基于智能電站功能結構的狀態檢修策略構建

檀 煒

（中電電力檢修工程有限公司，上海 200086）

0 引言

當今電力能源建設呈多能互補、重點突出和優劣競選的發展模式，電站設備運行安全性、可靠性和經濟性是發電企業追求的永恒目標。發電機組設備檢修管理科學化是現代能源企業組織生產和管理的重要手段，而電站設備檢修的組織策劃、過程控制和性能評價等環節是一個復雜的技術管理過程。如何更科學地管理好設備，提高設備利用率和安全可靠性，降低故障率，已成為電力企業面臨的現實問題。以設備運行狀態為參考的狀態檢修策略，能很大程度上解決或提高設備運行安全性和可靠性，并能在全壽命周期中控制檢修費用的合理支出，為決策者實施最優化的檢修管理提供科學依據。

原國家電力公司在2001年就實施設備狀態檢修發布了國電發[2001]745號文《火力發電廠實施設備狀態檢修的指導意見》，但經過20多年發展和實踐，電站狀態檢修還未達到人們的預期。狀態檢修的前提是全面檢測設備的實時狀態并綜合分析評估，隨著電力設備制造技術的發展，數字電站、智能電站及智慧電站等概念的提出和一些工程實踐，智能電站的先進功能正好能比較全面地提供設備的運行狀態和綜合信息。本文結合發電站設備狀態檢修需求和實踐，探討電站狀態檢修策略與智能電站在功能設計、建設和應用方面的關聯和互通。

1 火力發電設備管理與檢修策略

目前電站設備檢修一般是按照設備檢修周期、檢修范圍和檢修深度實行等級檢修。以機組檢修規模和停用時間為原則，將火力發電企業機組的檢修分為A、B、C、D 4個級別[1]。而設備檢修模式主要有計劃性定期檢修、糾正性故障檢修、優化改造性檢修和預防性狀態檢修等，目前還是以計劃檢修和故障檢修為主。按照DL/T838-2017《燃煤火力發電企業設備檢修導則》定義，狀態檢修（CBM，Condition Based Maintenance），是指根據狀態監測和診斷技術提供的設備狀態信息，評估設備的狀態，在故障發生前進行檢修的方式[1]。雖然狀態檢修是基于燃煤火力發電設備檢修提出的，但對核電和新能源電站同樣具有一定的推廣意義。

1.1 基于點檢定修制的設備管理與檢修

點檢定修制是一套比較有效的設備管理模式，它是基于人的技能經驗感知或儀表工具檢測設備運行狀態，按照專業技術標準，定人、定點、定期地對設備進行檢查分析的一種管理方法。以專業點檢員（人為定義的崗位）為核心對設備實行全周期、全過程管理模式，點檢定修制設備管理在一定程度上可以防止設備“過修”或“欠修”的情況發生，從而可以提高設備可靠性，降低故障發生率，減少設備維護檢修費用等。

對設備進行點對點巡檢并進行技術診斷、劣化趨勢分析和綜合性能指標評估，以確定設備的運行性能和技術經濟指標，據此來綜合分析設備運行的可靠性、維修的必要性和可行性，以便及時發現和及早處置潛在的設備隱患。以上這些工作均是通過借助有限的技術手段人工檢測分析，從而決定設備的檢修方式和檢修級別。

1.2 基于可靠性為中心的檢修

基于可靠性為中心的檢修（RCM，Reliability-centric maintenance）設備狀態監督趨勢分析是加強設備的狀態管理，對運行和檢修工作起到正確的指導作用，最終達到建立以設備技術狀態為依據的維修方式，從而避免過度維修或維修不足情況發生。設備可靠性除依托于設備性能和質量、安裝調試和運行維護技能等因素外，設備失效根本原因分析和處理措施是RCM的技術基礎，也是優化檢修策略，提高設備可靠性的關鍵環節之一。通過可靠性分析，可確定設備或系統的薄弱環節、關鍵部位、應采取的措施等，同時可確定設備可能潛在的故障，指導故障診斷和檢修方案的制定，根據可靠性分析的結果采取不同的檢修策略。

設備失效（或缺陷）根本原因分析（RCA，Root cause analysis）是基于已發生故障設備的相關信息分析總結，并制定相關技術措施和管理對策，為準確判斷類似設備的異常、故障和潛在的劣化趨勢等提供技術支撐。對設備失效根本原因進行科學全面地分析，提出正確的糾正措施，落實設備糾正性故障檢修方案。以設備運行可靠性分析報告為依據來優化檢修策略，合理安排檢修項目和周期、檢修范圍和深度。

設備失效的判斷和分析需要大量的設備狀態信息作為依據，設備狀態信息主要有：設備故障發生的過程、現象以及相關的運行操作歷史記錄；對故障設備/部件所做必要的測量、取樣、記錄及照片；對于失效部件斷口、裂紋、放電痕跡等分析及影像資料；設備部件性能檢測試驗/型式試驗；材料物理/化學/力學/機械等性能檢測分析；設備保護動作記錄、故障錄波記錄；供貨商（廠家）提供的設備/部件故障相關信息；失效設備相關維修改造歷史記錄；失效設備相關運行維修技術規范文件；失效設備設計、制造和出廠試驗相關文件等。

1.3 狀態檢修

狀態檢修是對設備或系統進行全方位狀態監測（自動或人工），對影響安全、經濟、可靠運行的因素進行綜合分析評估，并對設備運行健康狀態及壽命周期預測診斷，根據分析結果確定選擇合適的檢修策略（檢修項目、檢修周期、檢修頻次、檢修范圍和檢修深度等），真正做到“應修必修，修必修好”的目標。實施狀態檢修的目的就是科學維護設備，在保障設備安全、經濟、可靠的前提下，最大限度地提高發電設備的可靠性和利用率，減少人、財、物的不必要浪費和設備磨損，提高企業經濟效益。

有別于以時間為維度的預防性定期檢修（TBM，Time Based Maintenance），狀態檢修是根據采集的設備告警、磨損、老化及劣化趨勢等狀態參數信息來評估設備運行狀態，進行早期故障預警與診斷，在故障發生前開展針對性的預防性檢修。運行設備狀態的信息主要來源于基于RCM表征設備狀態的歷史經驗數據信息、點檢定修制檢修模式下點檢員采集的數據信息和智能設備或系統自動采集和分析的數據信息。

設備狀態診斷評估是推行狀態檢修工作的基礎和核心，要準確全面自動評估設備運行狀態需要智能設備狀態信息的全數采集，智能控制系統（ICS）的優化控制，專家診斷評估系統分析，設備維修管理策略評價系統分析，生產關聯輔助決策系統綜合分析等功能環節的支撐和匹配。隨著T/CEC164-2018《火電廠智能化技術導則》等相關標準的發布實施，初步明確了火力發電廠智能化的基本概念、體系結構、功能與性能、外部接口、工程實施等方面的技術要求，指導火力發電廠智能化地規劃、設計、調試、驗收、維護與評估等。從功能設計層面可借助于智能電站的相關功能結構，逐步推進狀態檢修的深入實踐。

2 基于智能電站功能結構的狀態檢修策略

2.1 智能電站功能結構現狀

《火電廠智能化技術導則》T/CEC 164-2018明確火力發電廠智能化功能管控體系分3個層級：智能設備層、智能控制層和智能管理層。智能化火力發電廠系統功能結構如圖1[2]。智能設備層隨著自動化技術發展和設備智能化的制造可基本實現狀態檢測、設備自評估、故障診斷和信息發布等功能；智能控制層在智能設備層的狀態信息基礎上，可以實現智能控制算法、自尋優自適應控制和專家狀態診斷等功能。該功能層需要先進控制理論、綜合控制策略和專家診斷系統的配套和協調，這方面還需要深入研究和開發；智能管理層主要實現生產經營各項指標的關聯分析和智能輔助決策等，為生產經營決策者提供科學決策依據，現階段該功能層還有待于針對性和系統性地綜合研究和開發。

圖1 智能化火力發電廠系統功能結構圖Fig.1 Functional structure diagram of intelligent thermal power plant system

目前國內有關智能電站建設的理論研究和工程實踐，一直是專家學者關注和研究的重點。存量機組的智能化改造和功能優化存在系統關聯度不高，現有信息管理系統兼容利用率較低，模塊功能交叉重疊度高，有效數據綜合利用不充分等問題比較突出。新建機組存在智能電站頂層規劃設計深度不夠，可研與初設未充分考慮智能電站設計要求，智能電站功能需求不明確或不實用，基礎建設費用受限等問題。電站相關控制技術的發展和設備系統智能制造也是制約智能電站功能拓展設計的因素之一。

2.2 狀態檢修功能模塊的構建

智能電站3個層級的管控體系與技術支撐體系互聯互通，設備及系統狀態通過泛在感知、智能融合、自動診斷等綜合手段，經過控制系統和綜合管理評價信息系統的關聯分析、失效預警、綜合評判和對策處置等信息集成，輸出基于狀態檢修的決策策略和檢修模型等參考信息。基于智能化火力發電廠系統功能結構（圖1）中本地技術支撐模塊功能設計思路，根據狀態檢修策略需求，細化和綜合相關功能可構建設備維修評價決策管理系統（EMMS，Equipment Maintenance Management System），功能結構原理如圖2。

圖2 設備維修評價決策管理系統結構圖Fig.2 Structure diagram of equipment maintenance evaluation decision management system

發電廠維修工作是一個復雜動態的系統工程，通過“人、機、料、法、環、測”全要素的協調聯動實施。科學合理選擇不同的檢修方式，形成一套融糾正性故障檢修、計劃性定期檢修、優化改造性檢修和預防性狀態檢修等最佳綜合檢修方式尤為重要。而狀態檢修策略能較全面地實施安全、質量、進度、費用等方面的優化控制，保證發電機組安全、可靠、高效和經濟運行。狀態檢修功能模塊設計是以設備維修評價決策管理系統（EMMS）為中心模塊，充分挖掘智能電站提供的表征設備狀態的大數據信息，關聯輔助信息系統綜合分析等功能環節的支撐和匹配等來設計的。

2.3 EMMS各功能模塊簡要分析

2.3.1 系統輸入信息交互模塊

系統輸入功能模塊主要有：存量機組的設備管理系統、設備狀態信息采集處理、技術監督監測預警、設備系統指標管理分析、設備壽命管理與評估、專家診斷評估分析、設備隱患風險評估、設備相關歷史數據庫、電網側相關技術管理要求等。

2.3.2 系統輸出決策參考模塊

系統輸出功能模塊包括：狀態檢修組織策劃、檢修項目評估確定、檢修時點及時長選擇優化、檢修項目修前/修后試驗優化、備品備件采購及庫存定額優化、檢修工藝規程等作業文件、設備或部件及系統延壽評估、網源協調優化等。

2.3.3 設備狀態信息采集系統

目前，常用于狀態檢修的監測與診斷技術有：振動監測與診斷（軸系振動、扭振、管道振動等）、聲波監測與診斷（聲發射和超聲發射診斷等）、油液成分監測與診斷（鐵譜、光譜、色譜診斷等）、應力/應變監測與診斷（熱應力、動應力監測與診斷）、位移和位置監測與診斷（位移、膨脹、閥位等）、溫度監測與診斷（紅外線熱成像等）、核射線監測與診斷（CT、成分分析等）、電氣參數監測與診斷（局部放電、鐵芯電流、剩余電流等）、化學分析監測與診斷（氫純度、汽水、氧量監測等）、綜合監測與診斷等。

日常常規歷史數據庫相關檢測數據：無損探傷、超聲診斷、葉片測頻、水油化學分析、材料性能檢查、絕緣過熱監測、振動診斷分析、紅外溫度檢測、設備歷史記錄數據等。這些數據可以通過接口自動或人工導入EMMS系統，通過狀態數據管理與分析系統軟件并關聯即時狀態數據進行綜合診斷分析。

常規電站一些重要的成套設備及系統一般都設計有監控系統。如汽輪機/給水泵小汽輪機振動監測系統、DCS各子系統、單獨PLC系統，以及各監測外掛系統等。關鍵問題是單一就地執行設備或系統是否能提供完整的設備狀態信息，存量機組可通過現場設備改造部分實現信息共享，新建機組可通過設計階段做好智能設備的設計和選型，通過數據總線等方式提供比較完整的狀態信息。

2.3.4 系統關聯和分析

設備狀態監測和故障診斷分析是狀態檢修的核心要素。可以說，沒有成熟的狀態監測與故障診斷就沒有真正意義的狀態檢修。診斷一般分為靜態診斷和動態診斷，靜態診斷是要通過常規或離線探查設備的健康狀態，動態診斷則依靠實時狀態在線探查設備的性能及狀態。收集到狀態信息后，如何把單一特定檢測系統相關數據有機統一到EMMS系統中，是狀態檢修功能模塊設計的必然要求。

狀態檢修的智能決策主要是應用計算機輔助決策技術和數據庫技術，把電站的所有操作運行和檢修信息綜合在一起，針對狀態檢修決策目標要求，形成以單個設備或系統為單元的決策工具。在狀態檢修策略應用過程中，供系統工程師、檢修工程師和電廠管理人員使用，而狀態檢修策略計算分析軟件系統設計，是全面推進狀態檢修實施的關鍵環節之一。

3 狀態檢修管理策略實施的思考

3.1 狀態檢修實施影響因素

3.1.1 管理因素

設備狀態檢修模式發展和應用是一項持續性、創新性和技術性較強的工作，需要加強電力企業、科研院所、專業高校、設備開發制造商等協同推進。統籌考慮機組安全性、可靠性和經濟性，等級檢修管理思路需要進一步拓展；與狀態檢修實施密切相關的專業技術人員專業素養有待進一步提高；機組設備狀態信息的收集歸檔、關聯統計和檢索應用沒有充分挖掘；狀態檢修管理決策系統需要有機結合現行檢修管理工作各環節。現行的計劃性定期檢修、糾正性故障檢修和優化改造性檢修與預防性狀態檢修的設備狀態檢測和分析、劣化趨勢預測和狀態數據互聯共享等諸多問題，有待進一步研究和開發。

3.1.2 技術因素

設備狀態信息獲取的代表性、全面性，故障診斷預測的準確性，信息系統的穩定性等方面還有一些問題有待解決。設備狀態檢測技術開發應用，設備故障診斷技術和方法的研究，設備狀態分析、狀態評價和風險評估，設備檢修策略決策分析[3]，這些是設備運維檢修實現智能化運維檢修需要研究和開發的系列課題。

單體智能設備的研發和推廣應用需要進一步拓展，核心的熱力設備某些故障機理理論研究還需要探索，監測診斷手段有待進一步開發和應用。狀態監測與故障診斷技術信息管理平臺需要系統關聯研發，設備可靠性預測技術與方法需要進一步研究，相關應用的深度與廣度也有待加強。

狀態檢修中檢修時間間隔的確定，檢修范圍和深度與設備壽命和損耗是直接關聯的。分析部件失效機理及影響壽命的各種因素，并綜合考慮設備運行可靠性和經濟性，準確選擇檢修時點和檢修方案是關鍵策略。設備及其零部件由于磨損、腐蝕、蠕變和疲勞破壞等原因，其使用壽命是有限的。設備與系統壽命管理（LM，Life management）與預測技術要想成功地運用于狀態檢修工作中，還需要解決一些技術難題。如設備壽命計算中復雜邊界條件的提出，壽命損耗累積原則的確定，材料在不同溫度、應力條件下的壽命損耗特性，剩余壽命評價等。

狀態檢修的邊界條件問題，基于多目標優化的檢修智能決策技術、仿真技術在狀態檢修中的運用等都需要進一步研究與探討。

3.2 狀態檢修實施相關技術的交互應用

狀態檢修策略要真正可執行、可操作涉及到多層技術的交互應用，主要相關技術交互應用也是助推狀態檢修實施的關鍵因素之一。如信號檢測技術、故障診斷技術、自動化控制技術、仿真技術、圖像智能識別技術、人工智能技術、移動終端應用技術、VR/AR技術等。

管理信息化技術包括：遠程實時傳輸及物聯網、智能決策與分析技術、遠程設備狀態監測與診斷、ERP系統應用、集團安全生產監控系統、輔助決策與專家診斷、網絡信息安全、燃料智能物流、備品備件虛擬聯合倉儲、運營數據深度挖掘。

基于狀態檢修專業化信息管理系統是相關技術交互應用的基礎性平臺，隨著智能電站建設標準、技術路線、功能架構的進一步完善，狀態檢修相關信息系統交互關聯和應用應該可以期待。

4 結語

狀態檢修作為一種先進的檢修管理方式，現階段沒有很好的實踐原因是多方面的，主要因素有：狀態檢修關聯技術支撐系統沒有得到很好的設計和應用，智能電廠功能設計階段沒有充分考慮到狀態檢修的相關功能技術需求，狀態檢修診斷評估信息系統未充分開發利用等。狀態檢修模式推廣需要結合目前的計劃性定期檢修、糾正性故障檢修、優化改造性檢修、設備全壽命管理等綜合考量。狀態檢修實質上是現有多種檢修方式的集成優化，深入研究和實踐應用狀態檢修策略將為電站設備管理模式的改進和優化提供了一個新的思路和方向。

智能電站的相關控制理論和智能設備系統一直在發展進步，智能電站建設需要在智能設備狀態檢測、大數據分析與挖掘、診斷分析系統集成、設備系統全壽命周期管理等方面開展綜合研究和應用，與此同步要求狀態檢修相關聯的評價決策管理系統也需要與智能電站相關技術同步發展推進。