淺談智能監(jiān)測(cè)在電站泵類設(shè)備管理中的應(yīng)用實(shí)踐

俞建明

（中核運(yùn)維技術(shù)有限公司，浙江 杭州 311215）

1 原始設(shè)計(jì)與監(jiān)測(cè)配置

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備冷卻水泵是電站中的重要泵類設(shè)備，它的作用是將核島相關(guān)系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生的運(yùn)行發(fā)熱傳遞到廠用水系統(tǒng)，并最終釋放到自然熱阱（海水），從而保證這些被保護(hù)設(shè)備的可靠運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中，設(shè)備冷卻水泵設(shè)計(jì)為兩列并行，平時(shí)為一用一備運(yùn)行，在特定條件下，需要兩臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行以增加設(shè)備冷卻水流量，如圖1 所示。

圖1 設(shè)備冷卻水系統(tǒng)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)布置

設(shè)備冷卻水泵設(shè)計(jì)為臥式單級(jí)離心泵。兩臺(tái)泵布置于同一房間，成直線布置，廠房?jī)?nèi)從東到西依此為泵01B、電機(jī)01B，泵01A、電機(jī)01A。

1.3 原有監(jiān)測(cè)

1.4 原有監(jiān)測(cè)存在的不足

原有水泵雖已有多種參數(shù)的監(jiān)測(cè)，但是仍存在一些不足：（1）監(jiān)測(cè)方案不足，如對(duì)故障診斷有重要意義的振動(dòng)監(jiān)測(cè)沒有進(jìn)行監(jiān)測(cè)；（2）監(jiān)測(cè)參數(shù)沒有進(jìn)行融合監(jiān)測(cè)，每個(gè)參數(shù)都是獨(dú)立監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)之間沒有融合；（3）沒有建立故障診斷的規(guī)則庫，不能為工程師診斷故障提供輔助決策；（4）人工監(jiān)測(cè)將引入其他風(fēng)險(xiǎn)，如區(qū)域狹小帶來的誤碰風(fēng)險(xiǎn)、高處作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和高溫作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)等。

2 智能監(jiān)測(cè)的實(shí)施

為了解決原有監(jiān)測(cè)存在的不足，提升設(shè)備監(jiān)測(cè)的效果，在審查設(shè)備冷卻水泵的監(jiān)測(cè)方案時(shí)，對(duì)設(shè)備冷卻水泵的失效模式進(jìn)行了分析，并根據(jù)先進(jìn)模式識(shí)別方法對(duì)監(jiān)測(cè)要求進(jìn)行了升級(jí)。

基于初始設(shè)計(jì)要求，設(shè)備制造商為設(shè)備冷卻水泵配置了以下的監(jiān)測(cè)條件，包括泵入口壓力、出口壓力、泵入口母管溫度、泵出口母管溫度、泵出口母管流量等參數(shù)，如表1 所示。

表1 現(xiàn)有系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)清單

2.1 監(jiān)測(cè)方案分析及優(yōu)化補(bǔ)充

根據(jù)先進(jìn)模式識(shí)別，對(duì)泵的失效模式進(jìn)行分析整理，可以發(fā)現(xiàn)主要的可監(jiān)測(cè)征兆點(diǎn)有入口壓力、入口溫度、入口流量、出口壓力、出口溫度、出口流量、驅(qū)動(dòng)端三向振動(dòng)、非驅(qū)動(dòng)端三向診斷、驅(qū)動(dòng)端位移、非驅(qū)動(dòng)端位移、驅(qū)動(dòng)端軸承溫度、非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度、推力軸承位移、推力軸承溫度等。對(duì)于單級(jí)離心泵的最有價(jià)值的監(jiān)測(cè)參數(shù)如圖2，包括軸承部位的三向振動(dòng)、軸承的溫度等參數(shù)。

圖2 離心泵監(jiān)測(cè)參數(shù)價(jià)值分析圖

對(duì)以上離心泵的監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)價(jià)值分析進(jìn)行整理，得到如表2，表中簡(jiǎn)要列出了泵的主要失效位置、降級(jí)機(jī)理、可監(jiān)測(cè)的手段如振動(dòng)、熱成像、溫度及油液分析。

表2 泵故障特征及監(jiān)測(cè)分析

如表2 所示可知，作為轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的泵，其最主要的失效問題還在于葉輪不平衡或磨損、密封泄漏、底座松動(dòng)、泵軸彎曲變形、軸承磨損等問題。而目前可采用的監(jiān)測(cè)方法主要包括振動(dòng)測(cè)量、熱成像、溫度監(jiān)測(cè)、油液分析等方法。

而根據(jù)圖3 所示轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的故障發(fā)展過程來看，在故障初期第1 階段，超聲特征會(huì)有所改變，但此時(shí)的缺陷征兆不容易被識(shí)別且故障程度也無須進(jìn)行修正；到故障早期的第2 階段，振動(dòng)特征已經(jīng)開始改變，根據(jù)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)比較容易進(jìn)行信號(hào)捕捉，而且此時(shí)已經(jīng)需要采取一定的措施對(duì)故障缺陷進(jìn)行糾正；到故障發(fā)展的第3 階段，轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損已經(jīng)發(fā)生并且對(duì)潤(rùn)滑油的品質(zhì)產(chǎn)生了影響，部分磨損顆粒也已經(jīng)產(chǎn)生并可分析確認(rèn)；到第4 階段，由于潤(rùn)滑和冷卻的不良，會(huì)導(dǎo)致軸承等部位的溫度升高；到第5 階段，隨著磨損的繼續(xù)發(fā)展，已經(jīng)可以發(fā)現(xiàn)較為明顯的噪音；到第6 階段，軸承等部位的溫度會(huì)隨著摩擦效果而急劇上升；最終造成轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的故障發(fā)生。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備故障發(fā)展圖

從以上分析可以得到，振動(dòng)、溫度、油液分析對(duì)轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的故障程度的認(rèn)知是比較可靠的。在本例中，由于設(shè)備冷卻水泵的潤(rùn)滑油液的量相對(duì)較少，而實(shí)現(xiàn)在線油液分析的變更難度較大，且泵的潤(rùn)滑油更換較易實(shí)施，并且在潤(rùn)滑油更換時(shí)也可以進(jìn)行油液的分析而不需要增加在線的分析，因此，主要考慮對(duì)泵本體增加振動(dòng)、溫度的監(jiān)測(cè)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)傳感器的配置

根據(jù)2.1 節(jié)的分析，結(jié)合設(shè)備已有的監(jiān)測(cè)手段，對(duì)設(shè)備冷卻水泵的監(jiān)測(cè)方案的總結(jié)如表3。

表3 推薦臥式-單級(jí)離心泵監(jiān)測(cè)參量

從表3 中結(jié)論可看到，新方案對(duì)泵的監(jiān)測(cè)主要是新增了三向振動(dòng)傳感器和軸承溫度傳感器。選用的是振動(dòng)溫度一體的無線探頭，布置點(diǎn)為電機(jī)的非驅(qū)動(dòng)端、驅(qū)動(dòng)端、泵的驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端四個(gè)位置共12 個(gè)無線探頭，這些無線在線監(jiān)測(cè)探頭解決了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的誤碰風(fēng)險(xiǎn)和高溫作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)泵增加了額外的監(jiān)測(cè)參數(shù)以后，要實(shí)現(xiàn)新增監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集并和電站已有DCS 數(shù)據(jù)之間的融合。另外，還需實(shí)現(xiàn)異常自判斷、趨勢(shì)分析、故障診斷、自動(dòng)健康報(bào)告、報(bào)警信息推送等功能。它以一種在線監(jiān)督和信息推送的方式向工程師報(bào)告設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而為工程師的決策提供準(zhǔn)確的支撐數(shù)據(jù)。如圖4 即為泵的振動(dòng)參數(shù)測(cè)量實(shí)測(cè)值和特征趨勢(shì)圖，可以非常直觀地為工程師提供泵的振動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)。

圖4 泵非驅(qū)動(dòng)端的振動(dòng)實(shí)測(cè)值與特征趨勢(shì)圖

3 智能分析系統(tǒng)的建設(shè)

為泵增加智能監(jiān)測(cè)，主要的特點(diǎn)體現(xiàn)在智能診斷。因工業(yè)大數(shù)據(jù)區(qū)別于商業(yè)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，商業(yè)大數(shù)據(jù)主要集中于判斷各類數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，而工業(yè)大數(shù)據(jù)不僅僅需要建設(shè)這種相關(guān)性，而且需要將之與設(shè)備的運(yùn)行機(jī)理和失效模式相結(jié)合，從而為工程師決策提供依據(jù)，因此，為泵類設(shè)備設(shè)計(jì)智能診斷還需要進(jìn)一步的工業(yè)運(yùn)行機(jī)理的研究。本節(jié)主要就是介紹泵類設(shè)備的失效征兆與故障結(jié)論研究、故障規(guī)則庫的建設(shè)、故障案例庫的建設(shè)、和故障自動(dòng)診斷的實(shí)現(xiàn)。

3.1 故障模式分析

為了構(gòu)建一個(gè)更好的泵類設(shè)備智能監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，需要對(duì)設(shè)備的故障方式進(jìn)行全面的分析，首先，要研究征兆規(guī)則和故障結(jié)論，征兆規(guī)則包括故障征兆發(fā)生的部位、征兆的對(duì)象、征兆的變動(dòng)屬性等；故障結(jié)論包括故障發(fā)生的部位、故障的具體類型、故障的原因、故障的結(jié)論、應(yīng)該采取的解決措施等，如表4。

表4 故障規(guī)則分析表

3.2 故障規(guī)則庫

在對(duì)設(shè)備進(jìn)行失效分析后，將故障的結(jié)論和故障的征兆進(jìn)行融合，形成設(shè)備的故障規(guī)則庫，表4 是泵類設(shè)備葉輪不平衡、泵軸承損傷兩個(gè)故障規(guī)則的案例，對(duì)泵進(jìn)行全面的故障分析后形成泵的故障規(guī)則庫。故障規(guī)則庫的構(gòu)建需要綜合科研機(jī)構(gòu)、制造廠商、行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐等綜合信息進(jìn)行構(gòu)建，而且是需要不斷更新完善的，圖5 是故障征兆、故障結(jié)論、故障規(guī)則和故障案例之間關(guān)系。

圖5 故障征兆、故障結(jié)論、故障規(guī)則和案例庫

3.3 故障自動(dòng)診斷推理

故障的自動(dòng)診斷和結(jié)論推理排序是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過程，但是，對(duì)電站工作實(shí)際又有較高的指導(dǎo)意義。它既要考慮故障與征兆之間的邏輯關(guān)系，又要考慮故障結(jié)論與征兆之間的依存度，還要考慮本電站設(shè)備發(fā)生故障的實(shí)際情況。因此，建立一個(gè)相對(duì)較為科學(xué)的故障診斷排序方法是比較困難的，也要更多地依賴電站工程師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

在對(duì)設(shè)備的失效方式進(jìn)行分析的過程中，發(fā)現(xiàn)每類故障都會(huì)有多個(gè)故障征兆相伴隨。而單個(gè)故障征兆又可能指向不同的故障。根據(jù)條件概率的計(jì)算方式，我們將故障概率定義為Pi（B），將故障征兆定義為Pj（A）。

式中，P（B）：在某一征兆出現(xiàn)的情況下，特定故障的概率；P（Ai）：故障對(duì)應(yīng)的每個(gè)征兆出現(xiàn)的概率；從故障機(jī)理來說，故障發(fā)生時(shí)，一般與之關(guān)聯(lián)的征兆都會(huì)出現(xiàn)，而單一征兆出現(xiàn)時(shí)，故障的置信度則需進(jìn)行平衡化分配，初次設(shè)置一般將征兆出現(xiàn)的可能性置為1/n；P（B/Ai）：在征兆Ai出現(xiàn)的情況下，發(fā)生故障的可能性，也即是上文表4 中所示的關(guān)聯(lián)度系數(shù)。

表5 即為某次泵驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)速度有效值超閾值上限后推理出的故障結(jié)論表。之所以有這么多的推理結(jié)果，是因?yàn)樵撜髡资且粋€(gè)較為廣譜的征兆，它與多個(gè)故障結(jié)論有關(guān)聯(lián)，而且在每個(gè)故障結(jié)論的征兆群里的重要程度并不相同。

表5 故障規(guī)則推理匹配表

4 應(yīng)用實(shí)踐

2023 年3 月22 日，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線振動(dòng)傳感器測(cè)到2 號(hào)機(jī)設(shè)備冷卻水泵B（2-CCS-MP-01B）測(cè)點(diǎn)P1V振動(dòng)6.3mm/s，觸發(fā)系統(tǒng)報(bào)警，如圖6，振動(dòng)測(cè)試人員到現(xiàn)場(chǎng)使用手持振動(dòng)檢測(cè)儀復(fù)測(cè)核實(shí)振動(dòng)超標(biāo)。

圖6 設(shè)備冷卻水泵振動(dòng)超標(biāo)圖

使用故障自診斷系統(tǒng)進(jìn)行故障推測(cè)，部分推測(cè)結(jié)果如表5。

從表5 推理結(jié)論來看，導(dǎo)致本次振動(dòng)有效值超標(biāo)的可能結(jié)論很多，而且各故障的可能性與3.3 節(jié)所描述的故障征兆與故障結(jié)論的關(guān)聯(lián)度設(shè)計(jì)有關(guān)。本次故障報(bào)警后，電站對(duì)泵進(jìn)行了解體檢查和維修，發(fā)現(xiàn)：泵驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承外圈內(nèi)側(cè)均存在缺陷，葉輪動(dòng)平衡也不合格。后對(duì)軸承進(jìn)行了更換，對(duì)葉輪進(jìn)行了打磨修復(fù)和動(dòng)平衡試驗(yàn)，回裝后復(fù)測(cè)振動(dòng)合格。

經(jīng)過對(duì)此次事件進(jìn)行根本原因分析，主要的經(jīng)驗(yàn)為：由于系統(tǒng)內(nèi)兩臺(tái)泵布置關(guān)系，電機(jī)01A—泵01A—電機(jī)01B—泵01B 在一條直線上，在01A 泵運(yùn)行期間，01B 泵停運(yùn)，01A 泵的振動(dòng)通過樓板/管道傳遞給01B，導(dǎo)致01B 泵的軸在軸承內(nèi)出現(xiàn)小幅振動(dòng)，從而出現(xiàn)磨損現(xiàn)象。設(shè)備在正常運(yùn)行期間，軸承內(nèi)接觸面間，本可以建立油膜，起到降低磨損的作用；但是，在微動(dòng)磨損的情況下，難以建立起油膜，因此磨損情況會(huì)加劇產(chǎn)生。

從本次故障推理的情況來看，葉輪不平衡和軸承磨損都在故障規(guī)則的推理范圍內(nèi)，但是，因?yàn)檫@種由于泵的微振而導(dǎo)致軸承損壞的概率不高，因此其推理結(jié)果的排名并不靠前；而葉輪不平衡的問題也因?yàn)橐话惚迷O(shè)備在安裝前都會(huì)在廠家進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)而概率較小。但是，這個(gè)故障畢竟發(fā)生了，并且本次事件故障結(jié)論已確定為軸承損壞和葉輪不平衡，所以有必要將案例進(jìn)行錄入并在下次出現(xiàn)同類型征兆診斷時(shí)考慮。在將故障轉(zhuǎn)化為本設(shè)備的故障案例后，再重新進(jìn)行振動(dòng)超標(biāo)的故障診斷測(cè)試，發(fā)現(xiàn)診斷結(jié)論為軸承損壞的匹配度上升。也就是說，只要有足夠多的故障案例，智能系統(tǒng)的故障診斷結(jié)論會(huì)越來越接近于設(shè)備的實(shí)際情況。

5 結(jié)語

智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已運(yùn)行一段時(shí)間，已在以下四個(gè)方面發(fā)揮了作用：（1）幫助工程師多次提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障征兆，經(jīng)過及時(shí)的分析應(yīng)對(duì)，避免了設(shè)備的非預(yù)期故障失效。（2）新增加的振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，完全替代了原來的人工離線振動(dòng)分析，減少了現(xiàn)場(chǎng)高溫高噪音等惡劣環(huán)境下的工作量。（3）通過多源狀態(tài)參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，替代了原來由工程師進(jìn)行的參數(shù)監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)分析，減輕了工程師的工作強(qiáng)度。（4）通過綜合健康監(jiān)測(cè)分析設(shè)備健康狀態(tài)，已將設(shè)備冷卻水泵的解體大修由原來的基于時(shí)間的定期維修轉(zhuǎn)為基于狀態(tài)的解體維修，進(jìn)一步增加了可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

綜上，為泵類設(shè)備增加智能監(jiān)測(cè)是一個(gè)非常有價(jià)值的前瞻性的工作，值得在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行推廣。