设备故障预警系统的设计与实践

吴国潮

（浙江省能源集团有限公司，杭州 310007）

设备状态检修是根据先进的状态监视和诊断技术提供的设备状态信息，判断设备的异常，预知设备的故障，在故障发生前进行检修的方式，即根据设备的健康状态来安排检修计划，实施设备检修[1]。在过去十几年中，很多发电企业在中电联的组织下推行点检定修制，通过点检来进行设备状态监测，评估设备状态，做出合理的检修决策并在某些电厂局部系统和设备实现状态检修[2]。故障预警系统是通过对生产设备的运行参数进行实时检测并与预测数据进行分析比较，对设备状态变化趋势进行判断，对潜在故障隐患做出提前警示的在线监测诊断系统。故障预警系统能够在设备故障发展的早期发现设备异常的征兆，并且在故障发展的早期就能够及时将各种检测和诊断工作有的放矢地运用到实际工作中，为状态检修工作提供了非常有价值的决策支持[3-6]。

1 发电设备故障预警系统的组成和功能

火电厂实施设备状态检修的工作由系统设备分类、状态监测、状态分析、检修管理、检修结果评估等模块组成，形成一个闭环系统[1]，如图1所示，其中故障预警系统中可以很好地完成设备状态监测、状态分析、检修结果评估的工作。以故障预警系统为基础，在生产实际中可以把状态检修的流程顺畅地运转下去。

图1 基于故障预警的状态检修工作流程Fig.1 Flow chart of status maintenance based on early-warning

浙江省能源集团基于状态检修工作思路，充分利用目前生产实时数据全覆盖的优势，设计、开发并建立了集团级发电设备故障预警系统。通过建立发电设备故障预警系统并结合专业分析队伍对数据的深度挖掘分析，可以让集团决策层及相关职能部门能够借助实时信息平台，及时掌控各发电厂机组设备的健康状况，及时识别潜在的系统风险，为指挥日常生产活动和设备故障处理提供辅助决策支持。同时，为发电机组设备问题提供预警信息，使发电机组变被动检修为主动检修，减少了设备问题扩大导致故障的风险，优化了设备健康状况，改善了机组可靠性，有效降低整个集团公司的生产成本。此外，通过系统形成的检测诊断分析数据库可以实现数据共享，系统自动保存下各专业人士对设备预警的分析经验，最终实现建立企业级的设备分析知识库。

系统主要由数据管理平台和业务应用平台组成，业务应用平台主要将状态检修工作流程中的状态监测、状态分析以及检修结果评价在系统中实现；而数据管理平台主要是实时数据的采集和过滤。

2 系统的设计与实现

发电设备故障预警系统利用云计算和相似性作为系统网络架构和计算引擎开发的核心，形成C＆S（Cloud/Similarity）系统体系结构，实现了数据采集、数据过滤、状态监测、状态分析以及检修结果评价功能。

2.1 实时数据采集

实时数据库将为整个系统提供数据来源。实时数据库系统集成了数据的压缩、存储、查询、传输等技术，发电设备故障预警系统开发时选择云计算（Cloud）技术，利用各电厂实时数据库作为发电设备故障预警系统的分布式数据源，采集关键实时数据构建远程集中数据库。这样使电厂测量信号采集、传输、存储各服务器集群能够充分利用整体资源，发挥最大效益。并且大大简化系统结构，降低系统设计难度，缩短系统建设周期。

浙江省能源集团发电设备故障预警系统按每台机组1000点的数据量配置实时数据库系统，按集团50台发电机组计算，需要配置一个50 000点的PI实时数据库系统。各发电厂的实时数据库系统将通过实时数据接口，向集团侧PI实时数据库提供所需的生产实时数据。数据存储总量10 a以上。

2.2 数据过滤

实时过程数据是信息加工的基本素材，特别是对过程数据进行比较复杂的计算时，数据的准确性直接决定了计算结果的可信度。但是现场运行的情况比较复杂，在机组优化所需要的测点中，常常会发生仪表故障的情况，另外仪表测量时小范围的漂移与噪音现象也屡见不鲜，所有这些都影响了系统的正常投用。系统开发了功能强大的实时数据检测与纠正模块，利用实时信息融合方法准确定位仪表故障，并且对其测量数据作出最优估计，它可以对关键设备和仪器故障作出早期报警，对传感器的漂移和故障作出定量描述并为故障传感器提供足够精确的替代值，从而进一步为全厂的状态监测与评估提供支持。

2.3 状态监测

在进行设备状态监测时，可以充分利用大容量机组现场传感器已经布置得比较充分的优势，以故障预警系统为主，其余系统为辅的监测方式。对于传感器能够覆盖到的监测点，坚决利用故障预警进行持续无间断的监测；而只有传感器覆盖不到的监测点，才采用点检、运行巡检、运行分析等手段进行定期监测。

系统状态监测采用基于相似性原理（SBM）的建模技术，实时分析运行测点数据的内在逻辑和相关性，建立与实际设备或部件相似的数学模型矩阵和每个测点信号的“期望值”。采集的设备实时运行数据与“期望值”实时比较，之间异度（差值）超出阈值范围时开始记录和辨识，该动态变化过程在线展示，当达到显著异常时发出预警信号，触发预警诊断单，提醒用户进行状态分析，从而实现对设备的状态监测。图2为空气预热器堵塞情况的状态监测。

图2 空气预热器状态监测情况Fig.2 Status monitoring of air preheater

当从故障预警系统中怀疑设备存在潜在故障时，用振动分析、油液分析、红外热成像、马达状态监测、超声波检漏等监测技术进一步查明并确认潜在故障，同时，对于存在故障征兆但既无法进行在线检修暂又不停机检修的设备加强监视。

故障预警可以充分覆盖传感器能够监测到的潜在故障，以故障预警为基础可以实现状态监测的大面积覆盖，并且这种状态监测，从海量数据中找出设备潜在故障的异常征兆是由服务器来完成的。图3为从海量的数据中找出来的异常征兆，并在系统中展示的诊断单列表。

图3 预警诊断单列表Fig.3 List of early warning diagnosis

2.4 流程化状态分析

现场工程师从故障预警系统中看到预警诊断单并怀疑可能存在潜在故障后，需要对设备下的所有预警诊断单进行持续的跟踪，并在这个过程中定期对设备状态进行分析，分析时可以利用的信息包括：

（1）故障预警系统中的趋势信息、历史信息、系统辅助信息等；

（2）运行数据（包括实时数据、运行日志、运行巡检记录、运行分析记录等）；

（3）常规检测数据（包括点检数据、金属检测试验数据、性能试验数据、技术监督项目的测试数据等）；

（4）设备状态监测数据（各种监测设备测得的数据）；

（5）设备历史数据（包括设备图纸、说明书、安装记录、故障记录、检修记录、更改台帐等）；

（6）集团下同类设备的故障信息和检修经验；（7）国家、行业、公司、电厂的有关标准、规程和规定等[1]。

对设备状态进行分析时，除了利用上述信息外，还充分借助了技术中心专家的力量，提高判断的准确性，并结合实际情况和生产计划情况提出设备评估报告和检修建议，最终由专业管理人员做出最合理的检修决策。为了充分利用电厂各部门各专业以及技术中心的优势资源，故障预警提供了可自定义的流程，以便相关各方参与设备状态分析和定性。图4为故障预警系统状态分析流程。

2.5 检修结果评价

在检修完成设备重新启动后，如果修复是成功的，设备会恢复到正常运行状态，那么在预警系统中，实际值与期望值之间的偏差会消失，预警诊断单可以正常关闭；如果修复是失败的，那么在预警系统中，实际值与期望值之间的偏差仍然存在，并且还会继续持续发生。

图4 故障预警系统状态分析流程Fig.4 Flow chart of status analysis in equipment based on early-warning

在故障预警系统或其余系统发现的潜在故障并做出检修的决策，在检修过程中拆开设备后，应验证之前做出的判断是否是正确的，可以采取拍摄图片的方式进行记录。在完成检修后，应对每个检修项目进行检修结果评价，对于预警系统中发现的潜在故障，应在故障预警系统中确认设备对应传感器的实际值和期望值之间的偏差是否缩小到正常范围，从而确认修复措施的有效与否；而对于检修过程中发现而预警系统未发现的设备问题，需要在故障预警系统中反追溯，分析预警模型是否合理，如果模型合理，则需要评估此类问题是否适合在预警系统中进行监测，对于不适合在预警系统进行监测的设备问题，应确定合适的监测方式。

3 发电设备故障预警系统在浙能集团的应用与效益

3.1 系统的实施情况

浙能集团于2008年底开始开发实施故障预警系统项目，项目的实施过程经历了试点阶段、一期、二期和三期实施阶段，截至2015年4月，集团下属已有12个电厂的39台发电机组的1712个设备纳入到了故障预警系统的监测范围，机组类型覆盖燃煤机组和燃气机组，机组容量包含1000 MW、600 MW和300 MW机组。在创建故障预警模型的过程中，合计使用了现场的40000多个测点，形成了对生产现场海量数据的故障预警监测。

浙能集团故障预警系统选择汽轮发电机系统、给水系统、制粉系统、风烟系统、循环冷却水系统、锅炉汽水系统、脱硫脱硝系统等七大生产主线系统作为监测对象，每台机组分别采集约800～1700点不等的反映设备运行状态的各类测点信息作为预警系统的基础数据[5]，覆盖了汽轮机、发电机、主变、凝汽器、汽动给水泵、电动给水泵、凝泵、循泵、前置泵、热交换器、电机、风机、GGH、SCR、吸收塔、汽水品质、过热器、再热器、水冷壁、燃气轮机、余热锅炉等关键设备。故障预警系统监测范围大，覆盖设备类型多，为状态检修打下了坚实的基础。

3.2 基于故障预警系统的状态检修应用情况

故障预警系统可以识别的故障类型较多，主要涵盖传感器故障、质量隐患、轴承故障、润滑问题、机械损坏和磨损、电机振动及线圈过热、电气设备过载过热、泄漏问题、密封问题、油气品质问题、性能劣化、运行问题、堵塞、结垢以及热力问题等诸多方面[3-5]。故障预警系统中的预警诊断单中有很大一部分是现场运行人员不易发现或未注意到的隐患问题，这些潜在异常问题的及时预知，使得设备工程师能够及时采取纠正措施避免设备状态恶化，提前对设备进行检查或安排修复计划，便于设备管理人员优化检修策略，从而缩短检修时间，有针对性地安排检修项目。从过去6 a故障预警系统的使用经验来看，故障预警系统在电厂的设备管理和检修优化过程中发挥了如下作用[3-5]：

（1）借助预警系统，可提升及时发现问题的能力[4]，即预警系统具有状态监测功能；

（2）预警系统的警示与专业人员的分析相结合[4]，即预警系统具有状态分析功能；

（3）预警系统具有修后检验功能[4]，即预警系统具有检修结果评价功能。

以下结合空气预热器堵塞实例说明基于故障预警的状态检修的应用情况。

3.3 集团设备健康状况全面提升

浙能集团开展基于故障预警的发电设备状态检修工作后，全集团发电机组可靠性和经济性指标有了显著提高。预警分析和状态检修涉及主机、重要辅机及加热器等发电设备，为生产管理人员对故障判断和处理提供了及时指导，在设备异常问题没有发展到故障状态前得到及时检修处理，使设备故障率下降，为机组发电设备安全稳定以及经济运行提供有力保障。通过管控锅炉壁温、蒸汽温度以及磨煤机、风机等运行参数，可明显提高发电企业的经济效益。系统投运后，集团发电机组锅炉每年因过热爆管下降的次数为2～3次/a、蒸汽泄漏平均发现案例为1.5 次/（台·a）。

4 结语

浙能集团基于故障预警的设备状态检修的探索表明，这是一条可以比较好地实现状态检修的新路径。通过以故障预警系统为基础，并且综合利用运行信息、点检信息、试验化验信息等，可以及时发现设备潜在故障，全面地掌握设备状态，从而更好地实现绝大部分设备的状态检修，并且为设备的全寿命周期管理打下坚实的基础。该系统已通过中国电机工程学会组织的鉴定，总体研究成果被认定为达到了国内领先、国际先进水平。

[1]国家电力公司.火力发电厂实施设备状态检修的指导意见[J].中国电力，2002，35（2）：1-5.

[2]中国电力企业联合会科技中心.二零零六年全国发电企业设备优化检修技术交流研讨会论文集：国内发电企业设备状态检修实施调研报告[C]，2004：708-728.

[3]李玉珍.故障预警系统在发电设备状态评估与故障诊断工作中的应用[C]//2010年全国发电企业设备检修技术大会论文集，2010：852-859.

[4]金玄玄.集团发电设备故障预警系统在嘉兴电厂的应用[J].仪器仪表用户，2015（2）：63-65.

[5]蔡宁宁.发电设备故障远程诊断系统的应用探讨[J].浙江电力，2012，31（5）：20-23.

[6]张凡志，陶良福，过小玲.设备故障预警及状态监测系统在电厂的应用[J].仪器仪表用户，2015（1）：70-72.