1．引言 目前電力系統(tǒng)中電力設(shè)備大多采用的計劃檢修體制存在著嚴重缺陷，如臨時性維修頻繁、維修不足或維修過剩、盲目維修等，這使世界各國每年在設(shè)備維修方面耗資巨大。怎樣合理安排電力設(shè)備的檢修，節(jié)省檢修費用、降低檢修成本，同時保證系統(tǒng)有較高的可靠性，對系統(tǒng)運行人員來說是一個重要課題。隨著傳感技術(shù)、微電子、計算機軟硬件和數(shù)字信號處理技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、模糊集理論等綜合智能系統(tǒng)在狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷中應用，使基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和先進診斷技術(shù)的狀態(tài)檢修研究得到發(fā)展，成為電力系統(tǒng)中的一個重要研究領(lǐng)域。在電力系統(tǒng)中推行狀態(tài)檢修的直接效益有：①節(jié)省大量維修費用；②提高電廠可用系數(shù)；③延長設(shè)備使用壽命；④增加發(fā)電能力；⑤確保發(fā)供電可靠性；⑥降低檢修成本、減少檢修風險。本文主要介紹檢修體制的演變、狀態(tài)檢修的發(fā)展概況及狀態(tài)檢修面臨的問題。 2．檢修體制的演變 維修觀念的演變經(jīng)過2個階段：事后維修／故障維修（18世紀第一次產(chǎn)業(yè)革命）和預防性維修（19世紀第二次產(chǎn)業(yè)革命）。 事后檢修（BM，break maintenance），也稱故障檢修（CM，corrective maintenance），是最早的檢修方式。這種檢修方式以設(shè)備出現(xiàn)功能性故障為判據(jù)，在設(shè)備發(fā)生故障且無法繼續(xù)運轉(zhuǎn)時才進行維修。顯然，這種應急維修需付出很大的代價和維修費用，不但嚴重威脅著設(shè)備或人身安全，而且維修不足。 到第二次產(chǎn)業(yè)革命時期，開始推行預防性檢修（PM，prevention maintenance）。預防性檢修經(jīng)過多年的發(fā)展，根據(jù)檢修的技術(shù)條件、目標的不同而出現(xiàn)以下7種檢修方式。 （1）定期檢修（TBM，time based maintenance）。定期檢修制度直到二戰(zhàn)后，才被各國陸續(xù)地從軍事工業(yè)移植到民用工業(yè)。中國電力工業(yè)的定期檢修制度是20世紀50年代從蘇聯(lián)引入的。直到80年代，TBM仍是主流的維修制度。定期檢修在保證重大機械設(shè)備正常工作中確實起到了直接防止或延遲故障的作用，但這種不根據(jù)設(shè)備的實際狀況，單純按規(guī)定的時間間隔對設(shè)備進行相當程度解體的維修方法，不可避免地會產(chǎn)生“過剩維修”，不但造成設(shè)備有效利用時間的損失和人力、物力、財力的浪費，甚至會引發(fā)維修故障。據(jù)統(tǒng)計，1996年我國的100 MW、125 MW、200 MW火電機組非計劃停運與出力降低的責任原因，分別有36％、31％和41％是由于這種過剩檢修造成的。 （2）以可靠性為中心的檢修（RCM，reliabilitycentered maintenance）。RCM是一種以用最低的費用來實現(xiàn)機械設(shè)備固有可靠性水平為目標的檢修方式。該檢修方式能比較合理地安排大修間隔，有效預防嚴重故障的發(fā)生。RCM的研究始于20世紀60年代后期，電力工業(yè)則是從1983年開始研究，并于1984年由美國電力研究院（EPRI）將其用于核電廠的檢修。到1997年，在美國排名前1000家的大公司中，已有68％的公司采用RCM的檢修方法。 （3）狀態(tài)檢修（CBM，condition based mainte－nance）或預知性維修（PDM，predictive diagnosticmaintenance）。這種維修方式以機械設(shè)備當前的實際工作狀況為依據(jù)，通過高科技狀態(tài)監(jiān)測手段，識別故障的早期征兆，對故障部位、故障嚴重程度及發(fā)展趨勢作出判斷，從而確定各機件的最佳維修時機。狀態(tài)檢修始于1970年，由美國杜邦公司I．D．Quinn首先倡議。狀態(tài)檢修是當前耗費最低、技術(shù)最先進的維修制度，它為設(shè)備安全、穩(wěn)定、長周期、全性能、優(yōu)質(zhì)運行提供了可靠的技術(shù)和管理保障。但由于狀態(tài)檢修需要監(jiān)測的內(nèi)容多，投資大，并存在一定的風險，要能熟練地運用于設(shè)備維修還需要長時間的經(jīng)驗積累。 （4）故障查找（FF，fault find）。這種維修方式主要針對緊急備用設(shè)備，在固定的時間后啟動這些設(shè)備，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，以提高備用設(shè)備的可用率。 （5）使用至損壞再修（RTF，run to fault）。采用該方式進行修理的設(shè)備不控制送修，通常用于對安全無直接危害的3類故障：①偶然故障；②無規(guī)律性故障；③故障損失小于維修費用的耗損故障。 （6）以壽命評估為基礎(chǔ)的檢修。文獻認為狀態(tài)檢修應根據(jù)分析監(jiān)控診斷資料先估計設(shè)備壽命，再確定檢修項目、頻度與檢修內(nèi)容。 （7）主動維修（PM，proactive maintenance）。從經(jīng)濟、壽命等多種因素考慮，重點在機械故障的識別和消除、故障原因的分析，通過延長發(fā)電廠機器壽命來獲得最大的效益。 3．狀態(tài)檢修技術(shù)發(fā)展概況 狀態(tài)檢修隨著故障診斷技術(shù)的發(fā)展而逐漸進入實用化，并由于其巨大的效益而在工業(yè)界引起廣泛重視，理論研究和生產(chǎn)實踐都在進一步深入。國外在狀態(tài)檢修技術(shù)研究與實踐應用方面都已取得了較成功的經(jīng)驗。美國、德國、日本、法國都有應用這項技術(shù)的報道。與狀態(tài)檢修密切相關(guān)、能直接提高狀態(tài)檢修工作質(zhì)量的理論與技術(shù)主要包括4個方面的內(nèi)容，即設(shè)備壽命管理與預測技術(shù)、設(shè)備可靠性分析技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)和信息管理與決策技術(shù)。 3．1　設(shè)備壽命管理與預測技術(shù) 大多數(shù)工業(yè)化國家的電力基礎(chǔ)設(shè)施在20世紀60與70年代間得到極大擴充，因此，多數(shù)電力主設(shè)備的在役時間在25～30年左右，且進入老化階段的設(shè)備所占份額愈來愈大。這種情況迫使各電力公司考慮如何延長機組壽命并保證效益。狀態(tài)檢修中壽命預測與評估技術(shù)的應用，有利于科學合理地安排檢修和提高設(shè)備的可用率。但電力公司可能獲得的效益大部分來自于電廠主設(shè)備，因此，各國都把壽命預測和評估研究的重點放在對鍋爐、汽機、發(fā)電機、變壓器及高壓開關(guān)等重要設(shè)備上。 （1）鍋爐方面 日本是近10年來對火電廠鍋爐部件剩余壽命研究最多的國家。他們采用了3種有代表性的壽命診斷技術(shù)：應力解析法、破壞試驗法、非破壞損傷計測法。其中，應力解析法能評價任意部位的材料，但若運行歷史或材料數(shù)據(jù)不準確，將會導致計算誤差，且沒有考慮材料老化這一因素。破壞試驗法比其它方法計測損傷的精度高，但對不能取樣的部位不適用；為此，日本研究出微小試樣法、復型金相法、巴克好森噪聲法、超聲波噪聲分析法等非破壞性損傷計測法。這些方法可以在部件材料損傷進展的同時，非破壞性地檢驗材料的金屬組織物理性能的變化。美國電力研究院（EPRI）監(jiān)測診斷中心（M＆D）也研究出用于鍋爐診斷系統(tǒng)的壽命管理分析軟件。 （2）汽輪機－發(fā)電機方面 對汽輪機－發(fā)電機進行狀態(tài)檢修時必須重點考慮汽輪機軸瓦、葉片，發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、軸系等部件。目前，美國電力研究院（EPRI）監(jiān)測診斷中心（M＆D）已研制出用于汽輪機診斷系統(tǒng)的葉片壽命動態(tài)分析系統(tǒng)（BLADE）和用于發(fā)電機診斷系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子裂紋評價系統(tǒng)（SAFER），可以計算、推測葉片何處可能出現(xiàn)裂紋，以及產(chǎn)生裂紋后的壽命；并幫助工程技術(shù)人員評估汽機、發(fā)電機轉(zhuǎn)子的剩余壽命及隨運行時間的故障發(fā)生概率。華中理工大學也提出了汽輪機轉(zhuǎn)子的在線壽命管理系統(tǒng)框架，并研制了200 MW汽輪發(fā)電機壽命管理及故障診斷專家系統(tǒng)。對于轉(zhuǎn)子壽命評估的方法，國內(nèi)已有較為成熟的理論。 對于汽輪發(fā)電機的定子，俄羅斯的科研工作者在總結(jié)了俄羅斯11個不同電廠經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，制訂了延長汽輪發(fā)電機定子使用壽命的主要原則和依據(jù)。羅馬尼亞則成功研制了一套用于75 MVA汽輪發(fā)電機監(jiān)視診斷、數(shù)據(jù)記錄及在線預測系統(tǒng)，其中在線預測部分，主要完成對定子繞組絕緣剩余壽命和軸系剩余壽命的評估。 在軸系方面，我國的壽命預測與評估技術(shù)有一定成果。上海交大電力系采用自己開發(fā)的MAN－DISP程序，對電氣擾動下電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程進行仿真并得出軸系的動態(tài)扭轉(zhuǎn)力矩，成功地評價了電網(wǎng)擾動對300MW汽輪發(fā)電機組軸系疲勞壽命的影響。同樣，華北電力大學也對國產(chǎn)運行近30年的50MW汽輪機－發(fā)電機進行了扭振特性及其疲勞壽命研究，采用了集中參數(shù)的機組軸系扭振分析模型，以現(xiàn)場事故情況為依據(jù)，模擬計算了幾種典型事故大軸聯(lián)軸結(jié)處軸頸和螺栓的應力應變歷程及疲勞壽命損耗，對該機組的剩余壽命能夠較恰當?shù)剡M行評估。 （3）變壓器方面 變壓器剩余壽命的評估是當今監(jiān)測與診斷工作的重要內(nèi)容之一?，F(xiàn)有的大多數(shù)估計變壓器壽命方法，僅簡單考慮負荷、溫度、絕緣材料的現(xiàn)狀，由于變壓器遭受到的短路次數(shù)、過電壓次數(shù)、設(shè)計弱點、修理和現(xiàn)場運輸?shù)纫蛩囟紩绊懽儔浩靼l(fā)揮功能的能力。要正確估算變壓器的壽命，必須獲得有關(guān)運行狀況和歷史信息，需要對變壓器技術(shù)情況有更深入的了解。研究及實驗表明，變壓器很少由于技術(shù)性或使用壽命的原因退出運行，而主要受經(jīng)濟壽命的限制。因此，ABB公司和歐洲一些重要電業(yè)部門為避免對剩余壽命進行定量評估，開發(fā)了一種變壓器排列等級方法，為變壓器的壽命評估作了大量工作。 （4）開關(guān)方面 高壓斷路器在電力系統(tǒng)中擔負著控制和保護的雙重任務，由于它關(guān)系著系統(tǒng)的安全運行以及檢修工作量的大小，其電壽命始終為用戶所關(guān)心。目前，國內(nèi)已經(jīng)提出根據(jù)觸頭和噴口在開斷時的質(zhì)量損耗及根據(jù)具有線性上升弧壓降特性的電弧能量計算電壽命的2種方法。但由于開關(guān)動作分散性很大，開關(guān)開斷電流的大小與電磨損量是非線性關(guān)系的，因而在壽命累計時需進行加權(quán)處理。 3．2　電力設(shè)備的可靠性技術(shù) 可靠性技術(shù)是一門在40年代開始于美國的專業(yè)技術(shù)，其后蘇聯(lián)提出了可靠性與維修性理論和統(tǒng)計方法。所謂可靠性，一般認為是：機械設(shè)備和元件等在規(guī)定的條件下和預定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型在很多文獻中均有介紹，一般把可修系統(tǒng)歸為馬爾科夫模型和非馬爾科夫模型。設(shè)備可靠性通常用可靠度函數(shù)R（t）來定量描述。 傳統(tǒng)的電力設(shè)備可靠性評估基于威布爾得出的浴盆曲線（bathtub curve）法。由于可靠性特征曲線形似浴盆而得名，如圖1所示，但此法只適用于對有支配性耗損故障的設(shè)備進行維修，且精確度不高。為此，華北電力大學將可靠性預測理論和強度及壽命理論結(jié)合起來，綜合考慮影響鍋爐部件故障的各種因素，對預測鍋爐部件的可靠性做了有益的嘗試。另外，它還運用多元統(tǒng)計方法中因子分析和聚類分析，從反映火電大機組運行可靠性的指標體系出發(fā)，對我國火電100MW及以上機組的運行可靠性進行了分析，提出了企業(yè)綜合可靠性水平的評估方法。用它可以簡單分析我國不同地區(qū)火電大機組運行的可靠性水平。 3．3　設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù) 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測是故障在線診斷和離線分析的基礎(chǔ)。從國內(nèi)情況看，汽輪機等大型旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)達到相當高的水平，我國科技工作者已開發(fā)出了一系列狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，并成功地應用于生產(chǎn)實踐。另外，發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)手段也已很成熟，只是在實際應用時，如何準確判斷電機狀態(tài)，還需進一步工作經(jīng)驗積累。從國外來看，美國電力研究院（EPRI）下屬的監(jiān)測診斷中心（M＆D）利用40多項先進的測量技術(shù)和分析軟件，對美國50家最大的電力公司的電廠、電網(wǎng)中80％的設(shè)備進行了在線監(jiān)測和故障分析，了解設(shè)備的運行狀況和健康水平，并據(jù)此制定設(shè)備維護和檢修計劃。加拿大魁北克水電公司也開發(fā)了一種在線狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，使機組維修和專業(yè)技術(shù)人員不停機就能了解水電機組的狀態(tài)。關(guān)于開關(guān)的狀態(tài)檢修及故障診斷，由于其故障機理較為清楚，故障診斷原理與方法比較成熟，國內(nèi)已研究出檢測裝置和檢測方法。對于絕緣及電氣參數(shù)的劣化與開關(guān)故障，機械參數(shù)與物理參數(shù)的診斷都已有較為成熟的理論。從70年代初至今，故障診斷技術(shù)的研究已經(jīng)由單一地偏重故障機理與診斷方法的研究發(fā)展到故障診斷專家系統(tǒng)的研制開發(fā)。迄今為止，國內(nèi)外現(xiàn)有的專家系統(tǒng)尚不能對機組振動故障進行自動診斷，還依賴于有經(jīng)驗的專家進行判斷，其主要原因是由于這些專家系統(tǒng)所包含的知識還不足以全面反映振動故障的征兆與其原因之間的映射關(guān)系。 3．4　信息管理與決策技術(shù) 近30年來，管理決策作為一門獨立學科，有了很大發(fā)展。狀態(tài)檢修作為一種先進的檢修體制，是與多方面的管理工作分不開的。圖2為狀態(tài)檢修的一個簡化決策流程。世界各國從不同的管理目標出發(fā)，形成了不同的管理系統(tǒng)。芬蘭的IVO輸電服務公司開發(fā)的變電站檢修管理系統(tǒng)（SOFIA）是一建立在對一座變電站的長期檢修計劃的基礎(chǔ)上，從壽命周期費用（life cycle cost）著手，使用設(shè)備的劣化模型的數(shù)學形式（狀態(tài)模型）來估計設(shè)備將來狀態(tài)的一種檢修管理系統(tǒng)。SOFIA在考慮預算及其設(shè)備狀態(tài)的情況下，通過檢修費用的優(yōu)選，降低總費用。荷蘭B．V．KEMA與荷蘭Delft技術(shù)大學在考慮市場情況及技術(shù)條件的前提下，研制了一種包括狀態(tài)檢修在內(nèi)的多種策略均衡應用的main man檢修管理系統(tǒng)，其特點在于引入了診斷專家系統(tǒng)，使可靠性和安全性達到可接受的水平。德國提出將工人或供貨商的管理層所有功能融為一體，以減少中間環(huán)節(jié)的瘦型管理。此管理方法在德國的Weisweiller電廠檢修管理中得到運用，使該廠48％的工作任務流程得到優(yōu)化，效果明顯。 4．結(jié)束語 專家預言，下個世紀電力工業(yè)將有更大的發(fā)展，但作為大型電力主設(shè)備的鍋爐、汽機－發(fā)電機組以及變壓器，不會有大的改變，因此，電力設(shè)備檢修技術(shù)的研究將更具有經(jīng)濟效益和社會效益，電力設(shè)備的維修由過去的計劃檢修向狀態(tài)檢修發(fā)展勢在必行。目前，國內(nèi)外狀態(tài)檢修技術(shù)的開發(fā)和應用，圍繞鍋爐、汽輪機、發(fā)電機、變壓器等大型電力設(shè)備展開，在設(shè)備壽命管理與預測、設(shè)備可靠性技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測以及故障診斷技術(shù)等方面取得了一些可實際應用的成果。近3年來，云南工業(yè)大學就水電機組在線監(jiān)測及故障診斷與狀態(tài)檢修專家系統(tǒng)研制方面做了大量工作，通過在水輪機故障特征矢量空間中對故障個體特征量抽取，提出了以效率為主要特征量，通過監(jiān)測效率來預測水輪機的剩余壽命的新思路。這一成果已應用于漫灣發(fā)電廠5號機組。不難預測，它在系統(tǒng)投運后將得到很好的檢驗。 電力設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)的應用必須以對設(shè)備的全面監(jiān)測為基礎(chǔ)。但目前有關(guān)電力設(shè)備運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)仍然存在監(jiān)測點少、功能單一、缺乏系統(tǒng)性和綜合性，尤其缺乏監(jiān)測的層次化和網(wǎng)絡(luò)化等問題，妨礙了設(shè)備狀態(tài)信息的集中和綜合；另外，設(shè)備壽命管理與預測也需要解決一些諸如設(shè)備壽命計算中復雜邊界條件的提出、材料在不同溫度和應力條件下的壽命損耗特性以及剩余壽命評價等問題。如何建立準確的設(shè)備可靠性模型，以期實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測，從而開發(fā)出可較好應用于設(shè)備故障診斷的專家系統(tǒng)，仍然有許多問題需要解決。