夏 洲 ，孫萬成 ，徐 潔，潘偉峰，朱傳古

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院/南京南瑞集團(tuán)公司，江蘇 南京 210003；2.江蘇蘇美達(dá)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

水電廠開展設(shè)備狀態(tài)檢修，狀態(tài)監(jiān)測是技術(shù)基礎(chǔ)，核心是設(shè)備狀態(tài)評價(jià)，多年以來基于故障診斷的水電設(shè)備的狀態(tài)評價(jià)一直沒有突破[1]，但是，國內(nèi)電力企業(yè)對實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的探索并沒有停步[2]，如基于RCM的設(shè)備檢修[3]、基于點(diǎn)檢定修的設(shè)備檢修[4]等，從技術(shù)、管理和業(yè)務(wù)流程上探索實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，關(guān)注重點(diǎn)也從單純的故障診斷技術(shù)轉(zhuǎn)向設(shè)備狀態(tài)評價(jià)技術(shù)，特別是國家電網(wǎng)公司在輸變電設(shè)備狀態(tài)評價(jià)技術(shù)上開展了大量的工作[5]，取得顯著成績，加拿大魁北克水電研制的水電廠發(fā)電機(jī)綜合診斷系統(tǒng)（MIDA）已得到應(yīng)用[6]，這些工作為水電廠開展設(shè)備狀態(tài)評價(jià)提供了有益的參考。

不同于變壓器、斷路器等設(shè)備，水電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行中受到的影響因素較多，給水電機(jī)組狀態(tài)評價(jià)帶來困難，隨著監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，狀態(tài)信息采集更加準(zhǔn)確和豐富[7，8]，為水電機(jī)組狀態(tài)評價(jià)和健康狀況的評價(jià)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，采用失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,簡稱FMEA)[9]與因果樹狀分析圖相結(jié)合，是一種行之有效的方法。

1 FMEA和因果樹狀分析方法介紹

1.1 FMAE介紹

FMEA是20世紀(jì)60年代中期由美國國家航天航空局（NASA）在航空航天項(xiàng)目框架范圍內(nèi)提出的一種工作方法。在水電設(shè)備狀態(tài)評價(jià)中，F(xiàn)MEA可以用來識別水電機(jī)組各部分潛在的失效模式、這些故障對系統(tǒng)的影響、故障的原因、采取的措施。在FMEA的基礎(chǔ)上，失效模式、影響和危害度分析（Failure mode and effect and criticality analysis,簡稱FMECA)方法拓展了FMEA的適用范圍[10]，根據(jù)機(jī)組部件的重要性和危害程度，F(xiàn)MECA可以對每種被識別的失效模式進(jìn)行排序，能夠?qū)崿F(xiàn)水電機(jī)組的半量化評價(jià)（等級評價(jià)），為進(jìn)一步的測試和維修工作的規(guī)劃提供依據(jù)，也可以用于對水電機(jī)組設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評估，實(shí)施內(nèi)容包括：

（1）確定水電設(shè)備對象；

（2）組建實(shí)施工作團(tuán)隊(duì)，人員可以由來自于研究院所、電廠運(yùn)維部門、主機(jī)設(shè)備廠家、狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備廠家的技術(shù)人員組成；

（3）將水電設(shè)備對象分成部件（組件），確定：

1）各部件出現(xiàn)明顯失效模式是什么？

2）反映每種失效模式的影響因素表現(xiàn)（狀態(tài)量）是什么？

3）造成這些失效模式的具體機(jī)制（故障原因）是什么？

4）故障可能產(chǎn)生的影響；

5）失效的后果（破壞性）；

6）采取的補(bǔ)償措施，制定測試和維修工作的規(guī)劃。

采用FMECA方法時，需要根據(jù)失效后果的嚴(yán)重性，將每個識別出的失效模式進(jìn)行分類，按照設(shè)備的重要性和失效程度評價(jià)狀態(tài)等級，通過故障模式后果與失效概率的組合獲得風(fēng)險(xiǎn)等級，定性、半定量或定量地表達(dá)失效模式對設(shè)備運(yùn)行帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

同一臺水電設(shè)備，經(jīng)過技術(shù)改造、較大的檢修和部件更換等，失效模式和物理狀態(tài)可能發(fā)生變化時，應(yīng)重新進(jìn)行FMEA、FMECA的分析。

（4）FMEA的主要輸出結(jié)果是水電設(shè)備部件（組件）的失效模式、失效機(jī)制及其對各組件或者設(shè)備影響的清單（包括故障可能性的信息），也可以提供有關(guān)故障原因及其對整個設(shè)備（系統(tǒng)）影響方面的信息。FMECA的輸出包括對于設(shè)備或系統(tǒng)失效的可能性、由設(shè)備的重要性和失效程度評價(jià)狀態(tài)等級、失效模式導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)等級、風(fēng)險(xiǎn)等級和“監(jiān)測到”的失效模式的組合等方面的重要性進(jìn)行排序。

1.2 故障因果樹狀圖分析

水輪發(fā)電機(jī)組由大量的部件組成，故障機(jī)理十分復(fù)雜，屬于多故障模式系統(tǒng)，從各種故障根源（Ci）到發(fā)生的所有可能的失效模式（Fi）過程中，是以各種有關(guān)聯(lián)關(guān)系和離散的物理狀態(tài)（ei）反映出來的，可以采用故障因果樹狀分析圖對設(shè)備失效模式、故障根源和物理狀態(tài)進(jìn)行分析，如圖1所示，這些物理狀態(tài)（ei）有的是可以被監(jiān)測的，有的是無法監(jiān)測到的，反映了劣化過程中的設(shè)備狀態(tài)（S），因此，對能夠被監(jiān)測到的物理狀態(tài)進(jìn)行量化評價(jià)，預(yù)示設(shè)備發(fā)生失效的可能性。

圖1 故障因果樹狀分析圖

由于水輪發(fā)電機(jī)組故障的影響因素包括水力、機(jī)械、電氣等，機(jī)理復(fù)雜，對設(shè)備進(jìn)行分析，故障根源（Ci）很難羅列完全，由故障根源（Ci）到發(fā)生的所有可能的失效模式（Fi）途徑描述完全是很困難的，僅以有限的狀態(tài)量（S）評價(jià)整個設(shè)備狀態(tài)難免管中窺豹，如果將復(fù)雜的設(shè)備分解為不同的部件，采用FMEA方法分別對部件的故障原因和失效模式進(jìn)行分析，評價(jià)其狀態(tài)，則問題得以簡化，因此，可以將設(shè)備按照結(jié)構(gòu)或功能分解成不同的部件，根據(jù)監(jiān)測到的狀態(tài)量對于部件狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)打分，最后綜合各部件的劣化程度分值獲得整體設(shè)備的健康狀態(tài)評價(jià)。

2 水電機(jī)組狀態(tài)評價(jià)方法

采用FMEA方法對水電機(jī)組狀態(tài)評價(jià)流程如圖2所示，具體步驟如下：

圖2 設(shè)備狀態(tài)評價(jià)流程圖

（1）結(jié)構(gòu)分解與狀態(tài)量關(guān)聯(lián)

按照結(jié)構(gòu)或功能將水電機(jī)組分解成不同的部件（或組件），如蝸殼、接力器及導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪、主軸、轉(zhuǎn)子、定子、上導(dǎo)軸承及油箱、推力軸承（組合軸承）及油箱、下導(dǎo)軸承及頂蓋等，每個部件可能具有一個或多個狀態(tài)量，如溫度、振動、位移、壓力、電壓、電流等，分別表示為S11、S12、S13……，狀態(tài)量的數(shù)值反映不同的劣化程度，根據(jù)狀態(tài)量的數(shù)值區(qū)間進(jìn)行分級，對應(yīng)不同的劣化程度的分級，每個分級對應(yīng)一個劣化分值A(chǔ)ij，如表1所示。

表1 狀態(tài)分級

（2）部件狀態(tài)評價(jià)

不同的狀態(tài)量對機(jī)組的性能和安全運(yùn)行影響也是不同的，根據(jù)狀態(tài)量對設(shè)備的性能和安全運(yùn)行影響大小賦予不同的權(quán)重Qij，如部件1的狀態(tài)量S11的權(quán)重表示為Q11，然后計(jì)算部件i各個狀態(tài)量Sij的分值：Sij=Qij×Aij，以及部件 i的狀態(tài)量分值：Si=∑Sij。綜合Sij和Si的分值區(qū)間評定該部件的等級：正常、注意、異常、嚴(yán)重。表2為某部件狀態(tài)分值與相應(yīng)狀態(tài)的對應(yīng)示例。

表2 部件狀態(tài)分值對應(yīng)表

當(dāng)狀態(tài)量（尤其是多個狀態(tài)量）發(fā)生變化，且不能確定變化的原因和部位，可以采用診斷分析方法，判斷異常的原因，確定評分的部件和分值。

（3）機(jī)組健康狀態(tài)評價(jià)

最后，綜合設(shè)備各部件等級獲得設(shè)備的健康指數(shù)及狀態(tài)等級，狀態(tài)分級可參照電力設(shè)備的狀態(tài)分級[11]，定義見表 3。

表3 設(shè)備狀態(tài)分級定義

當(dāng)所有關(guān)鍵部件的評價(jià)結(jié)果為正常時，機(jī)組的整體健康狀態(tài)為正常，當(dāng)任一關(guān)鍵部件狀態(tài)評價(jià)為注意、異常和嚴(yán)重時，機(jī)組整體健康狀態(tài)評價(jià)應(yīng)為其中最嚴(yán)重的狀態(tài)。

3 結(jié)論

基于FMEA的水電機(jī)組狀態(tài)評價(jià)方法，與故障因果樹狀分析圖相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水電機(jī)組狀態(tài)的量化（或等級）評價(jià)，提供了電廠設(shè)備狀態(tài)的總貌，根據(jù)部件的評價(jià)等級排序，推斷出檢修的部位、內(nèi)容和緊迫程度，為實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組狀態(tài)檢修決策提供量化的依據(jù)。南京南瑞集團(tuán)公司在此基礎(chǔ)上建立了以設(shè)備狀態(tài)評價(jià)為核心的水電廠設(shè)備狀態(tài)評價(jià)與檢修決策技術(shù)體系，開發(fā)了CMS9000水電廠主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)并在多個電廠推廣使用[12]。同時在實(shí)施過程中我們體會到，對機(jī)組部件狀態(tài)量的分值定義、權(quán)重的分配、建立故障因果樹狀分析圖，需要相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員做大量細(xì)致的基礎(chǔ)工作，充分體現(xiàn)了水電機(jī)組狀態(tài)評價(jià)和狀態(tài)檢修工作的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。