料能够自动切换, 同时不会有性能损失的情况。排气能力高, 出力范围广, 而且模块式的组合设计能在IGCC系统和联合循环系统中, 能使F级的燃机汽轮机在适应各种各样用途中达到理想的效果, 其中包括单纯发电、热电联产以及地区供热等等。如:美国弗罗里达中的Tampa电力公司, 所使用Polk电站的容量是250MW机组, 这是以GE公司S107FA级的燃机汽轮机为基础的IGCC机组。
参考文献
[1]何语平.大型天然气联合循环电厂机组对燃气轮机的选择[J].中国电力, 2003.
[2]祝俊.F级重型燃机联合循环在热电联供电厂的应用[J].专题研讨, 2005.
[3]董卫国.GE公司F级燃气轮机[J].电力设备, 2012.
[4]faghri A.Heat pipe science and technology[M].UK:Taylor&Francis Press, 2005.
可靠网络编码多路径协议性能研究 篇7
对等互联网络(Peer-to-peer Network,P2P)中的很多应用，如视频对话、在线文件传输等，对通信可靠性和实时性有很高要求，在P2P网络中，传输链路的稳定性无法始终保障，有时通信质量低下，网络拓扑结构变化也较频繁，网络节点本身计算能力有限，P2P网络中的数据传输可靠性保障一直是努力解决的难题。
2 网络编码可靠传输机制
2.1 实用网络编码
针对无环多播图G=(V,E)，源节点S∈V，接收节点，令h为源节点和接收节点的最小割，用head(e)和end(e)表示一条边e的起点和终点，设g(e)为边e对应的全局编码向量，接收节点t的h条输入边e1,…,eh对应的输符号为：
(公式1)
要使接收节点恢复出信源符号x1,…,xh，只要全局编码向量g(e)组成的矩阵Gt满秩。当编码符号域足够大时，可以随机选择局部编码向量，使得Gt满秩。根据文献[3]，如果一个符号域的大小为216，网络中边数量至少是|E|=28，对任何接收者Gt将有0.996的概率满秩。
2.2 可靠性分析
根据上述机制考虑将发送端发送的报文进行分组，把M个数据报文归为一组，对于同一组中的报文，用相同标识加以标记。发送端节点按随机线性编码规则，在有限域内选择随机编码系数对M数据报文进行线性编码，编码成M个新报文，将编码系数和组标识添加到报文头部，连同数据一起发送。按照网络编码的数据恢复原理，目标节点正确收到至少M来自同一分组中的报文，就可以准确恢复源数据。
3 性能分析
为了分析网络编码性能，先定性分析两种模型：传统多路径路由模型和可靠网络编码多路径协议模型进行比较，先定义两个比较参数，第一个是可靠性参数r表示数据源发送数据报文到汇聚节点的成功概率，称为可靠度;第二个参数是冗余度p，它反映了可靠传输1个原始报文平均需要发送的报文数目。
3.1 关键参数
采用完全随机选取线性编码系数的分布式网络编码方式，在随机编码策略下，对于所有除了接收节点外的节点，在一个足够大的有限域上随机选择它们输入链路到输出链路的映射。每一个节点映射选取是相互独立的，对于随机网络编码，每一个接收节点只需要知道其每一个输入符号对应的信源随机过程的总线性组合，即每一个输入边的全局编码向量。可以将该信息作为信源信息向量进行传递，这种分布式的网络编码不需知道整个网络的拓扑结构就可进行编码。同时这种编码需要在有限域内随机选取编码系数，为了保证接收节点以很大的概率恢复出信源信息，编码有限域的设置非常重要。
(1)编码有限域Fq的选取：编码有限域的取值范围决定编码系数的线性无关概率，进而影响到随机线性码的解码性能。如果有限域取值过小，即使接收节点接收到足够多的编码报文，但由于编码系数线性相关性较高，仍会出现原始报文无法恢复的情况;如果取值过大，编码系数占用的字节数过多会导致报文中的有效数据比例下降，还会引发很大的存储开销。
(2)编码因子的计算：在网络编码中，编码因子的定义是将源节点经过网络编码后产生的n个编码报文与m个原始报文的比值，并用字母表示，则=n/m，越大，相同的原始报文数产生的编码报文数就越多，接收节点接收正确的编码报文个数也会相应增加，这样，固然能够提高其中m组编码系数线性无关的概率，但也会造成不必要的资源浪费。若过小，则接收节点接收的编码报文个数可能小于m，根据随机线形网络编码的译码条件，小于m个报文将导致接收节点无法解码，而无法恢复数据。
3.2 路径数的理论
在可靠网络编码多路径协议(Reliable Multi-Path Protocol Using Network Coding,NC-RMPP)中，每次转发都要考虑局部可靠性，则要求每一个节点转发的数据分组头部都要有一个路径数的参数。
NC-RMPP路由算法中，源节点将原始数据包进行分组并标记，并随机选取编码系数，将数据分组编码，并传输给中间节点，中间节点再随机生成编码系数对属于同组的源节点编码报文进行二次编码并转发，汇聚节点收到足够多的编码信息后即可解码得到原始信息。
源节点将m个原始报文编成一组然后编码成n个大小相等的新报文。m和n的设置关系到解码能力和能量开销，如果m太小网络编码的优势就不能得到充分发挥;m太大将会占用太多的存储空间，这在P2P网络中是不实际的，一般数据包不会大于200字节。当然，不同的应用环境该参数设置值也不同，假定成功交付m个原始报文需要的总路径数用M表示，作为分布期望值，应用公式2计算出路径数M，从公式2中可以得到采用网络编码以后，传输m个数据报文需要的传输路径数M，为了更接近理想值，需要对M进行自适应调整，考虑到m值选取不大，在文中应用公式3对其M值进行误差调整：
4 结语
针对网络编码传输能力进行研究分析，通过定量定性分析该算法在P2P网络上的性能对数据传输的可靠性，均衡负载，容错性，及数据传输路径数。此次分析得到的结果为实现节能高效的新型可靠多路径路由协议奠定基础。
参考文献
[1]Sen S,Wang J.Analyzing peer-to-peer traffic across large net-works[J].IEEE/ACM Transactions on Networking,2004,12(2):219-232.
[2]Philip A.Chou,Yunnan Wu,Kamal Jain.Practical networkcoding[C],In:41st Annua Allerton Conference on Commu-nication Control and Computing,Oct.2003:115-124.
[3]杨林,郑刚.一种集成网络编码的低轨卫星网络多径路由算法[J].中南大学学报(自然科学版),2007,38(5):950-955.