水電站核心設(shè)備健康狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)概論

摘 要：正確判斷水電站設(shè)備的健康狀態(tài)具有十分重要的意義。因此，本文在概括介紹水電站設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)研究形勢的基礎(chǔ)上，重點分析了設(shè)備狀態(tài)檢查、設(shè)備故障判斷、壽命預判和設(shè)備狀態(tài)評價等水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)，并且總結(jié)了水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估系統(tǒng)的研究意義。

關(guān)鍵詞：水電廠；電力設(shè)備；狀態(tài)評估；狀態(tài)檢測

1 緒論

眾所周知，中國的大中型水電站必須具有長期工作的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。而隨著科技日新月異的發(fā)展，這些水電站具有逐漸提升的自動化程度，這使得水電站各種設(shè)備之間有著更加緊密和復雜的聯(lián)系[1-2]。傳統(tǒng)的以經(jīng)驗和主觀判斷為基礎(chǔ)的設(shè)備管理方法，因其不具備理論指導而不能很好地迎合實際需求。所以，為了能對大中型水電站設(shè)備的健康狀態(tài)做出全面合理的評估，必須形成一個完備的，具有高度可操作性和效率的評估系統(tǒng)，讓管理人員能夠?qū)υO(shè)備狀況有切實的掌握，進一步保障各項設(shè)備能夠正常運行，并且對水電企業(yè)的設(shè)備管理和檢修工作也有著一定的指導作用。[3-4]

2 水電站核心設(shè)備狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)

在現(xiàn)階段，我國對水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估體系的探索仍屬于初級階段，而這種評估是檢修不可缺少的標準，特別是對大中型水電站而言，相關(guān)的研究工作尚才起步，導致實際應(yīng)用中可以參考的資料非常匱乏。[5]此外，現(xiàn)存的研究工作大多以單獨的水電站設(shè)備為對象，以實時監(jiān)測為主，很少有以整體設(shè)備狀態(tài)評估為研究對象的。當然，現(xiàn)在飛速發(fā)展的科技為設(shè)備狀態(tài)評估打開了一個新的窗口，研究人員綜合各種理論、方法和技術(shù)，得到了許多工作成果。本文針對水電站核心設(shè)備（如發(fā)電機、變壓器等）的健康狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀，進行了詳細介紹。

2.1 設(shè)備狀態(tài)檢測

設(shè)備狀態(tài)檢測起源于狀態(tài)檢修。由于人們對狀態(tài)檢修的重視程度日漸提升，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測也成為了熱點。設(shè)備狀態(tài)檢測關(guān)鍵在于技術(shù)，也就是說以監(jiān)測手段為途徑，探測設(shè)備相關(guān)的各方面信息，諸如振動、噪聲、應(yīng)力等。利用相關(guān)技術(shù)對獲取的信息加以處理，從而得到設(shè)備狀態(tài)的情況，設(shè)備的運轉(zhuǎn)、或者是可能出現(xiàn)的異常，都能夠得得知，一旦出現(xiàn)了劣化傾向，也能夠?qū)ζ涑潭冗M行判斷。設(shè)備狀態(tài)檢測能夠為設(shè)備的檢修提供科學依據(jù)，提升了設(shè)備檢修合理性，降低企業(yè)設(shè)備維護成本。所以，我國很多要求設(shè)備安全性特別高或者在設(shè)備維修方面花費太多的企業(yè)開始關(guān)注設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，特別是水電站行業(yè)企業(yè)。

王世山等介紹了振動法進行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的原理和判斷依據(jù)，認為振動法是有效監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的方法。孟永鵬等系統(tǒng)分析了對電力設(shè)備狀態(tài)進行檢測的各種方式以及優(yōu)缺點，認為未來設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，小波理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會起著舉足輕重的作用。潘宏俠等對變壓器發(fā)生故障的問題總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了電力變壓器中油內(nèi)氣體的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以高效監(jiān)測出變壓器內(nèi)部可能存在的故障。史欽鋒在變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對其進行了優(yōu)化升級。

相對應(yīng)地，市面上已經(jīng)有完善的設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)。例如，ABB 公司名下的OPTIMAX 軟件，功能多樣、覆蓋面廣，適用于許多國外電廠。美國AVO 公司的TrueGas 變壓器油中氣體在線監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)Π朔N氣體進行檢測；澳大利亞紅相電力設(shè)備集團的DRMCC變壓器在線監(jiān)測控制系統(tǒng)，持久工作的特性讓它能對變壓器的各方面信息進行不間斷、全面的檢測。目前中國的相關(guān)產(chǎn)品有，寧波理工監(jiān)測設(shè)備有限公司的TRAN-A、TRAN-B型變壓器故障在線監(jiān)測設(shè)備，以及東北電力試驗研究院研制的BSZ型大型變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置。

2.2 設(shè)備故障診斷

設(shè)備故障診斷又稱設(shè)備狀態(tài)診斷，它是指從設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果來發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，隨后對其原因進行分析，并且判斷設(shè)備的后續(xù)狀況。設(shè)備故障診斷中關(guān)鍵的是預測，因此需要將技術(shù)和理論相互結(jié)合，全面對設(shè)備狀態(tài)進行判斷。診斷所需要的數(shù)據(jù)多數(shù)來自于檢測，也有部分是設(shè)備的性能指標。診斷需要的數(shù)據(jù)處理方法大多是建立在發(fā)展完善的基礎(chǔ)理論上的，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學和小波分析等。關(guān)于設(shè)備診斷技術(shù)的研究已經(jīng)取得了既滿足理論又能應(yīng)用于實際的成果。

潘宏俠等使用了小波分析、信息融合等技術(shù)，開展了水電站設(shè)備中齒輪的傳動系統(tǒng)的故障診斷研究。王玉雷等詳細闡述了RBF網(wǎng)絡(luò)模型及其特征，并在此基礎(chǔ)上分析了在RBF網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動機設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用 。宮會麗等總結(jié)匯總了電力變壓器故障，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了變壓器故障診斷模型，并詳細介紹了該模型的使用方法。采取設(shè)備診斷技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進行預估，這種技術(shù)非常符合對設(shè)備安全系數(shù)很高的水電站行業(yè)。

2.3 壽命預測技術(shù)

壽命預測技術(shù)是以設(shè)備或部件為研究對象，判斷其在規(guī)定運行環(huán)境下的正常運轉(zhuǎn)時間的技術(shù)。一般地，壽命預測指的是剩余壽命預測，也稱剩余壽命評估評定、機構(gòu)完整性評估。壽命預測需要充足的資料、檢驗和試驗工作為支撐。此領(lǐng)域的相關(guān)研究也很豐富。

日本電力設(shè)備部件殘余壽命評估的辦法是水電站核心設(shè)備部件進行破壞性與非破壞性試驗，同時進行解析分析做壽命評估，將這三種方法進行綜合比較從而得出其各自的優(yōu)缺點，以及適用條件；在實際運行部件上作非破壞性試驗或取樣作破壞性試驗并進行解析分析，驗證這三種方法的適用條件；對三種方法進行全面評估，最后得到改善方案。

美國電力研究院采用的是“三級評估法”，這一方法也被其他國家所使用，此外美國還制訂了比較完善的“綜合壽命管理程序”，將其設(shè)為美國電力企業(yè)壽命管理工作的通用導則。“三級評估”一般需要破壞性試驗、取樣和機理研究，有時還要通過監(jiān)測系統(tǒng)對損傷源頭做出判斷，提出應(yīng)對方案。

我國的電力壽命管理工作尚且處于起步階段，應(yīng)用范圍十分小，只能以個別的設(shè)備和部件為對象，進行某些技術(shù)的專業(yè)診斷。我國的楊萍學者對處于多泥沙河流中的水輪機混流式、軸流式葉片的腐蝕進行了調(diào)研，從對機組的可靠度、設(shè)備故障率、設(shè)備的平均無故障工作時間等多個維度對水電站設(shè)備的壽命進行了評估預測。除此之外，還可以采取應(yīng)力分析、破壞試驗等方式對水電站的核心設(shè)備壽命進行預測。

2.4 設(shè)備狀態(tài)評估

與設(shè)備狀態(tài)評估相關(guān)的研究不在少數(shù)，涵蓋較為廣泛繁雜的領(lǐng)域，因此設(shè)備狀態(tài)評估只是一個泛泛的概念，與狀態(tài)檢測、故障診斷和壽命診斷都有聯(lián)系，通史研究設(shè)備狀態(tài)評估的研究人員，各自專注于不同的細化方面?？傮w上看，該領(lǐng)域的研究工作也不成熟，而且由于評估的目的、側(cè)重點和技術(shù)都不盡相同，不同的研究方向所得到理論模型也不同?，F(xiàn)在的設(shè)備狀態(tài)評估研究方向主要是建立在試驗數(shù)據(jù)上的，綜合考慮歷史試驗數(shù)據(jù)、質(zhì)量事件、家族事件各項因素從而得出設(shè)備的健康狀況，并根據(jù)它來決定是否對設(shè)備進行維修。不同的設(shè)備可能具有不同的表示設(shè)整體狀態(tài)的參數(shù)，在實際工作中要結(jié)合具體情況?，F(xiàn)階段，以單獨或者少量設(shè)備精確狀態(tài)為對象的研究占多數(shù)。

目前主要的研究方向是以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)備健康狀態(tài)評估，是根據(jù)設(shè)備的歷次試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)量事件、家族事件等綜合分析設(shè)備的健康狀況，作為判斷設(shè)備是否需要維修的依據(jù)。對不同的設(shè)備，表示設(shè)備整體狀態(tài)的參數(shù)可能是不同的，需根據(jù)具體情況確定。目前這種針對單個或者少量的設(shè)備的精確狀態(tài)的研究比較多。

唐志英學者結(jié)合KPI理論、數(shù)據(jù)挖掘理論、OLAP技術(shù)等，提出了一種新的對水電站的電力設(shè)備狀態(tài)進行狀態(tài)評估的方法，構(gòu)建了數(shù)學模型，同時在實際情況中對該數(shù)學模型了實證分析。使用模糊數(shù)學技術(shù)理論，配合水電站變電設(shè)備的使用狀態(tài)評估系統(tǒng)，可以把水電站變電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)信息和對設(shè)備的預估實驗數(shù)據(jù)信息結(jié)合起來，以此來對設(shè)備狀態(tài)進行準確評估。

3 結(jié)語

盡管我國已有學者對水電站設(shè)備的狀態(tài)評估進行了相關(guān)研究，取得了一定的成果，但是從整體上看這方面的工作還有許多需要開拓和深入的地方，評估的手段和方法種類繁多，缺乏統(tǒng)一的標準。尤其是根據(jù)設(shè)備的各種信息，包括設(shè)備自身特性、運行工況、運行時間、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，對整套的設(shè)備系統(tǒng)進行評估，確定整套的設(shè)備健康狀態(tài)的研究還非常少見。然而這方面的研究具有非常重要的意義，它不僅幫助企業(yè)掌握整體設(shè)備狀態(tài)的情況，讓企業(yè)對事故多發(fā)期有準備和應(yīng)對，提前去除安全隱患；而且可以幫助企業(yè)科學合理確定設(shè)備檢修時間、更換時間，節(jié)約成本，避免浪費。因此開展在這一方面的研究很有科學價值和應(yīng)用價值。

參考文獻：

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作者簡介：李振坡（1983-），男，河南開封人，工程師，研究方向：水電站設(shè)備。