電廠設(shè)備狀態(tài)檢修優(yōu)化決策系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

廣東能源集團(tuán)沙角C電廠 趙建新

火電在我國能源結(jié)構(gòu)中一直擔(dān)任重要的角色。據(jù)國家能源局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全國發(fā)電裝機(jī)容量約25.6億kW，其中火電裝機(jī)容量約占52%[1]。在火電生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備之間的緊密耦合，系統(tǒng)組成復(fù)雜，以及設(shè)備運(yùn)行時的高溫、高壓、高速旋轉(zhuǎn)的特性，使火電廠設(shè)備一直有較高的故障發(fā)生率，而故障導(dǎo)致的危害性也比較大。在“雙碳”目標(biāo)影響下，火電機(jī)組正積極進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級，加快推進(jìn)節(jié)能降耗改造、供熱改造和靈活性改造“三改聯(lián)動”，更增加了機(jī)組主輔機(jī)運(yùn)行故障風(fēng)險，安全可靠性進(jìn)一步下降[2]。保證火電廠保持長周期的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)環(huán)保運(yùn)行，降低發(fā)電成本，進(jìn)一步提升企業(yè)綜合競爭力，對火電廠的發(fā)展具有非常重要的意義。而火電機(jī)組的大容量、高參數(shù)、智能化、信息化發(fā)展趨勢[3-4]，更使機(jī)組發(fā)生故障后造成的損失和影響比以往大大增加。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)B/S 架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)架構(gòu)采用B/S 架構(gòu)，B/S 模式屬于多層結(jié)構(gòu)的一種具象化實(shí)現(xiàn)，其特點(diǎn)是采用瀏覽器來實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，終端不需要安裝客戶端應(yīng)用程序。多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是將業(yè)務(wù)處理邏輯放在中間代理服務(wù)器上，客戶端屬于界面層，通過瀏覽器來完成人機(jī)交互。

B/S 體系結(jié)構(gòu)主體包括界面層、業(yè)務(wù)層和服務(wù)層。本系統(tǒng)開發(fā)中，界面開發(fā)采用JavaScript，中間業(yè)務(wù)邏輯通過Java 實(shí)現(xiàn)，服務(wù)層基于云平臺實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的物理架構(gòu)主要包括SIS 系統(tǒng)的三個數(shù)據(jù)安全區(qū)，其中SIS 安全I(xiàn) 區(qū)提供各設(shè)備原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，安全I(xiàn)I 區(qū)用于存儲原始數(shù)據(jù)，安全I(xiàn)II 區(qū)主要用于對數(shù)據(jù)的處理與展現(xiàn)。

本系統(tǒng)核心部分的服務(wù)器則部署在安全I(xiàn)II 區(qū)，如圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計示意圖所示，系統(tǒng)從安全I(xiàn)區(qū)和II 區(qū)獲取原始數(shù)據(jù)并實(shí)時保存，再進(jìn)行計算分析和算法處理，最終以畫面交互形式將處理結(jié)果展示給用戶；安全I(xiàn)II 區(qū)不會干涉SIS 系統(tǒng)安全I(xiàn) 區(qū)和安全I(xiàn)I 區(qū)的原始數(shù)據(jù)的存儲。

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計示意圖

1.3 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、中間層和應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層是依賴關(guān)系數(shù)據(jù)庫負(fù)責(zé)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集與存儲，關(guān)系數(shù)據(jù)庫采用的是大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品MySQL。中間層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的讀寫操作、設(shè)備監(jiān)測模型計算、設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)的期望值計算、設(shè)備狀態(tài)評價和預(yù)警，通過Java 后臺服務(wù)編寫。應(yīng)用層基于JavaScript 語言實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前端代碼編寫。

2 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

在沙角C 電廠現(xiàn)有SIS 等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新增開發(fā)參數(shù)監(jiān)測管理子系統(tǒng)、故障診斷管理子系統(tǒng)、健康監(jiān)測管理子系統(tǒng)及檢修優(yōu)化管理子系統(tǒng)，構(gòu)造一個比較完善的從設(shè)備參數(shù)監(jiān)測、故障診斷到檢修決策的設(shè)備狀態(tài)檢修優(yōu)化決策系統(tǒng)，如圖2 沙角C 電廠設(shè)備狀態(tài)檢修優(yōu)化決策系統(tǒng)框架圖所示。

圖2 沙角C 電廠設(shè)備狀態(tài)檢修優(yōu)化決策系統(tǒng)框架圖

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)果圖

2.1 參數(shù)監(jiān)測管理子系統(tǒng)

本系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，對于運(yùn)行異常參數(shù)進(jìn)行告警。該系統(tǒng)通過獲取設(shè)備實(shí)時運(yùn)行參數(shù)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立參數(shù)預(yù)測模型，采用了實(shí)際值限值告警和實(shí)際值與預(yù)測值的絕對偏差限值兩種參數(shù)告警方式（規(guī)則告警和模型告警），在滿足參數(shù)告警靈活設(shè)置要求的同時，也幫助實(shí)現(xiàn)了設(shè)備早期劣化或故障告警提示。同時，參數(shù)告警的閾值設(shè)定嚴(yán)格遵守電廠運(yùn)行規(guī)程的限制。

2.2 故障診斷管理子系統(tǒng)

根據(jù)參數(shù)告警情況對設(shè)備進(jìn)行故障診斷和故障管理。該系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)監(jiān)測管理子系統(tǒng)產(chǎn)生的參數(shù)告警信息，自動獲取故障征兆，通過專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)早期故障診斷；該系統(tǒng)能接收振動分析儀等離線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)波形、波譜分析、小波分析及包絡(luò)譜分析；故障管理模塊記錄設(shè)備、機(jī)組的歷史故障模式信息和子系統(tǒng)當(dāng)前診斷故障結(jié)果，故障管理為專家系統(tǒng)擴(kuò)充知識庫。系統(tǒng)將故障診斷結(jié)果輸出到健康監(jiān)測管理子系統(tǒng)。

2.3 健康監(jiān)測管理子系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)告警等級和故障診斷結(jié)果綜合評估設(shè)備、機(jī)組健康狀態(tài)及運(yùn)行風(fēng)險。一方面，該系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)監(jiān)測管理子系統(tǒng)產(chǎn)生的參數(shù)監(jiān)測信息，采用設(shè)計好的狀態(tài)評估算法（模糊評判或MSET 技術(shù)或機(jī)器學(xué)習(xí)方法），獲取設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)（優(yōu)、良、中、差）；另一方面，該系統(tǒng)根據(jù)故障診斷管理子系統(tǒng)輸出的故障診斷結(jié)果，對故障進(jìn)行FMEA 分析，綜合設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，評估設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)險，從而進(jìn)一步評估機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行風(fēng)險。風(fēng)險評估過程中各參數(shù)權(quán)值和各設(shè)備權(quán)重可根據(jù)設(shè)備信息管理系統(tǒng)反饋來更新。

2.4 檢修優(yōu)化管理子系統(tǒng)

該系統(tǒng)根據(jù)健康監(jiān)測管理子系統(tǒng)接收設(shè)備、機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險評估結(jié)果，檢修優(yōu)化模塊綜合發(fā)電計劃、維修資源等客觀因素和機(jī)組當(dāng)前存在故障但未安排檢修工作的設(shè)備，在保證機(jī)組安全運(yùn)行前提下，以機(jī)組的利用率和檢修費(fèi)用為優(yōu)化目標(biāo)，自動規(guī)劃出檢修建議工單，設(shè)備管理人員可對檢修建議工單進(jìn)行干預(yù)，若確認(rèn)生成檢修工單，則提交至現(xiàn)有機(jī)組管理系統(tǒng)，按照現(xiàn)有流程負(fù)責(zé)檢修工作的執(zhí)行；檢修工作結(jié)束后，根據(jù)設(shè)備負(fù)責(zé)人對檢修結(jié)果的考核，將檢修效果反饋到系統(tǒng)各個子系統(tǒng)。若未生成檢修工單（表明機(jī)組運(yùn)行雖有缺陷，但不進(jìn)行檢修），則在檢修管理模塊中記錄機(jī)組缺陷，在下一次檢修優(yōu)化決策時再考慮處理。

這樣，完整的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)從設(shè)備運(yùn)行參數(shù)分析及預(yù)測、參數(shù)監(jiān)測、故障診斷、設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行風(fēng)險評估、檢修決策直至檢修管理的動態(tài)的、全過程的設(shè)備狀態(tài)檢修管理流程，為狀態(tài)檢修的實(shí)施提供支持。

3 應(yīng)用情況展示

該系統(tǒng)已成功在廣東省能源集團(tuán)有限公司沙角C 電廠應(yīng)用部署，在該系統(tǒng)運(yùn)行的兩年時間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息管理、早期異常預(yù)警、設(shè)備智能故障診斷、設(shè)備狀態(tài)健康度綜合評估、檢修建議與優(yōu)化決策。系統(tǒng)部署期間，該公司對磨煤機(jī)、引風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵等輔機(jī)進(jìn)行了故障診斷和檢修策劃，在設(shè)備狀態(tài)總覽頁面即可全面掌握所關(guān)注設(shè)備當(dāng)前的健康狀態(tài)、可能存在的缺陷，以及當(dāng)前檢修決策，同時可以在該頁面通過點(diǎn)擊不同功能區(qū)域，快速鏈接到相應(yīng)功能頁面做進(jìn)一步的查看與操作。

3.1 參數(shù)監(jiān)測

設(shè)備參數(shù)監(jiān)測分為模型監(jiān)測和規(guī)則監(jiān)測，對應(yīng)報警級別分別用黃色和紅色表示。具體而言，以3A漿液循環(huán)泵為例：首先通過“新增模型”功能，新建參數(shù)監(jiān)測模型，并進(jìn)行訓(xùn)練，噪聲級別0～20，訓(xùn)練采樣間隔和告警監(jiān)測間隔推薦60，單位s，殘差報警上限和下限在模型訓(xùn)練完后會自動填充，時間閾值和時間比例默認(rèn)為60s 和0.8s，表示連續(xù)監(jiān)測60次，當(dāng)有殘差報警比例達(dá)到0.8s 時觸發(fā)模型預(yù)警。選擇模型訓(xùn)練開始和結(jié)束時間（用設(shè)備歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型），點(diǎn)擊“訓(xùn)練”按鈕，模型在后臺自動訓(xùn)練，訓(xùn)練完成后將結(jié)果返回。

訓(xùn)練結(jié)果可在模型監(jiān)測—實(shí)時監(jiān)測或歷史查詢頁面中查看。告警功能會顯示該模型觸發(fā)的當(dāng)前（未處理）告警情況，告警信息包括：告警詳情、實(shí)際值、預(yù)測值及預(yù)警持續(xù)時間等信息。用戶可以對每一條預(yù)警信息進(jìn)行查看、確認(rèn)、忽略等處理方式。規(guī)則監(jiān)測功能與模型監(jiān)測類似。

3.2 振動監(jiān)測

部署了無線振動傳感器的設(shè)備，系統(tǒng)會自動接收設(shè)備振動數(shù)據(jù)，并進(jìn)行振動分析。系統(tǒng)還可以查閱相應(yīng)轉(zhuǎn)動設(shè)備的頻譜、時域波形、振動趨勢分析圖。通過這些圖表及趨勢自動分析和判斷設(shè)備狀態(tài)。

3.3 故障診斷

通過故障診斷/專家系統(tǒng)功能，可以同步設(shè)備當(dāng)前參數(shù)告警的征兆，也可以添加征兆，點(diǎn)擊開始診斷按鈕后，右側(cè)診斷結(jié)果欄會顯示可能的故障名稱及其置信度。專家系統(tǒng)的準(zhǔn)確性依賴設(shè)備故障征兆和故障模式的梳理完善程度，診斷結(jié)果僅供用戶參考。

3.4 檢修建議與檢修決策

通過檢修建議功能，系統(tǒng)自動給出檢修建議的統(tǒng)計情況，用戶可以直接在下方列表操作欄對檢修建議進(jìn)行處理，若某條檢修建議被確認(rèn)是對的，用戶需要填寫相應(yīng)的決策內(nèi)容和需要關(guān)聯(lián)的零部件，保存后將生成一條檢修決策。

通過檢修決策功能，系統(tǒng)自動給出檢修決策的統(tǒng)計情況，用戶可以直接在操作欄對檢修決策進(jìn)行處理，若某條檢修決策被確認(rèn)“完成”，則該條檢修決策狀態(tài)會由“進(jìn)行中”變成“已完成”。

這樣，基本實(shí)現(xiàn)了一個比較完善的設(shè)備狀態(tài)全過程檢修優(yōu)化決策系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。經(jīng)應(yīng)用分析，沙角C 電廠在部署該系統(tǒng)后，設(shè)備故障診斷一次準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上，設(shè)備年維修時間縮短了15天以上，避免了5次以上設(shè)備過修問題，年節(jié)約維修費(fèi)用下降20%以上。

4 結(jié)論與展望

本項目開發(fā)了一個電廠設(shè)備狀態(tài)優(yōu)化檢修系統(tǒng)。在沙角C 電廠現(xiàn)有SIS 等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過新增開發(fā)參數(shù)監(jiān)測管理子系統(tǒng)、故障診斷管理子系統(tǒng)、健康監(jiān)測管理子系統(tǒng)及檢修優(yōu)化管理子系統(tǒng)，構(gòu)造了一個比較完善的從設(shè)備參數(shù)監(jiān)測、故障診斷到檢修決策的全過程設(shè)備狀態(tài)檢修優(yōu)化決策系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用后，可提高設(shè)備可靠性和設(shè)備維護(hù)水平，降低設(shè)備檢修成本。

該系統(tǒng)將傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)維、定期巡檢與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)相結(jié)合，在一定程度上解決了設(shè)備運(yùn)維工作中巡檢難度大、成本高、效率低等行業(yè)難題，推動了設(shè)備維護(hù)從定期維保、事后維修向基于狀態(tài)的智能維護(hù)轉(zhuǎn)變，推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與先進(jìn)制造業(yè)、現(xiàn)代服務(wù)業(yè)等的深度融合，為我國火電廠設(shè)備運(yùn)維向智能運(yùn)維方向發(fā)展作出一定貢獻(xiàn)。