中電華創(chuàng)（蘇州）電力技術(shù)研究有限公司 吳成年 徐 威 江蘇常熟發(fā)電有限公司 戴 軼

中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司 王亞順

隨著火力發(fā)電廠的發(fā)展過程參數(shù)不斷提高，系統(tǒng)日趨復(fù)雜、設(shè)備種類愈發(fā)繁多，提高關(guān)鍵設(shè)備可利用率和可靠性歷來是發(fā)電行業(yè)重點關(guān)注的問題。上世紀(jì)80年代以來，一系列優(yōu)化維修策略和先進(jìn)的管理技術(shù)逐步在西方國家火電廠得到應(yīng)用，先進(jìn)的分析手段和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)使得及時反映設(shè)備的真實狀態(tài)成為可能，檢修項目和的優(yōu)化、設(shè)備檢修周期的延長，降低了發(fā)電設(shè)備的檢修成本，提高了設(shè)備可用性。

狀態(tài)檢修工作在部分國內(nèi)大型電廠進(jìn)行了探索性的試驗和推行，其所需的先進(jìn)檢測技術(shù)已廣泛使用，發(fā)電廠重要輔機(jī)的狀態(tài)檢測已取得初步成效，設(shè)備可靠性水平逐漸提高，企業(yè)經(jīng)營效益提高。但與發(fā)達(dá)國家火電機(jī)組的可靠性相比我國水平仍然較低，設(shè)備的維修管理技術(shù)不高，定期檢修維護(hù)方式仍被當(dāng)下較多的發(fā)電機(jī)組設(shè)備所采用，管理的理念有待更新[1]。

1 電力設(shè)備檢修體制發(fā)展歷程

對設(shè)備進(jìn)行檢修是為恢復(fù)或者保持設(shè)備完成特定功能而采取的活動，合理的檢修能使設(shè)備和系統(tǒng)安全、可靠運行，通過挖掘現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的使用潛能，可達(dá)到物盡其用的目的，并能節(jié)約維修成本。

1.1 故障檢修

指發(fā)電設(shè)備出現(xiàn)故障或效能下降后而不得不采用的計劃外維修，又稱為事后檢修。利用設(shè)備或系統(tǒng)是否已發(fā)生功能性的缺失作為判斷依據(jù)，當(dāng)發(fā)生了故障且不能繼續(xù)運作后才對其進(jìn)行停運檢修，目的是為排除已發(fā)生的設(shè)備故障。倘若事故影響范圍小、損失不大或設(shè)備的價值不太高，則此時故障檢修不乏為一種成本低廉、頗為適用的檢修方式，可減少非必須的檢修，降低資金方面的成本浪費，另外這種檢修方式便于開展實施，管理成本低。缺點：無法保證發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的可靠性；設(shè)備安全存在較大威脅，可能引發(fā)系統(tǒng)性的風(fēng)險，甚至導(dǎo)致故障的擴(kuò)大化；停電時間及周期無法事先預(yù)估。

1.2 預(yù)測性定期檢修

是以固定時間為基準(zhǔn)的預(yù)測性檢修方式，又稱計劃檢修。是建立在設(shè)備磨損統(tǒng)計規(guī)律的基礎(chǔ)上，提前制定檢修周期、檢修級別和檢修項目，根據(jù)規(guī)定的時間周期開展維修活動，通過檢修使得設(shè)備和系統(tǒng)恢復(fù)至規(guī)定的狀態(tài)水平。特點是“到期必修、修必修好”。當(dāng)設(shè)備或系統(tǒng)達(dá)到規(guī)程規(guī)定的檢修時間后，無論是否存在故障或缺陷都要對設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行停運檢修。對于磨損規(guī)律已知及無法隨時停運進(jìn)行故障處理的流程工業(yè)自動化設(shè)備，預(yù)防性檢修能降低設(shè)備故障率和事故的發(fā)生。缺點：可能導(dǎo)致設(shè)備缺少檢修而導(dǎo)致故障劣化；可能由于檢修過度而發(fā)生資源浪費；存在盲目性，按照檢修規(guī)程實施的檢修項目一方面存在無法對設(shè)備狀況進(jìn)行有效檢修的情況，另一方面受檢修條件和檢修人員技能水平的限制，過多的檢修活動可能造成無法預(yù)知的設(shè)備損壞，此時相比未進(jìn)行檢修的設(shè)備使用壽命反而可能更低。

1.3 狀態(tài)檢修

不同于定期檢修，是從設(shè)備或系統(tǒng)的實際性能狀態(tài)出發(fā)、以設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)變化趨勢為判斷依據(jù)的檢修方式。它從在線狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷所提供的信息出發(fā)，結(jié)合設(shè)備日常巡查數(shù)據(jù)、定期重點檢查結(jié)果，通過比對設(shè)備現(xiàn)有的狀態(tài)和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)指標(biāo)，對設(shè)備的狀態(tài)及其發(fā)展趨勢做出推斷，在設(shè)備發(fā)生故障前或性能下降到不無法接受的程度前，按需安排有計劃、有針對性的檢修。理論上狀態(tài)檢修是當(dāng)下最科學(xué)和經(jīng)濟(jì)的檢修方式，具有針對性強、檢修及時的優(yōu)點，能提高設(shè)備可靠性、降低設(shè)備檢修費用。但為保證狀態(tài)檢修的實施，需提前投資安裝大量昂貴的狀態(tài)檢測設(shè)備，且有較高的故障診斷技術(shù)。此外，即使采用先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)仍無法避免一些偶發(fā)的、征兆難以檢測或隱蔽的故障的發(fā)生。

1.4 優(yōu)化檢修

借助科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及設(shè)備診斷、監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備管理技術(shù)也日新月異。隨著發(fā)電設(shè)備狀態(tài)檢修工作的開展，“優(yōu)化檢修”的含義和內(nèi)容也愈發(fā)廣泛?；诖髷?shù)據(jù)的優(yōu)化檢修，是從設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)出發(fā)，采用先進(jìn)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測方法獲取機(jī)組主重要設(shè)備特征參數(shù)，建立其設(shè)計、運行參數(shù)及維護(hù)大數(shù)據(jù)中臺，利用大數(shù)據(jù)挖掘及專家系統(tǒng)等手段來診斷發(fā)電設(shè)備和系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并對早期的故障征兆進(jìn)行識別，對設(shè)備故障的嚴(yán)重程度、故障狀態(tài)發(fā)展趨勢作出科學(xué)的研判，并根據(jù)系統(tǒng)給出的研判結(jié)果，在設(shè)備性能下降到設(shè)定的程度或嚴(yán)重故障發(fā)生前實施人為主動的檢修活動[2]。

2 基于大數(shù)據(jù)的發(fā)電設(shè)備優(yōu)化檢修管控方法

基于大數(shù)據(jù)的發(fā)電設(shè)備優(yōu)化檢修源自狀態(tài)檢修，是狀態(tài)檢修的高級形態(tài)，主要思想是運用大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合先進(jìn)的設(shè)備檢測技術(shù)對電廠主設(shè)備設(shè)備進(jìn)行全流程數(shù)據(jù)的獲取、標(biāo)識，融合電廠設(shè)計、設(shè)備臺賬及歷史運行數(shù)據(jù)，整合形成一體化的大數(shù)據(jù)平臺，運用機(jī)器深度學(xué)習(xí)等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行提煉與挖掘，再結(jié)合行業(yè)專家經(jīng)驗的甄別與篩選，創(chuàng)建故障模型數(shù)據(jù)庫及專家診斷知識庫，實現(xiàn)人工智能在發(fā)電企業(yè)狀態(tài)檢修方面的深度應(yīng)用。

本系統(tǒng)利用對火力發(fā)電生產(chǎn)過程的關(guān)鍵參數(shù)點的采集，將生產(chǎn)工藝與長期歷史數(shù)據(jù)擬合結(jié)果相結(jié)合，通過大數(shù)據(jù)挖掘、沖擊解調(diào)、專家系統(tǒng)及統(tǒng)計分析等手段，多維度評價關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)異常狀態(tài)及可能原因，并對特定故障進(jìn)行維修策略推送，實現(xiàn)了多專業(yè)協(xié)同、在線綜合診斷、優(yōu)化指導(dǎo)的設(shè)備智能管控。

如圖1所示，為實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的發(fā)電設(shè)備可視化狀態(tài)監(jiān)測檢修，采用企業(yè)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、專家知識、智能模型庫構(gòu)成的關(guān)系數(shù)據(jù)庫和實時數(shù)據(jù)庫驅(qū)動，建立了狀態(tài)優(yōu)化知識庫、樣本庫和工況數(shù)據(jù)庫的設(shè)備模型數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的數(shù)據(jù)倉庫系統(tǒng)，搭建了設(shè)備健康狀態(tài)一體化智能管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)中臺。為確保發(fā)電生產(chǎn)過程工藝數(shù)據(jù)的真實性，最大限度的降低由SIS（廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)）系統(tǒng)從各DCS（分散控制系統(tǒng)）系統(tǒng)采集的延時和失真，本系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)直接從加裝的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)獲取，部分從TSI系統(tǒng)直接獲取再存儲至實時數(shù)據(jù)庫，各子系統(tǒng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)通過一體化智能管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)中臺采集至實時數(shù)據(jù)庫，無法自動采集的非實時數(shù)據(jù)通過表單人工填報存儲至關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

3 設(shè)備健康狀態(tài)一體化綜合監(jiān)測平臺建設(shè)

3.1 基于大數(shù)據(jù)的發(fā)電設(shè)備狀態(tài)綜合管理平臺

以某1000MW機(jī)組為例，該平臺通過整合汽輪機(jī)、鍋爐、重要輔機(jī)等設(shè)備管理資源，對汽輪機(jī)、鍋爐、大型轉(zhuǎn)機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備建立了狀態(tài)診斷分析模型，通過動態(tài)監(jiān)視工藝、振動、泄漏等特征參數(shù)，智能分析狀態(tài)異常原因，對機(jī)組進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)警、狀態(tài)分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)可視化狀態(tài)檢修。該系統(tǒng)采用多種先進(jìn)檢測技術(shù)、診斷分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，研發(fā)打造設(shè)備狀態(tài)檢修的智能管理平臺。系統(tǒng)采用開放的規(guī)則編輯系統(tǒng)，運用邏輯組態(tài)圖的方式實現(xiàn)規(guī)則維護(hù)，直觀開放，可圖形化直觀地對規(guī)則進(jìn)行編輯和修改，更便于技術(shù)人員對規(guī)則的維護(hù)。

3.2 可視化電站鍋爐數(shù)字孿生智能監(jiān)測系統(tǒng)

該系統(tǒng)以機(jī)組原始設(shè)計圖為基礎(chǔ)，以設(shè)備臺賬為支撐，利用先進(jìn)的輕量化三維可視建模技術(shù)，建立整個鍋爐系統(tǒng)的實時三維數(shù)字孿生模型，創(chuàng)建受監(jiān)督的鍋爐系統(tǒng)主要受熱面三維可視化模型，在三維立體圖形中用不同顏色區(qū)分各系統(tǒng)及部件。系統(tǒng)實時或異步讀取壁溫偏差、歷史隱患及來自DCS/SIS 系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)等多重信息，通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗融合，采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、結(jié)合專家經(jīng)驗，實時預(yù)測鍋爐受熱面健康狀況，使得鍋爐實際設(shè)備的狀態(tài)到三維立體模型中的一一映射，實現(xiàn)鍋爐高溫關(guān)鍵受熱面的狀態(tài)監(jiān)測、異動預(yù)警與發(fā)展趨勢的長期連續(xù)跟蹤，最終實現(xiàn)鍋爐三維可視化防磨防爆管理。

該可視化電站鍋爐數(shù)字孿生智能監(jiān)測系統(tǒng)可通過采集與設(shè)備狀態(tài)緊密聯(lián)系的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，如再熱汽壓、主蒸汽汽溫、鍋爐壁溫測點、四管泄露、蒸汽吹灰器信號等；采用不同顏色表征不同受熱面部件的狀態(tài)，數(shù)據(jù)信息實時存入自身數(shù)據(jù)庫為系統(tǒng)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。當(dāng)鍋爐設(shè)備狀態(tài)超限后，映射后的數(shù)字孿生設(shè)備三維模型中相應(yīng)部位的顏色，就會根據(jù)超限程度使用不同顏色進(jìn)行提醒閃爍。根據(jù)各部件溫度變化的幅度大小和頻率快慢，利用氧化皮脫落預(yù)測模型預(yù)測鍋爐受熱面內(nèi)氧化皮脫落量，并進(jìn)一步預(yù)測高溫受熱面內(nèi)氧化皮堆積情況，通過三維可視化模型動態(tài)展示部件的管、排以及測點的狀態(tài)，堵塞風(fēng)險等級，從而一定程度上降低由于氧化皮堵塞而導(dǎo)致的非停概率。

系統(tǒng)配置的當(dāng)量溫度、當(dāng)量應(yīng)力和剩余壽命計算模型，可監(jiān)視部件下評估點的老化狀態(tài)和當(dāng)前最低壽命的評估點信息。通過評估壽命圖，可查看該部件所有評估點的殘余壽命圖譜。

3.3 可視化汽輪發(fā)電機(jī)組智能監(jiān)測系統(tǒng)

可視化汽輪發(fā)電機(jī)組智能監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備發(fā)生故障的機(jī)理，結(jié)合現(xiàn)場診斷經(jīng)驗建立機(jī)組的故障診斷知識庫，能夠診斷汽輪發(fā)電機(jī)組常見的部件脫落、質(zhì)量不平衡、不對中、彎軸、碰摩、電磁力不平衡、松動、汽流激振、油膜振蕩、基礎(chǔ)振動和共振等故障存在的充要條件，通過TSI 系統(tǒng)參數(shù)收集建立汽輪發(fā)電機(jī)振動故障模型，通過信號特征的自動識別，依靠信號分析結(jié)果區(qū)分不同性質(zhì)及類型的故障，計算振動故障的可信度，實現(xiàn)故障精確定位，從而提出針對性的處理意見，自動推送出解決方案，減少不必要的檢修和可能導(dǎo)致的非停。

系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備發(fā)生故障的機(jī)理并結(jié)合現(xiàn)場診斷經(jīng)驗，從征兆出發(fā)去診斷故障，分析汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生常見振動故障的充要條件，解決了目前模糊診斷和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷存在的診斷結(jié)果似是而非問題。通過對實時和歷史數(shù)據(jù)中隱藏信息的全面挖掘利用，根據(jù)通頻和各頻段振幅大小、相位以及變化趨勢情況，得出常見振動故障診斷結(jié)果的可信度，結(jié)合影響故障的因素確定各類故障的嚴(yán)重程度，直觀地以圖形方式將故障結(jié)論和變化趨勢加以展示。用戶不用掌握復(fù)雜的振動分析理論，即可根據(jù)診斷結(jié)果掌握機(jī)組的狀態(tài)。

3.4 可視化輔機(jī)智能監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)建立了可更新的專家系統(tǒng)診斷知識庫，實現(xiàn)輔機(jī)自動故障診斷功能。通過系統(tǒng)中的機(jī)組主監(jiān)測畫面，能夠了解機(jī)組的實際運行狀態(tài)。鑒于當(dāng)前電廠輔機(jī)設(shè)備狀態(tài)關(guān)鍵表征數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)密度低、可靠性不高等情況，系統(tǒng)運行過程中在機(jī)組重要大型輔機(jī)設(shè)備上加裝了加速度傳感器，通過數(shù)據(jù)采集模塊實時獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，同步傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，有效補充了分析數(shù)據(jù)來源。

系統(tǒng)通過采集轉(zhuǎn)動機(jī)械的頻譜圖、時域波形圖、沖擊解調(diào)頻譜圖、沖擊解調(diào)波形圖、倒頻譜等，對設(shè)備進(jìn)行多維度分析，實現(xiàn)部件級的健康狀態(tài)精確診斷。專家診斷數(shù)據(jù)庫有足夠多的故障識別規(guī)則，針對各種故障類型做出準(zhǔn)確判斷，給出嚴(yán)重程度，并進(jìn)行維修策略推送。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)通過建立設(shè)備健康狀態(tài)一體化智能管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)中臺，對各類離線及在線多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，融合大數(shù)據(jù)挖掘、專家系統(tǒng)等手段，利用三維方式對發(fā)電設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)測，實現(xiàn)了故障的精確定位及常規(guī)檢修策略推送，最終建立了一套融合定期檢修、故障檢修及狀態(tài)檢修的新型檢修模式，具有一定的借鑒意義。