國電樂東發(fā)電有限公司 黃書益 岳 琳 方豐智 馬開明

設備可靠性是機組安全生產的重要保障，因此，在設備的全壽命周期中，通過對設備的管理優(yōu)化來實現(xiàn)機組可靠性和經濟性的優(yōu)化平衡，對電廠的生產經營具有重要意義[1]。隨著智慧電廠建設越來越廣泛，以狀態(tài)監(jiān)測、狀態(tài)檢修為核心的設備智慧化管理在我國發(fā)電行業(yè)得到了積極推廣。狀態(tài)檢修是指在設備狀態(tài)評價的基礎上，根據(jù)設備狀態(tài)和分析診斷結果安排檢修時間和項目，并主動實施的檢修方式。

從設備安全性角度考慮，狀態(tài)檢修方式以設備當前的實際工作狀況為依據(jù)[2]，通過先進的狀態(tài)監(jiān)測手段、可靠性評價手段及壽命預測手段判斷設備的狀態(tài)，識別故障的早期征兆，對故障部位及其嚴重程度、故障發(fā)展趨勢做出判斷，并根據(jù)分析診斷結果在設備性能下降到一定程度和故障將要發(fā)生前進行維修。由于科學地提高了設備的可用率和明確了檢修目標，這種檢修體制耗費最低，為設備安全、穩(wěn)定、長周期、全性能、優(yōu)質運行提供了可靠的技術和管理保障。

1 系統(tǒng)開發(fā)意義

實踐證明，狀態(tài)檢修的初步應用給企業(yè)帶來了顯著的效益，設備可靠性和經濟性都得到了有效提高，但我國狀態(tài)檢修的實施依然存在明顯問題。目前電力行業(yè)狀態(tài)檢修的實施普遍不完善，主要集中在設備監(jiān)控方面，而對狀態(tài)檢修的核心內容即設備可靠性分析、數(shù)據(jù)挖掘和檢修決策方面則很少涉及，沒有形成完整的狀態(tài)檢修體系。

另一方面，電廠SIS系統(tǒng)實現(xiàn)了對全廠生產過程實時數(shù)據(jù)的采集與處理，包含大量的設備實時性能數(shù)據(jù)，主要用于反映設備的經濟性狀況。而點檢系統(tǒng)通過離線的外觀檢查、參數(shù)檢測、無損檢測、理化分析等方式獲得了設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)設備的可靠性程度。無論是SIS數(shù)據(jù)還是點檢數(shù)據(jù)都在一些方面描述了設備狀態(tài)，因此可通過對SIS數(shù)據(jù)和點檢數(shù)據(jù)的有機融合和充分挖掘，實現(xiàn)對設備狀態(tài)的全面反映。

2 系統(tǒng)建設思路

2.1 整體技術路線

本文主要研究在發(fā)電企業(yè)現(xiàn)有硬件和信息系統(tǒng)基礎上，開發(fā)基于大數(shù)據(jù)融合的電廠設備智慧化運行管控系統(tǒng)。系統(tǒng)以SIS數(shù)據(jù)為基礎、融合點檢數(shù)據(jù)，并以相關試驗和測試數(shù)據(jù)作為補充，以數(shù)據(jù)挖掘模型為工具；針對具體設備建立物理模型和運行知識庫，進而開展狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、經濟運行分析等；以實現(xiàn)設備異常發(fā)現(xiàn)、故障原因預判、檢修計劃建議的安全分析功能（簡稱“智慧安全島”），以及設備運行尋優(yōu)、運行優(yōu)化方式建議、影響經濟運行因素分析等經濟分析和優(yōu)化功能（簡稱“智慧經濟島”）；確保設備狀態(tài)全面受控，挖掘設備安全性和經濟性的最佳平衡點，為實現(xiàn)電廠設備的全程監(jiān)控和運行管理水平提供有效和便利的技術途徑。

系統(tǒng)融合SIS（歷史和在線數(shù)據(jù)）、SAP、一體化平臺、精密專項點檢、歷史缺陷和維修臺賬、部分試驗數(shù)據(jù)等，通過離線學習和在線學習構建設備知識庫和運行尋優(yōu)案例庫。系統(tǒng)建立了智慧安全島和智慧經濟島，智慧安全島的作用是通過設備狀態(tài)檢修提高設備可靠性、減少維護費用；智慧經濟島的作用是在保證安全的前提下，通過對設備的經濟性分析、異常參數(shù)偵測和運行尋優(yōu)，提高設備運行的經濟性、節(jié)能增效。本文提出了一個基于SIS在線數(shù)據(jù)和點檢離線數(shù)據(jù)相融合的多維設備智慧化管控系統(tǒng)（圖1）。

圖1 總體技術路線

2.2 智慧安全島技術路線

首先對多維度數(shù)據(jù)進行有機融合，提取設備特征參數(shù)，實現(xiàn)對設備狀態(tài)的全面反映；基于多維數(shù)據(jù)離線挖掘獲得設備正常工況參數(shù)庫和故障知識庫，形成設備知識庫；利用風險矩陣圖實現(xiàn)設備狀態(tài)對機組的安全性評估，分析設備健康劣化對機組性能的影響程度，包括安全性風險及設備的壽命評估；最后基于設備的壽命周期管理情況，根據(jù)設備風險評估分析和故障診斷結果，構造設備—故障模式—檢修方案的空間映射拓撲結構，采用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化設備檢修的時間和策略，為狀態(tài)檢修提供參考。預留與SAP缺陷和維修工單交互接口，后期可實現(xiàn)維修管理閉環(huán)。

2.3 智慧經濟到技術路線

首先對設備運行過程的海量歷史數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)清洗、提質，挖掘得到設備運行優(yōu)秀案例庫；基于運行參數(shù)關聯(lián)分析與經濟性分析計算，偵測出影響經濟性的異常參數(shù)；根據(jù)設備運行優(yōu)秀案例庫，結合案例推理模型對設備運行參數(shù)進行尋優(yōu)計算，輸出運行優(yōu)化建議供運行人員參考，預留與ICS尋優(yōu)控制模塊的交互接口，后期可實現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化。平臺建立運行智能評價模塊，進行實時操作分析、實時影響因素分析等，對優(yōu)化運行的結果進行智能反饋，形成“尋找歷史最優(yōu)—〉實際值與最優(yōu)值持續(xù)對標—〉操作水平整體提升—〉產生新最優(yōu)”這樣一個螺旋上升的循環(huán)方式，提升設備經濟運行水平，挖掘節(jié)能增效潛力。

3 實際案例

3.1 智慧安全島

本文系統(tǒng)建設中選取磨煤機、循泵、給水泵、送引風機開展狀態(tài)檢修研發(fā)工作，可為相關企業(yè)的運行參數(shù)實時智能診斷分析系統(tǒng)建設提供方向。

逐個設備進行可靠性分析，通過故障模式及后果分析（FMEA）對可能故障模式及所產生的影響/后果進行分析，明確設備故障表現(xiàn)、故障閾值、故障后果及相應的設備檢修方案；融合不同類型的數(shù)據(jù)建立趨勢分析與故障預警模型，通過設備歷史曲線分析、多設備狀態(tài)云圖分析的方式，實現(xiàn)對單臺設備狀態(tài)的初步評價及同類設備的整體評價，并構造典型故障的映射空間拓撲圖，建立故障模糊診斷模型和神經網(wǎng)絡預測模型，實現(xiàn)對典型故障的預測及診斷；在可靠性分析和典型運行工況分析的基礎上，根據(jù)SIS在線數(shù)據(jù)和點檢離線數(shù)據(jù)的有機融合，獲得變工況下的設備狀態(tài)目標值曲線，通過建立定量的設備狀態(tài)評估模型和半定量的設備狀態(tài)分級評估模型，得到在變工況下對設備健康狀態(tài)的評價。

對選取的設備進行全壽命周期管理，針對設備的具體構成部件對其進行可靠性分析，區(qū)分耐用件和易損件。對主設備耐用件的壽命評定采用溫度場和應力場有限元計算、低周疲勞壽命和蠕變壽命計算、剩余壽命評定等技術方案；對易損件采用可靠性理論中壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的技術。再結合設備本身的設計壽命建立設備壽命的綜合評估模型；最后根據(jù)可靠性分析、健康狀態(tài)評估、壽命評估，通過綜合分析得到設備健康狀態(tài)對系統(tǒng)性能的綜合影響結果提出設備的狀態(tài)維修建議，為合理維修決策提供參考。

3.2 智慧經濟島建設

本次系統(tǒng)建設選取磨煤機、循泵、給水泵、送引風機開展經濟性分析與優(yōu)化工作，方式如下：

選擇同類型設備，從SIS中獲取大量的歷史運行數(shù)據(jù)，從一體化平臺獲取設備缺陷臺賬和檢修臺賬數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行清洗、挖掘，提取有效數(shù)據(jù)記錄，作為數(shù)據(jù)挖掘和模型訓練的基礎；針對磨煤機和循泵建立起經濟性分析模型，采用經過清洗的數(shù)據(jù)集對模型進行訓練或驗證，使模型趨于成熟，并可將模型用于在線經濟性計算、案例尋優(yōu)等環(huán)節(jié)。

對經過清洗和結構化的數(shù)據(jù)進行挖掘，結合經濟性分析模型尋優(yōu)得到不同工況（不同負荷和煤種）下的磨煤機和循泵最經濟性運行方式的案例，形成最優(yōu)運行案例庫，案例庫可用于指導在線運行尋優(yōu)。同時開發(fā)在線增量挖掘模塊，基于SIS數(shù)據(jù)進行在線學習不斷更新案例庫中的案例，使其一直保持在同類工況下的最優(yōu)秀狀態(tài)；基于最優(yōu)運行案例庫，結合在線經濟性計算，異常參數(shù)偵測，提供運行優(yōu)化調整策略，將調整參數(shù)輸出給運行人員參考。

綜上，本文建立的發(fā)電機組運行參數(shù)實時智能診斷分析系統(tǒng)適用于燃煤電廠及具備相似業(yè)務的發(fā)電企業(yè)。通過精密點檢、設備狀態(tài)監(jiān)測、設備故障診斷理論培訓，可有效提發(fā)電企業(yè)設備維護人員理論水平。本系統(tǒng)從機理層面分析設備的故障模式，并對電站設備實時參數(shù)進行智慧監(jiān)測，對電站設備進行健康監(jiān)測，實現(xiàn)動態(tài)閾值預警，實現(xiàn)AI故障診斷推理。并根據(jù)設備健康情況、檢修計劃、零部件備品情況，制定檢修優(yōu)化建議；最后構建經濟型分析模型，并根據(jù)案例庫對實時運行參數(shù)進行優(yōu)化建議。由此為我國發(fā)電企業(yè)基于數(shù)據(jù)融合的設備狀態(tài)監(jiān)測與智慧檢修提供指建設性意見以及相關決策依據(jù)。