水電廠電力設(shè)備健康狀態(tài)評估體系研究

曹 軍

（浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江 臺州 317300）

1 概述

對于我國大中型水電站來說，保證設(shè)備長時(shí)間安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行是工作的重點(diǎn)。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，我國大中型水電站的自動(dòng)化程度越來越高，設(shè)備之間的關(guān)系越來越復(fù)雜。以往的依靠個(gè)人主觀認(rèn)識和經(jīng)驗(yàn)、缺乏理論支持和指導(dǎo)的設(shè)備管理方法已經(jīng)不能滿足要求。因此尋找一種切實(shí)可行且有效的設(shè)備健康狀態(tài)評估體系，對大中型水電站設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評價(jià)，以便設(shè)備管理人員及時(shí)的了解設(shè)備性能狀況，提高設(shè)備運(yùn)行的安全性意義重大，同樣對水電企業(yè)的日常設(shè)備管理以及檢修工作進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)十分重要。

2 電力設(shè)備狀態(tài)評估體系研究

目前，在我國國內(nèi)，作為狀態(tài)檢修依據(jù)的設(shè)備健康狀態(tài)評估的研究也處于摸索階段，針對大中型水電站設(shè)備狀態(tài)評估的研究工作開展時(shí)間也比較短，可在實(shí)踐中利用的成果也較少。而且已有的研究工作主要是針對單個(gè)的重要設(shè)備，采用實(shí)時(shí)檢測技術(shù)進(jìn)行的研究，對于整套設(shè)備的狀態(tài)評估研究的不多。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始將大量先進(jìn)的技術(shù)、方法、理論應(yīng)用到對設(shè)備所處狀況進(jìn)行判斷的領(lǐng)域中來。現(xiàn)階段，專家學(xué)者所做的與設(shè)備狀態(tài)相關(guān)的科研工作主要在以下幾個(gè)方面。

（1）設(shè)備狀態(tài)檢測。設(shè)備狀態(tài)檢測是隨著狀態(tài)檢修中發(fā)展起來的。近年來，人們對狀態(tài)檢修越來越重視，設(shè)備狀態(tài)檢測成為研究的重點(diǎn)。設(shè)備狀態(tài)檢測的重點(diǎn)主要側(cè)重技術(shù)方面，即通過先進(jìn)的檢測手段應(yīng)用，得到與設(shè)備有關(guān)的震動(dòng)信息、噪聲信息、應(yīng)力信息、溫度信息等信息。通過一定的處理方法，來判斷設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)是否正常，或?qū)Ξ惓Ｇ闆r進(jìn)行追蹤，預(yù)測其劣化趨勢，確定其劣化及磨損程度。例如，潘宏俠等人根據(jù)變壓器故障診斷問題的特點(diǎn)，建立了電力變壓器中油內(nèi)氣體的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)由4種氣體傳感器構(gòu)成的檢測系統(tǒng)以及與之相應(yīng)的四參數(shù)故障診斷系統(tǒng)構(gòu)成，能有效地診斷運(yùn)行中變壓器的內(nèi)部潛伏性故障。Mengguang Wang開發(fā)了一種新的FRA方法（Frequency Response Analysis）對變壓器進(jìn)行在線或者現(xiàn)場的監(jiān)測。

此外，一些成熟的設(shè)備狀態(tài)檢測設(shè)備和系統(tǒng)也被開發(fā)出來。例如，A BB公司有一種名為OPTIMAX的產(chǎn)品，該軟件功能覆蓋面很廣，已在國外很多電廠應(yīng)用并取得了成功。美國AVO公司的True Gas變壓器油中氣體在線監(jiān)測設(shè)備，它可以監(jiān)測多達(dá)八種氣體；澳大利亞紅相電力設(shè)備集團(tuán)的DR MCC變壓器在線監(jiān)測控制系統(tǒng)，它可持續(xù)、在線、多方位監(jiān)測變壓器的工作狀態(tài)，可監(jiān)測變壓器的各類數(shù)據(jù)。國內(nèi)研制的同類產(chǎn)品有寧波理工監(jiān)測設(shè)備有限公司推出的TRAN-A、TRAN-B型變壓器故障在線監(jiān)測設(shè)備。此外東北電力試驗(yàn)研究院研制的BSZ型大型變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置。

（2）設(shè)備故障診斷。設(shè)備故障診斷又稱設(shè)備狀態(tài)診斷，是一種通過檢測設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況，分析設(shè)備故障原因，并預(yù)測設(shè)備未來狀態(tài)的一種技術(shù)。設(shè)備故障診斷是技術(shù)與理論并重的一種設(shè)備狀態(tài)判別方法，它強(qiáng)調(diào)的是預(yù)測性。其數(shù)據(jù)來源主要是設(shè)備狀態(tài)檢測所得數(shù)據(jù)，有時(shí)數(shù)據(jù)也包括設(shè)備運(yùn)行工況和設(shè)備的各項(xiàng)主要性能指標(biāo)。在對設(shè)備進(jìn)行診斷時(shí)，數(shù)據(jù)處理的方法主要是應(yīng)用比較成熟的基礎(chǔ)理論知識，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、小波分析等理論方法。從事設(shè)備診斷技術(shù)研究工作的很多，在理論和實(shí)踐中都取得了一定成果。宮會(huì)麗等人根據(jù)電力變壓器故障診斷問題，提出了基于粗糙集與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變壓器故障診斷模型，分析了該模型的實(shí)現(xiàn)步驟。金松茂、江榮漢引入證據(jù)理論實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備多種檢測手段的結(jié)合)以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。

（3）壽命預(yù)測技術(shù)。壽命預(yù)測技術(shù)是一種研究設(shè)備或部件在規(guī)定運(yùn)行工況下能夠安全運(yùn)行多長時(shí)間的技術(shù)。通常所說的壽命預(yù)測主要指剩余壽命預(yù)測，也有稱剩余壽命評估評定、機(jī)構(gòu)完整性評估。為了進(jìn)行壽命預(yù)測，需要做大量的資料分析、實(shí)地檢驗(yàn)、試驗(yàn)等工作。設(shè)備壽命預(yù)測的研究開展的也很多。例如，孟慎非以評估坦克炮身管的剩余壽命及合理確定身管報(bào)廢時(shí)機(jī)為研究目的，從火炮壽命的基本概念出發(fā)，分析了坦克炮身管壽命評定問題的特殊性，歸納出坦克炮身管剩余壽命評估的理論基礎(chǔ)，建立了以基礎(chǔ)性、替代性、及輔助性判據(jù)組合的身管壽命評定準(zhǔn)則，提出了剩余壽命評估操作模式。王慶豐等對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全壽命評估及維修決策方法進(jìn)行了初步研究，提出了平臺安全壽命評估及維修決策方法的基本框架，給出科學(xué)的檢維修方案,以保證結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。

在電力設(shè)備方面，國內(nèi)外也進(jìn)行了大量的研究。日本電力設(shè)備部件殘余壽命評估的辦法可分3個(gè)階段：用制造鍋爐與汽輪機(jī)的典型材料進(jìn)行破壞性與非破壞性試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行解析分析做壽命評估，比較這3種方法并提出其各自的使用范圍；在實(shí)際運(yùn)行部件上作非破壞性試驗(yàn)或取樣作破壞性試驗(yàn)并進(jìn)行解析分析，進(jìn)一步驗(yàn)證3種方法的適用范圍；對 3種方法綜合評價(jià)，總結(jié)出各種改進(jìn)辦法。第二階段的研究工作包括超臨界機(jī)組設(shè)備部件的壽命評估以及疲勞—蠕變損傷的非線性數(shù)學(xué)模型。美國電力研究院采用多數(shù)國家使用的“三級評估法”并制定出較完整的“綜合壽命管理程序”作為美國電力企業(yè)壽命管理工作的通用導(dǎo)則。“三級評估”一般需要破壞性試驗(yàn)、各種取樣、機(jī)理研究，甚至需要安裝一些監(jiān)測系統(tǒng)來最終確定損傷根源并提出解決辦法。

中國電力壽命管理工作目前還是處于初級階段，它僅限于某些技術(shù)專業(yè)內(nèi)的活動(dòng)，而且只作為個(gè)別設(shè)備、部件必要時(shí)的安全評估手段。楊萍等人對多泥沙河流水輪機(jī)混流式葉片、軸流式葉片、導(dǎo)水葉的磨蝕失效進(jìn)行了分析。采用可靠度、故障率、平均無故障工作時(shí)間和有效度等指標(biāo)來判斷機(jī)組的磨蝕壽命，建立了基于指數(shù)函數(shù)的多泥沙河流水輪機(jī)磨蝕壽命評估系統(tǒng)，并對多泥沙河流水輪機(jī)壽命估算程序設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了實(shí)例分析。

（4）設(shè)備狀態(tài)評估。設(shè)備狀態(tài)評估，目前運(yùn)用此術(shù)語進(jìn)行的研究很多，牽扯的內(nèi)容十分復(fù)雜，設(shè)備狀態(tài)評估一種籠統(tǒng)的稱呼，其研究內(nèi)容涉及到狀態(tài)檢測、故障診斷和壽命診斷，只是不同研究人員的側(cè)重點(diǎn)不同而已。總的來說，設(shè)備狀態(tài)評估的研究也處于摸索階段。由于設(shè)備評估的目的不同，評估時(shí)側(cè)重點(diǎn)和技術(shù)方法不同，當(dāng)前各種研究方向及其所建立的許多狀態(tài)評估的模型也各不相同。目前主要的研究方向是以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)備健康狀態(tài)評估，是根據(jù)設(shè)備的歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)量事件、家族事件等綜合分析設(shè)備的健康狀況，作為判斷設(shè)備是否需要維修的依據(jù)。對不同的設(shè)備，表示設(shè)備整體狀態(tài)的參數(shù)可能是不同的，需根據(jù)具體情況確定。目前這種針對單個(gè)或者少量的設(shè)備的精確狀態(tài)的研究比較多。

例如，張金萍等人提出運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論，結(jié)合專家系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變電設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)，它可將電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)有效組織起來，對設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評估，同時(shí)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的變電設(shè)備健康狀態(tài)評估系統(tǒng)；崔奇明提出基于 E S T A電力設(shè)備狀態(tài)評估專家系統(tǒng)。

3 結(jié)語

雖然在電力設(shè)備的狀態(tài)評估方面我國的一些學(xué)者專家做了一定的研究，但總的來說我國電力設(shè)備狀態(tài)評估方面的工作開展還處于起步階段，評估的手段和方法還沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。尤其是根據(jù)設(shè)備的各種信息，包括設(shè)備自身特性、運(yùn)行工況、運(yùn)行時(shí)間、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，對整套的設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行評估，確定整套的設(shè)備健康狀態(tài)的研究還非常少見。但這種研究又十分必要，因?yàn)樗欣谄髽I(yè)對整體設(shè)備狀態(tài)的把握，幫助企業(yè)評估設(shè)備何時(shí)進(jìn)入事故多發(fā)期，從而加大對設(shè)備的監(jiān)控力度，防止安全隱患的產(chǎn)生；同時(shí)可以幫助企業(yè)科學(xué)合理確定設(shè)備檢修時(shí)間、更換時(shí)間，節(jié)約成本，避免浪費(fèi)。因此開展在這一方面的研究很有科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

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