基于FMEA的水電機組狀態(tài)評價方法研究

夏 洲 ，孫萬成 ，徐 潔，潘偉峰，朱傳古

（1.國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003；2.江蘇蘇美達集團有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

水電廠開展設備狀態(tài)檢修，狀態(tài)監(jiān)測是技術基礎，核心是設備狀態(tài)評價，多年以來基于故障診斷的水電設備的狀態(tài)評價一直沒有突破[1]，但是，國內(nèi)電力企業(yè)對實現(xiàn)狀態(tài)檢修的探索并沒有停步[2]，如基于RCM的設備檢修[3]、基于點檢定修的設備檢修[4]等，從技術、管理和業(yè)務流程上探索實現(xiàn)狀態(tài)檢修，關注重點也從單純的故障診斷技術轉向設備狀態(tài)評價技術，特別是國家電網(wǎng)公司在輸變電設備狀態(tài)評價技術上開展了大量的工作[5]，取得顯著成績，加拿大魁北克水電研制的水電廠發(fā)電機綜合診斷系統(tǒng)（MIDA）已得到應用[6]，這些工作為水電廠開展設備狀態(tài)評價提供了有益的參考。

不同于變壓器、斷路器等設備，水電機組結構復雜，運行中受到的影響因素較多，給水電機組狀態(tài)評價帶來困難，隨著監(jiān)測技術的發(fā)展，狀態(tài)信息采集更加準確和豐富[7，8]，為水電機組狀態(tài)評價和健康狀況的評價奠定了技術基礎，采用失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,簡稱FMEA)[9]與因果樹狀分析圖相結合，是一種行之有效的方法。

1 FMEA和因果樹狀分析方法介紹

1.1 FMAE介紹

FMEA是20世紀60年代中期由美國國家航天航空局（NASA）在航空航天項目框架范圍內(nèi)提出的一種工作方法。在水電設備狀態(tài)評價中，F(xiàn)MEA可以用來識別水電機組各部分潛在的失效模式、這些故障對系統(tǒng)的影響、故障的原因、采取的措施。在FMEA的基礎上，失效模式、影響和危害度分析（Failure mode and effect and criticality analysis,簡稱FMECA)方法拓展了FMEA的適用范圍[10]，根據(jù)機組部件的重要性和危害程度，F(xiàn)MECA可以對每種被識別的失效模式進行排序，能夠實現(xiàn)水電機組的半量化評價（等級評價），為進一步的測試和維修工作的規(guī)劃提供依據(jù)，也可以用于對水電機組設備的風險評估，實施內(nèi)容包括：

（1）確定水電設備對象；

（2）組建實施工作團隊，人員可以由來自于研究院所、電廠運維部門、主機設備廠家、狀態(tài)監(jiān)測設備廠家的技術人員組成；

（3）將水電設備對象分成部件（組件），確定：

1）各部件出現(xiàn)明顯失效模式是什么？

2）反映每種失效模式的影響因素表現(xiàn)（狀態(tài)量）是什么？

3）造成這些失效模式的具體機制（故障原因）是什么？

4）故障可能產(chǎn)生的影響；

5）失效的后果（破壞性）；

6）采取的補償措施，制定測試和維修工作的規(guī)劃。

采用FMECA方法時，需要根據(jù)失效后果的嚴重性，將每個識別出的失效模式進行分類，按照設備的重要性和失效程度評價狀態(tài)等級，通過故障模式后果與失效概率的組合獲得風險等級，定性、半定量或定量地表達失效模式對設備運行帶來的風險。

同一臺水電設備，經(jīng)過技術改造、較大的檢修和部件更換等，失效模式和物理狀態(tài)可能發(fā)生變化時，應重新進行FMEA、FMECA的分析。

（4）FMEA的主要輸出結果是水電設備部件（組件）的失效模式、失效機制及其對各組件或者設備影響的清單（包括故障可能性的信息），也可以提供有關故障原因及其對整個設備（系統(tǒng)）影響方面的信息。FMECA的輸出包括對于設備或系統(tǒng)失效的可能性、由設備的重要性和失效程度評價狀態(tài)等級、失效模式導致的風險等級、風險等級和“監(jiān)測到”的失效模式的組合等方面的重要性進行排序。

1.2 故障因果樹狀圖分析

水輪發(fā)電機組由大量的部件組成，故障機理十分復雜，屬于多故障模式系統(tǒng)，從各種故障根源（Ci）到發(fā)生的所有可能的失效模式（Fi）過程中，是以各種有關聯(lián)關系和離散的物理狀態(tài)（ei）反映出來的，可以采用故障因果樹狀分析圖對設備失效模式、故障根源和物理狀態(tài)進行分析，如圖1所示，這些物理狀態(tài)（ei）有的是可以被監(jiān)測的，有的是無法監(jiān)測到的，反映了劣化過程中的設備狀態(tài)（S），因此，對能夠被監(jiān)測到的物理狀態(tài)進行量化評價，預示設備發(fā)生失效的可能性。

圖1 故障因果樹狀分析圖

由于水輪發(fā)電機組故障的影響因素包括水力、機械、電氣等，機理復雜，對設備進行分析，故障根源（Ci）很難羅列完全，由故障根源（Ci）到發(fā)生的所有可能的失效模式（Fi）途徑描述完全是很困難的，僅以有限的狀態(tài)量（S）評價整個設備狀態(tài)難免管中窺豹，如果將復雜的設備分解為不同的部件，采用FMEA方法分別對部件的故障原因和失效模式進行分析，評價其狀態(tài)，則問題得以簡化，因此，可以將設備按照結構或功能分解成不同的部件，根據(jù)監(jiān)測到的狀態(tài)量對于部件狀態(tài)進行評價打分，最后綜合各部件的劣化程度分值獲得整體設備的健康狀態(tài)評價。

2 水電機組狀態(tài)評價方法

采用FMEA方法對水電機組狀態(tài)評價流程如圖2所示，具體步驟如下：

圖2 設備狀態(tài)評價流程圖

（1）結構分解與狀態(tài)量關聯(lián)

按照結構或功能將水電機組分解成不同的部件（或組件），如蝸殼、接力器及導葉、轉輪、主軸、轉子、定子、上導軸承及油箱、推力軸承（組合軸承）及油箱、下導軸承及頂蓋等，每個部件可能具有一個或多個狀態(tài)量，如溫度、振動、位移、壓力、電壓、電流等，分別表示為S11、S12、S13……，狀態(tài)量的數(shù)值反映不同的劣化程度，根據(jù)狀態(tài)量的數(shù)值區(qū)間進行分級，對應不同的劣化程度的分級，每個分級對應一個劣化分值Aij，如表1所示。

表1 狀態(tài)分級

（2）部件狀態(tài)評價

不同的狀態(tài)量對機組的性能和安全運行影響也是不同的，根據(jù)狀態(tài)量對設備的性能和安全運行影響大小賦予不同的權重Qij，如部件1的狀態(tài)量S11的權重表示為Q11，然后計算部件i各個狀態(tài)量Sij的分值：Sij=Qij×Aij，以及部件 i的狀態(tài)量分值：Si=∑Sij。綜合Sij和Si的分值區(qū)間評定該部件的等級：正常、注意、異常、嚴重。表2為某部件狀態(tài)分值與相應狀態(tài)的對應示例。

表2 部件狀態(tài)分值對應表

當狀態(tài)量（尤其是多個狀態(tài)量）發(fā)生變化，且不能確定變化的原因和部位，可以采用診斷分析方法，判斷異常的原因，確定評分的部件和分值。

（3）機組健康狀態(tài)評價

最后，綜合設備各部件等級獲得設備的健康指數(shù)及狀態(tài)等級，狀態(tài)分級可參照電力設備的狀態(tài)分級[11]，定義見表 3。

表3 設備狀態(tài)分級定義

當所有關鍵部件的評價結果為正常時，機組的整體健康狀態(tài)為正常，當任一關鍵部件狀態(tài)評價為注意、異常和嚴重時，機組整體健康狀態(tài)評價應為其中最嚴重的狀態(tài)。

3 結論

基于FMEA的水電機組狀態(tài)評價方法，與故障因果樹狀分析圖相結合，實現(xiàn)了水電機組狀態(tài)的量化（或等級）評價，提供了電廠設備狀態(tài)的總貌，根據(jù)部件的評價等級排序，推斷出檢修的部位、內(nèi)容和緊迫程度，為實現(xiàn)水電機組狀態(tài)檢修決策提供量化的依據(jù)。南京南瑞集團公司在此基礎上建立了以設備狀態(tài)評價為核心的水電廠設備狀態(tài)評價與檢修決策技術體系，開發(fā)了CMS9000水電廠主設備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)并在多個電廠推廣使用[12]。同時在實施過程中我們體會到，對機組部件狀態(tài)量的分值定義、權重的分配、建立故障因果樹狀分析圖，需要相關專業(yè)技術人員做大量細致的基礎工作，充分體現(xiàn)了水電機組狀態(tài)評價和狀態(tài)檢修工作的難點和關鍵點。