基于數據集成的汽輪機零部件結構

羅育智LUO Yu-zhi

（蘇州熱工研究院有限公司，深圳518035）

0 引言

汽輪機是核電廠的重大設備，其穩定運行直接影響核電廠的安全和效益。中廣核在運核電廠為保證汽輪機的可靠性，開展和實施了汽輪機全壽期標準化管理，包括汽輪機進行從商運開始直至退役整個壽期內的設備管理活動，旨在保證汽輪機在整個壽期內的安全可靠及穩定運行。汽輪機全壽期標準化管理中的重要工作內容是依據壽期內工程階段和運營階段的設備數據信息對設備狀態進行評估，由于汽輪機壽期時間跨度長，設備管理活動多且分散，因此汽輪機相關的數據信息的集成方式就顯得極為重要。

1 汽輪機全壽期數據

汽輪機在生命周期中經歷了設計、制造、安裝、調試、運行、維修、退役等階段[15]，汽輪機全壽期數據指的是這些階段中業務活動所涉及的技術信息[3-5]，主要包含了下面幾種類型的數據：

1.1 汽輪機基礎數據

汽輪機基礎數據主要包括設計、制造、安裝數據，主要存在于核電廠的系統手冊、運行維修手冊和安裝報告中，以技術信息的形式在文件中體現，這些文件是核電廠從工程階段移交給運行階段的重要技術資料。核電廠運行階段各專業工作均需要以此文件為基礎開展工作，為了方便技術人員利用，需要將文件中的圖片、表格、文字等內容整理形成數據格式，包括設備部件的設計參數、材料、檢測點限值、故障、專用工具、質量報告、無損檢測等信息，既有針對汽輪機整體或大的子設備的數據信息，也有描述更小零部件的數據信息。在數據整理過程中，按照核電廠的系統功能結構：電廠、機組、系統、設備，形成以功能位置編碼為核心的數據，對汽輪機零部件信息，通過零部件的文字描述在數據中進行標識。

1.2 測量數據

汽輪機的測量數據主要分為以下幾種類型：

1.2.1 監測數據

汽輪機監測數據主要由汽輪機上的傳感器給出的連續測量數據，也包括對監測數據采用數學模型進行智能監控的數據，反應汽輪機實時物理參數信息和趨勢報警信息[11]，如：溫度、壓力、振動等，汽輪機的傳感器在功能上也屬于一種設備，會給出功能位置編碼，核電廠的技術人員通常會用傳感器的功能位置編碼來描述某個測點的信息。需要說明的是，傳感器是位于汽輪機的某個部位的，因此傳感器功能位置編碼的測點信息實際上是隱含了汽輪機的零部件信息和位置信息[14]。

1.2.2 維修測量數據

在維修過程中需要記錄的汽輪機零部件的數據信息，并與汽輪機零部件的標準值進行比對，以此來判斷設備狀況，這些測量信息與部件和部件位置直接相關。在實際工作中，維修技術人員希望能在相同的汽輪機部位間，以及不同的維修時間上進行比對測量數據，因此對部件信息的定義有著明確的規定，以便維修技術人員能夠找到正確的數據進行設備狀況評估。數據內容以報告文檔的方式保存，通過功能位置關聯維修報告的方式可以查找數據信息，有關部件的定義也是通過文字描述的方式進行規范。核電廠正在開展維修程序結構化的工作，維修工作過程中涉及的部件描述，也希望能夠統一形成標準的部件定義，后續維修過程所記錄的數據將會直接形成結構化數據并與相應的零部件信息關聯。

1.2.3 專業檢測類數據

專業檢測包括在役檢查、定期試驗、性能檢測、油水化學檢測等專業對汽輪機設備進行的專項檢查信息，在役檢查通過無損探傷的技術手段給出汽輪機部位的狀態，定期試驗通過試驗驗證設備部位功能可用，性能檢測涉及機組出力相關性能試驗、振動等，油水化學檢測驗證汽輪機潤滑油、抗燃油的油質情況，均與汽輪機部件和部件位置相關，檢測結果以報告文檔的方式保存，通過功能位置關聯維修報告內容，技術內容涉及零部件的描述信息。

1.3 備件數據

汽輪機備件是維修活動的基礎，備件數據與功能位置數據、工單、采購訂單等業務直接相關，備件的定義是根據維修需求來確定的，需要到最小的可更換零件，也可以對應大的可更換子設備，因此備件與汽輪機零部件直接對應。

1.4 技術管理數據

技術管理數據是圍繞汽輪機可靠性管理服務的工作過程產生的數據，日常工作包括缺陷通知單、工單、經驗反饋、技術問題管理、可靠性數據、質量偏差、不符合項等，技術信息包含的數據內容與汽輪機設備相關的功能位置編碼關聯，這些業務著重于汽輪機的缺陷、故障等問題的管理和處理，主要以功能位置編碼和技術問題描述來進行跟蹤，形成閉環，在設備狀況的描述中會涉及到汽輪機零部件，不過汽輪機零部件的描述不統一。長期技術管理活動包括：老化壽命評估管理、技術監督、工程改造、應急預案、停機保養、維修大綱等，這些技術信息同樣與汽輪機相關的功能位置編碼關聯，技術內容也會描述到汽輪機零部件，汽輪機零部件的描述也不統一。

2 汽輪機零部件

中廣核在運核電廠汽輪機管理涉及汽輪機本體以及關聯系統，包括：抗燃油系統、潤滑油系統、密封油系統、調節閥系統、截止閥系統、監控系統、定子冷卻水系統等。以中廣核集團某核電廠汽輪機為例，汽輪機本體按照物理結構主要分為：高壓缸、低壓缸、發電機、勵磁機、軸承箱等[12-13]，在電廠的拆解結構中針對主要的設備結構進行了功能位置編碼，核電廠相關業務以功能位置編碼對象進行標識和描述，如：高壓缸、低壓缸、低壓轉子等[1-2]。對組成這些設備的更小的部件結構的技術信息描述，主要以各業務范疇自身的定義為主進行劃分和描述，如維修工作過程，會對測量部位進行定義，設備部件的中文描述加位置信息進行描述和定位，如“汽輪機前、后軸承的絕對振動值、相對振動值”，這些部件描述的信息體現在維修報告中，僅技術人員在查閱維修報告時能夠識別。因此可以看出僅僅利用功能位置編碼作為各專業數據匯集的對象不能滿足通過信息系統直接定位業務應用所需數據的要求，同時需要在全廠范圍內統一零部件的描述以便在共同的零部件標識上匯集各方面的業務數據，方便技術人員查閱和使用。

汽輪機全壽期標準化管理方法提出將汽輪機進行三級拆分，見圖1，識別出設備、部件、零件的層級結構，按照一定的分析原則和方法，識別出重要的零部件，通過對這些重要的零部件進行狀態評估管理，以達到汽輪機精細化管理的目的。因此確定汽輪機的零部件顆粒度，形成數據集成中的基礎結構就顯得非常重要和必要。

圖1 汽輪機三級拆分示意圖

經過對汽輪機相關業務零部件數據信息需求的分析，汽輪機零部件的描述信息主要包含下列四種類型：

2.1 運行維修手冊零部件

核電廠的運行維修手冊包含了汽輪機設備的拆解結構詳細清單，如圖2低壓縱缸剖面圖，是汽輪機廠家對汽輪機的最小拆解單元說明，是技術人員了解設備的功能原理并進行日常維護、預防性維修等技術性工作的重要文件，因此其中的零部件信息是電廠各專業的基礎依據。

圖2 低壓缸縱剖面圖

2.2 維修零部件

核電廠的維修程序是維修人員維修汽輪機設備的技術依據文件，包含了汽輪機設備的拆解和組裝整個工作過程的要求，并對汽輪機零部件的測量數據進行管理和記錄。維修過程中的零部件描述是在廠家運行維修手冊零部件清單的基礎上結合維修管理和零部件故障管理要求形成的，是最小的維修單元。在維修過程中，為方便維修和更換，維修單元存在層次關系，即一個維修單元可以由若干個小的維修單元組成。例如：低壓缸分為低壓轉子、低壓轉子聯軸器、低壓內缸、低壓外缸、低壓缸端部汽封、低壓缸軸封補償器、低壓缸排汽導流環、低壓缸排大氣隔膜閥、低壓缸排汽擴散段、低壓缸通流徑向汽封，其中的部件由更小的部件或零件組成，如低壓內缸又包括低壓內內缸、低壓外內缸等，低壓外缸又包括缸體、軸封膨脹節、軸封、螺栓等。

2.3 備件

備件信息是對需要采購和更換的汽輪機零部件的編碼，與設備零部件的廠家型號密切相關，為了方便維修過程的應用，有兩個特點：一是設備零部件與備件之間存在多對多的關系，多個零部件對應同一個備件或者一個零部件對應多個備件；一是備件存在主備件和子備件的聯系，即一個主備件可以由幾個子備件組合形成。備件信息主要依據維修過程的需要定義相應的備件清單。比如高壓缸中的高壓轉子整體有一個備件碼，同時組成高壓轉子的部件：葉片、平端緊定螺釘、平衡塊等也有備件碼。

2.4 故障部件

在設備故障模式的分析過程中，需要對汽輪機出現的故障情況進行全面分析，以便在發生問題的時候能快速定位故障信息，因此需要對可能發生故障的汽輪機部件或部位進行定義，明確故障部件、故障現象、故障原因等[6-10]，形成同類設備的標準信息，以便收集同類設備的故障數據進行可靠性分析。根據可靠性分析的要求不同，可以對汽輪機的最小零部件進行可靠性分析，可以將多個零部件組合形成的設備部位組合形成故障部件來描述，需要注意的是可靠性分析不要求對所有的零部件都進行分析。比如：將低壓缸的零部件組合定義為“末級葉片”、“汽缸體”、“隔板及其汽封裝置”、“轉子及其葉片”、“軸封體”等故障部件來進行故障分析。

2.5 汽輪機標準部件設定分析

上述的四種零部件的定義方式涉及維修、設備、物料三個專業領域，相對獨立，但又存在密切的聯系，依據三個專業領域的工作要求和相互間的關系，可以用圖3的圖示對四種零部件的關系進行描述：

圖3 零部件關系圖

其中，運行維修手冊零部件是汽輪機基礎信息，是產生維修零部件和故障部件描述內容的基礎，維修過程中針對部件拆裝和部件狀態管理要求，形成有層次關系的維修零部件組合，故障部件是在對汽輪機可靠性分析過程中的汽輪機零部件或由零部件組合形成的功能部件的描述，備件信息根據維修活動（包含改造、替代等）需要產生，將汽輪機零部件納入采購管理形成備件信息。運行維修手冊零部件的定義雖然是基礎的信息，但是不能體現出維修單元、故障部件、備件等多個零部件組合需求。通過分析，可以建立如圖4所示的層級部件結構。

圖4 汽輪機層次部件結構示意圖

按照汽輪機層次部件結構示意圖，汽輪機的低壓缸設備可以劃分為設備、部位、零件三個部分，其中部位和零件可以統稱部件，設備指的是實現系統設計功能的最小裝置，對應系統設計中的功能位置編碼，零件對應運行維修手冊零部件，部位由零件組成，按照設備可靠性管理、維修管理、備件管理的需要綜合定義形成。該層次結構應有如下特點：

零件可以小于或等于運行維修手冊描述的零部件，確定是否需要編碼數據時可以參考最小維修單元的要求。

部位的定義依賴于維修過程、備件、故障分析業務的需求，定義內容可能發生變化。

汽輪機多層次零部件結構設計目標是為了適應不同業務場景對汽輪機零部件的描述需求，以便形成可以匯集相關數據的標準節點，方便開展對汽輪機技術問題、設備故障的高效處理、分析、評估工作，是形成汽輪機設備數據標準的重要基礎工作，由于設備可靠性、維修、備件的專業需求不同，因此需要綜合各方需要逐步形成汽輪機標準層次部件結構的定義。

3 結語

通過對汽輪機全壽期管理的理解和分析以及對汽輪機相關業務數據情況的分析，可以看出汽輪機作為核電廠重要的重大設備，需要開展以零部件為基礎的精細化管理，同時通過對汽輪機全壽期業務數據特點的分析，提出了多層次零部件結構，可以保證以汽輪機零部件為基礎的數據集成的有效性和準確性。