渦激振動發(fā)電裝置的可靠性與風險評估.pdf

1、近年來，由于氣候變遷對人類帶來的警訊，讓各國政府紛紛思考如何減排節(jié)能。為減少對石化能源的依賴性，能源公司與科研人員轉(zhuǎn)向?qū)稍偕鍧嵞茉吹难芯?，并取得了一系列的成果，雖然可再生能源從人類發(fā)展伊始就是主要的能源來源之一，我們當今研究的是不同的概念，近現(xiàn)代研究可再生能源研究的一個重要方向就是如何持續(xù)的、快速的從流體（風、河流、海洋）獲取能源。隨著各種新能源的提出，裝機容量不斷提高，隨之而來的就是日益增長的安全性需求，進行風險與可靠性分析是合理

2、并迫在眉睫的。渦激振動發(fā)電裝置是由美國海洋可再生能源實驗室(MRELab)和密歇根大學提出，它充分利用海洋/潮汐/溪流等的流體動力學性能，使用被動湍流控制，并利用流致運動形式將流體能量轉(zhuǎn)化為電能。該裝置可以從在0.65節(jié)的流速下發(fā)電，而大多數(shù)的流體發(fā)電需要4節(jié)以上的流速。渦激振動發(fā)電裝置失效概率從實驗與實際的河流測試得出，MRELab在2009～2013年做了大量的實際的安裝，得到超過2000小時的實測數(shù)據(jù)。失效部件重要度同樣從實驗中得

3、出，并根據(jù)實驗中的出現(xiàn)的實際問題并結(jié)合專家意見給出各個失效數(shù)據(jù)的重要度等可靠性度量。本文以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，從可行性、風險與可靠性評估方面做了一系列有益的研究。
　　本文首先考慮到渦激振動發(fā)電系統(tǒng)分析研究較少，對潮流能渦激振動發(fā)電裝置在功能、分系統(tǒng)和任務剖面的基礎上進行了總體可靠性與風險評估。建立了系統(tǒng)圖，明確了各個系統(tǒng)之間的關系，建立了RBD框圖并計算了系統(tǒng)有效性時間曲線，明確其在建造、服役期間風險分析的部件與分系統(tǒng)之間的關系；并

4、根據(jù)分系統(tǒng)之間的關系，進行了渦激振動發(fā)電裝置的故障樹研究，進行了海洋工程服役期間風險辨識方法的研究，研究了故障樹分析的必要性；進行了發(fā)電裝置的三個分系統(tǒng)，PTO(Power-take-off)發(fā)電系統(tǒng)、虛擬彈簧阻尼系統(tǒng)（Vck）、力學轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的FTA研究并給出了計算結(jié)果，對于潮流能渦激振動發(fā)電裝置系統(tǒng)的故障分析、元部件設計、維修過程提供參考，通過適時的維護檢修，排除隱患，對于提高裝置的可靠性有重要作用。其次，進行了渦激振動發(fā)電系統(tǒng)的可行

5、性分析。研究了發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學模型，根據(jù)實驗結(jié)果、單自由度理論給出了任意振動系統(tǒng)的振動、頻率與電能公式模型，該模型可用于計算任意振動系統(tǒng)的機械能與電能之間的轉(zhuǎn)換；根據(jù)數(shù)學模型中涉及到的幾個主要參數(shù)，設計了相關實驗，得到了最佳能源曲線，進而驗證了不同流速下的系統(tǒng)發(fā)電效率及系統(tǒng)的可行性。接著，進行了FMEA在可靠性與風險分析，尤其是在可再生能源領域進行了相關的應用研究，針對渦激振動發(fā)電系統(tǒng)任務剖面復雜、系統(tǒng)與元件、分系統(tǒng)之間的存在重復元件即相

6、關性，引入了失效模式相關性分析理論，將相關性分析引入FMEA，提出了相關性-FMEA分析方法，并將其應用于本文的渦激振動發(fā)電裝置的分析中，得到了系統(tǒng)的元件FMEA并對RPN較大的失效模式進行了分析，根據(jù)相關性理論進行了主要的失效模式相關性分析，完成了系統(tǒng)的整體分析。通過PNET方法找到了最弱失效組，并找出了最容易引發(fā)系統(tǒng)失效的幾個關鍵元件，為渦激振動發(fā)電裝置的風險分析提供了設計與運行參考，并進一步建立了復雜海洋工程風險分析的設計標準。最