火电厂设备状态检修技术

摘要：这是西安院李耀君及于新颖主任多年前的一篇有关状态检修的文章，在今天仍很有参考价值。本文介绍了实施状态检修的总体策略和关键技术问题的解决方法。提出RBM分析、RCM II等多种维修方式的分析方法，对电厂主要系统和设备进行了故障分类和维修方式的逻辑分析。电力试验车

0 概述

随着我国电力工业的迅速发展和体制改革的推行，现行发电设备的定期检修制度在机组的检修任务选择、检修周期安排等方面存在的弊端日益突出。美国等发达国家在20世纪80年代逐步在火力发电厂推广一系列现代维修优化和管理技术，采用先进的设备分析评估技术和状态监测手段，及时掌握设备的真实状态和寿命，合理地安排检修项目与检修周期有效地降低了检修成本提高了设备可用性其中以风险为基础的维修（RBM-risk based maintenance）、以可靠性为中心的维修（RCM-reliability centered maintenance）、高温关键部件的寿命管理（LM-life management）、预知性维修（PdM-Predictive maintenance）等新的维修方式和技术相继出现，并得到较快发展，已形成较成熟的成套维修优化和管理技术。

在原国家电力公司的领导下，自1998年起国内的状态检修工作逐渐开展，通过几年的努力，在电力行业得到普遍重视和关注，特别是在北仑、 外高桥、邹县、太仓等电厂的试点工作进展顺利有力推动了相关技术的研究与应用。2004年5月对国内大型电厂进行了问卷调查和典型电厂实地调研，结果统计见表1。

从以上调研的统计结果可看出以下几点：

（1）电厂在辅机状态监测技术开展方面相当普遍，其中振动监测（93.0%）、红外热像仪（89.5%）的配备几乎成为电厂的标准配备，为辅机设备的状态检修打下坚实的基础。但开展辅机状态检修，并完成优化后的作业指导书的电厂还比较少。

（2）主机设备在普遍配备在线振动监测装置的基础上，配备其他状态监测设备和仪器的电厂比例也达到28.1%，相当多的电厂对主机设备的状态监测技术发展感兴趣。但目前国内外的相关技术尚不成熟，不能满足需要。

（3）RCM、RBM设备评估虽在近几年刚刚开始，但发展很快，其中开展，RCM设备分析的电厂有15家，开展RBM分析的电厂有5，家效果尚没有明显体现。但RBM的效果反映要好些。

（4）在设备评估技术方面，寿命评估技术已被国内电厂越来越多的采用，并且大多数认为评估效果明显。

文章综合研究和开发适合中国电厂特点的先进的设备评估技术、设备管理技术、设备监测技术，通过在华能太仓电厂、嵩屿电厂、华能淮阴电厂的具体实践，形成具有我国特点的完全自主知识产权的维修优化的新模式和系列技术。

1 设备状态检修的研究与应用

1.1 设备评估技术的研究

1.1.1 理论和方法

与传统的预防性检修相比，在维修的思想方法上具有如下特点：(1)维修决策建立在设备对系统可靠运行影响的重要程度之上;(2)维修决策建立在设备丧失功能的故障模式识别基础之上;(3)维修决策同时考虑了维修效果与维修经济效益的关系。

以可靠性为中心的维修理论更新了传统维修的观念，按照新理论指导的维修实践与传统维修的做法有较大的差别。主要包括8项基本原理需要回答7个关键问题。

以可靠性为中心的维修分析基本步骤包括：（1）确定重要功能部件；（2）进行故障模式及影响分析；（3）应用逻辑决策图确定预防性维修工作的类型；（4）确定预防性维修工作的周期及维修级别。

1.1.2 RBM理论和方法

在防止电站设备和结构失效方面，预防性维修和检查一直发挥重要的作用，然而对于高温关键部件，以往的在役检查和维修项目常常是根据积累的经验和工程需要提出的，制定在役检查要求和维修措施时并没有充分考虑部件材料失效的几率、运行及负荷状态变化及零件失效产生的后果等因素。

分析设备危险和风险程度时，可采用定性的、半定量和定量等多种手段，在这些风险分析方法中，风险的定义是对潜在伤害的可能性和损失程度的度量：损伤概率（无量纲）×损失的大小（金额）=风险（金额）。

以风险分析为基础确定维修任务的基本过程包括：

（1）对于待检查的系统进行结构化分界和定义；

（2）资料收集与处理;

（3）定性风险分析;

（4）定量风险评估方法；

（5）风险分析决策。

1.2 设备评估技术的应用

1.2.1电厂汽轮机本体系统RCM应用分析

采用RCM分析方法对太仓电厂的汽轮机本体系统进行了维修方式分析，分析的故障后果分类过程及维修方式逻辑决断图见图1.2.

图1 汽轮机本体故障后果分类

图2太仓电厂汽轮机本体系统RCM分析逻辑决断图

1.2.2 RCM分析软件开发

为提高分析的效率，开发了RCM分析辅助软件，其主界面见图3，该软件同样可用于RBM分析。软件主要功能模块包括：

（1）项目信息模块；

（2）设备管理模块；

（3）评估模块；

（4）系统管理模块；

（5）综合分析模块；

（6）维修决策模块。

图3 RCM分析辅助软件

1.2.3 电厂水冷壁系统风险分析应用

根据水冷壁测量结果，采用壁厚分级方法可直接进行定性的风险评估。同时考虑到高温腐蚀分布的随机性和实际情况，抽查测量的数据有限，不可能将最危险的壁厚最小的部位检测到，采用极值统计分析方法可进行定量的风险评估。

采用定性风险分析的方法对壁厚测量结果进行了分析，结果见图4。

图4  右墙水冷壁风险图

定量风险分析采用的是PRA极值分析原理。高温腐蚀分布状况一般很难直接准确测量，腐蚀最严重的部位很难直接测量到，只能根据统计分析的方法预测。一般在全部检验点中总存在一个壁厚最小的单元（部位），且这一单元被检验到的几率相当于检验的抽查比率，而发生失效的部位最可能是在这一管壁金属厚度最小的部位。这一单元在抽查中被检测到的可能性很小。测点数量与最小壁厚之间存在如下对应关系：

dmin=d0+blogA

式中，dmin为最小壁厚尺寸;d0为系数;A为测点数量。将实测数据依次排列，并进行极值计算。可分别求出预测的最小壁厚值，见表2。

由分析结果可知，目前各墙水冷壁的预测最小壁厚值均低于3.5mm，其中左墙、后墙的预测最小值接近3.0mm，总体水冷壁的预测值也非常低，这意味着左墙和后墙目前已存在接近3mm的个别管段其失效风险已相当大。为控制和减少水冷壁失效的风险，必须进行局部更换处理。

1.2.4 设备评估技术标准的制订

根据理论研究及实际部件分析结果，综合考虑国内电厂设备特点和管理模式，正在制订以可靠性为中心的维修（RCM）分析技术导则和以风险分析为基础的维修（RBM）分析技术导则2项电力标准。

1.3 电站设备合理检修周期和安全保障措施的研究

1.3.1汽轮机设备的合理检修周期分析

火力发电厂三大主机中，决定计划检修大修周期的关键因素是汽轮机的揭缸检查与否，汽轮机内部几何参数的变化不揭缸无法得知，仅从汽轮机性能参数的变化虽然可定性地分析其运行状态和故障趋势，但由于汽轮机结构的复杂性和故障的随机性，要明确汽轮机具体故障位置和原因以及定量给出汽轮机的未来无故障运行时间则是当前技术难以实现的。汽轮机合理检修周期的确定采用定性分析为主、定量计算为辅的思路和策略，力求全面系统的掌握设备状况，发现故障隐患，综合分析评价后提出建议。

研究提出的汽轮机合理检修周期和安全保证措施的基础是设备的RCM分析、RBM分析和经济性分析理论。在对汽轮机组进行风险性、可靠性和经济性分析后，根据机组状态数据确定发电机组合理的检修周期。汽轮机本体合理检修周期的分析流程见图5。太仓电厂汽轮机系统RCM评估结果汇总见表3。

图5 汽轮机本体合理检修周期分析流程

机组最佳检修周期的计算模型如下：

（1）依据机组寿命的结果确定检修周期。每台机组中各部件的寿命是随机量，引用数理统计的概率方法来处理这些数据，以得出一定规律。寿命的分布函数，决定于工作时间数量上等于寿命对时间的概率。

式中: m(t) 为瞬时t停运的设备数；k(t)为工作到瞬时t不停运的设备数。根据寿命的分布函数决定可靠度函数P(t)。

P(t)=l-F(t)

确定了每个独立部件的寿命数据,便可按下式的概率法定量决定整个机组的可靠度函数Pu(t).

式中：Pi(t)为第个部件的可靠度函数。

根据可靠度函数Pu(t)，再经检修前机组的实际运行可靠性指标的修正后，可得到该机组用于确定最佳检修周期的可靠度函数P(t)。

(2) 依据风险控制理论确定检修周期。按风险控制和寿命管理的逐渐逼近理论，须安排若干次一般不少于，次检查，才能保证一定的准确性，要求确认设备的真实寿命（失效时间）。因此安排检验与检修周期时必须考虑检验的合理性和可靠性并兼顾其经济性。

检验的合理性（风险）可用检出几率（POD）和误识别数量（NFI）指标表示。

-检出几率（ＰＯＤ）＝检出的缺陷数量／缺陷总数量

- 误识别数量（NFI）＝识别几率×检验点数量

其关系如图６所示

图６　检验风险

如汽轮机转子，目前的技术可通过３次检验而确认其真实寿命（失效时间），第１次检验应安排在预期寿命40％后，第２次检验应安排在寿命评估结果的50％消耗后，第３次检查应安排在第２次寿命评估结果的60%消耗左右。特别注意的是，每一次的检查范围计算精度要求是递增的。

（3）按等效运行小时确定检修周期。采用等效运行小时计算计划检修周期的关键技术是通过寿命评定确定汽轮机不同运行工况的加权系数。等效运行小时计算公式为：

式中：Teq为等效运行小时数，Tact为实际运行小时数，∑为各次加权系数的总和。

机组检修周期内等效运行小时数按制造厂的有关规定执行，进口机组、太仓电厂引进型300MW机组可参照等效运行1×105h的规定。

1.3.2 锅炉设备的合理检修周期分析模型

锅炉的主要失效机理是高温蠕变，其次是疲劳、高温腐蚀、氧化等，要保证锅炉的安全运行首先应确保锅炉管具有高可靠性。因此锅炉管管系的预防检修周期是确定锅炉检修周期的主要因素。任何一根炉管发生失效事故，都将引起整个锅炉的停炉直至整个机组的停运，它的失效属于最弱环模型。

对于锅炉系统按最弱环模型锅炉管系的可靠度函数可表示为：

Rs(t)=R1(t)·R2(t)···RN(t)

式中，RN(t)为第N根锅炉管的可靠度函数。

锅炉预防性维修方式的中心问题是如何确定最优检修周期。可采用以下2个原则来确定：

（1）维修费用最小原则；

（2）系统可用性最大原则。

1.4 与维修相关的状态监测技术和监测系统的研究

1.4.1 基于统计的趋势评价技术

在主机设备运行中，机组参数总处于不断的变化过程中，与运行优化相关的状态监测技术主要关注于保证运行参数处于最佳位置或合理的范围之内，国内目前开发的状态监测系统基本上都属于这一类。

而从维修优化的角度出发，仅监测机组的实时数据还无法对维修与否给予评价，需从长时间的运行数据中提取趋势分析结果，即需要得到设备老化的趋势判断为此开发了基于统计的趋势评价诊断技术。

1.4.2 基于风险的分级报警技术

从维修优化的角度出发，根据设备对机组运行的安全性和经济性影响，可实时计算设备的风险程度开发的基于风险的分级报警技术模型为：

风险=f(V,∆P，t)

式中:V为故障频率，∆P为超限幅度，t为累计时间。

同时，根据设备寿命消耗的结果也可实现风险的分级报警。

1.4.3 机组状态监测系统

为开发机组维修信息的集成平台，主要的设备监测内容包括：设备实际运行的安全状态变化、关键设备的寿命消耗变化、设备运行中的经济性指标变化。开发的机组状态监测系统主要模块和功能包括：

（1）汽轮机状态（安全性、经济性）监测；

（2）汽轮机转子寿命消耗监测；

（3）锅炉状态（安全性、经济性）监测；

（4）高温锅炉管寿命消耗监测；

（5）高温联箱蒸汽管道寿命消耗监测；

（6）烟风系统状态（安全性、经济性）监测；

（7）泵组系统状态（安全性、经济性）监测。

汽轮机和锅炉监测主界面见图7、8。

图7 汽轮机状态监测系统主界面

图8  锅炉状态监测系统主界面

烟风系统和泵组系统监测主界面见图9、10。

2 电厂状态检修技术应用与实施

2.1 太仓电厂状态检修技术应用与实施

2.1.1 实施模式

以主机状态检修技术开发为主要目的，西安热工研究院与华能集团公司、华能太仓电厂合作，在太仓电厂实施的状态检修模式为全面实施模式。

图9  烟风系统状态监测主界面

图10  泵组系统状态监测主界面

2.1.2 初步效果

（1）逐步加深了对状态检修概念的认识，提高实施的自觉性。已初步建立状态检修管理模式；（2）建立设备信息平台，为优化维修和提高效率提供了技术基础，见图11。

图11 太仓电厂机组状态监测系统主界面

2.2 嵩屿电厂状态检修技术应用与实施

2.2.1 基本模式

以辅机状态检修技术开发与应用为主要目的，西安热工研究院与福建电力试验研究院嵩屿电厂合作，在嵩屿电厂实施的状态检修模式为辅机设备状态监测+系统安全性、经济性监测远程诊断实施模式。

2.2.2 初步效果

(1) 采用就地管理+远程管理的二级管理模式，通过广域网远程访问发电厂侧的状态监测工作站;

(2) 利用故障分析和诊断系统对设备的异常数据进行分析和诊断，判断设备状态的发展趋势，并向电厂定期提交短、中长期趋势分析和诊断报告。

2.3 淮阴电厂状态检修技术应用与实施

2.3.1 实施模式

华能淮阴电厂在点检制基础上，逐步实施了以锅炉寿命管理+辅机状态监测+状态诊断为基本模式的状态检修。

2.3.2 初步效果

通过几年的运行，在保证设备运行质量的前提下有效地延长了设备运行时间，减少了检修时间周期和检修项目，提高功效，节约了人力、物力和财力，提高了企业的综合效益。

（1）状态检修的实施明显改变了电厂设备检修模式，为电厂维修、检验、决策提供了及时准确的建议；

（2）从2002年12月到目前为止，1、2号炉未发生过高温锅炉管爆漏事故，设备风险管理的实施起了重要作用，每年减少爆管次数2次，可节约费用600万元，累计节约费用1500万元；

（3）根据辅机设备状态监测和评估，减少了机组年度例行小修，节省约326万元成本。

3 结语

3.1 形成了设备状态评估新技术

研究了国外近几年发展的设备评估技术（RCM、RBM）的基础理论和中国电厂设备应用方式，在具体设备实践基础上总结适合中国电厂设备特点的RCM、RBM设备评估方法，提出电力行业实施技术标准。

3.2 较系统地开展了机组合理检修周期模型研究

采用可靠性（RCM）、安全性（RBM）、经济性分析相结合的综合评判方式，提出了主要影响机组检修周期的汽轮机、锅炉本体设备合理检修周期及安全措施的研究结果，创立多种汽轮机锅炉设备合理检修周期计算模型，并初步在太仓电厂2号机组上应用，其推荐大修间隔延长为6年。

3.3 完成了维修相关的机组状态监测系统的开发和电厂实施

开发了在线设备状态统计分析技术和风险在线评估报警技术；采用离线和在线评估相结合、安全性（状态监测+寿命监测）与经济性监测相结合的方式，开发完成具有完整自主知识产权的电站主机（汽轮机、锅炉状态）监测系统，为预防事故发生和制定维修决策提供了较完整的信息集成和管理平台。

实现了系统级安全性与经济性、设备级安全性指标同时监测的方式，研究开发电站辅机（烟风系统、泵组）状态监测系统。

3.4 研究并创立了火电厂设备状态检修应用的多种基本模式

实施模式包括：

@太仓电厂--设备RCM分析+主机综合监测辅机综合监测的全面实施模式；

@嵩屿电厂--主要辅机系统安全性+系统经济性+辅机离线检测+远程诊断实施模式；

@淮阴电厂--锅炉寿命管理+辅机在线监测+综合诊断实施模式。