發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)智能診斷分析系統(tǒng)建設(shè)

國電樂東發(fā)電有限公司 黃書益 岳 琳 方豐智 馬開明

設(shè)備可靠性是機(jī)組安全生產(chǎn)的重要保障，因此，在設(shè)備的全壽命周期中，通過對(duì)設(shè)備的管理優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)機(jī)組可靠性和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)化平衡，對(duì)電廠的生產(chǎn)經(jīng)營具有重要意義[1]。隨著智慧電廠建設(shè)越來越廣泛，以狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修為核心的設(shè)備智慧化管理在我國發(fā)電行業(yè)得到了積極推廣。狀態(tài)檢修是指在設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)和分析診斷結(jié)果安排檢修時(shí)間和項(xiàng)目，并主動(dòng)實(shí)施的檢修方式。

從設(shè)備安全性角度考慮，狀態(tài)檢修方式以設(shè)備當(dāng)前的實(shí)際工作狀況為依據(jù)[2]，通過先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段、可靠性評(píng)價(jià)手段及壽命預(yù)測(cè)手段判斷設(shè)備的狀態(tài)，識(shí)別故障的早期征兆，對(duì)故障部位及其嚴(yán)重程度、故障發(fā)展趨勢(shì)做出判斷，并根據(jù)分析診斷結(jié)果在設(shè)備性能下降到一定程度和故障將要發(fā)生前進(jìn)行維修。由于科學(xué)地提高了設(shè)備的可用率和明確了檢修目標(biāo)，這種檢修體制耗費(fèi)最低，為設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期、全性能、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)和管理保障。

1 系統(tǒng)開發(fā)意義

實(shí)踐證明，狀態(tài)檢修的初步應(yīng)用給企業(yè)帶來了顯著的效益，設(shè)備可靠性和經(jīng)濟(jì)性都得到了有效提高，但我國狀態(tài)檢修的實(shí)施依然存在明顯問題。目前電力行業(yè)狀態(tài)檢修的實(shí)施普遍不完善，主要集中在設(shè)備監(jiān)控方面，而對(duì)狀態(tài)檢修的核心內(nèi)容即設(shè)備可靠性分析、數(shù)據(jù)挖掘和檢修決策方面則很少涉及，沒有形成完整的狀態(tài)檢修體系。

另一方面，電廠SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)全廠生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與處理，包含大量的設(shè)備實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)，主要用于反映設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性狀況。而點(diǎn)檢系統(tǒng)通過離線的外觀檢查、參數(shù)檢測(cè)、無損檢測(cè)、理化分析等方式獲得了設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要體現(xiàn)設(shè)備的可靠性程度。無論是SIS數(shù)據(jù)還是點(diǎn)檢數(shù)據(jù)都在一些方面描述了設(shè)備狀態(tài)，因此可通過對(duì)SIS數(shù)據(jù)和點(diǎn)檢數(shù)據(jù)的有機(jī)融合和充分挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的全面反映。

2 系統(tǒng)建設(shè)思路

2.1 整體技術(shù)路線

本文主要研究在發(fā)電企業(yè)現(xiàn)有硬件和信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開發(fā)基于大數(shù)據(jù)融合的電廠設(shè)備智慧化運(yùn)行管控系統(tǒng)。系統(tǒng)以SIS數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、融合點(diǎn)檢數(shù)據(jù)，并以相關(guān)試驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，以數(shù)據(jù)挖掘模型為工具；針對(duì)具體設(shè)備建立物理模型和運(yùn)行知識(shí)庫，進(jìn)而開展?fàn)顟B(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析等；以實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常發(fā)現(xiàn)、故障原因預(yù)判、檢修計(jì)劃建議的安全分析功能（簡稱“智慧安全島”），以及設(shè)備運(yùn)行尋優(yōu)、運(yùn)行優(yōu)化方式建議、影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行因素分析等經(jīng)濟(jì)分析和優(yōu)化功能（簡稱“智慧經(jīng)濟(jì)島”）；確保設(shè)備狀態(tài)全面受控，挖掘設(shè)備安全性和經(jīng)濟(jì)性的最佳平衡點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備的全程監(jiān)控和運(yùn)行管理水平提供有效和便利的技術(shù)途徑。

系統(tǒng)融合SIS（歷史和在線數(shù)據(jù)）、SAP、一體化平臺(tái)、精密專項(xiàng)點(diǎn)檢、歷史缺陷和維修臺(tái)賬、部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)等，通過離線學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)構(gòu)建設(shè)備知識(shí)庫和運(yùn)行尋優(yōu)案例庫。系統(tǒng)建立了智慧安全島和智慧經(jīng)濟(jì)島，智慧安全島的作用是通過設(shè)備狀態(tài)檢修提高設(shè)備可靠性、減少維護(hù)費(fèi)用；智慧經(jīng)濟(jì)島的作用是在保證安全的前提下，通過對(duì)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性分析、異常參數(shù)偵測(cè)和運(yùn)行尋優(yōu)，提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能增效。本文提出了一個(gè)基于SIS在線數(shù)據(jù)和點(diǎn)檢離線數(shù)據(jù)相融合的多維設(shè)備智慧化管控系統(tǒng)（圖1）。

圖1 總體技術(shù)路線

2.2 智慧安全島技術(shù)路線

首先對(duì)多維度數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)融合，提取設(shè)備特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的全面反映；基于多維數(shù)據(jù)離線挖掘獲得設(shè)備正常工況參數(shù)庫和故障知識(shí)庫，形成設(shè)備知識(shí)庫；利用風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)對(duì)機(jī)組的安全性評(píng)估，分析設(shè)備健康劣化對(duì)機(jī)組性能的影響程度，包括安全性風(fēng)險(xiǎn)及設(shè)備的壽命評(píng)估；最后基于設(shè)備的壽命周期管理情況，根據(jù)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析和故障診斷結(jié)果，構(gòu)造設(shè)備—故障模式—檢修方案的空間映射拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化算法綜合優(yōu)化設(shè)備檢修的時(shí)間和策略，為狀態(tài)檢修提供參考。預(yù)留與SAP缺陷和維修工單交互接口，后期可實(shí)現(xiàn)維修管理閉環(huán)。

2.3 智慧經(jīng)濟(jì)到技術(shù)路線

首先對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程的海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、提質(zhì)，挖掘得到設(shè)備運(yùn)行優(yōu)秀案例庫；基于運(yùn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)分析與經(jīng)濟(jì)性分析計(jì)算，偵測(cè)出影響經(jīng)濟(jì)性的異常參數(shù)；根據(jù)設(shè)備運(yùn)行優(yōu)秀案例庫，結(jié)合案例推理模型對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算，輸出運(yùn)行優(yōu)化建議供運(yùn)行人員參考，預(yù)留與ICS尋優(yōu)控制模塊的交互接口，后期可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)優(yōu)化。平臺(tái)建立運(yùn)行智能評(píng)價(jià)模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)操作分析、實(shí)時(shí)影響因素分析等，對(duì)優(yōu)化運(yùn)行的結(jié)果進(jìn)行智能反饋，形成“尋找歷史最優(yōu)—〉實(shí)際值與最優(yōu)值持續(xù)對(duì)標(biāo)—〉操作水平整體提升—〉產(chǎn)生新最優(yōu)”這樣一個(gè)螺旋上升的循環(huán)方式，提升設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，挖掘節(jié)能增效潛力。

3 實(shí)際案例

3.1 智慧安全島

本文系統(tǒng)建設(shè)中選取磨煤機(jī)、循泵、給水泵、送引風(fēng)機(jī)開展?fàn)顟B(tài)檢修研發(fā)工作，可為相關(guān)企業(yè)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)智能診斷分析系統(tǒng)建設(shè)提供方向。

逐個(gè)設(shè)備進(jìn)行可靠性分析，通過故障模式及后果分析（FMEA）對(duì)可能故障模式及所產(chǎn)生的影響/后果進(jìn)行分析，明確設(shè)備故障表現(xiàn)、故障閾值、故障后果及相應(yīng)的設(shè)備檢修方案；融合不同類型的數(shù)據(jù)建立趨勢(shì)分析與故障預(yù)警模型，通過設(shè)備歷史曲線分析、多設(shè)備狀態(tài)云圖分析的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)設(shè)備狀態(tài)的初步評(píng)價(jià)及同類設(shè)備的整體評(píng)價(jià)，并構(gòu)造典型故障的映射空間拓?fù)鋱D，建立故障模糊診斷模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)典型故障的預(yù)測(cè)及診斷；在可靠性分析和典型運(yùn)行工況分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)SIS在線數(shù)據(jù)和點(diǎn)檢離線數(shù)據(jù)的有機(jī)融合，獲得變工況下的設(shè)備狀態(tài)目標(biāo)值曲線，通過建立定量的設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模型和半定量的設(shè)備狀態(tài)分級(jí)評(píng)估模型，得到在變工況下對(duì)設(shè)備健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)。

對(duì)選取的設(shè)備進(jìn)行全壽命周期管理，針對(duì)設(shè)備的具體構(gòu)成部件對(duì)其進(jìn)行可靠性分析，區(qū)分耐用件和易損件。對(duì)主設(shè)備耐用件的壽命評(píng)定采用溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算、低周疲勞壽命和蠕變壽命計(jì)算、剩余壽命評(píng)定等技術(shù)方案；對(duì)易損件采用可靠性理論中壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的技術(shù)。再結(jié)合設(shè)備本身的設(shè)計(jì)壽命建立設(shè)備壽命的綜合評(píng)估模型；最后根據(jù)可靠性分析、健康狀態(tài)評(píng)估、壽命評(píng)估，通過綜合分析得到設(shè)備健康狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)性能的綜合影響結(jié)果提出設(shè)備的狀態(tài)維修建議，為合理維修決策提供參考。

3.2 智慧經(jīng)濟(jì)島建設(shè)

本次系統(tǒng)建設(shè)選取磨煤機(jī)、循泵、給水泵、送引風(fēng)機(jī)開展經(jīng)濟(jì)性分析與優(yōu)化工作，方式如下：

選擇同類型設(shè)備，從SIS中獲取大量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，從一體化平臺(tái)獲取設(shè)備缺陷臺(tái)賬和檢修臺(tái)賬數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、挖掘，提取有效數(shù)據(jù)記錄，作為數(shù)據(jù)挖掘和模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)；針對(duì)磨煤機(jī)和循泵建立起經(jīng)濟(jì)性分析模型，采用經(jīng)過清洗的數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練或驗(yàn)證，使模型趨于成熟，并可將模型用于在線經(jīng)濟(jì)性計(jì)算、案例尋優(yōu)等環(huán)節(jié)。

對(duì)經(jīng)過清洗和結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性分析模型尋優(yōu)得到不同工況（不同負(fù)荷和煤種）下的磨煤機(jī)和循泵最經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行方式的案例，形成最優(yōu)運(yùn)行案例庫，案例庫可用于指導(dǎo)在線運(yùn)行尋優(yōu)。同時(shí)開發(fā)在線增量挖掘模塊，基于SIS數(shù)據(jù)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)不斷更新案例庫中的案例，使其一直保持在同類工況下的最優(yōu)秀狀態(tài)；基于最優(yōu)運(yùn)行案例庫，結(jié)合在線經(jīng)濟(jì)性計(jì)算，異常參數(shù)偵測(cè)，提供運(yùn)行優(yōu)化調(diào)整策略，將調(diào)整參數(shù)輸出給運(yùn)行人員參考。

綜上，本文建立的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)智能診斷分析系統(tǒng)適用于燃煤電廠及具備相似業(yè)務(wù)的發(fā)電企業(yè)。通過精密點(diǎn)檢、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備故障診斷理論培訓(xùn)，可有效提發(fā)電企業(yè)設(shè)備維護(hù)人員理論水平。本系統(tǒng)從機(jī)理層面分析設(shè)備的故障模式，并對(duì)電站設(shè)備實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行智慧監(jiān)測(cè)，對(duì)電站設(shè)備進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)閾值預(yù)警，實(shí)現(xiàn)AI故障診斷推理。并根據(jù)設(shè)備健康情況、檢修計(jì)劃、零部件備品情況，制定檢修優(yōu)化建議；最后構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型分析模型，并根據(jù)案例庫對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化建議。由此為我國發(fā)電企業(yè)基于數(shù)據(jù)融合的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與智慧檢修提供指建設(shè)性意見以及相關(guān)決策依據(jù)。