核動力裝置故障預(yù)測與健康管理研究

孫旭升，周 剛，李鳳宇，晏玉坤，阮 航

(海軍工程大學(xué)125信箱，武漢 430033)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

核動力裝置故障預(yù)測與健康管理研究

孫旭升，周 剛，李鳳宇，晏玉坤，阮 航

(海軍工程大學(xué)125信箱，武漢 430033)

傳統(tǒng)的維修保障技術(shù)已經(jīng)不能滿足核動力裝置安全性和可靠性的要求，故障預(yù)測與健康管理(prognostics and health management,PHM)技術(shù)是一種視情維修技術(shù)，對維護(hù)核動力裝置安全性和可靠性有十分重要的意義。介紹了PHM技術(shù)的概念和意義，研究了PHM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了壓水堆核動力裝置PHM技術(shù)應(yīng)用的可行性，并設(shè)計(jì)了壓水堆核動力裝置集中-分布式PHM系統(tǒng)。

故障預(yù)測與健康管理；壓水堆核動力裝置本文

現(xiàn)代裝置設(shè)備的使用和保障費(fèi)用占其全壽命周期總費(fèi)用的比例越來越高，據(jù)美軍綜合數(shù)據(jù)顯示，武器裝備的使用與保障費(fèi)用占到了總費(fèi)用的72%[1]。因此裝置設(shè)備的經(jīng)濟(jì)可承受性日益受到關(guān)注。

核動力裝置是以核能作為推進(jìn)動力的動力裝置，目前主要應(yīng)用于核動力船舶或潛艇。由于壓水堆的安全性和可靠性較高，目前在世界范圍內(nèi)，壓水堆是動力堆中應(yīng)用最為廣泛的堆型[2]。壓水堆核動力裝置(pressurized water reactor nuclear power plant,PWRNPP)中很多設(shè)備運(yùn)行環(huán)境十分惡劣，要經(jīng)受高溫、高壓、高輻射的考驗(yàn)。PWRNPP中哪怕是一個元件出現(xiàn)故障而得不到及時處理，也有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，甚至造成重大事故。PWRNPP維修保障十分繁瑣，而且十分耗時耗力耗財(cái)。傳統(tǒng)的事后維修或定期維修不能滿足現(xiàn)在使用者對PWRNPP安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的要求。PHM技術(shù)能實(shí)現(xiàn)PWRNPP視情維修，可以促成PWRNPP維修保障方法的轉(zhuǎn)變。

1 PHM技術(shù)

PHM技術(shù)是利用盡可能少的先進(jìn)的傳感器集成收集系統(tǒng)裝置數(shù)據(jù)，并結(jié)合其他有效信息，借助合適的算法模型來對系統(tǒng)裝置進(jìn)行故障預(yù)測，同時提供維修保障決策及實(shí)施計(jì)劃的一種視情維修技術(shù)。PHM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)基于傳感器的診斷向基于智能系統(tǒng)的預(yù)測的轉(zhuǎn)變，為實(shí)現(xiàn)PWRNPP在準(zhǔn)確時間，對準(zhǔn)確部位，采取準(zhǔn)確的維修活動提供了技術(shù)理論基礎(chǔ)[3]。

根據(jù)PHM技術(shù)在工程應(yīng)用情況，PWRNPP采用PHM技術(shù)具有以下意義：

1) 通過減少備件、保障設(shè)備、維修人力等保障資源需求，減少維修保障費(fèi)用；

2) 通過減少維修次數(shù)，尤其是計(jì)劃外維修，縮短維修時間，提高PWRNPP完好率；

3) 通過健康感知，維護(hù)PWRNPP的安全性和可靠性，提高任務(wù)成功率。

2 開放式PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開放式PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

開放式PHM系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)包括7部分：數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)處理層、狀態(tài)監(jiān)測層、診斷預(yù)測層、健康評估層、決策支持層和顯示層。開放式PHM系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。PHM系統(tǒng)一般具有以下功能：測試能力、故障檢測、故障隔離、故障診斷、故障預(yù)測、壽命預(yù)測和健康管理。

數(shù)據(jù)獲取層采集目標(biāo)對象的運(yùn)行參數(shù)，采集到的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)處理層以提取特征數(shù)據(jù)。狀態(tài)監(jiān)測層根據(jù)特征數(shù)據(jù)判斷目標(biāo)對象是否運(yùn)行正常，如果目標(biāo)對象發(fā)生故障，PHM系統(tǒng)就對其進(jìn)行故障診斷，確定其故障原因并迅速隔離，控制故障進(jìn)一步蔓延；如果目標(biāo)對象未發(fā)生故障，PHM系統(tǒng)就對其進(jìn)行故障預(yù)測，確定其當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。故障診斷和預(yù)測由診斷預(yù)測層來完成。健康評估層對目標(biāo)對象進(jìn)行健康評估，從總體上把握目標(biāo)對象的狀態(tài)優(yōu)良程度，不僅定性地分析目標(biāo)對象現(xiàn)在的健康等級，還要定量地評價(jià)目標(biāo)對象的健康程度和健康狀態(tài)趨勢。決策支持層根據(jù)診斷預(yù)測層和健康評估層的結(jié)果提供合理的決策。顯示層用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的互動。

圖1 PHM系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)

2.2 故障預(yù)測技術(shù)

故障預(yù)測是突出PHM技術(shù)優(yōu)越于傳統(tǒng)維修保障方式的關(guān)鍵。先于故障發(fā)生就對設(shè)備裝置進(jìn)行合理維修保障的前提條件是PHM系統(tǒng)可以給出可信的故障預(yù)測結(jié)果。目前故障預(yù)測的方法很多，但對其分類尚未統(tǒng)一[4-7]，大致可以將故障預(yù)測方法分為3類：基于模型的故障預(yù)測、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測和基于統(tǒng)計(jì)可靠性的故障預(yù)測。

1) 基于模型的故障預(yù)測是利用已知的動態(tài)模型進(jìn)行預(yù)測。預(yù)測模型必須經(jīng)過大量實(shí)踐證明，預(yù)測精度符合預(yù)測要求。基于模型的故障預(yù)測方法能夠深層次地剖析目標(biāo)對象的故障機(jī)理，利于準(zhǔn)確預(yù)測，但是對于復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，建立精確模型十分困難，甚至就目前技術(shù)而言是不可能實(shí)現(xiàn)的。

2) 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測指利用在系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行、維修時收集到的數(shù)據(jù)，并借助各種算法進(jìn)行預(yù)測。這類預(yù)測方法避免了復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和專家經(jīng)驗(yàn)。但是獲取有些數(shù)據(jù)的代價(jià)十分昂貴，甚至有些數(shù)據(jù)是無法獲取的。數(shù)據(jù)的不完整性會降低預(yù)測結(jié)果的可信度。典型的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障預(yù)測方法有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)、隱馬爾可夫模型等。

3) 基于統(tǒng)計(jì)可靠性的故障預(yù)測是利用同類部件/設(shè)備/系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行、事故中的記錄得到可信的概率密度函數(shù)，根據(jù)概率密度函數(shù)以及系統(tǒng)裝置的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測的方法?；诮y(tǒng)計(jì)可靠性的故障預(yù)測相比于基于模型的故障預(yù)測所需的細(xì)節(jié)信息更少，而且可以給出預(yù)測結(jié)果的置信度。典型的基于統(tǒng)計(jì)可靠性的故障預(yù)測方法包括貝葉斯方法、Dempster-Shafer理論、Weibull模型等。

各種故障預(yù)測方法在設(shè)計(jì)階段大都是通用的，但在實(shí)際應(yīng)用中它們各有利弊[4]，針對不同的目標(biāo)對象，要合理地選用故障預(yù)測方法，在保證預(yù)測方法可行和預(yù)測結(jié)果精度的基礎(chǔ)上也要考慮預(yù)測方法的費(fèi)用投入。圖2從工程應(yīng)用的廣泛性、費(fèi)用投入與預(yù)測精度3方面比較了上述3類故障預(yù)測方法。

圖2 故障預(yù)測方法特點(diǎn)比較

3 PHM技術(shù)在PWRNPP領(lǐng)域探究

3.1 PWRNPP組成

典型的PWRNPP主要由反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)、二回路系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)組成。一回路系統(tǒng)又包括反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)和一回路輔助系統(tǒng)。

反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)的主要功能是由反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)將反應(yīng)堆產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生器二回路側(cè)的給水。一回路輔助系統(tǒng)的作用是保證反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)正常運(yùn)行。反應(yīng)堆及一回路系統(tǒng)作為防止PWRNPP中放射性物質(zhì)釋放到堆艙的一道屏障，對整個裝置安全性有十分重要的意義。也正是因?yàn)榉磻?yīng)堆及一回路系統(tǒng)工作環(huán)境十分惡劣，所以它們的安全性較低，因此它們是PHM系統(tǒng)的主要目標(biāo)對象。

二回路系統(tǒng)主要作用是利用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的干燥潔凈的飽和蒸汽，通過蒸汽輪機(jī)和蒸汽發(fā)電機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能和電能。二回路系統(tǒng)是一回路系統(tǒng)的熱阱，二回路系統(tǒng)的正常運(yùn)行對保證一回路系統(tǒng)的安全性有十分重要的意義。

3.2 PHM技術(shù)在PWRNPP應(yīng)用的可行性分析

PWRNPP可以分為機(jī)械設(shè)備和電子設(shè)備。故障可以分為突發(fā)故障和漸發(fā)故障。突發(fā)故障是不可以被PHM系統(tǒng)預(yù)測的，突發(fā)故障發(fā)生后，PHM系統(tǒng)會對故障進(jìn)行診斷隔離。漸發(fā)故障可以被PHM系統(tǒng)預(yù)測，而且維修人員可以對將發(fā)生故障的設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行維修保障。

因漸發(fā)故障而失效的機(jī)械設(shè)備在整個使用周期中大都可以分為2個階段：第一階段是從裝備安裝開始到潛在故障發(fā)生時間點(diǎn)；第二階段是從潛在故障時間點(diǎn)到裝備失效的發(fā)生時間點(diǎn)(potential failure-functional failure，“P-F間隔”)。在設(shè)備“P-F間隔”內(nèi)，PHM系統(tǒng)可以完成對設(shè)備故障預(yù)測，給出適當(dāng)?shù)木S修保障決策。電子設(shè)備的故障多是由電子元件老化引起，PHM系統(tǒng)可以在電子設(shè)備從老化轉(zhuǎn)為失效這段時間內(nèi)對其進(jìn)行故障預(yù)測。PWRNPP設(shè)備故障的漸發(fā)性是PHM技術(shù)得以應(yīng)用的前提條件。

針對機(jī)械設(shè)備故障診斷與預(yù)測，PWRNPP已經(jīng)安裝有很多傳感器，可以實(shí)時提供關(guān)鍵部位的溫度、壓力、流量、水位等參數(shù)數(shù)據(jù)，再對PWRNPP加裝適當(dāng)數(shù)量的傳感器以測量振動、電流、電功率等其他所需參數(shù)數(shù)據(jù)。所有傳感器提供的數(shù)據(jù)即可構(gòu)成PHM系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)。這是PHM技術(shù)應(yīng)用于PWRNPP的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因?yàn)镻WRNPP空間有限，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以 PHM系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)該在最初整個裝置設(shè)計(jì)時就考慮在內(nèi)，以便合理地對其布局。

針對電子設(shè)備故障診斷與預(yù)測，可以通過附加在電子設(shè)備內(nèi)的軟件和硬件對電子設(shè)備進(jìn)行在線故障機(jī)內(nèi)檢測(build in test,BIT)。BIT電路和裝置造成電子設(shè)備的硬件增量不應(yīng)超過其本身電路的10%[8-10]

為了得到更為可信的健康評價(jià)和更為合理的維修決策，需要在實(shí)際工程中慢慢積累經(jīng)驗(yàn)，同時需要建立PWRNPP歷史數(shù)據(jù)庫，并且要對數(shù)據(jù)庫不斷地進(jìn)行完善，這項(xiàng)工作不可一蹴而就。PHM系統(tǒng)的最終目標(biāo)就是合理維修保障PWRNPP，因此PHM系統(tǒng)要與自主保障系統(tǒng)交聯(lián)，甚至可以與設(shè)備生產(chǎn)商聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行綜合管理維修保障活動，統(tǒng)籌保障資源。

3.3 PHM系統(tǒng)分類

一般來講PHM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有集中式、分布式和集中-分布式3種[11-13]。

1) 集中式PHM系統(tǒng)是通過一個中央管理控制器收集和處理目標(biāo)對象的所有信息，并且完成目標(biāo)對象的故障預(yù)測與健康管理。但是隨著目標(biāo)對象復(fù)雜化，數(shù)據(jù)的收集、處理都會變得非常困難。因此集中式PHM系統(tǒng)更適用于小型、簡單的目標(biāo)對象。

2) 分布式PHM系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)可獨(dú)立完成狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測、故障隔離等任務(wù)，同時將相關(guān)信息傳輸給綜合顯示控制系統(tǒng)。分布式PHM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)收集、處理上更加快捷，采取行動更加及時，但是存在數(shù)據(jù)、結(jié)果難以融合的缺點(diǎn)，削弱了結(jié)果的可信度。

3) 集中-分布式PHM系統(tǒng)對整個目標(biāo)對象進(jìn)行分層次管理。在低級別層次采用分布式結(jié)構(gòu)，其子系統(tǒng)獨(dú)立收集、處理、分析所有狀態(tài)參數(shù)信號。然后將低級別層次得到的初步診斷和預(yù)測結(jié)果交由高級別層次的中央管理控制器進(jìn)行進(jìn)一步的故障預(yù)測與健康管理。集中-分布式PHM系統(tǒng)在一定程度上規(guī)避了集中式和分布式PHM系統(tǒng)的缺點(diǎn)，更適合在復(fù)雜的裝置系統(tǒng)中應(yīng)用。

3.4 PWRNPP集中-分布式PHM設(shè)計(jì)

對PWRNPP進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理，要以維護(hù)裝置的安全性和可靠性為首要目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)性。選用傳感器要盡可能精確可靠，而且不能對PWRNPP正常運(yùn)行造成影響，維修保障要盡量防患于未然。

PWRNPP設(shè)備繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選用集中-分布式PHM系統(tǒng)比較合適。可將整個PWRNPP由高到低分為5個層次：平臺級、系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、設(shè)備級和元件級。PWRNPP子系統(tǒng)級以上結(jié)構(gòu)層次劃分可如圖3所示。

PHM系統(tǒng)對元件級目標(biāo)對象僅進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，對設(shè)備級以上的目標(biāo)對象進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理，對不同級別層次的目標(biāo)對象進(jìn)行有差別的故障預(yù)測與健康管理，目標(biāo)對象層次越高作用越重要進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理就要越細(xì)致。由于PWRNPP空間有限，PHM系統(tǒng)也不可能對一回路和二回路系統(tǒng)所有的設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理。對關(guān)鍵設(shè)備、易損設(shè)備的故障預(yù)測與健康管理要盡量細(xì)致，對其他設(shè)備根據(jù)實(shí)際需要就其關(guān)鍵元件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。

元件層作為整個PHM系統(tǒng)的底層，是PHM系統(tǒng)的信號源，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)。在設(shè)備級以上層次可以設(shè)置PHM推理機(jī)，PHM推理機(jī)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并對設(shè)備進(jìn)行初步的故障診斷與預(yù)測。設(shè)備層是否設(shè)置PHM推理機(jī)由該設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的多少決定，如果未在設(shè)備層設(shè)置PHM推理機(jī)，設(shè)備級目標(biāo)對象的故障預(yù)測與健康管理由其所在的子系統(tǒng)級PHM推理機(jī)完成。平臺層作為整個PHM系統(tǒng)的頂層，設(shè)置有中央管理控制器，中央管理控制器是整個PHM系統(tǒng)的最高決策中心，它對所有信息進(jìn)行信息融合。中央管理控制器對整個PWRNPP的現(xiàn)行狀態(tài)做出判斷，并且對其未來的狀態(tài)趨勢做出預(yù)測。如果裝置出現(xiàn)故障，中央管理控制器應(yīng)立刻進(jìn)行故障定位并且發(fā)出警報(bào)，及時診斷出故障原因，根據(jù)診斷結(jié)果以及歷史數(shù)據(jù)給出操縱人員操作策略。如果裝置未出現(xiàn)故障，中央管理控制器應(yīng)預(yù)測裝置的狀態(tài)趨勢，給出維修保障決策，維修保障決策必須及時地傳輸給維修保障人員和自主保障系統(tǒng)。

圖3 PWRNPP層次結(jié)構(gòu)

PHM系統(tǒng)進(jìn)行了3個層次的信息融合，最低層次是對同一元件的不同傳感器信號進(jìn)行信號層融合，其次是對信號處理后得到的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行特征層融合，最高層次是對PWRNPP現(xiàn)行數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行決策層融合。這些信息融合可以有效提高PHM系統(tǒng)診斷和預(yù)測結(jié)果的可信度以及決策的合理性。

歷史數(shù)據(jù)庫設(shè)置在中央管理控制器內(nèi)，歷史數(shù)據(jù)庫要記錄PWRNPP運(yùn)行數(shù)據(jù)、故障處置數(shù)據(jù)和維修保障數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)量大，在裝置穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)變化不大時，數(shù)據(jù)的記錄間隔可以大一些。當(dāng)裝置變工況運(yùn)行，或數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常波動時，數(shù)據(jù)記錄間隔要縮小。運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄包括傳感器提供的裝置參數(shù)數(shù)據(jù)和操縱人員進(jìn)行何種操作。故障處置數(shù)據(jù)(維修保障數(shù)據(jù))除了要包括傳感器提供的裝置參數(shù)數(shù)據(jù)和操縱人員進(jìn)行何種操作，還要包括故障(維修)原因、詳細(xì)的處理過程以及效果。歷史數(shù)據(jù)庫的不斷完善對PHM系統(tǒng)的進(jìn)行精確診斷、預(yù)測和決策具有重大意義，同時也可以幫助維修保障人員積累經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

目前，PHM技術(shù)是維修保障領(lǐng)域的前沿技術(shù)，它相較傳統(tǒng)的維修技術(shù)有無法比擬的優(yōu)勢。隨著使用者對核動力裝置安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求的日益提高，發(fā)展核動力裝置領(lǐng)域的PHM技術(shù)是大勢所趨。本研究介紹了PHM系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，分析了PWRNPP領(lǐng)域PHM技術(shù)的可行性，并從總體結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了應(yīng)用于PWRNPP的集中-分布式PHM系統(tǒng)，給出了實(shí)現(xiàn)核動力裝置PHM的一種思路。

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(責(zé)任編輯 周江川)

First Exploration of Prognostics and Health Management of Nuclear Power Plant

SUN Xu-shen, ZHOU Gang, LI Feng-yu, YAN Yu-kun, RUAN Hang

(125 Mailbox, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Traditional maintenance and support technologies cannot meet the requirement of the safety, reliability and economy of nuclear power plants. The prognostics and health management (PHM) technology is a technology of on-condition maintenance and it is significant meaningful to preserve the safety and reliability of nuclear power plants. The conception and significance of the PHM technology were introduced. The key technologies of the PHM system were stated. The feasibility of the PHM technology in the pressurized water reactor nuclear power plant (PWRNPP) field was analyzed. The centralized-distributed PHM system of PWRNPP was designed.

PHM; pressurized water reactor nuclear power plant

2015-01-20

孫旭升(1991—),男,碩士研究生,主要從事艦船核動力控制與運(yùn)行研究。

10.11809/scbgxb2015.08.013

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TL361; TJ9

A

1006-0707(2015)08-0051-04

孫旭升，周剛，李鳳宇，等.核動力裝置故障預(yù)測與健康管理研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(8):51-54.