基于数据集成的汽轮机零部件结构

2022-01-14罗育智LUOYuzhi

价值工程 2022年3期

罗育智LUO Yu-zhi

（苏州热工研究院有限公司，深圳518035）

0 引言

汽轮机是核电厂的重大设备，其稳定运行直接影响核电厂的安全和效益。中广核在运核电厂为保证汽轮机的可靠性，开展和实施了汽轮机全寿期标准化管理，包括汽轮机进行从商运开始直至退役整个寿期内的设备管理活动，旨在保证汽轮机在整个寿期内的安全可靠及稳定运行。汽轮机全寿期标准化管理中的重要工作内容是依据寿期内工程阶段和运营阶段的设备数据信息对设备状态进行评估，由于汽轮机寿期时间跨度长，设备管理活动多且分散，因此汽轮机相关的数据信息的集成方式就显得极为重要。

1 汽轮机全寿期数据

汽轮机在生命周期中经历了设计、制造、安装、调试、运行、维修、退役等阶段[15]，汽轮机全寿期数据指的是这些阶段中业务活动所涉及的技术信息[3-5]，主要包含了下面几种类型的数据：

1.1 汽轮机基础数据

汽轮机基础数据主要包括设计、制造、安装数据，主要存在于核电厂的系统手册、运行维修手册和安装报告中，以技术信息的形式在文件中体现，这些文件是核电厂从工程阶段移交给运行阶段的重要技术资料。核电厂运行阶段各专业工作均需要以此文件为基础开展工作，为了方便技术人员利用，需要将文件中的图片、表格、文字等内容整理形成数据格式，包括设备部件的设计参数、材料、检测点限值、故障、专用工具、质量报告、无损检测等信息，既有针对汽轮机整体或大的子设备的数据信息，也有描述更小零部件的数据信息。在数据整理过程中，按照核电厂的系统功能结构：电厂、机组、系统、设备，形成以功能位置编码为核心的数据，对汽轮机零部件信息，通过零部件的文字描述在数据中进行标识。

1.2 测量数据

汽轮机的测量数据主要分为以下几种类型：

1.2.1 监测数据

汽轮机监测数据主要由汽轮机上的传感器给出的连续测量数据，也包括对监测数据采用数学模型进行智能监控的数据，反应汽轮机实时物理参数信息和趋势报警信息[11]，如：温度、压力、振动等，汽轮机的传感器在功能上也属于一种设备，会给出功能位置编码，核电厂的技术人员通常会用传感器的功能位置编码来描述某个测点的信息。需要说明的是，传感器是位于汽轮机的某个部位的，因此传感器功能位置编码的测点信息实际上是隐含了汽轮机的零部件信息和位置信息[14]。

1.2.2 维修测量数据

在维修过程中需要记录的汽轮机零部件的数据信息，并与汽轮机零部件的标准值进行比对，以此来判断设备状况，这些测量信息与部件和部件位置直接相关。在实际工作中，维修技术人员希望能在相同的汽轮机部位间，以及不同的维修时间上进行比对测量数据，因此对部件信息的定义有着明确的规定，以便维修技术人员能够找到正确的数据进行设备状况评估。数据内容以报告文档的方式保存，通过功能位置关联维修报告的方式可以查找数据信息，有关部件的定义也是通过文字描述的方式进行规范。核电厂正在开展维修程序结构化的工作，维修工作过程中涉及的部件描述，也希望能够统一形成标准的部件定义，后续维修过程所记录的数据将会直接形成结构化数据并与相应的零部件信息关联。

1.2.3 专业检测类数据

专业检测包括在役检查、定期试验、性能检测、油水化学检测等专业对汽轮机设备进行的专项检查信息，在役检查通过无损探伤的技术手段给出汽轮机部位的状态，定期试验通过试验验证设备部位功能可用，性能检测涉及机组出力相关性能试验、振动等，油水化学检测验证汽轮机润滑油、抗燃油的油质情况，均与汽轮机部件和部件位置相关，检测结果以报告文档的方式保存，通过功能位置关联维修报告内容，技术内容涉及零部件的描述信息。

1.3 备件数据

汽轮机备件是维修活动的基础，备件数据与功能位置数据、工单、采购订单等业务直接相关，备件的定义是根据维修需求来确定的，需要到最小的可更换零件，也可以对应大的可更换子设备，因此备件与汽轮机零部件直接对应。

1.4 技术管理数据

技术管理数据是围绕汽轮机可靠性管理服务的工作过程产生的数据，日常工作包括缺陷通知单、工单、经验反馈、技术问题管理、可靠性数据、质量偏差、不符合项等，技术信息包含的数据内容与汽轮机设备相关的功能位置编码关联，这些业务着重于汽轮机的缺陷、故障等问题的管理和处理，主要以功能位置编码和技术问题描述来进行跟踪，形成闭环，在设备状况的描述中会涉及到汽轮机零部件，不过汽轮机零部件的描述不统一。长期技术管理活动包括：老化寿命评估管理、技术监督、工程改造、应急预案、停机保养、维修大纲等，这些技术信息同样与汽轮机相关的功能位置编码关联，技术内容也会描述到汽轮机零部件，汽轮机零部件的描述也不统一。

2 汽轮机零部件

中广核在运核电厂汽轮机管理涉及汽轮机本体以及关联系统，包括：抗燃油系统、润滑油系统、密封油系统、调节阀系统、截止阀系统、监控系统、定子冷却水系统等。以中广核集团某核电厂汽轮机为例，汽轮机本体按照物理结构主要分为：高压缸、低压缸、发电机、励磁机、轴承箱等[12-13]，在电厂的拆解结构中针对主要的设备结构进行了功能位置编码，核电厂相关业务以功能位置编码对象进行标识和描述，如：高压缸、低压缸、低压转子等[1-2]。对组成这些设备的更小的部件结构的技术信息描述，主要以各业务范畴自身的定义为主进行划分和描述，如维修工作过程，会对测量部位进行定义，设备部件的中文描述加位置信息进行描述和定位，如“汽轮机前、后轴承的绝对振动值、相对振动值”，这些部件描述的信息体现在维修报告中，仅技术人员在查阅维修报告时能够识别。因此可以看出仅仅利用功能位置编码作为各专业数据汇集的对象不能满足通过信息系统直接定位业务应用所需数据的要求，同时需要在全厂范围内统一零部件的描述以便在共同的零部件标识上汇集各方面的业务数据，方便技术人员查阅和使用。

汽轮机全寿期标准化管理方法提出将汽轮机进行三级拆分，见图1，识别出设备、部件、零件的层级结构，按照一定的分析原则和方法，识别出重要的零部件，通过对这些重要的零部件进行状态评估管理，以达到汽轮机精细化管理的目的。因此确定汽轮机的零部件颗粒度，形成数据集成中的基础结构就显得非常重要和必要。

图1 汽轮机三级拆分示意图

经过对汽轮机相关业务零部件数据信息需求的分析，汽轮机零部件的描述信息主要包含下列四种类型：

2.1 运行维修手册零部件

核电厂的运行维修手册包含了汽轮机设备的拆解结构详细清单，如图2低压纵缸剖面图，是汽轮机厂家对汽轮机的最小拆解单元说明，是技术人员了解设备的功能原理并进行日常维护、预防性维修等技术性工作的重要文件，因此其中的零部件信息是电厂各专业的基础依据。

图2 低压缸纵剖面图

2.2 维修零部件

核电厂的维修程序是维修人员维修汽轮机设备的技术依据文件，包含了汽轮机设备的拆解和组装整个工作过程的要求，并对汽轮机零部件的测量数据进行管理和记录。维修过程中的零部件描述是在厂家运行维修手册零部件清单的基础上结合维修管理和零部件故障管理要求形成的，是最小的维修单元。在维修过程中，为方便维修和更换，维修单元存在层次关系，即一个维修单元可以由若干个小的维修单元组成。例如：低压缸分为低压转子、低压转子联轴器、低压内缸、低压外缸、低压缸端部汽封、低压缸轴封补偿器、低压缸排汽导流环、低压缸排大气隔膜阀、低压缸排汽扩散段、低压缸通流径向汽封，其中的部件由更小的部件或零件组成，如低压内缸又包括低压内内缸、低压外内缸等，低压外缸又包括缸体、轴封膨胀节、轴封、螺栓等。

2.3 备件

备件信息是对需要采购和更换的汽轮机零部件的编码，与设备零部件的厂家型号密切相关，为了方便维修过程的应用，有两个特点：一是设备零部件与备件之间存在多对多的关系，多个零部件对应同一个备件或者一个零部件对应多个备件；一是备件存在主备件和子备件的联系，即一个主备件可以由几个子备件组合形成。备件信息主要依据维修过程的需要定义相应的备件清单。比如高压缸中的高压转子整体有一个备件码，同时组成高压转子的部件：叶片、平端紧定螺钉、平衡块等也有备件码。

2.4 故障部件

在设备故障模式的分析过程中，需要对汽轮机出现的故障情况进行全面分析，以便在发生问题的时候能快速定位故障信息，因此需要对可能发生故障的汽轮机部件或部位进行定义，明确故障部件、故障现象、故障原因等[6-10]，形成同类设备的标准信息，以便收集同类设备的故障数据进行可靠性分析。根据可靠性分析的要求不同，可以对汽轮机的最小零部件进行可靠性分析，可以将多个零部件组合形成的设备部位组合形成故障部件来描述，需要注意的是可靠性分析不要求对所有的零部件都进行分析。比如：将低压缸的零部件组合定义为“末级叶片”、“汽缸体”、“隔板及其汽封装置”、“转子及其叶片”、“轴封体”等故障部件来进行故障分析。

2.5 汽轮机标准部件设定分析

上述的四种零部件的定义方式涉及维修、设备、物料三个专业领域，相对独立，但又存在密切的联系，依据三个专业领域的工作要求和相互间的关系，可以用图3的图示对四种零部件的关系进行描述：

图3 零部件关系图

其中，运行维修手册零部件是汽轮机基础信息，是产生维修零部件和故障部件描述内容的基础，维修过程中针对部件拆装和部件状态管理要求，形成有层次关系的维修零部件组合，故障部件是在对汽轮机可靠性分析过程中的汽轮机零部件或由零部件组合形成的功能部件的描述，备件信息根据维修活动（包含改造、替代等）需要产生，将汽轮机零部件纳入采购管理形成备件信息。运行维修手册零部件的定义虽然是基础的信息，但是不能体现出维修单元、故障部件、备件等多个零部件组合需求。通过分析，可以建立如图4所示的层级部件结构。

图4 汽轮机层次部件结构示意图

按照汽轮机层次部件结构示意图，汽轮机的低压缸设备可以划分为设备、部位、零件三个部分，其中部位和零件可以统称部件，设备指的是实现系统设计功能的最小装置，对应系统设计中的功能位置编码，零件对应运行维修手册零部件，部位由零件组成，按照设备可靠性管理、维修管理、备件管理的需要综合定义形成。该层次结构应有如下特点：

零件可以小于或等于运行维修手册描述的零部件，确定是否需要编码数据时可以参考最小维修单元的要求。

部位的定义依赖于维修过程、备件、故障分析业务的需求，定义内容可能发生变化。

汽轮机多层次零部件结构设计目标是为了适应不同业务场景对汽轮机零部件的描述需求，以便形成可以汇集相关数据的标准节点，方便开展对汽轮机技术问题、设备故障的高效处理、分析、评估工作，是形成汽轮机设备数据标准的重要基础工作，由于设备可靠性、维修、备件的专业需求不同，因此需要综合各方需要逐步形成汽轮机标准层次部件结构的定义。