基于智能电站功能结构的状态检修策略构建

檀 炜

（中电电力检修工程有限公司，上海 200086）

0 引言

当今电力能源建设呈多能互补、重点突出和优劣竞选的发展模式，电站设备运行安全性、可靠性和经济性是发电企业追求的永恒目标。发电机组设备检修管理科学化是现代能源企业组织生产和管理的重要手段，而电站设备检修的组织策划、过程控制和性能评价等环节是一个复杂的技术管理过程。如何更科学地管理好设备，提高设备利用率和安全可靠性，降低故障率，已成为电力企业面临的现实问题。以设备运行状态为参考的状态检修策略，能很大程度上解决或提高设备运行安全性和可靠性，并能在全寿命周期中控制检修费用的合理支出，为决策者实施最优化的检修管理提供科学依据。

原国家电力公司在2001年就实施设备状态检修发布了国电发[2001]745号文《火力发电厂实施设备状态检修的指导意见》，但经过20多年发展和实践，电站状态检修还未达到人们的预期。状态检修的前提是全面检测设备的实时状态并综合分析评估，随着电力设备制造技术的发展，数字电站、智能电站及智慧电站等概念的提出和一些工程实践，智能电站的先进功能正好能比较全面地提供设备的运行状态和综合信息。本文结合发电站设备状态检修需求和实践，探讨电站状态检修策略与智能电站在功能设计、建设和应用方面的关联和互通。

1 火力发电设备管理与检修策略

目前电站设备检修一般是按照设备检修周期、检修范围和检修深度实行等级检修。以机组检修规模和停用时间为原则，将火力发电企业机组的检修分为A、B、C、D 4个级别[1]。而设备检修模式主要有计划性定期检修、纠正性故障检修、优化改造性检修和预防性状态检修等，目前还是以计划检修和故障检修为主。按照DL/T838-2017《燃煤火力发电企业设备检修导则》定义，状态检修（CBM，Condition Based Maintenance），是指根据状态监测和诊断技术提供的设备状态信息，评估设备的状态，在故障发生前进行检修的方式[1]。虽然状态检修是基于燃煤火力发电设备检修提出的，但对核电和新能源电站同样具有一定的推广意义。

1.1 基于点检定修制的设备管理与检修

点检定修制是一套比较有效的设备管理模式，它是基于人的技能经验感知或仪表工具检测设备运行状态，按照专业技术标准，定人、定点、定期地对设备进行检查分析的一种管理方法。以专业点检员（人为定义的岗位）为核心对设备实行全周期、全过程管理模式，点检定修制设备管理在一定程度上可以防止设备“过修”或“欠修”的情况发生，从而可以提高设备可靠性，降低故障发生率，减少设备维护检修费用等。

对设备进行点对点巡检并进行技术诊断、劣化趋势分析和综合性能指标评估，以确定设备的运行性能和技术经济指标，据此来综合分析设备运行的可靠性、维修的必要性和可行性，以便及时发现和及早处置潜在的设备隐患。以上这些工作均是通过借助有限的技术手段人工检测分析，从而决定设备的检修方式和检修级别。

1.2 基于可靠性为中心的检修

基于可靠性为中心的检修（RCM，Reliability-centric maintenance）设备状态监督趋势分析是加强设备的状态管理，对运行和检修工作起到正确的指导作用，最终达到建立以设备技术状态为依据的维修方式，从而避免过度维修或维修不足情况发生。设备可靠性除依托于设备性能和质量、安装调试和运行维护技能等因素外，设备失效根本原因分析和处理措施是RCM的技术基础，也是优化检修策略，提高设备可靠性的关键环节之一。通过可靠性分析，可确定设备或系统的薄弱环节、关键部位、应采取的措施等，同时可确定设备可能潜在的故障，指导故障诊断和检修方案的制定，根据可靠性分析的结果采取不同的检修策略。

设备失效（或缺陷）根本原因分析（RCA，Root cause analysis）是基于已发生故障设备的相关信息分析总结，并制定相关技术措施和管理对策，为准确判断类似设备的异常、故障和潜在的劣化趋势等提供技术支撑。对设备失效根本原因进行科学全面地分析，提出正确的纠正措施，落实设备纠正性故障检修方案。以设备运行可靠性分析报告为依据来优化检修策略，合理安排检修项目和周期、检修范围和深度。

设备失效的判断和分析需要大量的设备状态信息作为依据，设备状态信息主要有：设备故障发生的过程、现象以及相关的运行操作历史记录；对故障设备/部件所做必要的测量、取样、记录及照片；对于失效部件断口、裂纹、放电痕迹等分析及影像资料；设备部件性能检测试验/型式试验；材料物理/化学/力学/机械等性能检测分析；设备保护动作记录、故障录波记录；供货商（厂家）提供的设备/部件故障相关信息；失效设备相关维修改造历史记录；失效设备相关运行维修技术规范文件；失效设备设计、制造和出厂试验相关文件等。

1.3 状态检修

状态检修是对设备或系统进行全方位状态监测（自动或人工），对影响安全、经济、可靠运行的因素进行综合分析评估，并对设备运行健康状态及寿命周期预测诊断，根据分析结果确定选择合适的检修策略（检修项目、检修周期、检修频次、检修范围和检修深度等），真正做到“应修必修，修必修好”的目标。实施状态检修的目的就是科学维护设备，在保障设备安全、经济、可靠的前提下，最大限度地提高发电设备的可靠性和利用率，减少人、财、物的不必要浪费和设备磨损，提高企业经济效益。

有别于以时间为维度的预防性定期检修（TBM，Time Based Maintenance），状态检修是根据采集的设备告警、磨损、老化及劣化趋势等状态参数信息来评估设备运行状态，进行早期故障预警与诊断，在故障发生前开展针对性的预防性检修。运行设备状态的信息主要来源于基于RCM表征设备状态的历史经验数据信息、点检定修制检修模式下点检员采集的数据信息和智能设备或系统自动采集和分析的数据信息。

设备状态诊断评估是推行状态检修工作的基础和核心，要准确全面自动评估设备运行状态需要智能设备状态信息的全数采集，智能控制系统（ICS）的优化控制，专家诊断评估系统分析，设备维修管理策略评价系统分析，生产关联辅助决策系统综合分析等功能环节的支撑和匹配。随着T/CEC164-2018《火电厂智能化技术导则》等相关标准的发布实施，初步明确了火力发电厂智能化的基本概念、体系结构、功能与性能、外部接口、工程实施等方面的技术要求，指导火力发电厂智能化地规划、设计、调试、验收、维护与评估等。从功能设计层面可借助于智能电站的相关功能结构，逐步推进状态检修的深入实践。

2 基于智能电站功能结构的状态检修策略

2.1 智能电站功能结构现状

《火电厂智能化技术导则》T/CEC 164-2018明确火力发电厂智能化功能管控体系分3个层级：智能设备层、智能控制层和智能管理层。智能化火力发电厂系统功能结构如图1[2]。智能设备层随着自动化技术发展和设备智能化的制造可基本实现状态检测、设备自评估、故障诊断和信息发布等功能；智能控制层在智能设备层的状态信息基础上，可以实现智能控制算法、自寻优自适应控制和专家状态诊断等功能。该功能层需要先进控制理论、综合控制策略和专家诊断系统的配套和协调，这方面还需要深入研究和开发；智能管理层主要实现生产经营各项指标的关联分析和智能辅助决策等，为生产经营决策者提供科学决策依据，现阶段该功能层还有待于针对性和系统性地综合研究和开发。

图1 智能化火力发电厂系统功能结构图Fig.1 Functional structure diagram of intelligent thermal power plant system

目前国内有关智能电站建设的理论研究和工程实践，一直是专家学者关注和研究的重点。存量机组的智能化改造和功能优化存在系统关联度不高，现有信息管理系统兼容利用率较低，模块功能交叉重叠度高，有效数据综合利用不充分等问题比较突出。新建机组存在智能电站顶层规划设计深度不够，可研与初设未充分考虑智能电站设计要求，智能电站功能需求不明确或不实用，基础建设费用受限等问题。电站相关控制技术的发展和设备系统智能制造也是制约智能电站功能拓展设计的因素之一。

2.2 状态检修功能模块的构建

智能电站3个层级的管控体系与技术支撑体系互联互通，设备及系统状态通过泛在感知、智能融合、自动诊断等综合手段，经过控制系统和综合管理评价信息系统的关联分析、失效预警、综合评判和对策处置等信息集成，输出基于状态检修的决策策略和检修模型等参考信息。基于智能化火力发电厂系统功能结构（图1）中本地技术支撑模块功能设计思路，根据状态检修策略需求，细化和综合相关功能可构建设备维修评价决策管理系统（EMMS，Equipment Maintenance Management System），功能结构原理如图2。

图2 设备维修评价决策管理系统结构图Fig.2 Structure diagram of equipment maintenance evaluation decision management system

发电厂维修工作是一个复杂动态的系统工程，通过“人、机、料、法、环、测”全要素的协调联动实施。科学合理选择不同的检修方式，形成一套融纠正性故障检修、计划性定期检修、优化改造性检修和预防性状态检修等最佳综合检修方式尤为重要。而状态检修策略能较全面地实施安全、质量、进度、费用等方面的优化控制，保证发电机组安全、可靠、高效和经济运行。状态检修功能模块设计是以设备维修评价决策管理系统（EMMS）为中心模块，充分挖掘智能电站提供的表征设备状态的大数据信息，关联辅助信息系统综合分析等功能环节的支撑和匹配等来设计的。

2.3 EMMS各功能模块简要分析

2.3.1 系统输入信息交互模块

系统输入功能模块主要有：存量机组的设备管理系统、设备状态信息采集处理、技术监督监测预警、设备系统指标管理分析、设备寿命管理与评估、专家诊断评估分析、设备隐患风险评估、设备相关历史数据库、电网侧相关技术管理要求等。

2.3.2 系统输出决策参考模块

系统输出功能模块包括：状态检修组织策划、检修项目评估确定、检修时点及时长选择优化、检修项目修前/修后试验优化、备品备件采购及库存定额优化、检修工艺规程等作业文件、设备或部件及系统延寿评估、网源协调优化等。

2.3.3 设备状态信息采集系统

目前，常用于状态检修的监测与诊断技术有：振动监测与诊断（轴系振动、扭振、管道振动等）、声波监测与诊断（声发射和超声发射诊断等）、油液成分监测与诊断（铁谱、光谱、色谱诊断等）、应力/应变监测与诊断（热应力、动应力监测与诊断）、位移和位置监测与诊断（位移、膨胀、阀位等）、温度监测与诊断（红外线热成像等）、核射线监测与诊断（CT、成分分析等）、电气参数监测与诊断（局部放电、铁芯电流、剩余电流等）、化学分析监测与诊断（氢纯度、汽水、氧量监测等）、综合监测与诊断等。

日常常规历史数据库相关检测数据：无损探伤、超声诊断、叶片测频、水油化学分析、材料性能检查、绝缘过热监测、振动诊断分析、红外温度检测、设备历史记录数据等。这些数据可以通过接口自动或人工导入EMMS系统，通过状态数据管理与分析系统软件并关联即时状态数据进行综合诊断分析。

常规电站一些重要的成套设备及系统一般都设计有监控系统。如汽轮机/给水泵小汽轮机振动监测系统、DCS各子系统、单独PLC系统，以及各监测外挂系统等。关键问题是单一就地执行设备或系统是否能提供完整的设备状态信息，存量机组可通过现场设备改造部分实现信息共享，新建机组可通过设计阶段做好智能设备的设计和选型，通过数据总线等方式提供比较完整的状态信息。

2.3.4 系统关联和分析

设备状态监测和故障诊断分析是状态检修的核心要素。可以说，没有成熟的状态监测与故障诊断就没有真正意义的状态检修。诊断一般分为静态诊断和动态诊断，静态诊断是要通过常规或离线探查设备的健康状态，动态诊断则依靠实时状态在线探查设备的性能及状态。收集到状态信息后，如何把单一特定检测系统相关数据有机统一到EMMS系统中，是状态检修功能模块设计的必然要求。

状态检修的智能决策主要是应用计算机辅助决策技术和数据库技术，把电站的所有操作运行和检修信息综合在一起，针对状态检修决策目标要求，形成以单个设备或系统为单元的决策工具。在状态检修策略应用过程中，供系统工程师、检修工程师和电厂管理人员使用，而状态检修策略计算分析软件系统设计，是全面推进状态检修实施的关键环节之一。

3 状态检修管理策略实施的思考

3.1 状态检修实施影响因素

3.1.1 管理因素

设备状态检修模式发展和应用是一项持续性、创新性和技术性较强的工作，需要加强电力企业、科研院所、专业高校、设备开发制造商等协同推进。统筹考虑机组安全性、可靠性和经济性，等级检修管理思路需要进一步拓展；与状态检修实施密切相关的专业技术人员专业素养有待进一步提高；机组设备状态信息的收集归档、关联统计和检索应用没有充分挖掘；状态检修管理决策系统需要有机结合现行检修管理工作各环节。现行的计划性定期检修、纠正性故障检修和优化改造性检修与预防性状态检修的设备状态检测和分析、劣化趋势预测和状态数据互联共享等诸多问题，有待进一步研究和开发。

3.1.2 技术因素

设备状态信息获取的代表性、全面性，故障诊断预测的准确性，信息系统的稳定性等方面还有一些问题有待解决。设备状态检测技术开发应用，设备故障诊断技术和方法的研究，设备状态分析、状态评价和风险评估，设备检修策略决策分析[3]，这些是设备运维检修实现智能化运维检修需要研究和开发的系列课题。

单体智能设备的研发和推广应用需要进一步拓展，核心的热力设备某些故障机理理论研究还需要探索，监测诊断手段有待进一步开发和应用。状态监测与故障诊断技术信息管理平台需要系统关联研发，设备可靠性预测技术与方法需要进一步研究，相关应用的深度与广度也有待加强。

状态检修中检修时间间隔的确定，检修范围和深度与设备寿命和损耗是直接关联的。分析部件失效机理及影响寿命的各种因素，并综合考虑设备运行可靠性和经济性，准确选择检修时点和检修方案是关键策略。设备及其零部件由于磨损、腐蚀、蠕变和疲劳破坏等原因，其使用寿命是有限的。设备与系统寿命管理（LM，Life management）与预测技术要想成功地运用于状态检修工作中，还需要解决一些技术难题。如设备寿命计算中复杂边界条件的提出，寿命损耗累积原则的确定，材料在不同温度、应力条件下的寿命损耗特性，剩余寿命评价等。

状态检修的边界条件问题，基于多目标优化的检修智能决策技术、仿真技术在状态检修中的运用等都需要进一步研究与探讨。

3.2 状态检修实施相关技术的交互应用

状态检修策略要真正可执行、可操作涉及到多层技术的交互应用，主要相关技术交互应用也是助推状态检修实施的关键因素之一。如信号检测技术、故障诊断技术、自动化控制技术、仿真技术、图像智能识别技术、人工智能技术、移动终端应用技术、VR/AR技术等。

管理信息化技术包括：远程实时传输及物联网、智能决策与分析技术、远程设备状态监测与诊断、ERP系统应用、集团安全生产监控系统、辅助决策与专家诊断、网络信息安全、燃料智能物流、备品备件虚拟联合仓储、运营数据深度挖掘。

基于状态检修专业化信息管理系统是相关技术交互应用的基础性平台，随着智能电站建设标准、技术路线、功能架构的进一步完善，状态检修相关信息系统交互关联和应用应该可以期待。

4 结语

状态检修作为一种先进的检修管理方式，现阶段没有很好的实践原因是多方面的，主要因素有：状态检修关联技术支撑系统没有得到很好的设计和应用，智能电厂功能设计阶段没有充分考虑到状态检修的相关功能技术需求，状态检修诊断评估信息系统未充分开发利用等。状态检修模式推广需要结合目前的计划性定期检修、纠正性故障检修、优化改造性检修、设备全寿命管理等综合考量。状态检修实质上是现有多种检修方式的集成优化，深入研究和实践应用状态检修策略将为电站设备管理模式的改进和优化提供了一个新的思路和方向。

智能电站的相关控制理论和智能设备系统一直在发展进步，智能电站建设需要在智能设备状态检测、大数据分析与挖掘、诊断分析系统集成、设备系统全寿命周期管理等方面开展综合研究和应用，与此同步要求状态检修相关联的评价决策管理系统也需要与智能电站相关技术同步发展推进。