（电气工程专业论文）国电豫源电厂设备检修模式研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文国电豫源电厂设备检修模式 研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：脚 e t 期：斟! “ 导师繇聋鱼 日期：掣 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章绪论 1 1 占主导地位的定期检修制度存在的问题 我国建国以来，火电设备检修在学习前苏联经验的基础上，长期实行以故障检 修、预防性计划检修为主的检修体制。这种检修体制曾经是适应我国电力生产发展 水平的，它包括大修、小修、临修、定期维护等形式。目前，各发电厂均按照原电 力工业部颁稚的发电企业设备检修导则实行计划检修。该规程规定，发电 厂机组大修一般每4 6 年一次，每次工期5 0 8 0 天，小修每年2 次，每次工期l o 1 2 天( 视具体机型而定) ，这是电厂安排检修的依据。但随着科学技术的发展，火电 设备趋向于高参数、大容量、复杂化，其安全经济运行对社会的影响也越来越大， 维修投入大幅度上升。面对这个情况，现行检修体制明显暴露出所存在的缺陷，因 此对设备实行更先进、更科学的管理和检修体制，无论从火电厂自身的利益还是从 社会的要求出发，都是必须的。 1 1 1 临时性维修频繁 一些缺陷较多的机组往往不能适应由管理部门统一制定的计划检修安排，运行 不到下一个检修时刻就必须强迫停运，进行事故性检修，导致电网发电、供电与检 修计划经常被打乱。 1 1 2 维修不足 机组由于各种原因在检修期未到时产生局部故障，但受到检修计划制约，不得 不带病运行，有时故障继续恶化造成运行代价和维修费用增大以及不必要的事故损 失，甚至严重事故。 1 1 3 维修过剩 对于设备状态较好的机组，进行了不必要的检修，由此造成设备有效利用时间 的损失和入力、物力、财力的浪费，甚至引发维修故障。 1 1 4 盲目维修 根据计划检修的标准项目和依经验制定的部分非标项目进行检修，对机组并不 一定能作到对症下药，由此导致不该修的修了，而该修的未修或没有足够重视，带 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 来“修未修好”的问题。 1 1 5 不合理的陪修 大修过程中对所有的设备都进行检查，包括临停中已经消除过缺陷的辅助设备 和系统也得“陪修”。 图1 - 1 的统计数据从一个侧面反映出现行检修体制所存在的问题。从2 0 0 0 年统 计的国内2 0 0 m w 火电机组非计划停运与降出力责任原因分类看，检修责任占了主 要部分。显然，现行检修体制已严重影响了电力企业的市场竞争力。 图1 - 12 0 0 0 年全国2 0 0 m w 火力发电机组非计划停运统计数据 1 2 开展在线监测与状态检修的必要- 性和意义 1 2 1 电力体制改革和发电企业自身发展的需要 随着计划经济向市场经济的转变，1 9 9 7 年电力体制改革开始进入实施阶段，确 定了“政企分开、省为实体”和“厂网分开、竞价上网”的主要改革思路。无论是从自 身发展的需要还是竞争机制的引入，发电企业提高发电效率和降低生产成本，追求 经济效益和社会效益的最大化已经成为首要目标。传统的定期检修已经不能满足形 势发展的要求，而状态检修正是提高发电效率和降低设备检修费用的重要措施。 随着火电技术的发展，发电设备日益趋于高参数、大容量和复杂化，其经济安 全运行对社会的影响也越来越大，维护、检修费用投入大幅度上升。面对这种情况 下，现行计划检修体制明显暴露出所存在的缺陷和不足。造成发电企业检修成本居 高不下、且检修质量没有保证，经常性漏修、误修、过修、陪修，而且每次突然性 的减出力和停机停炉都对发电机组造成难以估计的隐形损害，这些都增加了企业的 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 运营成本，降低了企业的竞争力。因此对设备实行更先进、更科学的管理和检修体 制，对于发电厂自身的利益是必须和迫切要求的。 1 2 2 发电设备在线监测与状态检修的意义 电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关键 设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效，必将 引起局部甚至全部地区的停电。 大量资料表明，导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。例如我1 9 8 4 1 9 8 6 年，1 1 0 k v 及以上等级电力变压器事故的统计分析表明，由于绝缘劣化引起事故的台次 占总事故台次的6 8 和总事故容量的7 4 【”。丽1 9 9 0 年的统计分别为7 6 和6 5 0 o r 2 1 。 对电气设备进行绝缘监督的主要手段，以往一直采用定期进行绝缘预防性试验，将预试 结果和规程标准比较，若有超标，则应安排维修计划对设备进行停电检修，即进行预防 性维修。 从经济角度看，定期试验和大修均需停电，不仅会造成很大的直接和间接的经 济损失，而且增加了工作安排的难度。 从技术角度看，离线的定期预防性试验有局限性。例如，其试验条件不同于设 备运行条件，多数项目是在低电压下进行检查。像介质损耗角正切t a n6 是在1 0 k v 电压下测试的，而设备的运行电压，特别是超高压设备，远比1 0 k v 要高。并且运 行时还有诸如热应力等其他因素的影响，无法在离线试验时再现，这样就很可能发 现不了绝缘缺陷和潜在的故障。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着世界上装机容量的迅速增长，对供电可靠性的要求 越来越高。考虑到原有计划检修体系的局限性，为降低停电和维修费用，提出预知 性维修或状态维修这一新概念。状态检修就是对设备进行全方位状态监督，对设备 运行状态、影响安全经济、可靠运行的因素进行综合分析，并对设备进行前景预测， 根据结果再拟定检修内容和确定检修时间，真正做到“应修必修，修必修好”。实 施状态检修，其目的是科学保养设备，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利用率，降低检修人、财、物的浪费和检修磨损，提高企 业经济效益。 发电企业通过实现发电设备在线监测技术和开展状态检修策略，可以科学地进 行维修需求决策分析，合理安排维修间隔、维修项目和维修工期，有效降低维修费 用和维修风险；准确掌握设备技术状态，提高设备的可靠性和可用率，延长设备的 使用寿命，增强发电能力；改善设备运行性能，降低发电厂运行成本；降低企业的 经营成本，提高企业经济效益，增强企业参与市场竞争的能力；在企业中营造科学 决策和改革创新的氛围，实现管理现代化。 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3 本论文的主要工作 本文以国电豫源电厂设备为研究对象，主要是通过对国电豫源电厂设备检修的 现状及存在问题进行分析，以近1 0 年来生产管理实践为基础，通过大量的调研工 作，吸取兄弟单位开展状态检修的经验和教训，从目前设备维修管理现状、状态检 修管理体制、人员素质和技术检测、分析手段等方面进行深入分析，论述了国电豫 源电厂在向以诊断性检修为基础，故障检修与预防检修相结合，实现以最低成本为 目标的状态检修模式迈进的历程中应采取的措施、面临的困难及解决思路，就人力 资源的配置、生产管理主要流程进行了阐述并提出了自己的观点；在大量研究了发 电厂电气设备的在线监测、故障诊断和状态检修技术的基础上，结合国电豫源电厂 的实际情况，对在本厂开展点检定修这一初级状态检修模式，实施点检定修制的规 划及组织机构进行分析和确立，讨论开展点检管理、点检标准的制订、点检的作业 实施等内容；并结合本厂实际，对电厂设备的点检管理系统进行了功能设计。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章发电厂电气设备的在线监测、故障诊断与状态维修 2 1 设备检修模式 2 1 1 故障检修( r t f ) 故障检修也称事后检修、纠正性检修，是一种较早的检修模式。指设备或部件 发生故障或失效后进行的非计划检修。 从工业革命到第二次世界大战以前，设备机械化程度不高，损坏后修复时间的 影响也并非十分重要；由于大多数设备的设计余量比较大且基本上比较简单，所以 设备是可靠而且易于修复的。对维修的要求是坏了再修，即实施事后维修或事故维 修( b d m ) 模式。这种检修方式以设备出现功能性故障为判据，在设备发生故障且 无法继续运转时才进行维修。显而易见，由于设备故障的不可预见性，在额定电压 及正常负荷情况下，设备的极其重要部件突然发生的故障可能使系统内关联设备受 到过电压和过电流的冲击而产生不可恢复性的损坏，这种情况下，电力系统被突然 停电所导致的经济损失远远大于预安排停电产生的经济损失，也远远大于电力系统 检修正常停电所产生的损失。因此，这种应急维修需付出很大的代价和维修费用， 不但严重威胁着设备或人身安全，而且维修不足，往往会造成相当大的经济损失。 2 1 2 定期检修( t b m ) 定期检修是按事先确定的时间周期而进行的预防性检修方式。第二次世界大战 前后，出现了流程生产和流水线，机械化程度提高，事后维修使停机时间加长，影 响生产效率。人们认识到有可能和有必要预防设备故障，形成了以定期检修为中心 的计划维修和预防性维修思想。它是根据掌握的经验、设备磨损、性能下降等的统 计规律等，事先确定检修间隔、检修工作内容，在设备或部件失效、性能下降到不 可接受的程度前，结合检修计划进行的检修以达到预防事故发生的目的。 2 1 3 状态检修( c b m ) 状态维修：也称视情维修，是一种根据设备技术状态来安排维修的预防维修体 制。它是根据日常点检、定期检查、状态监测和故障诊断等提供的信息，经过统计 分析和数据处理，根据参数的变化趋势或幅值变化来判断设备状态的劣化程度，并 在故障发生前有计划地安排维修活动。状态维修不规定固定的维修间隔，能够有效 5 华北电力大学_ 程硕士专业学位论文 地避免定期预防维修的缺陷，可最充分地利用设备寿命，是一种经济合理的预防维 修方式。 这种维修方式不再以时问为依据进行常规的定期检测试验和检修，而是着眼于 密切追踪监测每台设备具体运行技术状态的发展、变化情况，并根据规范化的状态 监测结果，掌握设备运行状态演变的情形和恶化的程度，以机械设备当前的实际工 作状况为依据，通过高科技状态监测手段，识别故障的早期征兆，对故障部位、故 障严重程度及发展趋势作出判断，从而确定各机件的最佳维修时机。状态检修在2 0 世纪7 0 年代初期发展起来的一种较为先进的设备检修方式，由美国杜邦公司首先 倡议。状态检修是当前耗费最低、技术最先进的维修制度，它为设备安全、稳定、 长周期、全性能、优质运行提供了可靠的技术和管理保障。但由于状态检修需要监 测的内容多，投资大，并存在一定的风险，要能熟练地运用于设备维修还需要长时 间的经验积累。 电力设备状态检修技术的应用必须以对设备的全面监测为基础。但目前有关电 力设备运行状态在线监测系统仍然存在监测点少、功能单一、缺乏系统性和综合性， 尤其缺乏监测的层次化和网络化等问题。目前，国内外状态检修技术的开发和应用， 围绕锅炉、汽轮机、发电机、变压器等大型电力设备展开，在设备寿命管理与预测、 设备可靠性技术、设备状态监测以及故障诊断技术等方面取得了一些可实际应用的 成果。 2 1 4 以可靠性为中心的检修( r c m ) 以可靠性为中心的维修( r c m ) 是目前国际上通用的、用以确定资产预防性维 修需求、优化维修制度的一种系统工程方法。它的基本思路是：对系统进行功能与 故障分析，明确系统内各故障的后果；用规范化的逻辑决断方法，确定出各故障后 果的预防性对策；通过现场故障数据统计、专家评估、定量化建模等手段在保证安 全性和完好性的前提下，以维修停机损失最小为目标优化系统的维修策略。 过去的预防性检修以设备为中心，以保持设备运行为目的，而r c m 则以保持 系统功能为目的，所以比较多的考虑功能丧失或功能故障问题，以对功能的重要性 来确定检修资金的流向。 过去的检修计划中比较多的考虑的是“能做什么? ”，而r c m 除了要回答“能 做什么”外，更重要的是要说明“为什么这样做”，r c m 要求选取的预防性检修工 作不但是可行的( 即能防止或减轻发生故障，发现潜在的设备缺陷) ，而且是有效益 的( 即在几种可行的检修方式中选择效益最好的方案) 。 2 1 5 优化检修( 0 p m ) 优化检修与纯粹的状态检修( c b m ) 是有区别的。设备的状态检修可以从狭义与 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 广义两个方面来理解，狭义的状态检修可以称为“状态检修方式”，它是一种非常 具体的检修方式，与定期检修( t b m ) 、事故检修( r t f ) 等检修模式处于平等的地位， 它根据设备工作过程中的劣化程度对其进行适当的检修。在进行检修前要利用状态 监视和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备的故障，在故障 发生前进行检修，即根据设备的健康状态来安排检修计划，实旋设备检修，在这种 情况下，对设备进行状态监测是状态检修的基础。但是，并不是所有的设备故障都 可以通过状态检测来获得；其次有很多设备在故障时速度很快，即使能够通过状态 检测及时得到设备的故障征兆，但不能有充分的时间进行检修；还有很多设备一般 情况下出故障的可能性很小，只是到了一定的运行时期后才会出故障，只要在其寿 命周期到来前把它更换或是修复即可。在这种情况下，设备是不适合采用状态检修 方式，对其进行故障检测的工作大部分是多余的。 真正意义上的状态检修其成本消耗最低，设备运行具有最大可靠性。因此在实 施状态检修时，一方面对一些非主要运行设备可实行状态检修，而对主要发电设备， 由于其影响性和经济性，应大力依靠监测手段，预测其运行的最后程度，实行计划 检修，并在设备有可能造成较严重后果或经济损失较大时，对其进行预防性检修： 另一方面，由于设备运行的不稳定性和不可控性，状态检修应在兼顾经济效益的基 础上，定期发现问题，定期淘汰设备，加速设备折旧，以提高设备运行的可靠性。 因此，根据不同设备的重要性、可控性和可维修性，科学合理地选择适用于该设备 的检修方式，形成集故障检修、定期检修、状态检修为一体的、优化的综合检修策 略，这种检修策略就是广义的状态检修：即对适合状态检修的设备进行状态监测， 并加强监测数据的管理与分析工作，及时准确地发现故障出现的规律及兆头并适时 对其检修；对适合定期检修的设备，要根据运行的经验或试验确定合适的设备的寿 命，以提高定期检修周期的准确性等等，最终达到提高设备可靠性、降低发电成本 的目的。 2 1 6 初级状态检修一一点检定修制 设备使用阶段以点检为核心的设备检修管理体制，是日本在引进美国的预防维 修制( 状态检修) 基础上发展起来的一种设备管理制度。设备点检是利用人的感官和 简单的仪表工具，按照标准定点定期地对设备进行检查，发现设备的异常和隐患， 掌握故障的初期信息，及时采取对策，将故障消灭在萌芽阶段的一种管理办法，是 设备实施状态检修的初级形式。通过点检人员对设备进行点检作业，准确掌握设备 的状态，采取早期防范设备劣化的措施，实行有效的预防计划检修，提高了设备的 可用度，降低检修成本。 点检定修制是状态检修的基本阶段。它是一种在设备定期检修的基础上，更加 重视设备状态的检修模式。点检制是从管理制度入手，在设备管理上打破运行和检 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 修的界限，使全体人员参与设备的维修；加强设备状态的分析和诊断，明确设备检 查的项目、标准、手段方法，并量化了检查结果，从而有效监督设备的状态，指导 设备的检修，减少计划检修的盲目性。 2 2 由设备故障形成规律分析状态检修的必要性 2 2 1 电气设备故障和缺陷的浴盆曲线 浴盆曲线：就是设备故障率曲线， 部发生故障将导致整个系统不能运作， 盆，故称为浴盆曲线。 因设备的构成是多系统或多部件的，如果局 由其故障发生情况所绘制的曲线，因形似浴 如图2 一l 所示，为常规运行时间变化的设备故障曲线。早期故障期的故障率很 高，但随时间的推移，故障率迅速下降。此期间发生的故障主要是设计、制造上的 缺陷所致，或使用不当所造成的。进入偶发故障期，设备故障率大致处于稳定状态。 在此期间，故障发生是随机的，其故障率最低，而且稳定，这是设备的正常工作期 或最佳状态期。在此间发生的故障多因为设计、使用不当及维修不力产生的，可以 通过提高设计质量、改进管理和维护保养使故障率降到最低。在设备使用后期，由 于设备零部件的磨损、疲劳、老化、腐蚀等，故障率不断上升。因此认为如果在耗 损故障期开始时进行大修，可经济而有效地降低故障率，提高经济效益。但经常性 的定期检修使常规的设备运行浴盆曲线规律发生了变化，每检修一次，出现一次新 的磨合期，使检修后的故障率增高，如图2 2 所示为多次定期检修可能形成的设备 故障曲线。 浴盆曲线所表示的是复杂的设备、设备系统或装置在整个使用寿命周期内故障 率变化情况，在实践中我们可以通过资料的积累，绘制不同时期的故障率曲线，进 一步掌控设备的寿命，有效的实施状态检修管理。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 陷 故 障 室 设备运行时间( 年) 陷 故 障 窒 设备运行时间( 年) 图2 - 1 常规运行时间变化的设备故障率曲线图2 2 多次定期检修可能形成的设备故障率曲线 2 2 2 电气设备功能退化规律( p - f 曲线) 如图2 3 所示，为电气设备功能退化的p - f 曲线。电气设备大多故障一般不会 在瞬间发生，并且在功能退化到潜在故障p 点以后才逐步发展成能够探测到的故障。 p 点之后将会加速退化，直到达到功能故障的f 点而发生事故。p f 间隔为从潜在 故障发展到功能故障之间的时间间隔。如果想在功能故障前检测到故障，必须在p f 之间的时间间隔内完成。不同设备、不同故障形式对应的p f 间隔的时间不是定值， 定期检修一般情况下不能都满足p f 间隔的时间要求，导致设备功能故障的发生。 在线监测可以捕捉到p f 间隔的整个发展过程，并在到达功能故障f 点之前的合理 时机采取措施进行检修处理。 9 设备缺 设备缺 华北电力大学工程硕士专业学位论文 运 行 设 备 状 态 时间( t ) 图2 - 3 电气设备功能退化的p - f 曲线 2 2 3 传统检修观点与现代设备的故障特征的差异 传统观点认为，电气设备运行时间与发生故障的可能性有直接关系，这意味着 大多数设备可以可靠地工作一个周期，然后逐步发生故障或缺陷；从设备故障的历 史数据可以确定设备可靠工作的周期，并在设备即将出现故障之前采取检修预防措 施。 现代先进的电气设备比过去的老设备要复杂得多，技术上、结构上、工艺上都 有了质的变化；故障模式也发生了很大的变化。所以那种认为设备的可靠性与运行 时间之总是存在某种固定关系，定期检修越频繁设备发生故障或缺陷越少的观点是 错误的。 2 3 在线监测、故障诊断与状态检修 2 3 1 在线监测、故障诊断与状态检修的关系 对电力设备进行在线监测和故障诊断，是实现电力设备状态检修的前提，是保证设 备安全可靠运行的关键。 状态检修，具体内容是对运行中电气设备的绝缘状况进行连续的在线监测( 或称状 态监测) ，随时获得能反映绝缘状况变化的信息。在进行分析处理后，对设备的绝缘状 况作出诊断，并根据诊断的结论安排必要的维修，也即做到有的放矢地进行维修【5 1 。 状态检修包括三个步骤，即在线监测一分析诊断一状态检修。状态检修的组成及相 互关系可用如图2 - 4 所示的框图来表示。可见在线监测是状态检修的基础和根据。 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 - 4 状态检修体系框图 状态监测与故障诊断是一个有机整体。设备与系统的状态监测是利用各种传感器对 反映设备与系统的运行状态的物理、化学量进行监测，从而判断设备是否处于正常状态。 状态监测是故障诊断的基础、先决条件及必要手段。而故障诊断综合利用监测数据和信 息进行决策，来确定维修计划。 监测与诊断技术的发展有三个阶段：1 ) 状态监测技术阶段，该阶段以设备状态监测 为技术目标；2 ) 故障诊断技术阶段，该阶段以设备故障诊断为技术目标；3 ) 现代化设 备管理阶段，该阶段以设备全过程经济技术管理为核心，设备状态维修就是该阶段的一 个主要技术目标。 故障诊断的任务是要确定设备故障的性质、程度、类别和部位、明确故障、征兆、 原因和系统之间的相互关系，指明故障发展趋势。设备的故障诊断实际上是指在设备不 解体的情况下，根据人类积累的经验和数据，采用一定的技术手段对设备所处的状态进 行判断、对设备的故障及其发展变化进行诊断和估计的技术。如果能够准确诊断和估计 设备的故障及其发展变化，就可以制定最优的维修策略，这个过程就是状态检修。 开展故障诊断，无论是在线还是离线，无论是故障发生前还是发生后，目的是判断 设备有否发生故障，分析发生了什么种类、多大程度的故障，以及发生故障的部位，以 便能够为维修提供支持。 2 3 2 电气设备绝缘的特征量 要对发电厂电气设备进行监测与故障诊断，首先必须要知道其要监测的特征量。电 气设备绝缘状态通常是通过几个特征量来表示： ( 1 ) 局部放电量，放电位置 设备内部绝缘( 油、纸) 若存在杂质、气泡，它会导致其内部放电，日长月久就可 能导致放电部位扩大，最后击穿。因此及早的监测其放电量和放电位置，并及时维修处 理，可避免大事故发生。但开始发生放电时，其放电量很小，难以测量及定位。 ( 2 ) 介质损耗因数( t a n6 ) 1 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 它是表明设备绝缘状态的重要参数之一，当测得设备的t a n6 大时，说明设备绝缘 受潮，电导电流增大或内部有局部放电，设备正常时其t a n6 值在0 1 一o 8 之间。 ( 3 ) 泄漏电流 对于一些设备不能测量t a n6 时，也可用测量泄漏电流方法确定设备绝缘受潮或损 坏程度。 ( 4 ) 设备电容值 设备中若进水时，其电容值会增大，但漏油时，其电容值会减少，按规程规定当电 容值的偏差超出额定值5 一1 0 范围，应停电检查。 上述4 项特征参数中，局部放电是反映绝缘状态最灵敏的量，其次t a n6 值、电容 值、泄漏电流也可反映绝缘状况。 2 3 3 在线监测与故障诊断系统流程 2 3 3 1 在线监测系统 不论监测系统是什么类型，它均应包括以下基本单元。 ( 1 ) 信号的变送 一般由相应的传感器来完成，它从电气设备上监测出那些反映设备状态的物理量， 例如电流、电压、温度、压力、气体成分等，并将其转换为合适的电信号传送到后续单 元。它对监测信号起着观测和读数的作用。 ( 2 ) 信号的处理 其功能是对传感器变送来的信号进行适当地预处理，将信号幅度调整至合适的电 平；对混叠的干扰采用滤波器、极性鉴别器等硬件电路进行抑制，以提高系统的信噪比。 ( 3 ) 数据采集 对经过预处理的信号进行采集、a d 转换和记录。 ( 4 ) 信号的传输 将采集到的信号传送到后续单元。 ( 5 ) 数据处理 将采集的数据进行处理和分析，例如，对获取的数字信息作时域和频谱分析，利用 软件滤波、平均处理等技术，对信号作进一步的处理，以提高信噪比。获取反映设备状 态的特征值，为诊断提供有效的数据和信息。 ( 6 ) 诊断 对处理后的数据和历史数据、判据及其它信息进行比较、分析后，对设备的状态或 故障部位作出诊断。必要时采取进一步措施，例如安排维修计划、是否需要退出运行等。 上述6 个基本单元可用图2 - 5 所示的框图表示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 - 5 在线监测系统流程框图 在发电厂电气设备中，可进行在线监测的设备有发电机、变压器、电容型设备、避 雷器、电力电缆等等。下面两节着重分析电容型设备和电力变压器在线监测原理和方法。 2 3 3 2 故障诊断系统 在线监测的目的是为了故障诊断。“故障诊断”是指这样的过程：专家根据状态监 测所得到的各测量值及运算处理结果所提供的信息，采用所掌握的关于设备的知识和经 验进行推理判断，找出设备的故障类型、部位及严重程度，从而提出对设备的维修处理 建议。即“在线监测”是特征量的收集过程，而“故障诊断”是特征量收集后的分析判 断过程。随着传感技术、微电子、计算机软硬件和数字信号处理技术、人工神经网络、 专家系统、模糊集理论等综合智能系统在状态监测及故障诊断中应用，使设备状态监测 和先进诊断技术的研究得到巨大发展，成为电力系统中的一个重要研究领域。 故障诊断的任务是要根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数 以及环境条件，结合该设备的运行史( 包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录) ， 确定设备故障的性质、程度、类别和部位，明确故障、征兆、原因和系统之间的相 互关系，并指明故障发展趋势。故障诊断可分为诊断信息的获取和信息的处理两部 分。 故障诊断流程图如图2 - 6 所示。即以下四个环节： ( 1 ) 状态监测。由于状态参数的数量浩大，必须找出其中的特性信息，提取特征 信号，获取征兆，形成待检模式。 ( 2 ) 状态识别。将待检模式与标准模式相比，当主要性能指标高于或低于期望的 目标范围时就认为发生故障。根据故障程度采取报警或停机等处置。 ( 3 ) 状态分析与预测。根据已知信息和相应的数学诊断模型，找出故障源，确定 设备状态，给故障定级，并预测设备状态发展趋势。 ( 4 ) 决策处理。根据故障等级的评价对设备系统形成正确的干预政策，做出维修 或其他决定。 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 3 4 电厂设备故障诊断技术 图2 - 6 故障诊断流程图 电厂设备监测与诊断技术涉及的领域理论基础包括锅炉、汽轮机、发电机、热力系 统、电气系统、热工控制等，而系统理论基础则包括传感技术和检测技术、信号处理技 术、计算机和网络技术、仿真技术和人工技能等。监测与诊断的技术手段是现代化的测 试仪器、计算机系统和软件，具体内容是监测设备状态、检测异常情况、分析和预测状 态变化趋势、诊断和识别故障及其原因。具体思路是根据监测到的征兆对各种故障的肯 定否定程度，建立正确的故障诊断模型，通过故障诊断分析，然后安排最合理的优化检 修。 2 。3 4 1 传统的故障诊断方法 1 利用各种物理的和化学的原理和手段，通过伴随故障出现的各种物理和化学现 象，直接检测故障。例如：可以利用振动、声、热、电，磁、射线、化学等多种手段， 观测其变化规律和特征、用以直接检测和诊断故障。这种方法形象、快速，十分有效， 但只能检测部分故障。 2 利用故障所对应的征兆来诊断故障是最常用、最成熟的方法。以旋转机械为例， 振动及其频谱特性的征兆是最能反映故障特点，最有利于进行故障诊断的手段。为此， 要深入研究各种故障的机理，研究各种故障所对应的征兆。在诊断过程中，首先分析设 备运转中所获取的各种信号，提取信号中的各种特征信息，从中获取与故障相关的征兆， 利用征兆进行故障诊断。 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 3 4 2 智能的故障诊断方法 在上述传统的诊断方法的基础上，将人工智能的理论和方法用于故障诊断，发展智 能化的诊断方法，是故障诊断的一条全新途径，目前已广泛应用，成为设备故障诊断的 主要发展方向。现在一般认为较为成熟的人工智能技术主要包括模糊理论( f u z z yt h e o r y f t ) 、神经网络( n e u r a ln e t w o r k - n n ) 和专家系统( e x p e r ts y s t e m - f s ) 三大块。这三者 都是从某一方面模仿人类的大脑思维来实现模拟人脑在某一专业领域中的思维过程。就 它们各自的本质而言，模糊理论能够解决精确数学所不能解决的，而在人脑中大量存在 的非确定性语义及模糊概念问题。神经网络能够以系统方法实现任意的函数映射。专家 系统通过模仿人类的逻辑思维形式来解决类似符号推理的问题。 ( 1 ) 专家系统 专家系统是一个具有大量专门知识的程序系统。它应用人工智能( a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ) 技术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识进行推理、模拟人 类专家作决定的过程，来解决那些需要专家才能解决的复杂问题。专家系统自6 0 年代 问世以来，发展迅速，在多种领域中显示出巨大的实用价值，成为人工智能科学从理论 研究转向应用领域的一个里程碑。采用人工智能技术开发变压器故障诊断专家系统为解 决变压器故障诊断这一专业性、经验性与复杂性很强的实际问题提供了有效的途径。 专家系统的基本结构主要由知识库、数据库、推理机、解释器、知识获取( 学习系 统) 和人机接口组成，如图2 7 所示。其中知识库和推理机是核心部分。 图2 7 专家系统的基本结构 a 知识库 存放系统求解问题所需要的领域专门知识。知识获取过程中获得的专门知识，以适 当的知识表达式和结构形式存入知识库中。知识的表示方法常用的有：产生式规则、网 络、框架、决策树、谓词逻辑。其中为产生式规则最为常用。 b 数据库 存放所解问题的原始数据( 事实) 和推理过程中得到的各种中间信息。为了使推理机 能方便地求解问题，数据的表示和组织形式应尽量和知识库的表示相容。 c 推理机 1 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 它是一组程序，用来控制、协调整个专家系统的工作。根据数据库中的信息，利用 知识库中的知识，按一定的推理策略去解决所研究的问题。知识与推理、控制的分离技 术是专家系统有别于传统应用程序的一大特点和优点。 d 知识获取 它为知识库的建立、修改知识库中已有的知识和扩充新的知识提供手段。 e 解释器 负责对推理出的结果作出必要的解释，以便向用户说明推理过程，使用户容易接受 推理的结果，同时也有利于新手向专家系统学习和为用户维护和管理专家系统提供方 便。 f 。人机接口 负责把用户熟悉的信息表示手段( 如自然语言、表格、图形等) ，转换成内部表示形 式，再交给各相应的组成部分去处理。专家系统输出的信息也有人机接口转换成用户能 理解的形式显示给用户。 ( 2 ) 神经网络 神经网络是模拟人脑组织结构和人类认知过程的信息处理系统，具有强大的自学能 力和数据处理功能，能映射高度非线性的输入、输出关系。自1 9 4 3 年首次提出以来， 己迅速发展成为与专家系统并列的人工智能技术的另一个重要分支。它以其诸多优点， 如并行分布处理、自适应、联想记忆等，在智能故障诊断中受到越来越广泛的重视，而 且已显示出巨大的潜力，并为智能故障诊断的研究开辟了一条新途径。 神经网络之所以能在实际应用中表现出与众不同的功能，是因为它代表了一种新的 方法体系，它以分布的方式存储信息，利用网络的拓扑结构和权值分布实现非线性的映 射，并利用全局并行处理实现从输入空间到输出空间的非线性信息变换。总的来说，它 具有以下四个基本特点： a 并行分布处理 人工神经网络有许多相同的简单处理单元并联组合而成，虽然每个单元的功能简 单，但大量简单处理单元的并行活动，使其对信息的处理能力与效果十分惊人。 b 非线性映射 人工神经网络每个神经元接受大量其它神经元的输入，并通过并行网络产生输出， 影响其它神经元。网络之问的这种相互制约和相互影响，实现了从输入状态到输出状态 空间的非线性映射。从全局的观点来看，网络整体性能不是网络局部性能的简单迭加， 而表现出来某种集体性的行为。 c 良好的容错性与联想记忆能力 这使得网络具有良好的容错性，并能够进行聚类分析、特征提取、缺损模式复原等 模式处理能力；同时该性能也适合于做模式分类，模式联想等模式识别工作。 d 强大的自适应自学习能力 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 人工神经网络可以通过训练和学习来获得网络的权值和结构，呈现出很强的自学习 能力和对环境的自适应能力。 人工神经网络的这些特点，以数字方式和模拟方式均可实现，计算也十分方便。实 践表明基于人工神经网络的专家系统可实现宏观和微观相结合，在知识表示、知识获取、 推理机制学习能力等许多方面显示了明显的优越性。 2 3 4 3 电气设备状态分析和检修策略 基于以上故障诊断方法，下面将针对电气设备来进行状态分析，也即故障诊断，并 确立检修策略。 状态分析的目的在于准确诊断设备究竟存在何种缺陷，但在目前或许是不现实的。 这里状态分析的目的是基于设备的状态信息，对设备状态做出一个初步的评价，作为安 排检修的一个依据。 ( 1 ) 设备状态评分 基于这样一种认识，设备状态不列出具体缺陷，而是对设备状态进行评分，分 值从0 到1 0 0 ，这里0 分表示需要立即检修的严重缺陷状态，如变压器轻重瓦斯或 红外检测套管头严重过热等；1 0 0 则表示所有状态信息均远离超标值，且既没有经 历不良运行工况，又没有家族质量缺陷纪录；其他状态介于o - 1 0 0 分之间。 设备状态评分立足于设备状态信息，状态信息分以下三个方面： a 状态试验数据( 如在线监测、预防性试验、交接试验等) b 家庭质量缺陷记录k i c 不良运行工况记录k 2 ( 2 ) 综合试验评分值r l 进行若干个试验，对每一个试验进行评分，并按项目的重要性进行加权处理， 如下式( 2 1 ) ，可以得到一个设备的综合试验分值： ( 2 - 1 ) 式( 2 1 ) 中n l i ，w l i 分别表示试验项目评分及权重。推荐的试验项目评分值如下 表2 1 所示。 1 7 引 阼 引 = 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 表2 - 1 试验项目评分肋，推荐表 评分 0 - 3 03 l 一5 55 6 - 7 57 6 - 8 58 6 1 0 0 超过注意值，超过注意值，接近注意值，远未达到注接近出厂值 或劣化趋势但劣化趋势 且预报下一意值，没有明或交接试验 非常明显，已一般，不足以次维护时将显的劣化趋值，或连续数 状态基本判定设 判定设备有超过注意值势 次试验数据 备有问题问题稳定 ( 3 ) 家族质量缺陷因子k 。 家庭质量缺陷记录是影响设备维护策略的重要方面。但缺陷的性质、家族的亲 疏关系等不同，影响的程度也不同，类似地，这一影响可以表示为式( 2 - 2 ) ： m 2 t n 2 k l = w 2 ，n 2 ，( w 2 ，x 1 0 0 ) ( 2 2 ) i = 1 ，2 i 式( 2 2 ) 中n 2 j ，w 舀分别表示家族质量缺陷记录评分及权重，m 2 表示家族缺陷 总台次数，若设备无缺陷，缺陷评分为1 0 0 。 表2 2 家族质量缺陷记录评分n ” 评分 1 0 0 8 0 7 9 - 5 55 4 3 02 9 - 0 缺陷没有或基本不影 对设备安全运行对设备安全运行对设备安全运行 描述响设备的安全运有潜在威胁，需有现实威胁，应有严重现实威 行安排处理尽快安排处理胁，应马上处理 表2 - 3 家族质量缺陷权重w ” l 家族的亲疏关系同制造商同型号批次同制造商同型 同制造厂同电压等级 l 权重 3 n2 n1 5 n i 。为重复性缺陷重台数( 不包括同一台的重复) ( 4 ) 不良运行工况影响因子k 2 不良运行工况会对设备状态造成威胁，在考虑设备维护策略时，必须考虑设备 是否有不良运行工况记录。不良运行工况的影响可按式( 2 - 3 ) 给出一个综合影响因子 k 2 。 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，n 3 k 表示不良工况记录评分，根据不良工况对设备状态潜在影响的大 小( 性质和程度) ，n 3 k 取值从0 到1 ；m 3 表示不良运行工况发生次数。考虑不良运行 工况记录时，暂不考虑是否实际对设备造成损害，只要发生这样的情况而且在程度 1 8 强 阼 兰h = ，k 华北电力大学工程硕士专业学位论文 上已有可能对设备状态造成损害，便记录并参与式( 2 - 3 ) 的评分。若无法得到不良运 行工况记录，忽略此项( k 2 = 1 ) ，或取统计平均值。 ( 5 ) 设备维护策略因子r 的确定 f 1 、k 1 、l 【2 决定设备的维护策略。由于r l 、k 1 、l 【2 是独立的，且均为决定维 护策略的重要因素，故此，总的设备维护策略因子r 可以表达为式( 2 - 4 ) ： ，= r l k l k 2 w , ( 2 4 ) 上式中，w 。表示设备岗位权重，按岗位的重要性依次分为o 8 2 、0 9 1 、1 0 。对 于不同类型的设备上列各式可以有不犀的形式，但为了对设备统一处理，f 的取值 约定在o - 1 0 0 之间，并大致符合下表2 4 的要求。 表2 4 设备维护策略因子r 的取值 评分r 0 3 03 1 5 55 6 7 57 6 8 58 6 1 0 0 状态 立即安排检尽快( 3 个月计划优先计划延期延期 修内) 检修 1 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 1 企业概况 第三章国电豫源电厂检修管理现状 国电豫源发电有限责任公司位于河南省济源市。两台2 x1 3 5 m w 循环流化床机 组在2 0 0 1 年1 1 月由国家经贸委批准为国家重点技术改造“双高一优”项目，是河 南省重点项目和济源市“十项”重点建设工程。工程总投资为1 1 。8 8 7 亿元，于2 0 0 3 年1 2 月2 8 日开工建设，两台机组于0 5 年年底实现双投。锅炉采用哈尔滨锅炉厂 生产的自然循环c f b 锅炉，为超高温超高压循环流化床锅炉，蒸汽流量为4 6 5 t h ， 压力为1 3 7 m p a 。汽轮机为超高压、一次中间再热的抽凝式供热机组。发电机为空 冷密闭循环通风系统、q f 1 5 0 2 型同步发电机，额定容量为1 7 6 5 m v a 。热工设备 采用机、炉、电d c s 集中控制。 3 2 目前国电豫源电厂检修模式 3 2 1 机构编制 国电豫源为新建电厂，但在检修方式上仍是以计划检修为主。其管理机构为： 厂长、生产厂长、经营厂长、安生部、财务部、运行部、设备管理部、物资部，综 合办、计划部。全厂正式职7 - 1 8 1 人，运行部1 0 6 人，设备管理部3 5 人，高级工 程师2 人，工程师5 人，大专及以上学历人员2 0 人，3 5 岁以下1 5 9 人。全厂人员 素质偏低。检修管理工作主要靠设备管理部管理，安生部对设备部和运行部进行监 督考核。 由于人员定编少，全厂机组的日常维护和大小修全部对外委托。燃料部分的机 务、电气、热工由一家单位负责维护：两台机组的维护由另外一家负责。维护单位 负责全厂生产设备的日常消缺、保养、技改、大小修。设备管理部，设一名主任两 名副主任，下设6 个专业：锅炉、汽机、电气、热工、化学、燃料，各专业配备专 工、班长各一名，班员若干名，分别管理相应的设备，负责各种检修计划、项目、 材料、方案的制定和检修质量、工期的把关。 3 2 2 检修流程 国电豫源自从投产以来，一直按照国电集团的中国国电集团公司设备检修管 2 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 理暂行办法开展各项检修工作，执行“预防为主”、“应修必修、修必修好”的检 修管理方针。设备的检修和维护实行的是以时间周期为基础的设备定期检修制度， 即预防维修体制。a 级检修：机组每4 年进行一次大修。b 级检修：视机组具体状 况安排，一般在两次a 级检修间隔期安排一次。c 级检修：间隔为1 0 个月至一年； 对年内有a 、b 级检修的机组，不安排c 级检修。 a 级检修项目由标准项目、特殊项目( 含反措项目、技术改造项目、科技及环 保项目等) 构成，一般按下列几项原则确立： 1 检修技术规程中规定的a 级检修标准项目( 可参照d l t 8 3 8 2 0 0 3 发电设 备检修导则附录a ) ； 2 。更换已到期的零部件； 3 设备制造厂家要求的项目； 4 进行全面的检查、清扫、测量和修理； 5 进行定期监测、试验、校验和鉴定； 6 按锅炉压力容器和技术监督有关规定要求进行的例行检查工作； 7 技术改造、环境保护、反措及科技项目等； 8 机组防磨、防爆、防腐检查处理及消除设备缺陷； 9 根据状态检测的结果，需要进行检修的项目。 b 级检修项目包括c 级检修标准项目及其他特殊项目。 c 级检修项目包括： l ，检修技术规程中规定的标准项目； 2 运行中发生的设备缺陷； 3 重点清扫、检查和处理易损、易磨部件，必要时进行实测和试验； 4 防磨、防爆检查； 5 机组辅助设备检修； 6 根据状态检测的结果，需要进行检修的项目 如图所示，对设备的检修主要是定时检修或者机组在运行中发生故障以后的故 障检修，在进行检修时，由设备部和安生技术部通过制定检修方案、检修时间以及 人员分工，由运行人员做好各项安全措施以后开始检修工作。然后维护单位负责具 体检修，检修工作结束以后，由几个部门共同完成检修验收合格，机组投入运行， 检修工作结束。 每年8 月1 日前，企业经过充分论证和研究提出下年度“检修工期计划”、“年 度检修项目计划”以及“定检滚动计划”，报集团公司各分支机构初审并同时报送 集团公司安全生产部。 设备检修的流程如图3 - l 所示，检修计划的制定如图3 2 所示。 2 1 华北电力大学工程硕士专业学位论文 开始检修工作 h ”维护单位 篙9 三孥吲罢； 检修上作结束 图3 - 1 设备检修流程图 图3 - 2 检修计划的制定 3 3 目前国电豫源电厂检修存在的问题 3 3 1 检修的目的性不明确 传统的“一年- - 4 修，四年一大修”方式，管理人员按以往规程规定编制检修 华北电力大学工程硕士专业学位论文 计划和检修项目，而不能掌握设备磨损规律及寿命发展趋势。根据检修计划对设备 解体检查，检查完毕就完成了检修任务。但套用原有的检修规程往往不适合先进的 大机组，不必要的例行检查过多，设备管理中存在着过度检修的倾向，表现为在解 体检查时常常发现需要修复的工作量很少，但必须检查和评估的项目事先不明确， 没有做好必要的检测和记录，无法为以后设备状况分析和评估提供依据。在设备维 护上，维护人员只是根据运行人员登录的设备缺陷单进行消缺或进行设备故障后的 检修，而不能根据设备