火電廠金屬部件全生命周期管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

余偉權(quán)，柯安鵬，李文華，楊哲一，崔雄華

（1.廣東省能源集團(tuán)有限責(zé)任公司珠海發(fā)電廠，珠海519050；2.西安熱工研究院有限公司，西安710054）

火電廠金屬部件全生命周期管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)組重要金屬部件進(jìn)行狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)[1-5]和壽命[6-10]等統(tǒng)一動(dòng)態(tài)管理，綜合分析得出重要金屬部件的薄弱環(huán)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，由此給出優(yōu)化后的檢修策略與維修技術(shù)改造計(jì)劃，科學(xué)指導(dǎo)機(jī)組的檢修與運(yùn)行，減少機(jī)組的檢修盲區(qū)，消除機(jī)組存在的安全隱患，延長(zhǎng)機(jī)組的檢修周期，降低機(jī)組的檢修費(fèi)用，最終由計(jì)劃?rùn)z修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)檢修，提高機(jī)組的運(yùn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性。狀態(tài)檢修是根據(jù)機(jī)組設(shè)備狀態(tài)而非固定周期來(lái)進(jìn)行的檢修，其關(guān)鍵在于掌握設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，準(zhǔn)確判斷需要檢修的部件并制定針對(duì)性的檢修計(jì)劃。本系統(tǒng)可自動(dòng)給出設(shè)備狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)等信息，并給出優(yōu)化后的檢修策略，是幫助電廠實(shí)現(xiàn)從計(jì)劃?rùn)z修到狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變的有效途徑和手段。

1 金屬部件全生命周期管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

1.1 開(kāi)發(fā)思路

系統(tǒng)技術(shù)方案如圖1所示，金屬部件全生命周期管理系統(tǒng)基于金屬部件的設(shè)計(jì)、歷次檢驗(yàn)和日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合傳統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)和壽命評(píng)估獲得的知識(shí)，構(gòu)建知識(shí)驅(qū)動(dòng)的檢修策略優(yōu)化管理平臺(tái)，給出機(jī)組重要金屬部件風(fēng)險(xiǎn)狀況和壽命評(píng)估結(jié)果，并根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和壽命評(píng)估結(jié)果給出適當(dāng)?shù)臋z驗(yàn)、檢修及技術(shù)改造等策略。

圖1 系統(tǒng)技術(shù)方案Fig.1 Technical plan of the system

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)時(shí)或定時(shí)使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、維修記錄、檢驗(yàn)記錄和更換記錄）進(jìn)行壽命、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及定期工作判斷，然后根據(jù)計(jì)算出的壽命值結(jié)合更換記錄決定最新的更換改造計(jì)劃，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值結(jié)合定期工作規(guī)則及檢驗(yàn)維修記錄決定最新的檢驗(yàn)計(jì)劃。用戶按計(jì)劃實(shí)施完更換或檢修工作后將更換、檢修記錄錄入系統(tǒng)，系統(tǒng)將根據(jù)新的記錄再次進(jìn)行評(píng)估并更新更換和檢驗(yàn)計(jì)劃，系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程Fig.2 Businessprocessof thesystem

2 金屬部件全生命周期管理系統(tǒng)在電廠生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 金屬部件檢修策略與更換計(jì)劃的優(yōu)化管理

根據(jù)建立的部件電子臺(tái)賬與實(shí)時(shí)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各部件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與剩余壽命評(píng)估，并由此給出檢修策略，包括需要優(yōu)先檢修的部位、各部位檢修時(shí)間與周期和建議檢修手段等。只要是列入檢驗(yàn)的部件，均可給出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，可全面覆蓋受檢部件。剩余壽命由于需要溫度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，故只有安裝了壁溫測(cè)點(diǎn)的部位才可給出實(shí)時(shí)剩余壽命。因此建議在各部件溫度最高的部位安裝壁溫測(cè)點(diǎn)，溫度最高處剩余壽命最短，具備較強(qiáng)的預(yù)警性與代表性。電廠可根據(jù)實(shí)際情況加裝壁溫測(cè)點(diǎn)，擴(kuò)大壽命管理的覆蓋范圍。

電廠在某次檢修期前，從系統(tǒng)中導(dǎo)出了存在風(fēng)險(xiǎn)部位列表與未檢驗(yàn)部位列表，檢修策略導(dǎo)出文件如圖3所示。參考檢修計(jì)劃文件，部分部件風(fēng)險(xiǎn)值較高，系統(tǒng)建議每年檢修一次，其余存在風(fēng)險(xiǎn)部件按風(fēng)險(xiǎn)值從高到低在表中排列。電廠通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)值排序，掌握了需要優(yōu)先檢修的部件與部位及各部位對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)方法，并據(jù)此編制了合理的金屬部件檢修計(jì)劃。當(dāng)檢修期開(kāi)始后，電廠完成了存在風(fēng)險(xiǎn)部位的檢修后，將檢驗(yàn)結(jié)果與該部件上次檢驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)提示信息對(duì)比，發(fā)現(xiàn)部分管道焊縫缺陷存在擴(kuò)展，于是在檢修期內(nèi)對(duì)這部分焊縫進(jìn)行了緊急修復(fù)消缺，其余中等風(fēng)險(xiǎn)部位缺陷經(jīng)檢驗(yàn)，未發(fā)生擴(kuò)展，故當(dāng)次檢修未安排消缺處理。

圖3 檢修策略導(dǎo)出文件Fig.3 Export fileof maintenancestrategy

電廠本次檢修時(shí)間短、工期緊，若全面檢驗(yàn)則時(shí)間不夠，且有可能對(duì)已經(jīng)多次檢驗(yàn)的部件重復(fù)檢驗(yàn)，反而無(wú)法顧及真正存在風(fēng)險(xiǎn)的部位，造成檢修資源的浪費(fèi)與風(fēng)險(xiǎn)隱患無(wú)法排除。根據(jù)系統(tǒng)給出的優(yōu)化后檢修策略，電廠在有限的檢修工期內(nèi)對(duì)所有存在較高風(fēng)險(xiǎn)的部位進(jìn)行了排查，并且將威脅機(jī)組安全運(yùn)行的高風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行了消缺處理，排除了安全隱患，真正做到了檢修資源的充分利用與檢修效果的最大化。

對(duì)于部分安裝了壁溫測(cè)點(diǎn)的高溫部件，系統(tǒng)可根據(jù)溫度情況和運(yùn)行時(shí)間，自動(dòng)計(jì)算其剩余壽命，并根據(jù)剩余壽命值，合理安排更換時(shí)間。金屬部件剩余壽命與更換計(jì)劃如圖4所示。電廠通過(guò)查閱系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)一根受熱面管剩余壽命不足1個(gè)大修期，決定參照系統(tǒng)提示的年份，結(jié)合近期檢修工期，對(duì)該管段進(jìn)行提前更換。換管后，對(duì)換下的管樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，發(fā)現(xiàn)管樣組織老化嚴(yán)重，且硬度和拉伸性能明顯低于標(biāo)準(zhǔn)要求的下限值，若未進(jìn)行更換繼續(xù)服役，則隨時(shí)有發(fā)生爆管的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)系統(tǒng)對(duì)高溫部件剩余壽命的監(jiān)控，電廠有效地避免了一次非計(jì)劃停機(jī)。

圖4 金屬部件剩余壽命與更換計(jì)劃Fig.4 Residual lifeand changing plan of metal components

2.2 機(jī)組運(yùn)行策略的優(yōu)化管理

電廠在對(duì)剩余壽命不足的受熱面管進(jìn)行更換后，從系統(tǒng)中調(diào)取了該管段及其附近管段的壁溫測(cè)點(diǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域長(zhǎng)期存在金屬管子壁溫偏高的情況，雖然均未超過(guò)報(bào)警值。但長(zhǎng)期的超溫會(huì)導(dǎo)致金屬管子老化加速和壽命縮短。系統(tǒng)顯示除更換管段外，附近管子也存在壽命損耗偏大的情況。電廠對(duì)該區(qū)域金屬管子壁溫偏高原因進(jìn)行了調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)為鍋爐燃燒存在偏差，導(dǎo)致該區(qū)域煙氣溫度偏高，造成該區(qū)域管子長(zhǎng)期處于超溫狀態(tài)。電廠根據(jù)分析結(jié)果，及時(shí)對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行了調(diào)整，降低了該區(qū)域煙氣溫度，后根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)情況，該區(qū)域管子壁溫恢復(fù)正常。根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，電廠排除了局部管子超溫的風(fēng)險(xiǎn)，避免了管子發(fā)生大面積過(guò)熱爆管的故障。

2.3 機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)體系盲區(qū)的排查

電廠在根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐燃燒進(jìn)行調(diào)整后，系統(tǒng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)均正常。但是隨后在無(wú)壁溫測(cè)點(diǎn)位置發(fā)生了受熱面管，根據(jù)分析，爆管原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱。電廠分析認(rèn)為，該區(qū)域未加裝壁溫測(cè)點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)該區(qū)域壁溫情況無(wú)法監(jiān)測(cè)。電廠計(jì)劃在下一次檢修期對(duì)該區(qū)域加裝壁溫測(cè)點(diǎn)并與系統(tǒng)相連接。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的排查和梳理，找出了電廠監(jiān)測(cè)體系的盲區(qū)，可以做到更有效地和更全面地實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，有效地保障電廠的安全運(yùn)行。

3 系統(tǒng)發(fā)展方向的探討

3.1 基于失效模式智能學(xué)習(xí)與辨識(shí)的金屬部件材質(zhì)狀態(tài)綜合評(píng)估

目前本系統(tǒng)可以做到金屬部件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與壽命評(píng)估，并給出優(yōu)化后的檢修策略，但目前無(wú)法對(duì)部件的材質(zhì)狀態(tài)給出綜合評(píng)估結(jié)果。因?yàn)榻饘俨考馁|(zhì)綜合評(píng)估需結(jié)合多項(xiàng)數(shù)據(jù)，并依據(jù)評(píng)估人員的個(gè)人實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，難以簡(jiǎn)單量化來(lái)通過(guò)目前的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于工業(yè)設(shè)備和部件來(lái)說(shuō)，材質(zhì)狀態(tài)綜合評(píng)估通常可以通過(guò)設(shè)備內(nèi)部機(jī)理分析和數(shù)據(jù)分析挖掘兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者綜合考慮設(shè)備的機(jī)械、材料和流體流動(dòng)等特性，來(lái)確定其劣化趨勢(shì)和程度。但由于同一類型的設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行等過(guò)程中的各種不確定性，使得設(shè)備機(jī)理分析的過(guò)程變得相當(dāng)復(fù)雜，且準(zhǔn)確度不高；后者是從數(shù)據(jù)挖掘角度出發(fā)，基于設(shè)備歷史狀態(tài)的相關(guān)各類數(shù)據(jù)及特征來(lái)反映設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，如設(shè)備的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)等綜合信息反映了設(shè)備的狀態(tài)，采用恰當(dāng)?shù)奶卣魈崛》绞胶?，特征值將能代表其狀態(tài)。但工業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)造就了設(shè)備正常數(shù)據(jù)非常多，但失效樣本卻很少的結(jié)果。因此，必須結(jié)合設(shè)備內(nèi)部機(jī)理研究和設(shè)備數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)兩者的各自優(yōu)勢(shì)，通過(guò)專家的機(jī)理分析強(qiáng)化少量的失效案例樣本，提高數(shù)據(jù)挖掘時(shí)特征值評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，最終實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和壽命評(píng)估。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)加入人工智能模塊，利用人工智能具備的深度學(xué)習(xí)功能，并結(jié)合導(dǎo)入系統(tǒng)的金屬部件失效機(jī)理，對(duì)失效案例進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。結(jié)合失效機(jī)理深度學(xué)習(xí)與設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)金屬部件材質(zhì)狀態(tài)的智能評(píng)估，使系統(tǒng)從“自動(dòng)化”升級(jí)為“智能化”。只要智能化給出存在風(fēng)險(xiǎn)和原因，即可智能化給出處理意見(jiàn)和方案，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程智能化管理。

3.2 集團(tuán)內(nèi)多電廠聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)互通型系統(tǒng)

對(duì)于具備深度學(xué)習(xí)能力的系統(tǒng)，“學(xué)習(xí)資料”的數(shù)量和品質(zhì)直接決定了學(xué)習(xí)質(zhì)量，也就決定了系統(tǒng)是否能夠真正實(shí)現(xiàn)智能化。對(duì)于單個(gè)電廠而言，其具備的機(jī)組數(shù)量有限，設(shè)備數(shù)據(jù)與失效案例數(shù)量均較少，難以滿足真正的智能化學(xué)習(xí)。若能將某個(gè)發(fā)電集團(tuán)的機(jī)組全部安裝本系統(tǒng)，并將各個(gè)電廠聯(lián)網(wǎng)，這樣系統(tǒng)可以綜合所有電廠機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并可將學(xué)習(xí)成果應(yīng)用到所有電廠，某個(gè)電廠發(fā)生了問(wèn)題，系統(tǒng)可以向集團(tuán)內(nèi)其他類似機(jī)組發(fā)送警告，提醒該電廠對(duì)類似問(wèn)題進(jìn)行排查。海量數(shù)據(jù)與海量應(yīng)用的結(jié)合，可以促進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度智能化，為電廠金屬部件的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

4 結(jié)論

本文介紹了火電廠金屬部件全生命周期管理系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、實(shí)際應(yīng)用情況與發(fā)展展望。通過(guò)電廠的應(yīng)用實(shí)例可以看出，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)機(jī)組重要金屬部件進(jìn)行狀態(tài)、風(fēng)險(xiǎn)和壽命的統(tǒng)一動(dòng)態(tài)管理，綜合分析得出重要金屬部件的薄弱環(huán)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，由此給出優(yōu)化后的檢修策略與維修技改計(jì)劃，科學(xué)指導(dǎo)機(jī)組的檢修與運(yùn)行，顯著提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性。該系統(tǒng)在未來(lái)可以從智能化學(xué)習(xí)與多機(jī)組聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)方向進(jìn)行升級(jí)發(fā)展，成為真正的智能化金屬部件管理系統(tǒng)。