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涡激振动发电装置的可靠性与风险评估

蔡树龙  
【摘要】:近年来,由于气候变迁对人类带来的警讯,让各国政府纷纷思考如何减排节能。为减少对石化能源的依赖性,能源公司与科研人员转向对可再生清洁能源的研究,并取得了一系列的成果,虽然可再生能源从人类发展伊始就是主要的能源来源之一,我们当今研究的是不同的概念,近现代研究可再生能源研究的一个重要方向就是如何持续的、快速的从流体(风、河流、海洋)获取能源。随着各种新能源的提出,装机容量不断提高,随之而来的就是日益增长的安全性需求,进行风险与可靠性分析是合理并迫在眉睫的。涡激振动发电装置是由美国海洋可再生能源实验室(MRELab)和密歇根大学提出,它充分利用海洋/潮汐/溪流等的流体动力学性能,使用被动湍流控制,并利用流致运动形式将流体能量转化为电能。该装置可以从在0.65节的流速下发电,而大多数的流体发电需要4节以上的流速。涡激振动发电装置失效概率从实验与实际的河流测试得出,MRELab在2009~2013年做了大量的实际的安装,得到超过2000小时的实测数据。失效部件重要度同样从实验中得出,并根据实验中的出现的实际问题并结合专家意见给出各个失效数据的重要度等可靠性度量。本文以实验数据为依据,从可行性、风险与可靠性评估方面做了一系列有益的研究。首先,考虑到涡激振动发电系统分析研究较少,对潮流能涡激振动发电装置在功能、分系统和任务剖面的基础上进行了总体可靠性与风险评估。建立了系统图,明确了各个系统之间的关系,建立了RBD框图并计算了系统有效性时间曲线,明确其在建造、服役期间风险分析的部件与分系统之间的关系;并根据分系统之间的关系,进行了涡激振动发电装置的故障树研究,进行了海洋工程服役期间风险辨识方法的研究,研究了故障树分析的必要性;进行了发电装置的三个分系统,PTO(Power-take-off)发电系统、虚拟弹簧阻尼系统(Vck)、力学转换系统的FTA研究并给出了计算结果,对于潮流能涡激振动发电装置系统的故障分析、元部件设计、维修过程提供参考,通过适时的维护检修,排除隐患,对于提高装置的可靠性有重要作用。其次,进行了涡激振动发电系统的可行性分析。研究了发电系统的数学模型,根据实验结果、单自由度理论给出了任意振动系统的振动、频率与电能公式模型,该模型可用于计算任意振动系统的机械能与电能之间的转换;根据数学模型中涉及到的几个主要参数,设计了相关实验,得到了最佳能源曲线,进而验证了不同流速下的系统发电效率及系统的可行性。接着,进行了FMEA在可靠性与风险分析,尤其是在可再生能源领域进行了相关的应用研究,针对涡激振动发电系统任务剖面复杂、系统与元件、分系统之间的存在重复元件即相关性,引入了失效模式相关性分析理论,将相关性分析引入FMEA,提出了相关性-FMEA分析方法,并将其应用于本文的涡激振动发电装置的分析中,得到了系统的元件FMEA并对RPN较大的失效模式进行了分析,根据相关性理论进行了主要的失效模式相关性分析,完成了系统的整体分析。通过PNET方法找到了最弱失效组,并找出了最容易引发系统失效的几个关键元件,为涡激振动发电装置的风险分析提供了设计与运行参考,并进一步建立了复杂海洋工程风险分析的设计标准。最后,在系统风险及预后分析的基础上,提炼系统的主要失效模式,通过得到的失效模式结果,结合可靠性与最弱失效模式进行了投资-效益风险分析,从设备整个任务剖面入手,评估了风险对投资收益的影响,并结合优化算法进行了分析,分析结果可供投资参考。


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