摘要：這是西安院李耀君及于新穎主任多年前的一篇有關狀態(tài)檢修的文章，在今天仍很有參考價值。本文介紹了實施狀態(tài)檢修的總體策略和關鍵技術問題的解決方法。提出RBM分析、RCM II等多種維修方式的分析方法，對電廠主要系統(tǒng)和設備進行了故障分類和維修方式的邏輯分析。電力試驗車

0 概述

隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展和體制改革的推行，現(xiàn)行發(fā)電設備的定期檢修制度在機組的檢修任務選擇、檢修周期安排等方面存在的弊端日益突出。美國等發(fā)達國家在20世紀80年代逐步在火力發(fā)電廠推廣一系列現(xiàn)代維修優(yōu)化和管理技術，采用先進的設備分析評估技術和狀態(tài)監(jiān)測手段，及時掌握設備的真實狀態(tài)和壽命，合理地安排檢修項目與檢修周期有效地降低了檢修成本提高了設備可用性其中以風險為基礎的維修（RBM-risk based maintenance）、以可靠性為中心的維修（RCM-reliability centered maintenance）、高溫關鍵部件的壽命管理（LM-life management）、預知性維修（PdM-Predictive maintenance）等新的維修方式和技術相繼出現(xiàn)，并得到較快發(fā)展，已形成較成熟的成套維修優(yōu)化和管理技術。

在原國家電力公司的領導下，自1998年起國內(nèi)的狀態(tài)檢修工作逐漸開展，通過幾年的努力，在電力行業(yè)得到普遍重視和關注，特別是在北侖、 外高橋、鄒縣、太倉等電廠的試點工作進展順利有力推動了相關技術的研究與應用。2004年5月對國內(nèi)大型電廠進行了問卷調(diào)查和典型電廠實地調(diào)研，結果統(tǒng)計見表1。

從以上調(diào)研的統(tǒng)計結果可看出以下幾點：

（1）電廠在輔機狀態(tài)監(jiān)測技術開展方面相當普遍，其中振動監(jiān)測（93.0%）、紅外熱像儀（89.5%）的配備幾乎成為電廠的標準配備，為輔機設備的狀態(tài)檢修打下堅實的基礎。但開展輔機狀態(tài)檢修，并完成優(yōu)化后的作業(yè)指導書的電廠還比較少。

（2）主機設備在普遍配備在線振動監(jiān)測裝置的基礎上，配備其他狀態(tài)監(jiān)測設備和儀器的電廠比例也達到28.1%，相當多的電廠對主機設備的狀態(tài)監(jiān)測技術發(fā)展感興趣。但目前國內(nèi)外的相關技術尚不成熟，不能滿足需要。

（3）RCM、RBM設備評估雖在近幾年剛剛開始，但發(fā)展很快，其中開展，RCM設備分析的電廠有15家，開展RBM分析的電廠有5，家效果尚沒有明顯體現(xiàn)。但RBM的效果反映要好些。

（4）在設備評估技術方面，壽命評估技術已被國內(nèi)電廠越來越多的采用，并且大多數(shù)認為評估效果明顯。

文章綜合研究和開發(fā)適合中國電廠特點的先進的設備評估技術、設備管理技術、設備監(jiān)測技術，通過在華能太倉電廠、嵩嶼電廠、華能淮陰電廠的具體實踐，形成具有我國特點的完全自主知識產(chǎn)權的維修優(yōu)化的新模式和系列技術。

1 設備狀態(tài)檢修的研究與應用

1.1 設備評估技術的研究

1.1.1 理論和方法

與傳統(tǒng)的預防性檢修相比，在維修的思想方法上具有如下特點：(1)維修決策建立在設備對系統(tǒng)可靠運行影響的重要程度之上;(2)維修決策建立在設備喪失功能的故障模式識別基礎之上;(3)維修決策同時考慮了維修效果與維修經(jīng)濟效益的關系。

以可靠性為中心的維修理論更新了傳統(tǒng)維修的觀念，按照新理論指導的維修實踐與傳統(tǒng)維修的做法有較大的差別。主要包括8項基本原理需要回答7個關鍵問題。

以可靠性為中心的維修分析基本步驟包括：（1）確定重要功能部件；（2）進行故障模式及影響分析；（3）應用邏輯決策圖確定預防性維修工作的類型；（4）確定預防性維修工作的周期及維修級別。

1.1.2 RBM理論和方法

在防止電站設備和結構失效方面，預防性維修和檢查一直發(fā)揮重要的作用，然而對于高溫關鍵部件，以往的在役檢查和維修項目常常是根據(jù)積累的經(jīng)驗和工程需要提出的，制定在役檢查要求和維修措施時并沒有充分考慮部件材料失效的幾率、運行及負荷狀態(tài)變化及零件失效產(chǎn)生的后果等因素。

分析設備危險和風險程度時，可采用定性的、半定量和定量等多種手段，在這些風險分析方法中，風險的定義是對潛在傷害的可能性和損失程度的度量：損傷概率（無量綱）×損失的大小（金額）=風險（金額）。

以風險分析為基礎確定維修任務的基本過程包括：

（1）對于待檢查的系統(tǒng)進行結構化分界和定義；

（2）資料收集與處理;

（3）定性風險分析;

（4）定量風險評估方法；

（5）風險分析決策。

1.2 設備評估技術的應用

1.2.1電廠汽輪機本體系統(tǒng)RCM應用分析

采用RCM分析方法對太倉電廠的汽輪機本體系統(tǒng)進行了維修方式分析，分析的故障后果分類過程及維修方式邏輯決斷圖見圖1.2.

圖1 汽輪機本體故障后果分類

圖2太倉電廠汽輪機本體系統(tǒng)RCM分析邏輯決斷圖

1.2.2 RCM分析軟件開發(fā)

為提高分析的效率，開發(fā)了RCM分析輔助軟件，其主界面見圖3，該軟件同樣可用于RBM分析。軟件主要功能模塊包括：

（1）項目信息模塊；

（2）設備管理模塊；

（3）評估模塊；

（4）系統(tǒng)管理模塊；

（5）綜合分析模塊；

（6）維修決策模塊。

圖3 RCM分析輔助軟件

1.2.3 電廠水冷壁系統(tǒng)風險分析應用

根據(jù)水冷壁測量結果，采用壁厚分級方法可直接進行定性的風險評估。同時考慮到高溫腐蝕分布的隨機性和實際情況，抽查測量的數(shù)據(jù)有限，不可能將最危險的壁厚最小的部位檢測到，采用極值統(tǒng)計分析方法可進行定量的風險評估。

采用定性風險分析的方法對壁厚測量結果進行了分析，結果見圖4。

圖4  右墻水冷壁風險圖

定量風險分析采用的是PRA極值分析原理。高溫腐蝕分布狀況一般很難直接準確測量，腐蝕最嚴重的部位很難直接測量到，只能根據(jù)統(tǒng)計分析的方法預測。一般在全部檢驗點中總存在一個壁厚最小的單元（部位），且這一單元被檢驗到的幾率相當于檢驗的抽查比率，而發(fā)生失效的部位最可能是在這一管壁金屬厚度最小的部位。這一單元在抽查中被檢測到的可能性很小。測點數(shù)量與最小壁厚之間存在如下對應關系：

dmin=d0+blogA

式中，dmin為最小壁厚尺寸;d0為系數(shù);A為測點數(shù)量。將實測數(shù)據(jù)依次排列，并進行極值計算。可分別求出預測的最小壁厚值，見表2。

由分析結果可知，目前各墻水冷壁的預測最小壁厚值均低于3.5mm，其中左墻、后墻的預測最小值接近3.0mm，總體水冷壁的預測值也非常低，這意味著左墻和后墻目前已存在接近3mm的個別管段其失效風險已相當大。為控制和減少水冷壁失效的風險，必須進行局部更換處理。

1.2.4 設備評估技術標準的制訂

根據(jù)理論研究及實際部件分析結果，綜合考慮國內(nèi)電廠設備特點和管理模式，正在制訂以可靠性為中心的維修（RCM）分析技術導則和以風險分析為基礎的維修（RBM）分析技術導則2項電力標準。

1.3 電站設備合理檢修周期和安全保障措施的研究

1.3.1汽輪機設備的合理檢修周期分析

火力發(fā)電廠三大主機中，決定計劃檢修大修周期的關鍵因素是汽輪機的揭缸檢查與否，汽輪機內(nèi)部幾何參數(shù)的變化不揭缸無法得知，僅從汽輪機性能參數(shù)的變化雖然可定性地分析其運行狀態(tài)和故障趨勢，但由于汽輪機結構的復雜性和故障的隨機性，要明確汽輪機具體故障位置和原因以及定量給出汽輪機的未來無故障運行時間則是當前技術難以實現(xiàn)的。汽輪機合理檢修周期的確定采用定性分析為主、定量計算為輔的思路和策略，力求全面系統(tǒng)的掌握設備狀況，發(fā)現(xiàn)故障隱患，綜合分析評價后提出建議。

研究提出的汽輪機合理檢修周期和安全保證措施的基礎是設備的RCM分析、RBM分析和經(jīng)濟性分析理論。在對汽輪機組進行風險性、可靠性和經(jīng)濟性分析后，根據(jù)機組狀態(tài)數(shù)據(jù)確定發(fā)電機組合理的檢修周期。汽輪機本體合理檢修周期的分析流程見圖5。太倉電廠汽輪機系統(tǒng)RCM評估結果匯總見表3。

圖5 汽輪機本體合理檢修周期分析流程

機組最佳檢修周期的計算模型如下：

（1）依據(jù)機組壽命的結果確定檢修周期。每臺機組中各部件的壽命是隨機量，引用數(shù)理統(tǒng)計的概率方法來處理這些數(shù)據(jù)，以得出一定規(guī)律。壽命的分布函數(shù)，決定于工作時間數(shù)量上等于壽命對時間的概率。

式中: m(t) 為瞬時t停運的設備數(shù)；k(t)為工作到瞬時t不停運的設備數(shù)。根據(jù)壽命的分布函數(shù)決定可靠度函數(shù)P(t)。

P(t)=l-F(t)

確定了每個獨立部件的壽命數(shù)據(jù),便可按下式的概率法定量決定整個機組的可靠度函數(shù)Pu(t).

式中：Pi(t)為第個部件的可靠度函數(shù)。

根據(jù)可靠度函數(shù)Pu(t)，再經(jīng)檢修前機組的實際運行可靠性指標的修正后，可得到該機組用于確定最佳檢修周期的可靠度函數(shù)P(t)。

(2) 依據(jù)風險控制理論確定檢修周期。按風險控制和壽命管理的逐漸逼近理論，須安排若干次一般不少于，次檢查，才能保證一定的準確性，要求確認設備的真實壽命（失效時間）。因此安排檢驗與檢修周期時必須考慮檢驗的合理性和可靠性并兼顧其經(jīng)濟性。

檢驗的合理性（風險）可用檢出幾率（POD）和誤識別數(shù)量（NFI）指標表示。

-檢出幾率（ＰＯＤ）＝檢出的缺陷數(shù)量／缺陷總數(shù)量

- 誤識別數(shù)量（NFI）＝識別幾率×檢驗點數(shù)量

其關系如圖６所示

圖６　檢驗風險

如汽輪機轉子，目前的技術可通過３次檢驗而確認其真實壽命（失效時間），第１次檢驗應安排在預期壽命40％后，第２次檢驗應安排在壽命評估結果的50％消耗后，第３次檢查應安排在第２次壽命評估結果的60%消耗左右。特別注意的是，每一次的檢查范圍計算精度要求是遞增的。

（3）按等效運行小時確定檢修周期。采用等效運行小時計算計劃檢修周期的關鍵技術是通過壽命評定確定汽輪機不同運行工況的加權系數(shù)。等效運行小時計算公式為：

式中：Teq為等效運行小時數(shù)，Tact為實際運行小時數(shù)，∑為各次加權系數(shù)的總和。

機組檢修周期內(nèi)等效運行小時數(shù)按制造廠的有關規(guī)定執(zhí)行，進口機組、太倉電廠引進型300MW機組可參照等效運行1×105h的規(guī)定。

1.3.2 鍋爐設備的合理檢修周期分析模型

鍋爐的主要失效機理是高溫蠕變，其次是疲勞、高溫腐蝕、氧化等，要保證鍋爐的安全運行首先應確保鍋爐管具有高可靠性。因此鍋爐管管系的預防檢修周期是確定鍋爐檢修周期的主要因素。任何一根爐管發(fā)生失效事故，都將引起整個鍋爐的停爐直至整個機組的停運，它的失效屬于最弱環(huán)模型。

對于鍋爐系統(tǒng)按最弱環(huán)模型鍋爐管系的可靠度函數(shù)可表示為：

Rs(t)=R1(t)·R2(t)···RN(t)

式中，RN(t)為第N根鍋爐管的可靠度函數(shù)。

鍋爐預防性維修方式的中心問題是如何確定最優(yōu)檢修周期?？刹捎靡韵?個原則來確定：

（1）維修費用最小原則；

（2）系統(tǒng)可用性最大原則。

1.4 與維修相關的狀態(tài)監(jiān)測技術和監(jiān)測系統(tǒng)的研究

1.4.1 基于統(tǒng)計的趨勢評價技術

在主機設備運行中，機組參數(shù)總處于不斷的變化過程中，與運行優(yōu)化相關的狀態(tài)監(jiān)測技術主要關注于保證運行參數(shù)處于最佳位置或合理的范圍之內(nèi)，國內(nèi)目前開發(fā)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)基本上都屬于這一類。

而從維修優(yōu)化的角度出發(fā)，僅監(jiān)測機組的實時數(shù)據(jù)還無法對維修與否給予評價，需從長時間的運行數(shù)據(jù)中提取趨勢分析結果，即需要得到設備老化的趨勢判斷為此開發(fā)了基于統(tǒng)計的趨勢評價診斷技術。

1.4.2 基于風險的分級報警技術

從維修優(yōu)化的角度出發(fā)，根據(jù)設備對機組運行的安全性和經(jīng)濟性影響，可實時計算設備的風險程度開發(fā)的基于風險的分級報警技術模型為：

風險=f(V,?P，t)

式中:V為故障頻率，?P為超限幅度，t為累計時間。

同時，根據(jù)設備壽命消耗的結果也可實現(xiàn)風險的分級報警。

1.4.3 機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

為開發(fā)機組維修信息的集成平臺，主要的設備監(jiān)測內(nèi)容包括：設備實際運行的安全狀態(tài)變化、關鍵設備的壽命消耗變化、設備運行中的經(jīng)濟性指標變化。開發(fā)的機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要模塊和功能包括：

（1）汽輪機狀態(tài)（安全性、經(jīng)濟性）監(jiān)測；

（2）汽輪機轉子壽命消耗監(jiān)測；

（3）鍋爐狀態(tài)（安全性、經(jīng)濟性）監(jiān)測；

（4）高溫鍋爐管壽命消耗監(jiān)測；

（5）高溫聯(lián)箱蒸汽管道壽命消耗監(jiān)測；

（6）煙風系統(tǒng)狀態(tài)（安全性、經(jīng)濟性）監(jiān)測；

（7）泵組系統(tǒng)狀態(tài)（安全性、經(jīng)濟性）監(jiān)測。

汽輪機和鍋爐監(jiān)測主界面見圖7、8。

圖7 汽輪機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主界面

圖8  鍋爐狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主界面

煙風系統(tǒng)和泵組系統(tǒng)監(jiān)測主界面見圖9、10。

2 電廠狀態(tài)檢修技術應用與實施

2.1 太倉電廠狀態(tài)檢修技術應用與實施

2.1.1 實施模式

以主機狀態(tài)檢修技術開發(fā)為主要目的，西安熱工研究院與華能集團公司、華能太倉電廠合作，在太倉電廠實施的狀態(tài)檢修模式為全面實施模式。

圖9  煙風系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測主界面

圖10  泵組系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測主界面

2.1.2 初步效果

（1）逐步加深了對狀態(tài)檢修概念的認識，提高實施的自覺性。已初步建立狀態(tài)檢修管理模式；（2）建立設備信息平臺，為優(yōu)化維修和提高效率提供了技術基礎，見圖11。

圖11 太倉電廠機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主界面

2.2 嵩嶼電廠狀態(tài)檢修技術應用與實施

2.2.1 基本模式

以輔機狀態(tài)檢修技術開發(fā)與應用為主要目的，西安熱工研究院與福建電力試驗研究院嵩嶼電廠合作，在嵩嶼電廠實施的狀態(tài)檢修模式為輔機設備狀態(tài)監(jiān)測+系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性監(jiān)測遠程診斷實施模式。

2.2.2 初步效果

(1) 采用就地管理+遠程管理的二級管理模式，通過廣域網(wǎng)遠程訪問發(fā)電廠側的狀態(tài)監(jiān)測工作站;

(2) 利用故障分析和診斷系統(tǒng)對設備的異常數(shù)據(jù)進行分析和診斷，判斷設備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，并向電廠定期提交短、中長期趨勢分析和診斷報告。

2.3 淮陰電廠狀態(tài)檢修技術應用與實施

2.3.1 實施模式

華能淮陰電廠在點檢制基礎上，逐步實施了以鍋爐壽命管理+輔機狀態(tài)監(jiān)測+狀態(tài)診斷為基本模式的狀態(tài)檢修。

2.3.2 初步效果

通過幾年的運行，在保證設備運行質量的前提下有效地延長了設備運行時間，減少了檢修時間周期和檢修項目，提高功效，節(jié)約了人力、物力和財力，提高了企業(yè)的綜合效益。

（1）狀態(tài)檢修的實施明顯改變了電廠設備檢修模式，為電廠維修、檢驗、決策提供了及時準確的建議；

（2）從2002年12月到目前為止，1、2號爐未發(fā)生過高溫鍋爐管爆漏事故，設備風險管理的實施起了重要作用，每年減少爆管次數(shù)2次，可節(jié)約費用600萬元，累計節(jié)約費用1500萬元；

（3）根據(jù)輔機設備狀態(tài)監(jiān)測和評估，減少了機組年度例行小修，節(jié)省約326萬元成本。

3 結語

3.1 形成了設備狀態(tài)評估新技術

研究了國外近幾年發(fā)展的設備評估技術（RCM、RBM）的基礎理論和中國電廠設備應用方式，在具體設備實踐基礎上總結適合中國電廠設備特點的RCM、RBM設備評估方法，提出電力行業(yè)實施技術標準。

3.2 較系統(tǒng)地開展了機組合理檢修周期模型研究

采用可靠性（RCM）、安全性（RBM）、經(jīng)濟性分析相結合的綜合評判方式，提出了主要影響機組檢修周期的汽輪機、鍋爐本體設備合理檢修周期及安全措施的研究結果，創(chuàng)立多種汽輪機鍋爐設備合理檢修周期計算模型，并初步在太倉電廠2號機組上應用，其推薦大修間隔延長為6年。

3.3 完成了維修相關的機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)和電廠實施

開發(fā)了在線設備狀態(tài)統(tǒng)計分析技術和風險在線評估報警技術；采用離線和在線評估相結合、安全性（狀態(tài)監(jiān)測+壽命監(jiān)測）與經(jīng)濟性監(jiān)測相結合的方式，開發(fā)完成具有完整自主知識產(chǎn)權的電站主機（汽輪機、鍋爐狀態(tài)）監(jiān)測系統(tǒng)，為預防事故發(fā)生和制定維修決策提供了較完整的信息集成和管理平臺。

實現(xiàn)了系統(tǒng)級安全性與經(jīng)濟性、設備級安全性指標同時監(jiān)測的方式，研究開發(fā)電站輔機（煙風系統(tǒng)、泵組）狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。

3.4 研究并創(chuàng)立了火電廠設備狀態(tài)檢修應用的多種基本模式

實施模式包括：

@太倉電廠--設備RCM分析+主機綜合監(jiān)測輔機綜合監(jiān)測的全面實施模式；

@嵩嶼電廠--主要輔機系統(tǒng)安全性+系統(tǒng)經(jīng)濟性+輔機離線檢測+遠程診斷實施模式；

@淮陰電廠--鍋爐壽命管理+輔機在線監(jiān)測+綜合診斷實施模式。