移動工廠：助力能源裝備服務(wù)轉(zhuǎn)型升級

范世望 （上海汽輪機(jī)廠有限公司高級工程師）

未來場景

2021年3月，北方某省一大容量燃煤火電廠運行集控室，運行人員正悠閑地喝著下午茶，突然屏幕跳出一條優(yōu)先級為高的提示。與此同時，電廠運行值長和管生產(chǎn)的副總的工作系統(tǒng)和手機(jī)上都收到了同樣的提示，信息顯示：目前1號機(jī)組的汽輪機(jī)高壓缸排汽溫度存在異常，并伴隨機(jī)組的振動有增加的趨勢……在解決方案一欄中顯示了目前異常的主要原因，以及建議盡快準(zhǔn)備停機(jī)開缸檢修，整個檢修的時間預(yù)估和費用預(yù)估等信息。

運行人員馬上在系統(tǒng)中提交了故障處理申請流程，各級領(lǐng)導(dǎo)及時對流程進(jìn)行了審批。幾天后，1號機(jī)組在所有準(zhǔn)備妥當(dāng)后停機(jī)檢修，與此同時，上海汽輪機(jī)廠有限公司（以下簡稱上汽廠）的“移動工廠”已經(jīng)抵達(dá)電廠，攜帶本次檢修所需要的所有工具和備品備件，現(xiàn)場檢修人員根據(jù)上汽廠AR輔助遠(yuǎn)程檢修系統(tǒng)提示的檢修步驟實施了機(jī)組檢修工作，機(jī)組再次起機(jī)后，所有異常值都消除，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性又恢復(fù)到正常水平。

以上的智能運維場景是我們正在著力打造的基于“數(shù)字化智能運維+移動工廠”所能夠?qū)崿F(xiàn)的電廠智能化檢修的一個未來場景。然而該故事的原型是：2019年3月，北方某省一大型火電廠機(jī)組在經(jīng)濟(jì)性試驗測試時，發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組比2號機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性差很多，平均每發(fā)一度電1號機(jī)組要比2號機(jī)組高約3克煤耗，按照該電廠全年4 000的發(fā)電小時數(shù)來計算因性能造成的差異，1號機(jī)組年平均損失約252萬元。

專家團(tuán)隊通過現(xiàn)場的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，早在此次試驗的兩年前，機(jī)組就已經(jīng)發(fā)生效率劇烈下降，但仍連續(xù)低效率運行了兩年多的時間，而后通過制造廠家的專家會診鎖定了機(jī)組發(fā)生故障的原因，電廠組織相關(guān)的施工團(tuán)隊進(jìn)行了機(jī)組檢修并最終解決了該問題。然而在這個過程中，不計算其他相關(guān)損失，由于機(jī)組效率下降導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失已高達(dá)500萬元以上。

這種后知后覺，故障發(fā)生之后才緊急處理的狀態(tài)是目前絕大多數(shù)電廠的真實困境，而這也就是我們希望通過移動工廠+智能運維能夠徹底解決和改善的目標(biāo)。

當(dāng)下痛點

移動工廠

汽輪機(jī)作為火力發(fā)電廠重要的大型電力裝備，其設(shè)計和制造過程技術(shù)含量高，加工精度要求極高，單臺設(shè)備的零部件有10萬多個，并且尺寸龐大（一臺1 000MW機(jī)組，其最大直徑處有10.8m，整個機(jī)組長度為28.5m），在機(jī)組運行和檢修的過程中給用戶帶來了極大的難度。在移動工廠全面推廣之前，當(dāng)前電廠的汽輪機(jī)設(shè)備的檢修存在如下問題：

檢修困難，耗時耗力。在過去，由于汽輪機(jī)設(shè)備加工精度要求很高，現(xiàn)場不具備加工能力，比如汽缸、轉(zhuǎn)子等維修，一般需要通過長途運輸?shù)街圃鞆S家進(jìn)行檢查維修，加上來回運輸時間整個檢修的周期較長，耗費成本高；而且有一些設(shè)備存在無法拆卸或者尺寸過于龐大而無法運輸?shù)葐栴}，導(dǎo)致這些設(shè)備沒有辦法進(jìn)行返廠維修。

檢修外包存在巨大風(fēng)險。因為運輸?shù)綇S家進(jìn)行維修的成本相對較高，一些用戶考慮到成本的因素而選擇一些專門做檢修的外包公司進(jìn)行機(jī)組的檢修維護(hù)，但是由于這些外包公司沒有機(jī)組的原始設(shè)計數(shù)據(jù)和相關(guān)的檢修工藝，在檢修的過程中存在較大的風(fēng)險，并且不同的檢修公司水平參差不齊，可能因為檢修不當(dāng)不但沒有解決問題反而導(dǎo)致重大的運行事故，給電廠造成巨大的損失。

智能化的缺席使得機(jī)組問題只能后知后覺，事后維修往往給電廠帶來巨大損失。在過去的幾十年間，電廠運行管理的信息化建設(shè)已經(jīng)比較完善，但是這些信息化公司以軟件為主，雖然系統(tǒng)中開發(fā)了一些智能故障預(yù)警等功能，但是由于這些軟件系統(tǒng)一般為非原廠設(shè)備制造商（OEM）開發(fā)，缺乏原始的機(jī)組設(shè)計數(shù)據(jù)，所以無法形成從數(shù)據(jù)異常預(yù)警到完整的解決方案全套閉環(huán)，因而雖然有數(shù)據(jù)的異常預(yù)警功能，但仍然避免不了機(jī)組的各類事故發(fā)生。

移動工廠內(nèi)部及相關(guān)設(shè)備

解決方案

為了解決火電廠當(dāng)前的運維檢修碰到的困境，上汽廠作為國內(nèi)一家重要的汽輪機(jī)制造廠商，采用移動工廠+智能運維的平臺軟硬件一體化的方案能夠完美解決電廠運維檢修碰到的難題。通過智能化平臺對機(jī)組運行數(shù)據(jù)進(jìn)行全面管理和分析，結(jié)合汽輪機(jī)機(jī)組原始設(shè)計、制造等數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)組的實時狀態(tài)評估和分析，確保機(jī)組的健康運行；與此同時，上汽廠打造的移動工廠通過多項技術(shù)創(chuàng)新，具備絕大部分現(xiàn)場加工檢修的能力，能夠大幅縮減檢修時間和成本，徹底解決大部件設(shè)備難以運輸而無法維修的問題。

突出提升飲水安全水質(zhì)保障能力這個環(huán)節(jié)。針對前些年實施的部分農(nóng)村飲水安全工程未按規(guī)范要求配套凈化消毒設(shè)施、水質(zhì)檢測設(shè)備和能力不足、未合理劃定水源保護(hù)區(qū)和飲水安全工程保護(hù)范圍等問題，水利部聯(lián)合國家發(fā)展改革委、衛(wèi)生計生委和環(huán)境保護(hù)部下發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)村飲水安全工程水質(zhì)檢測能力建設(shè)的指導(dǎo)意見》，從能力建設(shè)任務(wù)、量化考核指標(biāo)、檢測頻次、運行經(jīng)費等方面提出明確要求。指導(dǎo)各省編制了總體建設(shè)方案，2014年將啟動第一批縣級水質(zhì)檢測中心建設(shè)，為保障水質(zhì)安全奠定基礎(chǔ)。開展了農(nóng)村生活排水專題調(diào)研。

移動工廠+數(shù)字化應(yīng)用（APPs）智能運維平臺，是未來智慧電廠一個非常重要的實現(xiàn)手段。目前我們已經(jīng)逐步在燃煤火電廠上實現(xiàn)了采用智能APPs的方式對電站設(shè)備進(jìn)行全生命周期的運維管理，包括對機(jī)組的壽命實時評估、性能計算分析、機(jī)組異常預(yù)警和故障分析評估等，通過將數(shù)字化平臺和移動工廠的現(xiàn)場服務(wù)檢修能力進(jìn)行深度融合，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠運行檢修的數(shù)字化和智能化，在很多設(shè)備故障發(fā)生的初期就能夠進(jìn)行精準(zhǔn)地預(yù)警并將很多故障通過有計劃的檢修消除于無形，從而為用戶創(chuàng)造巨大的價值。

移動工廠的優(yōu)勢

所謂移動工廠，就是通過開發(fā)便攜式的現(xiàn)場加工裝備以及配套的工藝，以實現(xiàn)現(xiàn)場加工質(zhì)量和維修能力等同于原OEM廠商生產(chǎn)制造車間的能力為目標(biāo)，通過合理的方案組合后，將這些設(shè)備集中在一個標(biāo)準(zhǔn)的集裝箱內(nèi)，通過陸路和海路運輸及時地將檢修服務(wù)相關(guān)設(shè)備和資源運至現(xiàn)場，為客戶提供快速、高效和精準(zhǔn)的現(xiàn)場檢修服務(wù)。在這個過程中需要開發(fā)大量的現(xiàn)場檢修工具以及相關(guān)工藝，是一項具有極高知識含量的研發(fā)過程。

采用移動工廠進(jìn)行現(xiàn)場檢修具有非常多的優(yōu)勢，其中最突出的兩大優(yōu)勢是：大幅削減檢修成本；大大縮短檢修時間。這兩大優(yōu)勢能夠給用戶創(chuàng)造巨大的價值。以常規(guī)的汽缸檢修為例，過去，常規(guī)的做法是拉回廠家進(jìn)行相關(guān)的維修工作。采用移動工廠的現(xiàn)場檢修方式，在保證同等處理質(zhì)量的前提下，通過削減拆裝成本和運輸成本，總體檢修費用最多能夠縮減至50%；由于設(shè)備路上往返的時間精簡，整體檢修的時間可以較常規(guī)的檢修縮短1/3～2/3。檢修時間的縮減意味著用戶可以在更短的時間內(nèi)恢復(fù)生產(chǎn)發(fā)電，能夠直接為用戶創(chuàng)造價值，同時檢修成本的下降和檢修質(zhì)量的提高能大幅降低設(shè)備全生命周期的檢修維護(hù)費用。

由于移動工廠的便捷性和高效性，通過與數(shù)字化平臺進(jìn)行結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶端備品備件儲備零庫存，能夠進(jìn)一步縮減用戶的成本。過去電廠會有較多的成本浪費在配置大量的備件上，這些備件的儲備是為了檢修時能夠有完整的備件庫可供使用，但是很多備件配置會帶來巨大的成本浪費，通過移動工廠和完備的備品備件管理系統(tǒng)，將用戶側(cè)的備件在廠家進(jìn)行集中配置和管理，通過移動工廠和數(shù)字化管理系統(tǒng)，能夠在電廠檢修時攜帶全套的工具和備品備件至現(xiàn)場進(jìn)行檢修工作。

上汽廠的移動工廠

上汽廠從2012年開始打造移動工廠的技術(shù)服務(wù)能力，并建立了完整的技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊，其中現(xiàn)場維修項目設(shè)計團(tuán)隊多數(shù)成員具有985/211院校碩士以上學(xué)歷，現(xiàn)場施工團(tuán)隊由上海電氣首席技師為領(lǐng)隊組成，在7年的移動工廠技術(shù)能力打造過程中，建立了全套的現(xiàn)場檢修服務(wù)能力，同步申請了20多項發(fā)明專利。

上汽廠移動工廠服務(wù)團(tuán)隊

目前，上汽廠的移動工廠具備了現(xiàn)場鏜削、車削、銑削、鉆削、磨削以及焊接加工的能力，已經(jīng)能夠解決絕大部分現(xiàn)場加工維修的問題，并且能夠做到和工廠加工同等的精度，確保現(xiàn)場加工的質(zhì)量。

可以從對目前國內(nèi)最大容量的超超臨界1 000 MW機(jī)組的現(xiàn)場檢修中看出上汽廠移動工廠具體的現(xiàn)場檢修能力。該機(jī)組設(shè)備的第一個缸（以下簡稱高壓缸）運行時處于高溫高壓段（進(jìn)口壓力為27～31 MPa，進(jìn)口溫度為600℃），整體結(jié)構(gòu)非常緊湊精密，過去超超臨界機(jī)組高壓缸只有返回制造廠才能進(jìn)行檢修，而如今隨著移動工廠能力的提升，完全可以在現(xiàn)場完成全套的高壓缸檢修任務(wù)。為了能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場檢修超超臨界機(jī)組高壓缸的能力，移動工廠打造了全套的現(xiàn)場檢修工具并制定了相應(yīng)的現(xiàn)場檢修加工的工藝標(biāo)準(zhǔn)，使現(xiàn)場就地加工服務(wù)具備與制造廠車間同等的檢修能力和加工質(zhì)量。

在移動工廠的技術(shù)能力開發(fā)過程中，因為加工的條件和電廠環(huán)境非常復(fù)雜，加工的裝備除了需足夠靈巧能夠攜帶至現(xiàn)場進(jìn)行就地檢修加工外，還要保證加工的精度，并適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的加工環(huán)境。以汽缸的中分面加工為例，其要求的加工平面度達(dá)到0.05 mm，加工的粗糙度達(dá)到Ra1.6～3.2μm，同時需要具備現(xiàn)場在線檢測和在線修復(fù)循環(huán)模式。

為了實現(xiàn)這樣的技術(shù)能力，上汽廠移動工廠研發(fā)團(tuán)隊聯(lián)合了上海交通大學(xué)以及國內(nèi)外十多家數(shù)控加工和機(jī)床設(shè)備廠家進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，最終研發(fā)了能夠完全滿足現(xiàn)場檢修加工要求的全套移動工廠解決方案，并完成100多個不同類型移動工廠現(xiàn)場檢修的案例（見“移動工廠現(xiàn)場檢修案例”圖）。至此，移動工廠這種極具突破性的服務(wù)技術(shù)創(chuàng)新載體得到了廣泛的應(yīng)用和推廣，為電廠的智能運維服務(wù)打下堅實的基礎(chǔ)。

未來展望

移動工廠的未來發(fā)展主要考慮以下幾個方向：

與數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)移動工廠+智能運維的深度融合，實現(xiàn)電力裝備服務(wù)的數(shù)字化升級。最理想的模式如開篇所描述的未來場景，通過智能運維的相關(guān)APPs能夠?qū)C(jī)組的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行實時在線監(jiān)測，基于人工智能和專業(yè)算法的手段能夠預(yù)判機(jī)組發(fā)生異常的趨勢并提早做好檢修預(yù)案，由移動工廠完成整個設(shè)備異常處理的閉環(huán)，從而用戶可以采用設(shè)備全托管的模式，使電廠的運營更加高效且智能。

移動工廠的能力進(jìn)一步拓展，以具備能夠?qū)崿F(xiàn)一臺完整的汽輪機(jī)現(xiàn)場檢修能力為長遠(yuǎn)目標(biāo)。目前移動工廠仍有一些機(jī)組的檢修加工能力尚不具備，未來將進(jìn)一步擴(kuò)大移動工廠技術(shù)研發(fā)投入，使移動工廠和服務(wù)團(tuán)隊能夠具備全部的汽輪機(jī)現(xiàn)場檢修和服務(wù)的能力。

進(jìn)一步降低成本并縮短檢修時間。為了使移動工廠的方案能夠具有更大的市場競爭力，從而成為市場的主流方案，需要通過更加精細(xì)化的管理和成本優(yōu)化，使移動工廠具有更高的產(chǎn)出比。

引入更多的新技術(shù)與現(xiàn)有的技術(shù)能力形成更好的互補(bǔ)，比如當(dāng)前的3D打印技術(shù)，未來在移動式的集裝箱內(nèi)增設(shè)3D打印相關(guān)設(shè)備，可以為現(xiàn)場檢修提供應(yīng)急備件，進(jìn)一步提升移動工廠的工作效率，提升方案的整體競爭優(yōu)勢。

將移動工廠向更多的領(lǐng)域拓展，實現(xiàn)透平動力裝備領(lǐng)域全面采用移動工廠的現(xiàn)場檢修和加工方案，并進(jìn)一步應(yīng)用于更多的領(lǐng)域，如化工驅(qū)動、生物質(zhì)發(fā)電、鋼鐵余熱利用和清潔可再生能源（如光熱發(fā)電）等領(lǐng)域的透平裝備現(xiàn)場檢修服務(wù)，結(jié)合智能化手段實現(xiàn)設(shè)備的全面托管模式，從而為用戶創(chuàng)造巨大價值。

移動工廠現(xiàn)場檢修案例