水電站核心設(shè)備健康狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)概論

摘 要：正確判斷水電站設(shè)備的健康狀態(tài)具有十分重要的意義。因此，本文在概括介紹水電站設(shè)備狀態(tài)評估系統(tǒng)研究形勢的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了設(shè)備狀態(tài)檢查、設(shè)備故障判斷、壽命預(yù)判和設(shè)備狀態(tài)評價等水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)，并且總結(jié)了水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估系統(tǒng)的研究意義。

關(guān)鍵詞：水電廠；電力設(shè)備；狀態(tài)評估；狀態(tài)檢測

1 緒論

眾所周知，中國的大中型水電站必須具有長期工作的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。而隨著科技日新月異的發(fā)展，這些水電站具有逐漸提升的自動化程度，這使得水電站各種設(shè)備之間有著更加緊密和復(fù)雜的聯(lián)系[1-2]。傳統(tǒng)的以經(jīng)驗和主觀判斷為基礎(chǔ)的設(shè)備管理方法，因其不具備理論指導(dǎo)而不能很好地迎合實際需求。所以，為了能對大中型水電站設(shè)備的健康狀態(tài)做出全面合理的評估，必須形成一個完備的，具有高度可操作性和效率的評估系統(tǒng)，讓管理人員能夠?qū)υO(shè)備狀況有切實的掌握，進(jìn)一步保障各項設(shè)備能夠正常運(yùn)行，并且對水電企業(yè)的設(shè)備管理和檢修工作也有著一定的指導(dǎo)作用。[3-4]

2 水電站核心設(shè)備狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)

在現(xiàn)階段，我國對水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估體系的探索仍屬于初級階段，而這種評估是檢修不可缺少的標(biāo)準(zhǔn)，特別是對大中型水電站而言，相關(guān)的研究工作尚才起步，導(dǎo)致實際應(yīng)用中可以參考的資料非常匱乏。[5]此外，現(xiàn)存的研究工作大多以單獨(dú)的水電站設(shè)備為對象，以實時監(jiān)測為主，很少有以整體設(shè)備狀態(tài)評估為研究對象的。當(dāng)然，現(xiàn)在飛速發(fā)展的科技為設(shè)備狀態(tài)評估打開了一個新的窗口，研究人員綜合各種理論、方法和技術(shù)，得到了許多工作成果。本文針對水電站核心設(shè)備（如發(fā)電機(jī)、變壓器等）的健康狀態(tài)評估研究現(xiàn)狀，進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

2.1 設(shè)備狀態(tài)檢測

設(shè)備狀態(tài)檢測起源于狀態(tài)檢修。由于人們對狀態(tài)檢修的重視程度日漸提升，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測也成為了熱點(diǎn)。設(shè)備狀態(tài)檢測關(guān)鍵在于技術(shù)，也就是說以監(jiān)測手段為途徑，探測設(shè)備相關(guān)的各方面信息，諸如振動、噪聲、應(yīng)力等。利用相關(guān)技術(shù)對獲取的信息加以處理，從而得到設(shè)備狀態(tài)的情況，設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、或者是可能出現(xiàn)的異常，都能夠得得知，一旦出現(xiàn)了劣化傾向，也能夠?qū)ζ涑潭冗M(jìn)行判斷。設(shè)備狀態(tài)檢測能夠為設(shè)備的檢修提供科學(xué)依據(jù)，提升了設(shè)備檢修合理性，降低企業(yè)設(shè)備維護(hù)成本。所以，我國很多要求設(shè)備安全性特別高或者在設(shè)備維修方面花費(fèi)太多的企業(yè)開始關(guān)注設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測，特別是水電站行業(yè)企業(yè)。

王世山等介紹了振動法進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的原理和判斷依據(jù)，認(rèn)為振動法是有效監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的方法。孟永鵬等系統(tǒng)分析了對電力設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢測的各種方式以及優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為未來設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，小波理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會起著舉足輕重的作用。潘宏俠等對變壓器發(fā)生故障的問題總結(jié)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了電力變壓器中油內(nèi)氣體的在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以高效監(jiān)測出變壓器內(nèi)部可能存在的故障。史欽鋒在變壓器在線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了優(yōu)化升級。

相對應(yīng)地，市面上已經(jīng)有完善的設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)。例如，ABB 公司名下的OPTIMAX 軟件，功能多樣、覆蓋面廣，適用于許多國外電廠。美國AVO 公司的TrueGas 變壓器油中氣體在線監(jiān)測設(shè)備，能夠?qū)Π朔N氣體進(jìn)行檢測；澳大利亞紅相電力設(shè)備集團(tuán)的DRMCC變壓器在線監(jiān)測控制系統(tǒng)，持久工作的特性讓它能對變壓器的各方面信息進(jìn)行不間斷、全面的檢測。目前中國的相關(guān)產(chǎn)品有，寧波理工監(jiān)測設(shè)備有限公司的TRAN-A、TRAN-B型變壓器故障在線監(jiān)測設(shè)備，以及東北電力試驗研究院研制的BSZ型大型變壓器油色譜在線監(jiān)測裝置。

2.2 設(shè)備故障診斷

設(shè)備故障診斷又稱設(shè)備狀態(tài)診斷，它是指從設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果來發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障，隨后對其原因進(jìn)行分析，并且判斷設(shè)備的后續(xù)狀況。設(shè)備故障診斷中關(guān)鍵的是預(yù)測，因此需要將技術(shù)和理論相互結(jié)合，全面對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行判斷。診斷所需要的數(shù)據(jù)多數(shù)來自于檢測，也有部分是設(shè)備的性能指標(biāo)。診斷需要的數(shù)據(jù)處理方法大多是建立在發(fā)展完善的基礎(chǔ)理論上的，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)和小波分析等。關(guān)于設(shè)備診斷技術(shù)的研究已經(jīng)取得了既滿足理論又能應(yīng)用于實際的成果。

潘宏俠等使用了小波分析、信息融合等技術(shù)，開展了水電站設(shè)備中齒輪的傳動系統(tǒng)的故障診斷研究。王玉雷等詳細(xì)闡述了RBF網(wǎng)絡(luò)模型及其特征，并在此基礎(chǔ)上分析了在RBF網(wǎng)絡(luò)在發(fā)動機(jī)設(shè)備故障診斷中的應(yīng)用 。宮會麗等總結(jié)匯總了電力變壓器故障，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了變壓器故障診斷模型，并詳細(xì)介紹了該模型的使用方法。采取設(shè)備診斷技術(shù)能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)進(jìn)行預(yù)估，這種技術(shù)非常符合對設(shè)備安全系數(shù)很高的水電站行業(yè)。

2.3 壽命預(yù)測技術(shù)

壽命預(yù)測技術(shù)是以設(shè)備或部件為研究對象，判斷其在規(guī)定運(yùn)行環(huán)境下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時間的技術(shù)。一般地，壽命預(yù)測指的是剩余壽命預(yù)測，也稱剩余壽命評估評定、機(jī)構(gòu)完整性評估。壽命預(yù)測需要充足的資料、檢驗和試驗工作為支撐。此領(lǐng)域的相關(guān)研究也很豐富。

日本電力設(shè)備部件殘余壽命評估的辦法是水電站核心設(shè)備部件進(jìn)行破壞性與非破壞性試驗，同時進(jìn)行解析分析做壽命評估，將這三種方法進(jìn)行綜合比較從而得出其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以及適用條件；在實際運(yùn)行部件上作非破壞性試驗或取樣作破壞性試驗并進(jìn)行解析分析，驗證這三種方法的適用條件；對三種方法進(jìn)行全面評估，最后得到改善方案。

美國電力研究院采用的是“三級評估法”，這一方法也被其他國家所使用，此外美國還制訂了比較完善的“綜合壽命管理程序”，將其設(shè)為美國電力企業(yè)壽命管理工作的通用導(dǎo)則。“三級評估”一般需要破壞性試驗、取樣和機(jī)理研究，有時還要通過監(jiān)測系統(tǒng)對損傷源頭做出判斷，提出應(yīng)對方案。

我國的電力壽命管理工作尚且處于起步階段，應(yīng)用范圍十分小，只能以個別的設(shè)備和部件為對象，進(jìn)行某些技術(shù)的專業(yè)診斷。我國的楊萍學(xué)者對處于多泥沙河流中的水輪機(jī)混流式、軸流式葉片的腐蝕進(jìn)行了調(diào)研，從對機(jī)組的可靠度、設(shè)備故障率、設(shè)備的平均無故障工作時間等多個維度對水電站設(shè)備的壽命進(jìn)行了評估預(yù)測。除此之外，還可以采取應(yīng)力分析、破壞試驗等方式對水電站的核心設(shè)備壽命進(jìn)行預(yù)測。

2.4 設(shè)備狀態(tài)評估

與設(shè)備狀態(tài)評估相關(guān)的研究不在少數(shù)，涵蓋較為廣泛繁雜的領(lǐng)域，因此設(shè)備狀態(tài)評估只是一個泛泛的概念，與狀態(tài)檢測、故障診斷和壽命診斷都有聯(lián)系，通史研究設(shè)備狀態(tài)評估的研究人員，各自專注于不同的細(xì)化方面。總體上看，該領(lǐng)域的研究工作也不成熟，而且由于評估的目的、側(cè)重點(diǎn)和技術(shù)都不盡相同，不同的研究方向所得到理論模型也不同。現(xiàn)在的設(shè)備狀態(tài)評估研究方向主要是建立在試驗數(shù)據(jù)上的，綜合考慮歷史試驗數(shù)據(jù)、質(zhì)量事件、家族事件各項因素從而得出設(shè)備的健康狀況，并根據(jù)它來決定是否對設(shè)備進(jìn)行維修。不同的設(shè)備可能具有不同的表示設(shè)整體狀態(tài)的參數(shù)，在實際工作中要結(jié)合具體情況。現(xiàn)階段，以單獨(dú)或者少量設(shè)備精確狀態(tài)為對象的研究占多數(shù)。

目前主要的研究方向是以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的設(shè)備健康狀態(tài)評估，是根據(jù)設(shè)備的歷次試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合質(zhì)量事件、家族事件等綜合分析設(shè)備的健康狀況，作為判斷設(shè)備是否需要維修的依據(jù)。對不同的設(shè)備，表示設(shè)備整體狀態(tài)的參數(shù)可能是不同的，需根據(jù)具體情況確定。目前這種針對單個或者少量的設(shè)備的精確狀態(tài)的研究比較多。

唐志英學(xué)者結(jié)合KPI理論、數(shù)據(jù)挖掘理論、OLAP技術(shù)等，提出了一種新的對水電站的電力設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)評估的方法，構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，同時在實際情況中對該數(shù)學(xué)模型了實證分析。使用模糊數(shù)學(xué)技術(shù)理論，配合水電站變電設(shè)備的使用狀態(tài)評估系統(tǒng)，可以把水電站變電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)信息和對設(shè)備的預(yù)估實驗數(shù)據(jù)信息結(jié)合起來，以此來對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

3 結(jié)語

盡管我國已有學(xué)者對水電站設(shè)備的狀態(tài)評估進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了一定的成果，但是從整體上看這方面的工作還有許多需要開拓和深入的地方，評估的手段和方法種類繁多，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是根據(jù)設(shè)備的各種信息，包括設(shè)備自身特性、運(yùn)行工況、運(yùn)行時間、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等，對整套的設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行評估，確定整套的設(shè)備健康狀態(tài)的研究還非常少見。然而這方面的研究具有非常重要的意義，它不僅幫助企業(yè)掌握整體設(shè)備狀態(tài)的情況，讓企業(yè)對事故多發(fā)期有準(zhǔn)備和應(yīng)對，提前去除安全隱患；而且可以幫助企業(yè)科學(xué)合理確定設(shè)備檢修時間、更換時間，節(jié)約成本，避免浪費(fèi)。因此開展在這一方面的研究很有科學(xué)價值和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊賢.面向智能水電站的遠(yuǎn)程監(jiān)測與分析系統(tǒng)[D].華中科技大學(xué)，2012.

[2]潘偉峰，麻志成，朱傳古.水電主設(shè)備狀態(tài)評價建模關(guān)鍵技術(shù)研究[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2016，39（08）：52-54+96.

[3]潘偉峰，馬程程，朱傳古.水電廠主設(shè)備狀態(tài)檢修決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].水電與抽水蓄能，2016，2（06）：89-95.

[4]吳紅艷，劉建勇，王偉.水電站變電設(shè)備狀態(tài)檢修[C].2010輸變電年會論文集，2010.

[5]劉海鵬.大中型水電站設(shè)備健康狀態(tài)評估體系研究[D].重慶大學(xué)，2010.

作者簡介：李振坡（1983-），男，河南開封人，工程師，研究方向：水電站設(shè)備。