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美国几个电厂状态检修技术的发展过程及特点
[摘  要]介绍美国几个电厂实施状态检修技术的发展过程，从中可看到他们对计划的考虑、实施中的关键技术及取得的效果。在此基础上进行讨论并提出若干建议。
[主题词]状态检修、状态监测
     0  前言
     基于状态检修（CBM）对电力生产带来的经济效益，在我国加快这项技术推广符合市场经济条件下的客观形势要求，国内从90年代中期开始在数个电厂进行状态检修试点工作，建立了状态检修的初期组织机构和前期模式，目前，国内另有相当多的大型电厂也正在自行开始探索，启动实施状态检修计划。
美国是开展状态检修*早的国家。本文介绍美国几个电厂开展状态检修的过程，从中可得到一些启发，包括状态检修如何开展、从何处着手、工作的规模、人员配备、仪器设备软件的购置等相关问题。文中并介绍这些电厂状态检修目前达到的效果，读者可掌握状态检修的真正目标。文中*后对状态检修涉及的若干问题提出了参考意见和建议。
     1 堪萨斯城市动力与照明公司的状态检修[1]
     1.1  概况
     美国堪萨斯城市动力与照明公司（KCP&L）由地方公共事业公司投资，下属有4个火电厂和1个用于夏季高峰供电的燃气机组电厂，并在Worf Creek核电站有部分股份。其中Montrose电厂有3 台170MW机组，La Cygne电厂2 台700MW机组，Hawthorn电厂1台500MW机组，Iatan电厂1台700MW机组。
1991年堪萨斯城市动力与照明公司开始开展振动监测工作。有1人专职对4个电厂进行振动数据采集和核查工作，并向维修主管部门提交分析报告。1994年中期组建了一个状态检修可行性研究4人小组，这4人分别是振动工程师、维修主管、性能试验工程师和SPC工程师。经过2周的调研和论证，经公司副总裁同意开始在Montrose电厂试点，6个月后提交了试点报告并开始在其他3个电厂**实施预知性检修（PDM）计划。
Montrose电厂现由1名维修机械师和1名维修主管组成的小组对将近150台旋转设备进行振动监测。维修机械师负责采集数据并对数据进行审核，然后提交维修主管。采集的数据中包括声学测量记录。1995年该厂开始将监测项目扩展到就地润滑油检测和电机电流信号分析。Montrose电厂实施PDM计划的前2a总计节省费用100万美元。
La Cygne电厂有2名维修机械师（专职）和1名维修主管（兼职）进行状态监测工作。现对170台旋转设备进行监测并还在继续扩大监测范围，监测项目包括润滑油检测和重要的电机电流信号分析，为此调入1名电气技师。对转速极低的转动机械测量记录声学信号。这个计划实施的前3个月节省费用20万USD。
Iatan电厂和Hawthorn电厂的CBM工作1998年处于启动阶段。
     1.2  人员要求
     根据堪萨斯城市动力与照明公司实施状态检修的经验，人员的选择关系到整个工作的成败。人员的积极性应高度地激发，热衷于处理具体技术问题，并要求能够熟练处理设备故障。
公司的CBM人员有3层，各层人员职责如下：
（1）公司状态检修负责人：a.审查各电厂状态检修计划,安排人员培训,向领导层报告计划执行情况；b.评估、批准监测系统和仪器仪表的购置；c.研究新技术并对采用有决定权；d.制订长期发展规划（6a）；e.主持各电厂人员参加的月会和数据采集分析季度会议。
（2）电厂状态检修负责人：a.安排电厂状态检修工作；b.确定需要的监测系统和仪器仪表并给出购置意见；c.确定被监测设备的计划；d.编制状态检修费用评估报告；e.制订长期发展规划（6a）；f.状态检修实施工作由计划部门通过后签发工作票。
（3）电厂数据采集/分析人员：a.状态检修数据库维护；b.按照状态检修计划采集数据；c.对数据进行基本分析并给出意见；d.推荐需要的监测系统和仪器仪表；e.关注新技术并给出推荐意见。
     1.3  设备分类
     设备被分为4类：关键、次关键、大型非关键和一般设备。设备分类后，对每台设备需要确定下列项目：(1)设备简图；(2)转速；(3)轴承类型和制造厂家；(4)叶片叶轮数量；(5)齿数。利用这些信息建立数据库。设备简图用来确定测点位置，通常每个轴承径向振动取水平、垂直2个方向，每根轴至少取1个轴向测点。轴承信息用来确定容易发生故障的部位和监测的频率范围，滚动轴承要求频率范围为故障频率的5倍。测点位置具有的牢靠的标记系统同样是重要的。每一个测点数据的分析参数应该被确定，通常包括通频、1～4倍频、次同步。每一个频带都设有报警线，KCP&L将每个频带报警线分为3类，第1类是按振动基线值的百分比，如125%～200%；第2类是警戒线报警，它说明设备有问题且正在发展，但还不必立即进行处理；第3类是故障报警，振动超过此线表示需要停止运行做出处理。
每一个故障处理的维修费用和估算节省费用都被详细计算和记录。坚持这种估算可显示状态检修的经济意义，使管理层客观评估CBM工作。
     1.4  监测日程表及建议
大部分设备的监测日程表安排30d，关键设备的监测需要连续进行。根据需要，监测日程表安排可调整为60d。
资料反映，该公司进行设备状态分析和故障诊断主要采用人工方式进行。机械师和维修主管的一项重要工作就是数据分析、确定设备状态、提出PDM建议，电厂维修主管与公司维修主管*终确定PDM实施内容和计划。堪萨斯城市动力与照明公司执行PDM计划一条重要的经验是人员培训。
     2 Kern River和Sycamore联合电力公司（KRCC/Sycamore）的状态检修工作[2]
     2.1  概况
1992年，Kern River和Sycamore联合电力公司做出决定投资改进它们原有的预知检修模式。初始投资88 700美元，用于购买1台新计算机系统、软件程序、数据采集器、动平衡设备，并包括1名工作人员的年薪及培训费。这个投资的回报是设备可靠性的改善、维修费用降低及设备多起事故被避免。其后，它们将预防性检修（PM）结合事前检修升级为状态检修。
     2.2  监测技术
KRCC/Sycamore的PDM计划真正启动是在1992年。PDM部门设置了1名专职人员，安装了新的计算机系统，新的计划执行中，计算机更换，采用新结构状态监测软件及1台SKF数据采集器。监测软件可将原有的振动数据分析扩充到交流电机分析、专家系统、油液分析等。
新的状态监测数据库完成后，用统计方法确定各台设备振动基线值，然后再确定报警限值，包括平均报警值和专用报警值。KRCC/Sycamore在报警限值上做了大量工作，对每台设备还确定了频谱包络线报警值。
同时，热成像技术也开始采用。CBM计划的实施给联合公司带来了巨大的效益，多次成功检测出给水泵、风机、燃气轮机故障，协助供货商对风机、燃气轮机的缺陷结构做过重大改进。
     2.3  PDM队伍构成原则
状态检修是一项长期投入，为了实施成功必须谋取公司内部相关部门的支持。PDM队伍有2级，第1级为公司级，由来自运行、技术、管理各个部门的代表组成，第2级队伍是振动监测，由1名振动分析工程师和4名振动数据采集人员组成。分析工程师的责任是月数据分析和编写技术报告、指导和培训采集员。该名工程师参加过振动分析教程的培训。这个小组应能采集、分析数据并对设备缺陷采取相应的处理措施。
     2.4  Kern River和Sycamore联合电力公司的状态检修总的评估
在PDM检修计划实施之前，必须事先审查厂内现行的检修计划、设备状态、人员技术经验水平。一种新的检修机制实行之前，应解决已存在的问题包括：列出设备表、确定有问题设备、评估员工水平、工作范围和标准的评估、队伍建设、培训工作、购置需要的新设备。
当年中期，问题陆续被解决，使得可能从预防性检修过渡到预知性检修。PDM队伍形成。完成了对骨干人员的振动监测和分析技术的培训。厂内设备月报告生成，月监测分析工作计划制订。这时，几起设备故障由于状态监测和分析技术的采用而被防止，并生成了机组停机前、停机后的报告，这个报告可用来协助跟踪设备状态。
年末，改进设备状态和可靠性计划的主要工作内容完成，完成了对员工的附加技术培训，员工技能和设备性能得到改进，振动队伍在两个厂都建立起来，并在初始成员的指导下工作，其他可能添加到PDM计划中的新技术被审查，PDM与公司其他部门的专用通信联系方式被建立，以便更及时地沟通存在和潜在的问题并进行解决处理。
     2.5  成功的案例
PDM在过去1a有许多成功的案例，有些产生了重大的效益。另有一些虽未出现效益方面的奇迹，但同样导致了成本的节约和设备可靠性提高。现场大部分设备采用振动监测，这种监测形式同时给予受过训练的分析人员在一定的可靠性范围内预测设备故障的分析能力。
KRCC/Sycamore公司情况表明，工作人员虽接受了振动分析培训，但实际进行分析的经验更重要，对设备结构和功能的了解也十分重要，这种经验不是一朝一夕可以得到，只能通过现场实践积累。
油液分析和热成像分析正在进行之中。
对已有设备状态进行评估及确定哪些是故障设备是PDM计划的一部分，总共确定了3类一般故障的设备：给水泵、风机和冷却水系统。过去几年，这些系统有高的检修率，主要表现为机械故障、电气故障、对中问题及设计缺陷。对这些系统进行深入审查的同时，电厂也摸清了对于各种故障*合适的处理方案。
下面给出2个典型实例，表明分析过程、采取的处理措施、对设计的修改及处理后的效益分析。
**个案例为Kern River联合电力公司的‘B’K-P200B给水泵。这台泵上部轴承振动116μm，下部轴承振动48μm，主要成分为1倍频。起初怀疑*可能的原因是质量不平衡，检查后没有发现具体部位。于是停机24 h后再次启动，开始时上部轴承振动44μm，下部轴承振动34μm，但1 h后，上部轴承振动增加到停机前的高值。连续监测表明原因不是质量不平衡，而可能是电机线棒断裂或转子裂纹。被送到制造厂解体检查发现一根线棒断裂，另有几根存在裂纹。制造厂认为如果这个电机继续运转有可能发生灾难性事故。其后整个转子被更换。随后进行了成本估算，更换新电机的成本为55 000 USD，新转子成本为20 000 USD，由于只更换了转子，节约成本35 000 USD。更重要的是防止了泵体或电机发生灾难性事故。
**个案例为Sycamore联合电力公司的‘C’S-P200C给水泵。1992年7月发现泵和电机的振动呈逐渐增加的趋势，其后几个月振动继续增加，频谱分析表明1倍频及2、3、4倍频成分均高。初始认为原因是质量不平衡或机械松动。其后的振动趋势发展记录曲线呈现出一个故障状态的变化轨迹，于是决定将C泵返厂进行**检查。电机检查没有发现问题，对泵的解体检查发现泵外伸端前衬套严重磨损。成本分析表明，此次零件更换和轴修理费用共为14 588 USD，对电厂产生的效益为15 000 USD，同样具有重要意义的是防止了一次灾难性事故的发生。
      3 TVA Sequoyah 核电站的状态检修[3]
TVA Sequoyah核电站装机容量227.7万千瓦，从80年代起开始使用PDM技术，聘请了许多专家进行合作，但是不能够协助处理每一个现场问题。1991年，Sequoyah核电站管理层决定开始预知性检修计划，它应该是国内*好的。由于上层的支持，人员和经费都得到了落实。随着这几年工业快速的发展，现在由一个有效的预测小组在进行详细的CBM分析。
1997年，一个针对节约成本的目的被添加到CBM计划中。它们选择性地审查了预知性检修计划，并重新评估了预知性和预防性检修的基础。审查后确定了设备检修的工作原则：继续采用设备的预知性维修方式，并利用现场数据检查现有的定时检修的必要性。这次检查由于取消了不必要的检修而节约了数百万美元，它被用来继续执行审查其他的检修活动。
执行CBM困难点之一就是付出代价支持一个新的小组。虽然管理层知道这样做是有效益的，但增加拨款总是困难的，因为没有弄懂预知性技术的人不可能细查财务要求，拨款有时难以通过。
推行CBM*艰难之处就是确定CBM部门的作用和责任。1996年1月CBM部刚成立不久，Millstone核电站全部3台机组被美国国内核管理委员会列入“继续受监察机组”名单。这使得作为一个单独部门的CBM部受到重大影响。为此，CBM不得不将工作重心进行调整以便与整个电站新的目标一致。首先，将底层单位和技术部门合并，新部门的职责是监督试验、进行根本原因分析及制订处理方案。同时，出台了一个“集中性预防检修计划”做为所有预防检修的基础性文件。其次，确定了优化PM工作方式和将其向CBM过渡的步骤。
      4 对状态检修涉及的若干问题的思考和建议
      4.1  当前状态检修的目标和实际效果
状态检修的理论目标是“延长设备运行时间和检修时间间隔、减少检修项目”。但从上述美国几个电厂实施状态检修的实例看，它们取得的主要效果是“设备可靠性的改善、设备缺陷的及时发现、避免设备事故”，从经济角度看，同样达到了降低维修成本、提高效益的目的。
因此，我们在具体实施状态检修过程中，制订的计划应该具有可操作性，目标应该现实。做为领导层，对状态检修可能达到的效果也应有客观的估计，避免期望过高。
认真研究西方这些正在实施状态检修的企业的发展过程可发现，它们在开展状态检修前有相当长的一段时间是在进行状态监测工作，在状态监测和振动分析方面已积累了相当经验。而我国长期以来几乎所有的电厂包括新电厂均没有正式开展状态监测工作，没有设置专职振动工程师，电厂在振动方面的工作仅**于运行监测，因而，推行状态检修的前期基础较之西方国家要差一些，我们制订的目标因而应更加实际[4]。
根据国内目前情况，只要状态检修达到这样的目标：“利用状态监测对设备状况进行正确判断；对于早期故障设备能够决定适当延长运行期；检测到中期故障；在故障发生前进行检修”，便可说状态检修取得了很大成功。
      4.2  状态检修中分析诊断的手段
从美国电厂情况看，它们目前状态检修的状态分析、故障诊断方法仍以人工为主。我国火电机组配备的诊断系统现场实际使用效果不佳已为大家公认。因此，各电厂开展状态检修时对于状态分析、故障诊断技术的立足点应首先是高素质的技术人员。实用高效的专家系统的发展仍应给于重视。
      4.3  状态检修人员培训问题
更广泛的资料反映，国外实施状态检修的电厂有一个共同经验：状态检修成败的关键之一是人员问题。人员组成不在多而在精；人员能力不在学历而在钻研。振动分析、故障诊断是一项跨多个专业的技术，缺少理论基础和丰富经验的积累，都无法很好胜任这项工作。状态检修人员的技术培训是整个计划中的重要一环。2000年，在一个开展状态检修较早的电厂，有1台300MW机组高压转子发生低频振动而长时间无法认定。我们从中应能得到一些关于状态检修如何更好开展的启发。
      4.4  关于经费投入问题
国外电厂表明[5,6,7]，实施状态检修计划的仪器、软件的投入，较之其他先进检修方法的投入要大，但收益应远远大于投入。任何一项新技术的采用都有风险，关键是方向要正确。从国内情况估算，容量百万千瓦左右的火电厂基本配齐状态检修的软硬件设备大约需要100～200万元人民币。可采取分批逐年投入的方法，在项目执行过程中不断调整仪器、软件清单，*终购置*佳设备系统。在*近美国召开的状态监测和状态检修研讨会上，电厂呼吁仪器、软件制造厂商适当降低价格，也是一个降低投入的途径。
      参考文献
[1] Mike Sibert. Designing a Predictive Maintenance Program at KCP&L[A]. Predictive Maintenance Technology National Conference[C]. USA: 1998. p67~69.
[2] Charles R. Allen. Development and Implementation of Machine Condition Monitoring at Kern River and Sycamore Cogeneration Companies[A]. Predictive Maintenance Technology National Conference[C]. USA: 1998. p87~95.
[3] CBM Programs:Practical Experience-Panal Discussion[A]. Predictive Maintenance Technology National Conference[C]. USA: 1998. (讨论会发言记录)
[4] 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，2000，(2), p1~5.
[5] 本特利公司.机械故障诊断教程[R].1997.
[6] T.Schiff. The Equipment Reliability Program at Willamette Industries’Kingsport, TN Plant, Willamette Industries[A]. Predictive Maintenance Technology National Conference[C]. USA: 1998. p96~98.
[7] R.Chevalier, S. Brasseur. PSAD: Condition-Based Maintenance Through Parmanent Monitoring[A]. IFToMM Procceding[C]. Udine: 1998. p223~p228.
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