劉聰睿，李文華，薛晗光，楊群發(fā)，鄒 輝，袁 力，歐少明

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710054；2.廣東省能源集團(tuán)有限公司珠海發(fā)電廠，廣東珠海 519050）

0 引言

隨著市場競爭的日益激烈，火電機(jī)組要求通過降低設(shè)備運(yùn)行成本、控制維修保養(yǎng)費用等方式降低成本，同時，由于電廠設(shè)備尤其是高溫、高壓設(shè)備的失效帶來的損失巨大，因此預(yù)防設(shè)備失效的相關(guān)檢驗與維修工作顯得至關(guān)重要。一方面，要切實做好事故后的原因分析工作，找出事故發(fā)生的根本原因；另一方面，開發(fā)與優(yōu)化能夠提前預(yù)測失效發(fā)生時間的設(shè)備壽命評估技術(shù)，以及能夠及時檢驗出細(xì)小缺陷隱患的狀態(tài)檢驗技術(shù)，這種事前主動、預(yù)知的檢驗、評估與管理逐漸成為新的技術(shù)發(fā)展方向。另外，隨著調(diào)峰機(jī)組逐年增加，以及超臨界、超超臨界機(jī)組的建造投運(yùn)，機(jī)組的安全性評估與壽命估算變得日益重要［1-2］。

近年來，國外針對壽命評估技術(shù)的研究取得明顯成效。在火電廠高溫部件壽命診斷與評估方法研究方面，國外一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家提出了不少新方法，如管道和聯(lián)箱蠕變疲勞模型實時監(jiān)測［3］、異種鋼焊縫金屬壽命預(yù)測［4］、過熱器/再熱器壽命評估及延壽［5］等。

國內(nèi)從20 世紀(jì)70 年代即開始進(jìn)行火電機(jī)組關(guān)鍵部件的評估研究與實踐，目前研究主要集中于對蒸汽管道、汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、汽包、過熱器管和再熱器管等部件剩余壽命的估算以及對含超標(biāo)缺陷轉(zhuǎn)子、汽包和汽缸的安全性評定等方面［6-9］。國內(nèi)在2009 年頒布DL/T 654－2009“火電廠機(jī)組壽命評估技術(shù)導(dǎo)則”［10］，給出了一些主要部件的壽命評估方法，以上相關(guān)技術(shù)的研究及大量應(yīng)用都為該項目的實施與推廣奠定了良好基礎(chǔ)。

總體而言，國內(nèi)外都提出了一些部件壽命評估方法，但都尚未有細(xì)化到具體部件風(fēng)險和壽命評估以及后期具體檢修策略的管理系統(tǒng)，因此迫切需要建立一套符合實際機(jī)組特點的檢修策略管理系統(tǒng)。

重要金屬部件檢修策略優(yōu)化系統(tǒng)在傳統(tǒng)壽命管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家經(jīng)驗知識建立風(fēng)險評估模型，將風(fēng)險和壽命評估細(xì)化到部件具體部位。本系統(tǒng)主要功能包括：主要部位風(fēng)險與壽命評估、設(shè)備檢驗檢修歷史記錄查詢及統(tǒng)計、在線溫度監(jiān)測、超溫報警、設(shè)備狀態(tài)預(yù)警、檢驗計劃自動生成等。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 技術(shù)方案

如圖1 所示，重要金屬部件檢修策略優(yōu)化系統(tǒng)基于火電機(jī)組重要金屬部件的設(shè)計、歷次檢驗和日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)失效風(fēng)險和壽命評估獲得的知識，構(gòu)建知識驅(qū)動的檢修策略優(yōu)化管理平臺，給出機(jī)組重要金屬部件風(fēng)險狀況和壽命評估結(jié)果，并根據(jù)風(fēng)險和壽命評估結(jié)果給出適當(dāng)?shù)臋z驗檢修及技改等策略。

1.2 業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求實時或定時使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、維修記錄、檢驗記錄和更換記錄）進(jìn)行壽命、風(fēng)險評估以及定期工作判斷，然后根據(jù)計算出的壽命值結(jié)合更換記錄，決定最新的更換與改造計劃，并根據(jù)風(fēng)險值結(jié)合定期工作規(guī)則及檢驗維修記錄，決定最新的檢驗計劃。用戶按計劃實施更換或檢修工作后，將更換、檢修記錄錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)將根據(jù)新記錄再次進(jìn)行評估，并更新更換與檢驗計劃。詳細(xì)業(yè)務(wù)流程如圖2 所示。

1.3 系統(tǒng)架構(gòu)

重要金屬部件檢修策略優(yōu)化系統(tǒng)主要由系統(tǒng)首頁、信息錄入及管理、計算及監(jiān)測服務(wù)和檢修策略優(yōu)化等部分組成。計算及監(jiān)測服務(wù)根據(jù)需求實時或定時調(diào)用各個評估模型和判斷規(guī)則，基于測點的實時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)、部位的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與檢驗數(shù)據(jù)進(jìn)行各類評估，最后根據(jù)評估值得出檢修、更換計劃，并將結(jié)果發(fā)送至首頁及結(jié)果展示頁面，為負(fù)責(zé)人提供第一手資料。重要金屬部件檢修策略優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示。

Fig.1 System technical plan圖1 系統(tǒng)技術(shù)方案

Fig.2 System business process圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 信息錄入及管理

信息錄入及管理部分主要包括基礎(chǔ)信息管理、檢驗管理功能以及材料性能庫等。

為精確找出鍋爐部件的風(fēng)險點，基礎(chǔ)信息管理將重要金屬部件分解為不可再分的部位，如直管、螺栓等，并對每個部位進(jìn)行管理?；A(chǔ)信息內(nèi)容包括部位的類型、材質(zhì)、規(guī)格、投運(yùn)時間及設(shè)計參數(shù)等，同時將部位與實時測點進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，用于之后的評估與計算。

檢驗管理功能將檢驗數(shù)據(jù)的記錄具體到每個部位上，檢驗內(nèi)容包括理化檢驗、幾何檢驗、缺陷檢驗和其它檢驗4大類，共30 余項檢驗項。為了能對檢驗數(shù)據(jù)進(jìn)行更好的評估，系統(tǒng)將宏觀檢驗、內(nèi)窺鏡檢驗等描述性的檢驗項進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化分類，將錄入信息從描述性語句轉(zhuǎn)化為選項，以便于計算部位的風(fēng)險。

根據(jù)火力發(fā)電廠設(shè)備維修分析技術(shù)導(dǎo)則［11］，對于不同金屬材料，在不同環(huán)境下對其性能要求不同，因此本系統(tǒng)建立了材料性能庫。材料性能庫根據(jù)材料牌號和材料規(guī)格，記錄了金屬材料在不同部件、不同部位下的性能要求，包括但不限于硬度、壁厚、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等。

2.2 計算及監(jiān)測服務(wù)

本系統(tǒng)包含3 個服務(wù)，分別為狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)、風(fēng)險評估服務(wù)及壽命計算服務(wù)。狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)程序以每分鐘一次的頻率執(zhí)行，對實時測點進(jìn)行超限判斷，并對超過報警閾值的測點進(jìn)行超限記錄。

風(fēng)險評估服務(wù)用于計算各部位風(fēng)險值。高溫部件的風(fēng)險評估往往會涉及許多影響因素，而各個因素又具有較大的不確定性，難以用準(zhǔn)確的數(shù)值進(jìn)行量化。本系統(tǒng)根據(jù)專家知識庫建立風(fēng)險評估計算模型，將風(fēng)險評估分為硬度、壁厚、應(yīng)力和缺陷等多個分項，并對每個分項確定權(quán)重，結(jié)合部位的檢驗信息對各分項風(fēng)險進(jìn)行打分，最后根據(jù)權(quán)重對各分項的分值進(jìn)行加權(quán)計算，得出最終的風(fēng)險值。由于部位進(jìn)行檢驗時通常不會把所有檢驗項都檢查一遍，某些檢驗項可能數(shù)年才檢驗一次，所以風(fēng)險評估服務(wù)在計算時需結(jié)合該部位的歷次檢驗報告，取出各檢驗項最后一次的檢驗值用于計算。

壽命計算服務(wù)用于計算各部位的壽命值或壽命損耗率。對于蠕變類部件（如受熱面、高溫管道和集箱等）的部位，系統(tǒng)通過其關(guān)聯(lián)測點的超限情況、運(yùn)行小時數(shù)和停機(jī)記錄等每天定時計算其壽命值。同時，由于超溫情況下受熱面高溫蠕變強(qiáng)度降低，導(dǎo)致壽命大幅縮減，系統(tǒng)在檢測到超溫情況時，會實時計算其壽命值，并對短壽命的部位進(jìn)行報警。對于疲勞類部件（如大軸、汽包等）的部位，由于其壽命非常長，系統(tǒng)通過機(jī)組啟停次數(shù)等信息計算壽命損耗率以預(yù)測其壽命情況。

2.3 檢修策略優(yōu)化

檢修策略優(yōu)化主要包括檢修計劃和更換計劃等模塊。在檢修計劃方面，如表1 所示，系統(tǒng)將風(fēng)險值劃分為多個風(fēng)險等級，并對每個風(fēng)險等級給出建議的檢驗周期。結(jié)合部位的檢驗、維修歷史和風(fēng)險值，系統(tǒng)可以年為單位自動制定出電廠檢修計劃。同時，針對在風(fēng)險評估時超出標(biāo)準(zhǔn)的檢驗項，系統(tǒng)結(jié)合專家知識庫給出建議的檢驗與維修方式，并列出作為依據(jù)的檢驗報告，方便用戶確定造成風(fēng)險的具體原因。最后，考慮到不少部位從未進(jìn)行過檢驗，系統(tǒng)將未檢驗的部位進(jìn)行匯總，并提示用戶安排檢驗計劃。在更換計劃方面，系統(tǒng)根據(jù)剩余壽命計算結(jié)果，制定剩余壽命較短部件的延壽或更換計劃，如圖4 所示。

Table 1 Risk categories表1 風(fēng)險分類

Fig.4 Components replacement plan圖4 部件更換計劃

2.4 設(shè)備形貌圖展示

本系統(tǒng)首頁以圖形化方式展現(xiàn)重要金屬部件的結(jié)構(gòu)、形貌及部位情況，便于電廠用戶對系統(tǒng)的了解以及對風(fēng)險源的快速定位。首頁由機(jī)組系統(tǒng)圖、二級系統(tǒng)圖和部件形貌圖組成。其中，機(jī)組系統(tǒng)圖和二級系統(tǒng)圖可展示各級系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)，從機(jī)組系統(tǒng)圖和二級系統(tǒng)圖可進(jìn)入指定部件的形貌圖界面。部件形貌圖界面如圖5 所示。

部件形貌圖基于Open Layers 開源軟件，使用GIS（Geographic Information System）技術(shù)構(gòu)建WebGIS 平臺，將電廠鍋爐及汽輪機(jī)的主要部件形貌圖以矢量圖形式展示在網(wǎng)頁端，并支持矢量圖的放大和縮小，使用戶可以更詳細(xì)地觀察部件具體形貌。通過圖形編輯技術(shù)，系統(tǒng)支持用戶以多種方式在部件圖上標(biāo)注部位，包括點、圓、多邊形等，使用戶可通過標(biāo)注類型輕易區(qū)分出部位類型。同時，部件形貌圖中將判定為高風(fēng)險、低壽命的部位用警示圖標(biāo)加以標(biāo)記，并在上層浮框中以列表形式列出，從而對用戶進(jìn)行提示。

為實現(xiàn)多種類型標(biāo)注的顯示，部件形貌圖使用GeoJ?son 格式存儲部件圖和部位標(biāo)注數(shù)據(jù)。GeoJson 是基于Ja?vascript 對象表示法的地理空間信息數(shù)據(jù)交換格式，其支持開放地理信息系統(tǒng)協(xié)會（Open GIS Consortium，OGC）定義的多種幾何圖形。部件形貌圖的矢量圖由CAD 繪制，經(jīng)由程序先轉(zhuǎn)換成SHP 文件，再轉(zhuǎn)換成GeoJson 格式文件后上傳至服務(wù)器，并在網(wǎng)頁端展示。

Fig.5 Equipment topography圖5 設(shè)備形貌圖界面

對于如再熱器、過熱器類型中存在多個相同管屏的部件，系統(tǒng)提供了管屏復(fù)制功能，用戶只需將第一屏部件的信息、矢量圖及相關(guān)部位標(biāo)注編輯完畢，即可通過復(fù)制功能將其它管屏部件全部創(chuàng)建出來。在查看矢量圖頁面，用戶可通過切換管屏號直接查看指定管屏的部件圖。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)通過建立重要金屬部件信息動態(tài)管理體系，將風(fēng)險評估和壽命管理細(xì)化到具體部位上，給出合理的檢修策略和維修更換建議。本系統(tǒng)對檢修策略的優(yōu)化主要包括以下幾方面：根據(jù)風(fēng)險管理結(jié)果，給風(fēng)險值不同的部位安排不同的檢修周期與檢修時間；根據(jù)壽命管理結(jié)果，合理安排剩余壽命較短部件的延壽或更換計劃，給出具體更換或維護(hù)時間；根據(jù)壽命管理結(jié)果，對機(jī)組的運(yùn)行提出建議；根據(jù)壽命管理和風(fēng)險管理結(jié)果，找出機(jī)組運(yùn)行監(jiān)測盲區(qū)；通過可視化技術(shù)，直觀指出存在風(fēng)險與故障的位置。目前本系統(tǒng)已在試點電廠投入使用，運(yùn)行良好，對電廠檢修計劃的制定給出了指導(dǎo)性建議，該方案可為國內(nèi)類似機(jī)組的檢修策略管理體系提供參考。同時筆者建議，金屬部件的風(fēng)險評估和壽命管理應(yīng)著重考慮檢驗數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集與管理，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，在數(shù)據(jù)挖掘、失效模式分析方面作進(jìn)一步深化。