基于FMEA的水電機組狀態評價方法研究

夏 洲 ，孫萬成 ，徐 潔，潘偉峰，朱傳古

（1.國網電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇 南京 210003；2.江蘇蘇美達集團有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

水電廠開展設備狀態檢修，狀態監測是技術基礎，核心是設備狀態評價，多年以來基于故障診斷的水電設備的狀態評價一直沒有突破[1]，但是，國內電力企業對實現狀態檢修的探索并沒有停步[2]，如基于RCM的設備檢修[3]、基于點檢定修的設備檢修[4]等，從技術、管理和業務流程上探索實現狀態檢修，關注重點也從單純的故障診斷技術轉向設備狀態評價技術，特別是國家電網公司在輸變電設備狀態評價技術上開展了大量的工作[5]，取得顯著成績，加拿大魁北克水電研制的水電廠發電機綜合診斷系統（MIDA）已得到應用[6]，這些工作為水電廠開展設備狀態評價提供了有益的參考。

不同于變壓器、斷路器等設備，水電機組結構復雜，運行中受到的影響因素較多，給水電機組狀態評價帶來困難，隨著監測技術的發展，狀態信息采集更加準確和豐富[7，8]，為水電機組狀態評價和健康狀況的評價奠定了技術基礎，采用失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,簡稱FMEA)[9]與因果樹狀分析圖相結合，是一種行之有效的方法。

1 FMEA和因果樹狀分析方法介紹

1.1 FMAE介紹

FMEA是20世紀60年代中期由美國國家航天航空局（NASA）在航空航天項目框架范圍內提出的一種工作方法。在水電設備狀態評價中，FMEA可以用來識別水電機組各部分潛在的失效模式、這些故障對系統的影響、故障的原因、采取的措施。在FMEA的基礎上，失效模式、影響和危害度分析（Failure mode and effect and criticality analysis,簡稱FMECA)方法拓展了FMEA的適用范圍[10]，根據機組部件的重要性和危害程度，FMECA可以對每種被識別的失效模式進行排序，能夠實現水電機組的半量化評價（等級評價），為進一步的測試和維修工作的規劃提供依據，也可以用于對水電機組設備的風險評估，實施內容包括：

（1）確定水電設備對象；

（2）組建實施工作團隊，人員可以由來自于研究院所、電廠運維部門、主機設備廠家、狀態監測設備廠家的技術人員組成；

（3）將水電設備對象分成部件（組件），確定：

1）各部件出現明顯失效模式是什么？

2）反映每種失效模式的影響因素表現（狀態量）是什么？

3）造成這些失效模式的具體機制（故障原因）是什么？

4）故障可能產生的影響；

5）失效的后果（破壞性）；

6）采取的補償措施，制定測試和維修工作的規劃。

采用FMECA方法時，需要根據失效后果的嚴重性，將每個識別出的失效模式進行分類，按照設備的重要性和失效程度評價狀態等級，通過故障模式后果與失效概率的組合獲得風險等級，定性、半定量或定量地表達失效模式對設備運行帶來的風險。

同一臺水電設備，經過技術改造、較大的檢修和部件更換等，失效模式和物理狀態可能發生變化時，應重新進行FMEA、FMECA的分析。

（4）FMEA的主要輸出結果是水電設備部件（組件）的失效模式、失效機制及其對各組件或者設備影響的清單（包括故障可能性的信息），也可以提供有關故障原因及其對整個設備（系統）影響方面的信息。FMECA的輸出包括對于設備或系統失效的可能性、由設備的重要性和失效程度評價狀態等級、失效模式導致的風險等級、風險等級和“監測到”的失效模式的組合等方面的重要性進行排序。

1.2 故障因果樹狀圖分析

水輪發電機組由大量的部件組成，故障機理十分復雜，屬于多故障模式系統，從各種故障根源（Ci）到發生的所有可能的失效模式（Fi）過程中，是以各種有關聯關系和離散的物理狀態（ei）反映出來的，可以采用故障因果樹狀分析圖對設備失效模式、故障根源和物理狀態進行分析，如圖1所示，這些物理狀態（ei）有的是可以被監測的，有的是無法監測到的，反映了劣化過程中的設備狀態（S），因此，對能夠被監測到的物理狀態進行量化評價，預示設備發生失效的可能性。

圖1 故障因果樹狀分析圖

由于水輪發電機組故障的影響因素包括水力、機械、電氣等，機理復雜，對設備進行分析，故障根源（Ci）很難羅列完全，由故障根源（Ci）到發生的所有可能的失效模式（Fi）途徑描述完全是很困難的，僅以有限的狀態量（S）評價整個設備狀態難免管中窺豹，如果將復雜的設備分解為不同的部件，采用FMEA方法分別對部件的故障原因和失效模式進行分析，評價其狀態，則問題得以簡化，因此，可以將設備按照結構或功能分解成不同的部件，根據監測到的狀態量對于部件狀態進行評價打分，最后綜合各部件的劣化程度分值獲得整體設備的健康狀態評價。

2 水電機組狀態評價方法

采用FMEA方法對水電機組狀態評價流程如圖2所示，具體步驟如下：

圖2 設備狀態評價流程圖

（1）結構分解與狀態量關聯

按照結構或功能將水電機組分解成不同的部件（或組件），如蝸殼、接力器及導葉、轉輪、主軸、轉子、定子、上導軸承及油箱、推力軸承（組合軸承）及油箱、下導軸承及頂蓋等，每個部件可能具有一個或多個狀態量，如溫度、振動、位移、壓力、電壓、電流等，分別表示為S11、S12、S13……，狀態量的數值反映不同的劣化程度，根據狀態量的數值區間進行分級，對應不同的劣化程度的分級，每個分級對應一個劣化分值Aij，如表1所示。

表1 狀態分級

（2）部件狀態評價

不同的狀態量對機組的性能和安全運行影響也是不同的，根據狀態量對設備的性能和安全運行影響大小賦予不同的權重Qij，如部件1的狀態量S11的權重表示為Q11，然后計算部件i各個狀態量Sij的分值：Sij=Qij×Aij，以及部件 i的狀態量分值：Si=∑Sij。綜合Sij和Si的分值區間評定該部件的等級：正常、注意、異常、嚴重。表2為某部件狀態分值與相應狀態的對應示例。

表2 部件狀態分值對應表

當狀態量（尤其是多個狀態量）發生變化，且不能確定變化的原因和部位，可以采用診斷分析方法，判斷異常的原因，確定評分的部件和分值。

（3）機組健康狀態評價

最后，綜合設備各部件等級獲得設備的健康指數及狀態等級，狀態分級可參照電力設備的狀態分級[11]，定義見表 3。

表3 設備狀態分級定義

當所有關鍵部件的評價結果為正常時，機組的整體健康狀態為正常，當任一關鍵部件狀態評價為注意、異常和嚴重時，機組整體健康狀態評價應為其中最嚴重的狀態。

3 結論

基于FMEA的水電機組狀態評價方法，與故障因果樹狀分析圖相結合，實現了水電機組狀態的量化（或等級）評價，提供了電廠設備狀態的總貌，根據部件的評價等級排序，推斷出檢修的部位、內容和緊迫程度，為實現水電機組狀態檢修決策提供量化的依據。南京南瑞集團公司在此基礎上建立了以設備狀態評價為核心的水電廠設備狀態評價與檢修決策技術體系，開發了CMS9000水電廠主設備狀態檢修決策支持系統并在多個電廠推廣使用[12]。同時在實施過程中我們體會到，對機組部件狀態量的分值定義、權重的分配、建立故障因果樹狀分析圖，需要相關專業技術人員做大量細致的基礎工作，充分體現了水電機組狀態評價和狀態檢修工作的難點和關鍵點。