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UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL PLANIFICATION DE LA MAINTENANCE D’UN PARC DE TURBINES- A

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL PLANIFICATION DE LA MAINTENANCE D’UN PARC DE TURBINES- ALTERNATEURS PAR PROGRAMMATION MATHÉMATIQUE HAKIM AOUDJIT DÉPARTEMENT DE MATHÉMATIQUES ET DE GÉNIE INDUSTRIEL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL THÈSE PRÉSENTÉE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLÔME DE PHILOSOPHIÆ DOCTOR (Ph.D) (GÉNIE INDUSTRIEL) AVRIL 2010 © Hakim AOUDJIT, 2010. UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL Cette thèse intitulée : PLANIFICATION DE LA MAINTENANCE D’UN PARC DE TURBINES-ALTERNATEURS PAR PROGRAMMATION MATHÉMATIQUE présentée par : AOUDJIT Hakim en vue de l’obtention du diplôme de : Philosophiæ Doctor a été dûment acceptée par le jury d’examen constitué de : M. LANGEVIN André, Ph.D., président M. OUALI Mohamed-Salah, Doct., membre et directeur de recherche M. AUDET Charles, Ph.D., membre et codirecteur de recherche M. ADJENGUE Luc-Désiré, Ph.D., membre M. KENNÉ Jean-Pierre, Ph.D., membre externe iii DÉDICACE À Yemma, Vava, Djazira, Mimi et toute ma famille. iv REMERCIEMENTS Ce projet a été supporté en partie par Hydro-Québec. Les résultats et les commentaires dans cette thèse appartiennent solennellement à l’auteur. Je remercie messieurs Paul-André Levesque, Richard Primeau et Michel Demers pour leur disponibilité et engagement pour la réussite de l'incidence industrielle de ce projet. Je remercie aussi les membres du jury pour la revue de cette thèse et Dr. Mohamed-Salah Ouali ainsi que Dr Charles Audet pour la direction de ce travail de recherche. v RÉSUMÉ Une population grandissante de groupes turbines-alternateurs dans les centrales hydroélectriques arrive à sa fin de vie utile et les gestionnaires appréhendent la concurrence des arrêts pour des rénovations majeures avec un nombre tel que les ressources disponibles dans une même période ne seraient pas suffisantes. Ces retraits du réseau peuvent durer jusqu'à une année entière et mobilisent des ressources importantes en plus de la perte de production électrique. Les prévisions à la hausse des ventes à l'export et des rythmes de production sévères font craindre la mise à l'arrêt de beaucoup de groupes en même temps. Actuellement, le jugement des experts est au cœur des décisions des retraits qui se basent essentiellement sur des inspections périodiques et des mesures effectuées in-situ et dont les résultats sont centralisés chez l'équipe de planification des retraits. La nature aléatoire des phénomènes de dégradations qui ont lieu, font en sorte que la capacité de prévision de l'usure par l'inspection a un caractère de court-terme. Une vision des rénovations majeures sur le long terme est activement recherchée par les gestionnaires dans un souci de justification et de rationalisation des ressources budgétaires allouées aux rénovations. Les gestionnaires disposent d’une quantité impressionnante de données. Parmi elles, figurent la production horaire de chaque groupe depuis plusieurs années, l'historique des réparations sur chaque organe ainsi que les retraits majeurs effectués depuis les années 1950. Dans ce projet de recherche, nous nous proposons de résoudre le problème de planification de la maintenance d’un parc de 90 groupes turbines-alternateurs du réseau de production d'Hydro- Québec sur un horizon de 50 ans. Nous développons une méthodologie scientifique et rationnelle de préparation des plans des retraits qui serviront de support à la prise de décision en exploitant les données de mesures et les historiques disponibles tout en respectant un ensemble de contraintes techniques et économiques. Pour respecter la confidentialité de certaines données, toutes les dénominations originales ont été modifiées pour les rendre anonymes. Ce problème de planification est traité comme un problème d’optimisation avec contraintes. D'abord, un groupe est étudié pour ressortir les organes les plus influents. Un modèle de taux de défaillance est développé pour prendre en compte les caractéristiques technologiques de l'organe et d'utilisation du groupe. Ensuite, des stratégies de remplacements et de réparations sont vi évaluées pour chacun des composants et des modèles pour le groupe sont proposés. Des stratégies classiques à une variable de décision telles que la stratégie de remplacement périodique selon l'âge et la stratégie de réparation minimale sont évaluées. Ces stratégies sont étendues pour construire des stratégies de remplacement à 2 variables de décision ainsi qu'une stratégie de réparation où l'état d'un composant, après une réparation, est rajeuni par un coefficient constant. Ces modèles forment la base du calcul des fonctions objectifs du problème de planification. Ce problème est traité en premier lieu comme un problème non linéaire dans lequel l'objectif est la minimisation du coût total moyen de maintenance par unité de temps sur un horizon infini du parc de groupes avec des contraintes techniques et économiques. Une formulation est proposée dans le cas d'un horizon fini. Par la suite et advenant le cas où la production électrique varie, et que le profil d'utilisation probable est connu, l’influence des scénarios de production est reflétée sur les composants des groupes à travers leurs taux de défaillance. Dans un tel contexte, des pronostics sur des problèmes éventuels de ressources sont réalisés en étudiant les caractéristiques des plans générés. En second lieu, les retraits des groupes turbines-alternateurs sont subordonnés à deux critères de décision. En plus de minimiser le coût total moyen de maintenance par unité de temps sur un horizon infini, la meilleure fiabilité des groupes restant en exploitation est recherchée. Ce problème est traité comme programme non linéaire biobjectif. Finalement une série de problèmes décrivant plusieurs contextes sont résolus pour la planification des rénovations des 90 groupes turbines-alternateurs en considérant 3 composants majeurs par groupe et 2 types de stratégies de maintenance par composant. vii ABSTRACT A growing number of Hydro-Québec's hydro generators are at the end of their useful life and maintenance managers fear to face a number of overhauls exceeding what can be handled. Maintenance crews and budgets are limited and these withdrawals may take up to a full year and mobilize significant resources in addition to the loss of electricity production. In addition, increased export sales forecasts and severe production patterns are expected to speed up wear that can lead to halting many units at the same time. Currently, expert judgment is at the heart of withdrawals which rely primarily on periodic inspections and in-situ measurements and the results are sent to the maintenance planning team who coordinate all the withdrawals decisions. The degradations phenomena taking place is random in nature and the prediction capability of wear using only inspections is limited to short- term at best. A long term planning of major overhauls is sought by managers for the sake of justifying and rationalizing budgets and resources. The maintenance managers are able to provide a huge amount of data. Among them, is the hourly production of each unit for several years, the repairs history on each part of a unit as well as major withdrawals since the 1950's. In this research, we tackle the problem of long term maintenance planning for a fleet of 90 hydro generators at Hydro-Québec over a 50 years planning horizon period. We lay a scientific and rational framework to support withdrawals decisions by using part of the available data and maintenance history while fulfilling a set of technical and economic constraints. We propose a planning approach based on a constrained optimization framework. We begin by decomposing and sorting hydro generator components to highlight the most influential parts. A failure rate model is developed to take into account the technical characteristics and unit utilization. Then, replacement and repair policies are evaluated for each of the components then strategies are derived for the whole unit. Traditional univariate policies such as the age replacement policy and the minimal repair policy are calculated. These policies are extended to build alternative bivariate maintenance policy as well as a repair strategy where the state of a component after a repair is rejuvenated by a constant coefficient. viii These templates form the basis for the calculation of objective function for the scheduling problem. On one hand, this issue is treated as a nonlinear problem where the objective is to minimize the average total maintenance cost per unit of time on an infinite horizon for the fleet with technical and economic constraints. A formulation is also proposed in the case of a finite time horizon. In the event of electricity production variation, and given that the usage profile is known, the influence of production scenarios is reflected on the unit’s components through their failure rate. In this context, prognoses on possible resources problems are made by studying the characteristics of the generated plans. On the second hand, the withdrawals are now subjected to two decision criteria. In addition to minimizing the average total maintenance cost per unit of time on an infinite time horizon, the best achievable reliability of remaining turbo generators is sought. This problem is treated as a biobjective nonlinear optimization problem. Finally a series of problems describing multiple contexts are solved for planning renovations of 90 turbo generators units considering 3 major components in each unit and 2 types of maintenance policies for each component. ix TABLE DES MATIÈRES DÉDICACE ................................................................................................................................... III REMERCIEMENTS ..................................................................................................................... IV RÉSUMÉ ........................................................................................................................................ V ABSTRACT ................................................................................................................................. VII TABLE DES MATIÈRES ............................................................................................................ IX LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................... XV LISTE DES FIGURES ............................................................................................................ XVIII LISTE DES SIGLES ET ABRÉVIATIONS ............................................................................ XXII LISTE DES ANNEXES .......................................................................................................... XXIII INTRODUCTION ........................................................................................................................... 1 1.1 uploads/Management/ 2010-doctorat.pdf