基于FMEA的水电机组状态评价方法研究

夏 洲 ，孙万成 ，徐 洁，潘伟峰，朱传古

（1.国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏 南京 210003；2.江苏苏美达集团有限公司，江苏 南京 210018）

0 引言

水电厂开展设备状态检修，状态监测是技术基础，核心是设备状态评价，多年以来基于故障诊断的水电设备的状态评价一直没有突破[1]，但是，国内电力企业对实现状态检修的探索并没有停步[2]，如基于RCM的设备检修[3]、基于点检定修的设备检修[4]等，从技术、管理和业务流程上探索实现状态检修，关注重点也从单纯的故障诊断技术转向设备状态评价技术，特别是国家电网公司在输变电设备状态评价技术上开展了大量的工作[5]，取得显著成绩，加拿大魁北克水电研制的水电厂发电机综合诊断系统（MIDA）已得到应用[6]，这些工作为水电厂开展设备状态评价提供了有益的参考。

不同于变压器、断路器等设备，水电机组结构复杂，运行中受到的影响因素较多，给水电机组状态评价带来困难，随着监测技术的发展，状态信息采集更加准确和丰富[7，8]，为水电机组状态评价和健康状况的评价奠定了技术基础，采用失效模式和影响分析(Failure Mode and Effect Analysis,简称FMEA)[9]与因果树状分析图相结合，是一种行之有效的方法。

1 FMEA和因果树状分析方法介绍

1.1 FMAE介绍

FMEA是20世纪60年代中期由美国国家航天航空局（NASA）在航空航天项目框架范围内提出的一种工作方法。在水电设备状态评价中，FMEA可以用来识别水电机组各部分潜在的失效模式、这些故障对系统的影响、故障的原因、采取的措施。在FMEA的基础上，失效模式、影响和危害度分析（Failure mode and effect and criticality analysis,简称FMECA)方法拓展了FMEA的适用范围[10]，根据机组部件的重要性和危害程度，FMECA可以对每种被识别的失效模式进行排序，能够实现水电机组的半量化评价（等级评价），为进一步的测试和维修工作的规划提供依据，也可以用于对水电机组设备的风险评估，实施内容包括：

（1）确定水电设备对象；

（2）组建实施工作团队，人员可以由来自于研究院所、电厂运维部门、主机设备厂家、状态监测设备厂家的技术人员组成；

（3）将水电设备对象分成部件（组件），确定：

1）各部件出现明显失效模式是什么？

2）反映每种失效模式的影响因素表现（状态量）是什么？

3）造成这些失效模式的具体机制（故障原因）是什么？

4）故障可能产生的影响；

5）失效的后果（破坏性）；

6）采取的补偿措施，制定测试和维修工作的规划。

采用FMECA方法时，需要根据失效后果的严重性，将每个识别出的失效模式进行分类，按照设备的重要性和失效程度评价状态等级，通过故障模式后果与失效概率的组合获得风险等级，定性、半定量或定量地表达失效模式对设备运行带来的风险。

同一台水电设备，经过技术改造、较大的检修和部件更换等，失效模式和物理状态可能发生变化时，应重新进行FMEA、FMECA的分析。

（4）FMEA的主要输出结果是水电设备部件（组件）的失效模式、失效机制及其对各组件或者设备影响的清单（包括故障可能性的信息），也可以提供有关故障原因及其对整个设备（系统）影响方面的信息。FMECA的输出包括对于设备或系统失效的可能性、由设备的重要性和失效程度评价状态等级、失效模式导致的风险等级、风险等级和“监测到”的失效模式的组合等方面的重要性进行排序。

1.2 故障因果树状图分析

水轮发电机组由大量的部件组成，故障机理十分复杂，属于多故障模式系统，从各种故障根源（Ci）到发生的所有可能的失效模式（Fi）过程中，是以各种有关联关系和离散的物理状态（ei）反映出来的，可以采用故障因果树状分析图对设备失效模式、故障根源和物理状态进行分析，如图1所示，这些物理状态（ei）有的是可以被监测的，有的是无法监测到的，反映了劣化过程中的设备状态（S），因此，对能够被监测到的物理状态进行量化评价，预示设备发生失效的可能性。

图1 故障因果树状分析图

由于水轮发电机组故障的影响因素包括水力、机械、电气等，机理复杂，对设备进行分析，故障根源（Ci）很难罗列完全，由故障根源（Ci）到发生的所有可能的失效模式（Fi）途径描述完全是很困难的，仅以有限的状态量（S）评价整个设备状态难免管中窥豹，如果将复杂的设备分解为不同的部件，采用FMEA方法分别对部件的故障原因和失效模式进行分析，评价其状态，则问题得以简化，因此，可以将设备按照结构或功能分解成不同的部件，根据监测到的状态量对于部件状态进行评价打分，最后综合各部件的劣化程度分值获得整体设备的健康状态评价。

2 水电机组状态评价方法

采用FMEA方法对水电机组状态评价流程如图2所示，具体步骤如下：

图2 设备状态评价流程图

（1）结构分解与状态量关联

按照结构或功能将水电机组分解成不同的部件（或组件），如蜗壳、接力器及导叶、转轮、主轴、转子、定子、上导轴承及油箱、推力轴承（组合轴承）及油箱、下导轴承及顶盖等，每个部件可能具有一个或多个状态量，如温度、振动、位移、压力、电压、电流等，分别表示为S11、S12、S13……，状态量的数值反映不同的劣化程度，根据状态量的数值区间进行分级，对应不同的劣化程度的分级，每个分级对应一个劣化分值Aij，如表1所示。

表1 状态分级

（2）部件状态评价

不同的状态量对机组的性能和安全运行影响也是不同的，根据状态量对设备的性能和安全运行影响大小赋予不同的权重Qij，如部件1的状态量S11的权重表示为Q11，然后计算部件i各个状态量Sij的分值：Sij=Qij×Aij，以及部件 i的状态量分值：Si=∑Sij。综合Sij和Si的分值区间评定该部件的等级：正常、注意、异常、严重。表2为某部件状态分值与相应状态的对应示例。

表2 部件状态分值对应表

当状态量（尤其是多个状态量）发生变化，且不能确定变化的原因和部位，可以采用诊断分析方法，判断异常的原因，确定评分的部件和分值。

（3）机组健康状态评价

最后，综合设备各部件等级获得设备的健康指数及状态等级，状态分级可参照电力设备的状态分级[11]，定义见表 3。

表3 设备状态分级定义

当所有关键部件的评价结果为正常时，机组的整体健康状态为正常，当任一关键部件状态评价为注意、异常和严重时，机组整体健康状态评价应为其中最严重的状态。

3 结论

基于FMEA的水电机组状态评价方法，与故障因果树状分析图相结合，实现了水电机组状态的量化（或等级）评价，提供了电厂设备状态的总貌，根据部件的评价等级排序，推断出检修的部位、内容和紧迫程度，为实现水电机组状态检修决策提供量化的依据。南京南瑞集团公司在此基础上建立了以设备状态评价为核心的水电厂设备状态评价与检修决策技术体系，开发了CMS9000水电厂主设备状态检修决策支持系统并在多个电厂推广使用[12]。同时在实施过程中我们体会到，对机组部件状态量的分值定义、权重的分配、建立故障因果树状分析图，需要相关专业技术人员做大量细致的基础工作，充分体现了水电机组状态评价和状态检修工作的难点和关键点。