基于在線監(jiān)測技術(shù)的預(yù)測性維修在核電廠的應(yīng)用

楊中卿YANG Zhong-qing；張圣ZHANG Sheng；李林LI Lin；凌霜寒LING Shuang-han

（蘇州熱工研究院有限公司，深圳 518100）

0 引言

核電廠對設(shè)備的維修主要采用糾正性維修、預(yù)防性維修和預(yù)測性維修等三種維修手段。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)測性維修技術(shù)相對于糾正性維修和預(yù)防性維修，可以能夠?qū)崿F(xiàn)有針對性的、及時有效的檢修，從而在提高設(shè)備可靠性和降低核電廠運維成本方面具有顯著的效果[1]。

本文在分析基于線監(jiān)測技術(shù)預(yù)測性檢修的理論基礎(chǔ)上，結(jié)合核電廠主變壓器運維經(jīng)驗，詳細討論了核電廠主變壓器推行基于在線監(jiān)測技術(shù)預(yù)測性維修實施過程，為核電廠開展預(yù)測性維修，降低運維成本，提高設(shè)備可靠性提供參考。

1 預(yù)測性維修技術(shù)的理論基礎(chǔ)

隨著電力市場的改革進展，核電行業(yè)已經(jīng)將降低核電廠運維費用作為一項重要的績效指標。隨著高精度傳感器等監(jiān)測設(shè)備的出現(xiàn)，設(shè)備在線監(jiān)測和離線監(jiān)測技術(shù)得以高速發(fā)展，設(shè)備的狀態(tài)評估更加準確。根據(jù)美國核電行業(yè)分析結(jié)果[2]，在線監(jiān)測是實施頻率最高的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測活動，連續(xù)在線監(jiān)測傳感器和相關(guān)診斷軟件的廣泛應(yīng)用將大大節(jié)省核電廠運維費用。

1.1 預(yù)測性維修技術(shù)概念

預(yù)測性維修決策的理論基礎(chǔ)是P-F 區(qū)間理論[3]。實踐證明，大量的設(shè)備故障發(fā)生之前都有一個發(fā)展的過程，通過監(jiān)測某些參數(shù)可以證明這種潛在故障的存在?；诖耍A(yù)測性維修首先假設(shè)設(shè)備故障不會瞬間發(fā)生，即：如果能夠在缺陷發(fā)展過程中及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，就允許采取的措施予以及時干預(yù)。P-F 曲線常用于描述故障的發(fā)展過程，如圖1 所示，P 點為潛在故障點，F(xiàn) 點為功能故障點，P-F區(qū)間即為設(shè)備狀態(tài)降級過程中從P 點到F 點的間隔。狀態(tài)監(jiān)測的目的就是要在P-F 區(qū)間內(nèi)探測到設(shè)備的潛在故障，進而采取行動來預(yù)防功能故障或避免功能故障的后果。

圖1 P-F 曲線

預(yù)測性維修（Predictive Maintenance，簡稱PdM）是一種基于對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測和設(shè)備故障的發(fā)展規(guī)律的維修策略，其主要內(nèi)容包括狀態(tài)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析、故障診斷與趨勢預(yù)測，以及相應(yīng)糾正行動的執(zhí)行與反饋，來預(yù)防設(shè)備功能故障或避免故障后果。預(yù)測性維修的核心是狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，其中按照狀態(tài)監(jiān)測過程中設(shè)備運行狀態(tài)的不同可以分為在線監(jiān)測和離線監(jiān)測，或按照監(jiān)測行動實施周期的不同分為實時監(jiān)測和定期監(jiān)測。

1.2 預(yù)測性維修技術(shù)手段

隨著科技的發(fā)展，越來越多的高精度傳感器、故障診斷技術(shù)和設(shè)備狀態(tài)評估技術(shù)被引入到核電領(lǐng)域，這為預(yù)測性維修的開展和發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。例如振動在線監(jiān)測、溫度在線監(jiān)測、紅外在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測、電機電流分析、氣動閥和電動閥在線診斷、超聲診斷和變壓器油中氣體在線分析等[4]。結(jié)合業(yè)內(nèi)先進的在線監(jiān)測技術(shù)，對一些關(guān)鍵設(shè)備進行在線監(jiān)測，進一步提高設(shè)備可靠性，常見的預(yù)在線監(jiān)測技術(shù)手段如表1 所示。

表1 在線監(jiān)測技術(shù)手段

2 基于在線監(jiān)測技術(shù)的預(yù)測性維修的實施過程

2.1 預(yù)測性維修目標

對于核電廠關(guān)鍵設(shè)備，特別是預(yù)防性維修任務(wù)成本高的關(guān)鍵設(shè)備，可以通過在線監(jiān)測技術(shù)手段進一步提高設(shè)備可靠性。通過分析關(guān)鍵設(shè)備的故障模式和設(shè)備監(jiān)測技術(shù)參數(shù)，制定在線監(jiān)測技術(shù)方案，如果在線監(jiān)測管理的故障模式能夠替代原有的預(yù)防性維修任務(wù)，則可以取消或者延長現(xiàn)有的預(yù)防性維修任務(wù)，實現(xiàn)基于在線監(jiān)測技術(shù)的預(yù)測性維修。

2.2 基于在線監(jiān)測技術(shù)預(yù)測性維修技術(shù)方案

由圖2 可知，首先要確定可以進行監(jiān)測的設(shè)備清單，實用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式與影響分析）或者FTA（Fault Tree Analysis，故障樹分析法）工具分析監(jiān)測設(shè)備的故障模式、故障影響和故障機理，明確哪些故障模式可以被監(jiān)測技術(shù)手段替代，進而優(yōu)化預(yù)防性維修任務(wù)。

圖2 基于在線監(jiān)測的預(yù)測性維修技術(shù)方案

技術(shù)方案要點就是將管理相同故障（或降級）機理在線監(jiān)測任務(wù)和預(yù)防性維修任務(wù)分析，分析替代的有效性，分為高、中、低三個等級。高：檢出故障模式任務(wù)的數(shù)值指定為97%；中：檢出故障模式任務(wù)的數(shù)值指定為80%；低：該任務(wù)曾檢出這些故障，但無法適當確保其一定會檢出這些故障，其效能檢出故障模式任務(wù)的數(shù)值指定為50%。

如果某種設(shè)備的分析替代有效率為“低”，就沒有對其進一步評估的價值，因為不可能僅憑現(xiàn)有（或者新增）傳感器進行在線監(jiān)測就能取消任何預(yù)防性維修任務(wù)，降低預(yù)防性維修實施頻度或?qū)嵤┓秶?/p>

如果在線監(jiān)測任務(wù)覆蓋了絕大部分（幾乎全部）故障模式，替代有效率為“中”或者“高”，可將此預(yù)防性維修任務(wù)改為“AR”（As-Required，即“按需”），可通過線監(jiān)測任務(wù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的劣化確實，進行故障排查。當然，取消該預(yù)防性維修任務(wù)需要現(xiàn)場運維實際情況綜合判斷，評判增加在線監(jiān)測技術(shù)對設(shè)備的影響和該預(yù)防性任務(wù)的重要程度。

3 核電主變壓器的預(yù)測性維修技術(shù)

核電主變壓器是利用電磁感應(yīng)原理將發(fā)電機出口24kV 電壓變換至500kV 電壓，從而直接將電能量傳輸至電網(wǎng)的電氣設(shè)備。目前變壓器油色譜分析、接地電流在線監(jiān)測、變壓器繞組溫度在線監(jiān)測和紅外在線監(jiān)測等手段已經(jīng)在核電主變壓器上得到了廣泛的應(yīng)用，為保證和提高核電主變壓器的可靠性提高了條件。

3.1 制定核電主變壓器PdM 模板

按照2.2 章節(jié)中的技術(shù)路線，對核電主變壓器現(xiàn)有的在線監(jiān)測技術(shù)手段進行分析，并根據(jù)主變壓器FMEA 分析結(jié)果，制定詳細的PdM 模板，結(jié)果如表2 所示。

表2 主變壓器PdM 模板

3.2 優(yōu)化核電主變壓器預(yù)防性維修策略

對核電主變壓器的故障模式及其對應(yīng)的預(yù)防性維修策略進行梳理，找出表征核電主變壓器狀態(tài)的參數(shù)，分析這些參數(shù)與在線監(jiān)測技術(shù)手段之間的技術(shù)關(guān)系，可以得到主變壓器預(yù)防性維修的策略優(yōu)化方法，并確定設(shè)備現(xiàn)場加裝傳感器的建議和維修策略優(yōu)化結(jié)果。

表3 以主變壓器油樣常規(guī)分析為例，詳細說明了預(yù)防性維修向預(yù)測性維修的轉(zhuǎn)化過程。

表3 主變壓器預(yù)防性維修策略優(yōu)化

根據(jù)電廠已有的預(yù)防性維修大綱情況和電力行業(yè)法律法規(guī)的標準，結(jié)合電廠現(xiàn)狀（設(shè)備預(yù)測性維修偏少，主要是定期維修為主），針對新開發(fā)的設(shè)備預(yù)測性維修大綱對定期的預(yù)防性維修開展了專項優(yōu)化分析，刪除機電儀預(yù)防性大綱42 項，延期大綱18 項，增加18 項。

3.3 核電主變壓器傳感器加裝建議

根據(jù)3.2 章節(jié)的分析結(jié)果，核電主變壓器可以增加在線紅外、變壓器振動在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測、溫度在線監(jiān)測、鐵芯接地電流在線監(jiān)測、運行參數(shù)在線監(jiān)測、氫氣乙炔微水在線監(jiān)測裝置、油色譜在線監(jiān)測和套管在線監(jiān)測等裝置，形成一體化的變壓器狀態(tài)監(jiān)測平臺，并進行狀態(tài)評估，如圖3 所示。

圖3 核電主變壓器傳感器加裝示意圖

4 總結(jié)

綜上，通過在核電廠重要設(shè)備上增加傳感器，實施基于在線監(jiān)測技術(shù)的預(yù)測性維修，可以有效減少預(yù)防性維修項目，延期定期維修周期，充分利用設(shè)備有效使用壽命、減少維修工作量和降低維修成本等目的，逐步實現(xiàn)由預(yù)防性轉(zhuǎn)向預(yù)測性維修為主的維修方式。