火力發電廠重要輔機可靠性評價體系研究

國華電力/國華（北京）電力研究院/華北電力科學研究院

白翎 李石 陳杭君 趙振寧 孫志春 劉啟民 李金晶 孫寶華 王天海李媛園 張清峰

一、項目概況

1.項目實施背景

目前國內普遍以主機為對象的定期維修的設備管理模式，但輔助設備的計劃檢修與主機的檢修策略存在差異，每類輔助設備日常維護、運行監測參數、計劃停運檢修中需要重點關注點及薄弱環節有所不同。同時，鑒于不同輔助設備對機組不同層面的影響無法得到有效的反應和考慮，評價輔助設備可靠性與評價主機可靠性方法應有所不同，需要制定出一套適合發電輔助設備可靠性管理評價的方法。

通過評價發現輔助設備運行中存在的問題，運用量化評估的方法，評價設備的制造質量、安裝質量、運行質量、檢修質量及管理水平，分析和解決設備問題；利用歷年積累的可靠性數據，指導設備選型；探索輔機可靠性與經濟性的最佳結合點，實現機組總體的最佳經濟效益。

2.項目實施目標

電力行業可靠性管理標準化委員會委托神華國華開展相關內容的研究，旨在《發電設備可靠性評價規程》總體框架下，針對現行發電主要輔助設備評價指標過于寬泛、對現場指導性不強的現狀，研究目前我國發電輔助設備可靠性管理評價方面存在的問題和發展需求，提煉出影響輔助設備可靠性的關鍵技術參數和經濟指標，形成一套科學、客觀、系統的輔機可靠性評價方法，為發電輔助設備乃至機組的設備管理、運行方式優化等工作提供決策支持。

3.項目實施的技術路線、研究方法、主要研究內容、采用的關鍵技術及其達到的主要技術目標

項目研究主要分為以下四個階段：

（1）第一階段，完成輔助設備分類，篩選研究對象

本研究中對于輔機系統的分類結合三種思路進行：（a）主要分級過程中按照其在生產過程中的功能模塊，即系統級開始劃分，按大類分解，以保證與發電行業多年來的習慣保持一致。（b）劃分過程充分考慮到輔機自身價值的差異，對于帶有核心輔機的系統，把其核心輔機看作為主要輔機，其它單元作為支持部件劃入核心輔機中，如制粉系統中把一次風機和磨煤機單列、煙風系統中把送風機與引風機單列。對于沒有重大核心輔機的系統，單獨作為一個輔機或系統，如脫硫系統和脫硝系統。（c）在對生產的影響因素中，除了對于主生產流程的可靠性造成的影響外，還考慮到其自身運行性能及其對生產過程的質量（如經濟和環保）的影響。

針對300MW級以上機組，把發電廠重要輔機進行分類，篩選出磨煤機、送風機、引風機、高加、給水泵、電除塵、脫硫、脫硝等14類輔助設備（系統）進行重點考察，做到以點帶面，通過對主要輔機的強化管理達到全面提升輔機可靠性水平的提高。分級情況詳見表1.

圖1 輔助設備狀態劃分圖

（2）第二階段，建立輔機可靠性的狀態劃分標準

《發電設備可靠性評價規程》（DL/T 793-2012）中規定了機組的狀態共計20種,但輔助設備的狀態僅運行、備用、計劃停運和非計劃停運等6種狀態（圖1）。輔助設備配置的臺數或容量有一定裕量，當輔助設備發生輕微故障，雖性能下降但仍繼續運行，未造成對機組運行的影響時，現有設備狀態劃分無法對輔助設備可靠性進行準確的描述。將輔助設備運行狀態劃分為健康運行狀態及非健康運行狀態，其中非健康運行狀態根據故障機理細化為出力不足型、磨擦卡澀型、堵塞泄漏型、性能不足型等四種，輔助設備可靠性狀態擴展為10種（圖2）。

出力下降型非健康運行狀態：

磨煤機、風機、泵等輔助設備，如果發生主要工作部件磨損或汽蝕，設備出力會下降。用出力能否達到額定能力進行狀態識別及判斷。如磨煤機磨輥磨損出力下降、引風機葉輪磨損爐膛負壓難以維持等。

圖2 完善后的輔助設備狀態劃分圖

磨擦卡澀型非健康運行狀態：

旋轉部件或系統存在輕微故障，如某臺給水泵振動值大于報警值小于跳閘值，軸承溫度高于報警值小于跳閘值。大多出力仍可達到額定值，但高負荷下故障幾率增加，通常需設備降負荷監視運行。用設備旋轉部件的運行參數是否偏離設計值進行狀態識別及判斷。如泵或風機軸承溫度高、振動大、閥門卡澀等。

表1 火電廠重要輔機分級表

堵塞泄漏型非健康運行狀態：

對于空預器、凝汽器、暖風器等易堵塞部件，堵塞對于所在系統或伙伴設備影響較大。如空預器堵塞引起三大風機出力增加、凝汽器堵塞引起循環泵出力增加。空預器因自身密封不良泄漏，導致漏風率增加。用設備堵塞或泄漏程度進行狀態識別及判斷，同時按其影響相關輔助設備的性能變化來輔助判斷。如空預器堵塞后，空預器前后壓差增大，同時對所在風煙系統影響較大：一次風壓會增加，輕微堵塞會增大風機電耗，嚴重堵塞會造成風機喘振或失速等?？筛鶕疹A器前后差壓是否偏離設計值，作為是否堵塞的判據，同時以一次風機風壓是否偏離設計值作為輔助判據。

性能下降型非健康運行狀態：

輔助設備無顯性故障，但經濟運行性能下降。表現為自身輸入能量的增加或輸入輸出能量比值出現變化，如磨煤機或風機性能不足引起電流增加，汽泵性能不足引起用汽量增加、脫硫脫硝系統性能不足導致入口煙氣污染物濃度不變情況下漿液和噴氨量增加等。輔助設備經濟運行性能與運行條件息息相關，特別是隨負荷變化明顯，因而性能是否下降需動態識別，是輔助設備狀態識別中難度最大的一種，其關鍵在于特性參數的提取和參數變化范圍的確定。若性能下降原因是工作核心部件有劣化趨勢，如最初的磨損導致性能出現了偏差，與出力下降型狀態相似，但區別是不影響自身出力。若性能下降原因是輔助部件出現劣化趨勢，如泵的濾網臟導致性能下降，或是葉輪頂部間隙發生變化引起性能下降，與堵塞泄漏型狀態相似，但區別是只影響設備自身，而不影響其它伙伴設備。

表2 非健康運行狀態判斷標準表

輔助設備故障但仍監督運行的狀態在生產現場并不少見，屬設備異常，是日常設備消缺的主要內容。應對輔助設備的每一次故障模式進行分析，對其異常狀態進行監測，杜絕后果擴大，對機組運行造成不良影響。增加了輔助設備故障但仍可運行的狀態描述，有別于輔助設備無故障運行狀態，表征輔助設備有一定磨損、輕微故障或其它條件下帶不滿出力、或性能有所下降等情況。該狀態的增加，可以更加精準地描述輔助設備的運行狀態，為評價輔助設備可靠性及確定輔助設備檢修策略提供依據。

非健康運行狀態確定后，定義相應的指標。

出力不足型運行小時(UHS1)：

設備處于出力不足非健康運行狀態的運行小時數；

磨擦卡澀型運行小時(UHS2)：

設備處于磨擦卡澀型非健康運行狀態的運行小時數；

堵塞泄漏型運行小時(UHS3)：

設備處于泄漏堵塞型非健康運行狀態的運行小時數；

性能下降型運行小時(UHS4)：

設備處于性能下降型非健康運行狀態的運行小時數(UHS)：

統計期內發生的所有非健康運行小時之和，即：

UHS＝UHS1+UHS2+UHS3+UHS4

非健康運行系數(UHSF)：

運行貢獻系數(UTF)：

圖3 火電廠輔機可靠性評價體系結構圖

（3）第三階段 完成磨煤機等12類輔助設備（系統）的可靠性管理現狀調研，收集故障信息，形成非健康運行狀態判斷標準

針對磨煤機、送風機、引風機、高加、給水泵、電除塵、脫硫、脫硝等12類輔助設備（系統）進行現場調研，內容包括：設備概述，配置情況，日常監測參數及手段、性能測試參數、設備特征量，關鍵部件清單，典型故障，檢修模式，檢修周期等。

（4）第四階段，完成發電輔助設備可靠性管理評價體系建立

通過深入研究火電廠輔機各種狀態和故障基本模式及識別方式，選擇合理的可靠性評價方法，構建綜合型輔機可靠性指標體系，引入層次分析法和模糊數學理論，用模糊數學的方法把這些有更深內涵的指標—非健康運行或備用結合起來，形成一個對輔機設備全狀態、全工況、全方面的可靠性評價指標體系。

根據輔機可靠性評價所面向的對象和使用的人員不同，劃分為三層結構(如圖3所示)，分別為目標層、管理層、設備層。

將設備的每一個非健康狀態定義為一個影響因素，每個因素都可判定可分為5個等級，即S、A、B、C、D，其含義可分別理解為：卓越、優秀、良好、及格、不合格。將每一因素集依次代入隸屬函數可得到各單因素評判集的隸屬度，以其為行組成評判矩陣。針對四種非健康狀態，選用半梯形函數作為確定隸屬原則的函數，通過模糊化，建立由x到y的模糊映射，即當指標落在偏小或偏大的數據范圍內時，映射函數取0或1；當指標落在適中的范圍內時在0～l范圍內按線性插值來給出映射函數。設計滿分為100分，按照三個層次確定每層的權重。其中目標層、管理層的確定的指標，按照能源局公布的全國平均水平給出評價標準，設備層狀態根據評判矩陣隸屬度確定可靠性評價指標量值。

用層次分析法進行輔機可靠性目標層、管理層、設備層要素權重確定時，把要評價分析的幾種指標進行分析對比，根據專家和專業人員主觀經驗來判斷制定各指標權重。雖然主要由專家主觀評定，但在各因素的分析與處理上考慮了大量的客觀影響因素，增強了權重設置的科學合理性。

最后，分別選取了國華電力8家發電公司，針對磨煤機、給水泵、高加、送風機、引風機等五類輔機數據進行了綜合評價，評價結果驗證了評價模型的合理性、符合性，表明本項目建立的可靠性評價方法，更加準確、全面反映了機組輔機的設備狀況以及其對機組的影響程度，達到立項時確定的“全狀態、全方位、全過程評價輔機可靠性”研究目標，具備在電力行業推廣應用的條件。

二、項目實施

1.項目組織與實施情況

2015年9月，啟動《燃煤機組輔助設備可靠性管理評價方法研究》科技創新項目立項。

2016年3月，召開項目啟動會。會議確定了研究總體方案、工作計劃、時間進度等。

2016年5、6月，對國華公司燃煤機組輔機3年運行狀況進行數據采集整理，8月完成數據分析。

2016年9月初步確定輔機可靠性評價體系，并進行了數據驗證。

2016年10月形成《輔助設備可靠性管理評價方法研究報告》初稿，11月形成《國華輔機可靠性評價標準》初稿。

期間項目組召開8次研討會，經過10輪完善，2016年12月份形成了最終技術報告。

2.項目的資金使用和人員投入情況

本項目共計費用19.5萬元。由國華公司、天津國華盤山發電有限責任公司、華北電力科學研究院有限責任公司、國華（北京）電力研究院有限公司共同組成項目組，11個成員中5個教授級高工，實施過程中，對課題任務進行了明確的分工，按照課題內容對項目組進行了分組。共計約16人月。

3.項目完成的主要實物工作量

完成輔助設備分類、篩選研究對象：1人月

建立輔機可靠性的狀態劃分標準：2人月

完成磨煤機等輔助設備（系統）的可靠性管理現狀調研：6人月

電廠輔機各種狀態和故障基本模式及識別：3人月

建立發電輔助設備可靠性管理評價體系：4人月

三、項目提交的主要成果

1.項目解決的主要技術問題

一是將輔助設備運行狀態劃分為健康運行狀態及非健康運行狀態，其中非健康運行狀態根據故障機理細化為出力不足型、磨擦卡澀型、堵塞泄漏型、性能不足型等四種，輔助設備可靠性狀態由原6種狀態擴展為10種狀態。非健康運行狀態的增加，可以更加精準地描述輔助設備的運行狀態，為評價輔助設備可靠性及確定輔助設備檢修策略提供依據。

二是采集了國華電力300-1000MW的燃煤機組20 13-2015年的磨煤機等14類輔助設備（系統）的故障，對每一種輔機，找出主要故障模式、處理方法、非健康運行狀態的識別方式及判定標準。

三是運用層次分析法和模糊綜合評價法相結合，建立了一個遞階多層次的模型結構，形成目標層、管理層、設備層的遞進層次評價體系，形成輔機可靠性統計評價表，實現了對輔助設備可靠性全面、準確、綜合的定量評價。

四是采用所建立的指標體系和評價模型，選取國華電力3個發電公司8臺機組共126臺輔助設備年度運行指標進行實證分析，驗證了評價模型的科學性、合理性、符合性。

2.實際達到的主要技術指標（定性與定量）

分別選取了國華電力公司8家發電公司，針對磨煤機、給水泵、高加、送風機、引風機等五類輔機數據進行綜合評價，綜合評價結果如表3所示。

表3 2015年輔機可靠型指標評價結果

為進一步說明評價結果，選取徐州、錦界、惠州等3個發電公司可靠性數據及評價情況進行具體分析，這三個發電廠分別代表1000MW、600MW、300MW三個容量級機組，且2015年度均未發生因5類輔助設備故障導致的機組非?；蚪党隽κ录?，如果依靠原有的可靠型評價體系不能全面反映其輔機可靠性情況，而采用本課題評價體系可對可靠性指標狀況更加深入和精確地評價，評價情況如下：

按總分排序，錦界輔機設備運行可靠性高、徐州次之，惠州較差。

錦界4臺600MW亞臨界機組，2015全年均無計劃檢修、無非停，各機組均有連續運行超過300天的長周期運行記錄。全年機組可用系數100%、運行系數97.45%，且出力系數均超過80%,5類輔機可用系數均為100%，主、輔設備總體運行良好。但目標層和管理層宏觀可靠性指標并不能全面反映設備運行情況，如全年僅磨煤機停備中磨煤機內部檢查33次（原因為異音、石子煤量大、磨輥間隙調整、來煤雜質等），冷、熱風門和混合風門卡澀或故障18次（2月較頻繁），漏粉26次，蓬煤11次，磨煤機油站電源開關檢查1次，潤滑油泵異音4次。長期存在磨煤機來煤雜質，運行磨輥加載不平衡、漏粉和蓬煤等問題。設備層得分12.15，表明錦界輔助設備總體運行可靠性高，但設備部分時段運行狀態為非健康狀態運行，應加強后期維護和保養。

徐州2臺1000MW機組，其中1臺機組進行C修，全年機組可用系數93.82%、運行系數89.25%，利用機組檢修期間對5類輔助設備進行設備治理。磨煤機對磨損嚴重更換磨輥、導向襯板，更換葉輪護板、節流環、防磨襯板等；石子煤室更換新刮板面等。送風機、引風機更換液壓缸等工作，修后輔助設備運行良好。這些狀況在非健康狀態狀態統計均有體現，設備層得分高于錦界。

惠州2臺300MW機組，其中1臺機組進行A修，全年機組可用系數93.59%、運行系數81.33%，磨煤機發生非計劃停運8次，給水泵組發生非計劃停運3次，受此影響，目標層、管理層得分較低。但其非故障輔助設備狀況良好，確保機組未出現輔助設備導致的非停及降出力事件，同時結合機組A修對輔助設備進行了治理，設備層得分較錦界略高。

總體看，輔助設備可靠性評價結果真實反映各廠設備可靠性水平，設備非健康狀態評估完善了輔機可靠性指標體系，使其更科學、更完善。

建立的指標體系和評價模型，經過實例分析，驗證了可靠性評價模型的合理性、符合性，具備下一步推廣應用的條件。

3.提交的主要成果和形式

一是建立了目標層、管理層、設備層的三層輔助設備評價體系，形成輔機可靠性統計評價表如表4，其中設備層得分表如表5。

二是制定《國華輔機設備可靠性評價標準》，規范現場數據采集標準。其中將原輔助設備可靠性狀態劃分由原6種狀態擴展為10種狀態，完善后的狀態劃分圖如圖4。

圖4 完善后的輔助設備狀態劃分圖

四、項目的主要技術貢獻

原有的以主機為核心的設備可靠性評價體系，在針對輔機進行評價時具有局限性，應采用更加精確和有效的評價方法，本項目建立的輔機可靠性評價方法選定對象主要針對輔機，效果較好、對生產指導性更強。

表4 火電廠輔助設備可靠性綜合評價表

表5 設備層得分表（按照時間隸屬度進行評價得分）

第一，理論創新。將輔助設備運行狀態細化為健康運行狀態及非健康運行狀態，其中非健康運行狀態根據故障機理細化為出力不足型、摩擦卡澀型、堵塞泄漏型、性能不足型等四種，從而更精準表征了可靠性定義中“規定功能”的內涵，提出了對四種非健康運行狀態的識別標準，明確了非健康狀態的統計方法，更精確反映輔機運行的可靠性。

第二、方法創新。通過對國華14類輔機運行情況的調研，總結出每類輔機不同故障模式的發生頻次及每類輔機設備不可靠因素對機組安全穩定運行可靠性、經濟性、環保性不同程度的影響。在此基礎上，采用層次分析法和模糊綜合評價法相結合的方法，確定了目標層、管理層、設備層的遞進層次評價體系，同時確定每層間及每層中的指標權重，實現了對輔機可靠性全面、準確、綜合的定量評價。

第三，采用所建立的指標體系和評價模型，選取國華公司3個發電公司機組共臺輔助設備2015年度一年的運行指標進行實證分析，驗證了評價模型的合理性、符合性，具備下一步推廣應用的條件。

第四，制定了《國華輔機設備可靠性評價標準》，規范現場數據采集標準。

五、技術應用情況與效益估計

分別選取了國華電力公司8家發電公司，針對磨煤機、給水泵、高加、送風機、引風機等五類輔機數據進行綜合評價，綜合評價結果如下表6所示。

其中徐州、錦界、惠州等3個發電公司分別代表1000MW、600MW、300MW三個容量級機組，且2015年度均未發生因5類輔助設備故障導致的機組非?；蚪党隽κ录?，評價結果表明，錦界輔機設備運行可靠性高、徐州次之，惠州輔助設備故障較多；分項得分分析表明，錦界輔助設備總體運行可靠性高，但設備部分時間運行狀態為非健康狀態運行，應加強后期維護和保養；惠州受計劃檢修及非停因素影響總體可靠性指標最低，但其非故障輔助設備狀況良好，同時結合機組A修對輔助設備進行了治理，確保機組未出現輔助設備導致的非停及降出力事件，設備層得分較錦界略高。

表6 2015年輔機可靠型指標評價結果

如果依靠原有的可靠型評價體系不能全面反映其輔機可靠性情況，本項目建立的評價體系增加了設備非健康狀態，從而完善了輔機可靠性指標體系，真實反映各廠設備可靠性水平，全面、準確、綜合地反映了電廠的可靠性管理水平，可以為發電輔助設備乃至機組的設備管理、運行方式優化等工作提供決策支持。