发电设备状态检修简述及建议.docx
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发电设备状态检修简述及建议
发电设备状态检修简述及建议
龙伟华
浙江能源集团台州发电厂浙江台州318016
摘要：
通过对几种常用检修模式的比较，指出实施状态检修的先进性和必要性，并对发电企业设备状态检修的实施及其难点进行了剖析和解决措施的展望，最后结合状态检修现状，提出了实施状态检修工作的建议。
关键词：
发电设备，状态检修，状态监测，故障诊断，检修决策
0引言
自2002年我国电力行业实施厂网分离的政策后，电力企业作为设备密集型行业一员，设备技术状态稳定性差已成为制约企业发展的重要瓶颈。
随着用电部门的要求不断提高，电力企业正面临着严峻的市场挑战，如何保证发电设备的可靠性、可控性和生产的正常运行的情况下，合理安排发电设备检修、降低检修成本、减少发电成本等问题是实现电力企业健康发展和提高竞争力的根本所在。
据统计，发电成本中检修成本已超过20%[1]，科学的检修方式对发电厂具有重要意义。
本文将针对上述发电设备检修问题，对发电设备状态检修技术进行了探讨和研究，重点对在线监测和故障诊断中遇到的难点进行了剖析，并提出了目前存在问题和建议。
1概述
目前，我国的检修工作多是计划检修和事故检修为主的传统检修体制，虽然这种体制可以保持发电设备的基本稳定性，但随着发电设备向高参数、大容量、复杂化的发展，这种检修体制暴露出很多问题，例如检修频繁、检修不足或检修过剩、盲目检查检修等现象，大幅度提高了检修的投入。
状态检修不同于传统的以设备使用时间为依据的检修方式，而是一种以当前设备实际工况为依据的相对灵活自由的检修方式，能够及时的、有针对性地对设备进行检修，有效的降低检修成本，因此，对发电设备进行状态检修非常必要。
1.1国内外设备检修现状
1954年，美国通用电气公司首次提出了“状态检修”的概念，美国电力科学研究院（EPRI）和美国西屋电气公司率先对电力设备的状态检修开始了相关研究，并于八十年代中期以宾夕法尼亚动力公司的Eddystone发电厂作为试点，进入了实用性阶段。
现在，美国有50%以上的电力公司应用设备状态检修技术[2]。
二十世纪八十年代，随着测试技术、仪器信号分析和计算机技术的迅猛发展，日本建立起以状态分析和在线检测为基础的状态检修。
日本特别注重分析诊断仪器的开发研制，目前处于国际领先水平。
而欧洲大多数国家也进行了检修体制改革，也各自获得了不错的效果，如德国STEAG电力公司采用Benchmarking方法对设备进行优化分析，检修技术措施优化，效果显著；意大利电器委员会（ENEL）研制的现代振动检测系统，以在世界范围内推广，安装在大部分重要电厂机组上等。
国内电厂于二十世纪九十年代开始接触和推广状态检修工作，最早通过宝钢引进日本的点检定修制为试点，后又在北仑、外高桥等电厂进行试点，取得了显著的成效。
北仑电厂采用以可靠性为中心的检修思想，集成计算机管理系统，充分利用状态检测技术和故障诊断技术，优化资源配置，实施合理的检修策略，从原有的大修周期80~90d缩短为65d左右，延长了机组检修间隔，大修从原4a/次延长至6a/次，小修从原1a/次延长至1.5~2a/次，大大节省了人力、物力和财力的投入。
[3]随着状态检修在试点厂取得的成效凸显出来，国内许多发电厂根据各自的情况开展推广状态检修体制，如华能国际电力股份公司下的大连电厂、淮阴电厂、四川的宝珠寺水电厂等均迅速开展了设备状态检修的推行，有效的延长了机组连续运行时间，提高了机组运行经济指标等。
同时，电力科研院所等单位也积极的投入状态检修的研究，如清华大学电机工程与应用电子技术系开发的鼠笼异步电动机转子断条的在线监测装置[4]、华中理工大学开发的汽轮发电机组振动监测与故障诊断系统[5]等，为我国顺利开展实施状态检修提供了条件。
1.2检修体制比较
目前根据不同的行业特点、不同的设备管理要求、不同目标，主要有以下四种的检修体制：
事后检修、预防性定期检修、状态检修和改进性检修，这四种检修体制并不是相互排斥的，在不同的管理要求下，它们可以共存发展。
几种检修体制的性质如下表一所示：
表一几种检修体制
检修体制
名称
事后维修
预防性计划检修
状态检修（狭义）或预知检修
改进性检修
优化检修（广义的状态检修）
缩写
CM（CorrectiveMaintenance）
PM（PreventiveMaintenance）
CBM/PDM（Condition-based/PredictiveMaintenance）
PAM（ProactiveMaintenance）
OPM（OptimisedMaintenance）
概念
设备发生故障或者性能失效时进行的非计划性维修
根据设备磨损规律及经验统计，确定一个相对固定的周期进行检修
一种以设备状态为基础以预测设备状态发展趋势为依据的检修方式，根据设备状态监测和故障诊断等信息，经过分析和判断设备技术性能的优秀及发展趋势，并在故障发生前有计划地安排检修
为了消除设备的先天性缺陷或频发性故障，结合检修过程对设备的局部结构或零件的设计缺陷等加以改进的维修方式
结合电力系统特点，融合多种检修模式为一体，其核心是综合评价设备状态，合理安排检修，保证设备运行的可靠性和经济性，一种更深化的状态检修
优点
充分利用设备的物理寿命，在维修方面避免过剩维修。
消除了设备重大缺陷和潜在故障，防止重大损失事件发生，一定程度上保证了电网的安全性、可靠性
对设备进行及时和有针对性地检修，提高设备可用率有效降低检修费用、减轻员工劳动强度、减少拆装次数、延长设备机械寿命
维修仅提高设备的可用率，PAM还提高了设备的可靠性
降低发电企业成本提高设备可靠性，优化资产管理
缺点
故障发生后缺少维修准备，对设备运行的安全性、可靠性、经济性造成很大的影响。
易出现维修频繁、维修不足或维修过剩、盲目维修等现象造成维修费用损失巨大
状态检修水平的高低有赖于状态监测、故障诊断、检修决策等技术，尚处于发展中
技术要求高，前期研发投入大，周期长
目前检修决策算法有，故障树判断、模糊综合评判以及专家评判等几种模型，各存在一定的缺陷，尚不完善
适用范围
仅用于对生产影响极小的非重点设备、有冗余配置的设备或事后维修更经济的辅助设备
适于已知设备磨损规律的设备，及难以随时进行停机检修的流程工业或自动化生产线等设备
适于各类设备，但由于相关状态监测和故障诊断技术限制，部分设备尚不能实现状态检修
适于频繁发生同样故障、先天性缺陷、存在薄弱环节的设备
适于各类设备，对复杂、大容量的核心关键性机组尤为重要
综上所述，实施状态检修是发电企业降低成本、提高设备可靠性、优化资产管理的一条重要途，适宜在发电设备的检修与管理工作中开展与推行实施。
为了更加形象、具体的阐述实施状态检修的必要性，下面分析比较事后检修、计划检修、状态检修三种常见检修模式的设备性能[6]：
图1设备故障发展图例图2事后维修性能示意图
图中：
潜在故障点图中：
：
故障停机/检修开始时间
功能故障点
：
检修结束时间
：
设备检修耗用时间
图3设备定期维修设备性能示意图图4状态维修设备性能示意图
图中：
曲线A：
设备性能曲线图中：
：
检修开始时间
曲线B：
检修周期过短时，设备维修后性能曲线（过维护）
：
设备检修耗用时间
曲线C：
检修周期适合时，设备维修后性能曲线
曲线D：
检修周期过长时，设备维修后性能曲线
：
造成过维护的检修周期
：
适当的检修周期
：
造成欠维护的检修周期
：
设备检修耗用时间
设备在使用过程中,其技术状态随使用时间的延长而逐步恶化,很多故障发生前会有一些预兆,这就是所谓潜在故障,其可识别的物理参数表明一种功能性故障即将发生,功能性故障则表明设备丧失了规定的性能标准。
设备故障发展过程如图1所示。
图1中潜在故障点
表示故障逐渐发展,尚未在功能方面表现出来,但又能够通过一定的手段加以鉴别,如:
轴承振动加剧,说明轴承即将出现故障;电机线圈温度升高,表明线圈绝缘下降等等。
功能故障点
表示潜在故障已变成功能故障,设备发生损坏,丧失了它应有的功能。
探明潜在故障,就有可能在达到功能故障前进行排除,避免因发生功能故障带来的不利后果。
事后维修又称故障维修,它不控制设备维修周期,当设备性能达到功能故障点
、设备丧失其应有功能后才进行维修。
由于事故的突发性和不可预测，事后维修将对设备的可靠性、经济性都会造成很大的影响，将严重影响发电的稳定性，甚至给电网带来不可控的冲击。
图2表示事后维修的设备性能情况。
计划检修一般包括:
大修、中修、小修、临修、定期维护等形式,它以设备检修周期为基础,根据经验制定检修的检修项目、工期安排和检修周期。
一般只要达到计划的检修周期,不管设备实际性能如何,都要进行规定的检修工作,以实现保证设备性能良好的目的。
图3表示计划检修的设备性能情况。
从图中不难看出不顾设备运行状态的计划检修，带有一定的盲目性,很容易造成设备的过检修或欠检修,并且容易引起频繁的事后检修，造成大量人力、物力、资源的浪费。
状态检修就是根据设备运行的健康状况来决定进行何种检修活动的检修方法,状态检修的重点和难点就是充分利用设备监测手段和诊断技术，在设备发生潜在故障（点
）后、发生功能型故障（点
）前,在保证设备可靠性的情况下，及时的、有针对性地采取适当的检修,降低检修成本，避免发电设备发生功能性故障。
图4表示状态检修的设备性能情况。
2实施状态检修思路
针对电厂发电设备实施设备状态检修，从组织架构上，首先应在电厂内部建立完善的设备管理和运营体制，设立专项小组负责发电设备的状态检修工作；其次，引入外部领先技术和专业人才，建立相对完善的状态检修系统；最后，联合内部管理和应急响应部门定期、针对性地对状态检修工作进行测试和考核。
状态检修通过先进的状态监测手段、可靠的评价手段以及寿命预测手段，判断设备的状态，识别设备的早期征兆，对故障部位及其严重程度、朝着发展趋势做出判断，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或者故障就要发生之前进行维修。
其具体实施步骤由下图5表示：
图5发电设备状态检修工作内容简图
针对火电厂发电设备实施：
2.1信息收集与分析
检修发电设备过程中，需要对历史数据和近期数据进行分析比较，及时正确的收集设备状态的信息参数是开展设备状态检修的基础。
因此首先需要建立一个强大的数据库，将设备的运行数据（运行台时和运行日志、巡检及运行分析记录）、常规检测数据（点检、金属、性能试验等测试数据）、设备运转历史数据（设备图纸、说明书、安装记录、故障及检修记录等）等信息进行收集、汇总、保存，这是状态检修的前提和基础。
2.2评估设备重要性
评估发电设备在整体运行系统中的重要程度有利于在实施状态检修时分清轻重缓急。
不同重要程度的发电设备直接影响状态监测的方法和频率、安排检修计划的先后次序等。
例如针对一些辅助设备，不直接影响正常生产的设备，可适当减少监测指标、降低监测频率，当有其他重要设备同时发生故障，鉴于人力、物力等资源的限制，可先检修其他重要设备。
实施设备重要性评估，主要从设备的可靠性、对生产的影响力、检修时的难易程度等方面进行综合评价，可采用层次分析[7]、聚类分析、风险度理论[8]等方法，根据各电厂实际情况，划分重要性梯度，进行重要性归类。
表2设备重要度评估影响因素[9]
Table2Influencingfactorsforimportanceofequipment
类别
影响因素
可靠性
故障对人员和环境安全性的影响
故障后的替代程度
故障频率
设备的工作环境
检修性
检修的难易程度
检修时间长短
经济性
检修费用
停机损失
监测性
监测技术要求
监测设备费用
2.3确定状态监测方法和频率
2.3.1状态检测方法
发电设备状态监测技术指的是结合发电设备产生的故障模式,选择更科学的方法与发电设备装置对发电设备运行状态情况进行实时监测,同时将监测信息加以处理,从中提取出一项能够准确反映发电设备运行状态特征信息的检测技术。
[10]随着电子技术、计算机技术、光电技术和信号处理技术的发展，现以能实现对发电设备进行在线的状态检测，及时地采集发电设备运行状态的数据，包括一些微弱的信息，通过数据传输至处理控制中心，对这些信息进行分析，提取具有代表性的设备状态特征信息，判断设备变化趋势、可靠性水平等，从而得到对发电设备运行状态的评估，及时发现潜伏的故障。
发电设备的状态检测可分为离线状态监测和在线状态监测两种。
离线状态监测就是通过定期对运行中的设备或停止运行的设备进行规定项目的检查,发现设备的问题和隐患。
目前很多发电企业实行的“点检制”就是一种典型的离线状态监测方式。
在线状态监测就是通过各种传感器在线检测设备的性能参数,及时掌握设备的性能状态。
发电机组广泛采用的DAS系统、汽轮机采用的TSI系统均属于在线监测系统。
由于离线监测设备具有简单、投资小、操作灵活等特点，考虑到经济成本，很多发电企业的辅助设备如转动机械的振动等参数常采用离线检测。
在线检测设备因其对故障反应的速度快、处理数据量大、具有连续信息记录等优势，以广泛应用于发电企业的重要设备、主机中。
表2几种大修重点设备的状态监测
发电机
变压器
高压断路器
电容型设备
避雷器
离线监测
比对性试验和绝缘试验，在发电机停运状态下，是一种离线的、周期性的检测
因结构复杂，故障原因与故障结果之间存在很大的不确定性，常需要有丰富经验的、高水平的专家判断
断电情况下，进行机械测试、绝缘测试、灭弧测试等
定期进行带电测试对地泄漏电流、电容量及介质损耗因数等参数
定期利用氧化锌避雷器特性测试仪测试泄露电流
在线监测
主要监测参数有:
运行温度、振动、氢气湿度（氢冷机组）、局部放电、发电机泄漏电流等
尤以利用气相色谱法（DGA）检测绝缘油中溶解气体的含量，以此来判断充油电力设备内部故障的类型及严重程度的方法，在技术上最为成熟
采用传感技术，根据断路器开断电流与开断次数、分合闸线圈电流波、机械振动波、辅助触头信息、储能电机信息和SF6气体压力、湿度、温度等状态信息进行综合判断
主要监测参数有:
介质损耗、等值电容、泄漏电流、阻性电流、环境温湿度、主变铁芯接地电流等
采用的容性电流自动抵消原理、谐波分析法监测阻性电流，或采用带雷击计数器的泄漏电流监测
2.3.2状态检测频率
综合考虑设备的运行状态、在系统中的重要性、管理应急能力等因素，利用设备检修与设备运行的管理经验进行设置与安排。
理论上监测频度应根据设备故障的P-F间隔（从发现潜在故障到发生功能性故障的时间）制定，通常可在一个P-F间隔内选取5~20监测点。
[11]实际实施过程中，充分考虑监测设备的技术限制，合理安排监测频度，通常在刚投入运行时，稍掉高监测频度，待累积了一定的经验后，及时的、有针对性的进行调整，例如对出现故障征兆但又不能停机检修的设备，需增加监测次数并做好预警应急措施。
2.4故障检修与诊断
故障诊断就是通过分析、利用设备监测信息,及时捕捉设备发生故障前由于各种物理和化学参数的变化而发出的各种信息,依据诊断知识,对设备故障的类别、部位、程度及其发展趋势进行判断,给出相关指导信息,指导运行操作,以使故障不发生或使其影响最小,并为维护决策提供依据,使维修工作目的明确,方法科学,经济合理。
2.4.1常用方法
a）基于传统故障诊断机理分析的方法:
基于数据处理为核心，利用传感技术、动态测试技术和信号处理技术，经过实验研究、计算分析、统计归纳等办法建立起故障征兆与故障集合之间的映射关系，从而只需将实际运行的征兆与基准征兆对比,分析故障原因。
b）基于逻辑的方法：
故障树是一种演绎故障事件发生原因及其逻辑关系的逻辑图。
但由于传统的故障树分析法是针对确定性事件，而设备故障往往存在随机性和模糊性，因而有学者研究提出了模糊故障树方法[12]，在传统故障树分析法基础上，运用故障树的定义、构造和分析方法，考虑某些模糊事件和某些事件信息表达的模糊性，运用模糊数学方法和知识，进行整个事件发生的概率计算。
c）基于解析模型的方法：
基于解析模型的方法，建立系统的数学模型，当系统出现故障，系统的输入输出关系发生改变，通过观测系统数学模型的参数变化，判断系统故障。
目前采用的方法有状态估计法、等价空间法和参数估计法等，该方法更加深入的阐述了系统的动态变化特性，并能更加准确的进行故障的定位和故障幅值的估计。
d）基于统计的方法：
将所取得的征兆构成一模式向量,并用距离函数将此模式向量归为某一基准故障模式。
这种方法需预先为各种故障确定先验概率，常见的有专家系统法、人工神经网络法等，前者基于专家经验，重点在知识库的建立，实用性强，但缺乏系统性、信息量少、故障模型不准确等问题，后者有较强的在线学习能力、非线性映射能力、联想记忆能力等特点，能够更加准确的描述故障，但由于智能算法的计算量大、计算耗时长，尚处于实验阶段，离在线实时诊断应用还有一定的距离。
e）基于模糊数学的方法：
由于电力设备故障诊断中存在大量的不确定表现，表现为随机性和模糊性。
利用模糊数学综合评判的理论，用数学公式将故障诊断中模糊不清的概念清晰化、合理量化。
该方法可对多因子故障进行分类和模型判别，在电力系统中已有一定的应用，但因为模糊集理论仍存在不完善之处，其应用也受到了一定程度的限制。
2.4.2故障诊断的实施
故障诊断可以分为静态诊断和在线诊断两种。
静态诊断是通过常规和离线探查掌握设备的健康状态,具有投资小、灵活方便的特点,但实时性差、容易遗漏故障。
在线诊断是在机组运行过程中通过在线监测手段,连续监测设备有关过程参数,并经分析判断,掌握设备健康状况的变化,及时对设备状态进行诊断,具有投资较大,实时性好,漏诊率低的特点。
2.5检修决策
对设备进行故障诊断后，即进入检修决策阶段。
以诊断结论为主要依据，综合考虑检修技术、生产计划、检修成本、电力市场与负荷预测、设备调度等多方面因素，进行检修风险分析，进一步确定对设备实施检修的时间、检修项目、检修方案（小修、项修、大修等）、技术措施等内容。
[13]
状态检修决策优化模型的理论基础主要是数理统计和随机过程理论，包括随机滤波模型、时间延迟模型、PHM模型和PIM模型、Levy过程模型、马尔可夫决策模型[14]等。
利用随机统计理论获得了装备某一时刻故障概率、剩余寿命分布函数、历史故障率等参数描述系统状态，再建立装备特征信息与状态描述参数的函数模型，最后实现不同的目标下的检修决策。
随着计算机技术的迅猛发展，智能算法（人工神经网络算法、遗传算法等）逐渐被引入检修决策中。
Levy过程模型和马尔可夫决策模型较其他三种模型，因能连续的、渐变的反应设备状态劣化的全过程，广泛的应用于实际生产。
目前检修决策仍然存在部分问题，由于现有的检修决策多是一句静态的加权评估或聚类划分状态等级，从而确定检修方案的。
这种决策操作简单，但未充分考虑设备性能的动态变化（例如役龄、技术革新等），缺乏动态的适应性，易造成误判或迟判。
例如当设备役龄较长时，设备某些特征指标迅速劣化，静态加权会使最终的状态描述参数灵敏度较低，致使设备失修。
笔者认为除了要及时、周期性的更新静态权重外，可引入智能算法，利用其自学习强、追踪性好等优势，动态更新权重。
2.6技术与管理体制革新
先进的技术是高水平设备状态检修工作的基础，要实现预期的检修目标，就必须对实施检修的工作人员进行定期培训，及时学习更新在线监测和故障诊断技术等。
状态检修不是一蹴而就的，是一个逐步发展和完善的过程，每经过一段时间的状态检修工作，应总结经验教训，综合考虑各类型设备运行状态和近期企业目标，调整状态检修的框架、具体思路、改善监测频度、改进故障分析技术、加强应急措施、改进检修决策。
另一方面完善的管理体系是实现高水平设备状态检修的补充和保障。
3发电企业实施设备检修工作建议
状态检修是一项非常复杂的系统工程，其推行在我国尚处于探索阶段，因此，要坚持“总体规划、分步实施、先行试点、逐步推进”的原则，从检修管理体制、状态检修技术、人员素质等各个方面着手，逐步实现高水平的状态检修，降低发电设备检修成本，提高企业竞争力。
3.1开展发电设备状态检修工作对目前实行的定期检修管理体制的重大变革
我国发电企业主要采用“定期检修为主，状态检修为辅”的检修方式，推行状态检修工作势必对定期检修管理体制造成巨大冲击，变革原有的检修管理制度。
在制定新的检修管理体制过程中，应注意因地制宜，开拓创新，循序渐进，建立职责明晰的设备状态检修单位负责小组，有效调动员工积极性，利用开放、计算机化的电厂运行与检修管理信息集成分析诊断系统，切实落实设备状态的检测和趋势掌控，及时高效应对紧急预警事件，合理制定状态检修计划。
对处于状态检修初级阶段的发电企业，以点检定修制为基础，全面落实设备责任制，提高全员状态检修技术，逐步引进先进的状态监测和故障诊断系统，加强对设备状态的分析和诊断，逐渐向全面、高水平的状态检修靠拢。
对于管理比较先进的发电厂，可设置高标准、高效率、高品质的设备状态检修要求。
3.2开展状态检修必须对状态检修予以科学的定位
实施发电设备状态检修,实际上是集设备故障检修、定期检修、状态检修、改进性检修等多种检修方式的优化组合。
要对状态检修予以科学的定位,摒弃一些不实的片面认识。
推行状态检修必须克服以下误区:
a）修比不修强。
对磨损性、腐蚀性设备应坚持修好,但对于高精尖设备如汽轮发电机等较精密设备频繁维修反而会减少机械寿命，则应延长检修间隔。
b）状态检修一哄而上。
状态检修并不适合所有设备，不能以偏概全，例如企业是以保证安全生产前提下，降低生产成本为目的的，有些对生产影响极小的非重点设备综合考虑经济性后，可能采用事后检修更合理。
c）设备定期检修就是定期进行检修。
其实定期检修也是一个动态的过程,周期是变化的。
定期检修中也有状态监测成份,特别是尚未摸索出合适的检修间隔的设备。
3.3选择可靠、实用的状态监测方式和状态信息集成分析诊断系统
这是取得状态检修成效的重要条件。
实际选择时，要注意因地制宜，对于正在转型的老发电厂，可先安装自动化程度不太高的设备状态监测分析设备，充分利用离线监测数据，结合在线监测结果，执行状态检修工作，逐步实现利用先进仪器监测为主、高度计算机话的设备状态检修。
同时选择开放式、高度集成、兼容性强的分析诊断系统，能够更全面的记录设备特征参数，提供更直观的诊断结果，便于升级系统、引入新设备等。
3.4对状态检修的策略要再评估，进行改进，不断完善
状态检修工作是一项逐步发展和完善的过程。
状态检修策略经过一段时间的实施后，应及时进行总结和评估工作，对存在的不足和有待改进的环节进行审视、修正和改进。
另一方面，设备的各种边界条件也会随时间变化，因此需要定期对监测频度、评估标准进行修正，甚至调整监测重点和方式，不断优化。
4结论
随着高新技术的迅猛发展，企业已有传统的劳动密集型向经济、技术密集型企业转型，发电设备的自动化程度大大提高了，检修费用已成为发电企业生产成本不可忽视的一部分。
状态检修不仅能够保证生产安全，还能减少检修工作量、提高设备利用率，从而促进企业健康长足的发展。
但应注意，设备状态检修不是死板教条，更不能死搬硬套，而是要根据实际生产情况，运用科学统筹的思维管理，采用科学的新技术对设备进行监测、评估与研究，制定更合理高效经济的维修决策，不断优化现有的检修工作。
参考文献
[1]李建兰，火力发电设备优化维修关键技术研究，华中科技大学博士论文，2008．
[2]YangS.K,Acondition-basedpreventivemaintenancearrangementforthermalpowerplan
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