基于在线监测技术的预测性维修在核电厂的应用

杨中卿YANG Zhong-qing；张圣ZHANG Sheng；李林LI Lin；凌霜寒LING Shuang-han

（苏州热工研究院有限公司，深圳 518100）

0 引言

核电厂对设备的维修主要采用纠正性维修、预防性维修和预测性维修等三种维修手段。相关研究发现，预测性维修技术相对于纠正性维修和预防性维修，可以能够实现有针对性的、及时有效的检修，从而在提高设备可靠性和降低核电厂运维成本方面具有显著的效果[1]。

本文在分析基于线监测技术预测性检修的理论基础上，结合核电厂主变压器运维经验，详细讨论了核电厂主变压器推行基于在线监测技术预测性维修实施过程，为核电厂开展预测性维修，降低运维成本，提高设备可靠性提供参考。

1 预测性维修技术的理论基础

随着电力市场的改革进展，核电行业已经将降低核电厂运维费用作为一项重要的绩效指标。随着高精度传感器等监测设备的出现，设备在线监测和离线监测技术得以高速发展，设备的状态评估更加准确。根据美国核电行业分析结果[2]，在线监测是实施频率最高的设备状态监测活动，连续在线监测传感器和相关诊断软件的广泛应用将大大节省核电厂运维费用。

1.1 预测性维修技术概念

预测性维修决策的理论基础是P-F 区间理论[3]。实践证明，大量的设备故障发生之前都有一个发展的过程，通过监测某些参数可以证明这种潜在故障的存在。基于此，预测性维修首先假设设备故障不会瞬间发生，即：如果能够在缺陷发展过程中及时发现潜在故障，就允许采取的措施予以及时干预。P-F 曲线常用于描述故障的发展过程，如图1 所示，P 点为潜在故障点，F 点为功能故障点，P-F区间即为设备状态降级过程中从P 点到F 点的间隔。状态监测的目的就是要在P-F 区间内探测到设备的潜在故障，进而采取行动来预防功能故障或避免功能故障的后果。

图1 P-F 曲线

预测性维修（Predictive Maintenance，简称PdM）是一种基于对设备状态的监测和设备故障的发展规律的维修策略，其主要内容包括状态监测与数据分析、故障诊断与趋势预测，以及相应纠正行动的执行与反馈，来预防设备功能故障或避免故障后果。预测性维修的核心是状态监测与故障诊断，其中按照状态监测过程中设备运行状态的不同可以分为在线监测和离线监测，或按照监测行动实施周期的不同分为实时监测和定期监测。

1.2 预测性维修技术手段

随着科技的发展，越来越多的高精度传感器、故障诊断技术和设备状态评估技术被引入到核电领域，这为预测性维修的开展和发展奠定了坚实的基础。例如振动在线监测、温度在线监测、红外在线监测、局部放电在线监测、电机电流分析、气动阀和电动阀在线诊断、超声诊断和变压器油中气体在线分析等[4]。结合业内先进的在线监测技术，对一些关键设备进行在线监测，进一步提高设备可靠性，常见的预在线监测技术手段如表1 所示。

表1 在线监测技术手段

2 基于在线监测技术的预测性维修的实施过程

2.1 预测性维修目标

对于核电厂关键设备，特别是预防性维修任务成本高的关键设备，可以通过在线监测技术手段进一步提高设备可靠性。通过分析关键设备的故障模式和设备监测技术参数，制定在线监测技术方案，如果在线监测管理的故障模式能够替代原有的预防性维修任务，则可以取消或者延长现有的预防性维修任务，实现基于在线监测技术的预测性维修。

2.2 基于在线监测技术预测性维修技术方案

由图2 可知，首先要确定可以进行监测的设备清单，实用FMEA（Failure Mode and Effects Analysis，失效模式与影响分析）或者FTA（Fault Tree Analysis，故障树分析法）工具分析监测设备的故障模式、故障影响和故障机理，明确哪些故障模式可以被监测技术手段替代，进而优化预防性维修任务。

图2 基于在线监测的预测性维修技术方案

技术方案要点就是将管理相同故障（或降级）机理在线监测任务和预防性维修任务分析，分析替代的有效性，分为高、中、低三个等级。高：检出故障模式任务的数值指定为97%；中：检出故障模式任务的数值指定为80%；低：该任务曾检出这些故障，但无法适当确保其一定会检出这些故障，其效能检出故障模式任务的数值指定为50%。

如果某种设备的分析替代有效率为“低”，就没有对其进一步评估的价值，因为不可能仅凭现有（或者新增）传感器进行在线监测就能取消任何预防性维修任务，降低预防性维修实施频度或实施范围。

如果在线监测任务覆盖了绝大部分（几乎全部）故障模式，替代有效率为“中”或者“高”，可将此预防性维修任务改为“AR”（As-Required，即“按需”），可通过线监测任务发现设备的劣化确实，进行故障排查。当然，取消该预防性维修任务需要现场运维实际情况综合判断，评判增加在线监测技术对设备的影响和该预防性任务的重要程度。

3 核电主变压器的预测性维修技术

核电主变压器是利用电磁感应原理将发电机出口24kV 电压变换至500kV 电压，从而直接将电能量传输至电网的电气设备。目前变压器油色谱分析、接地电流在线监测、变压器绕组温度在线监测和红外在线监测等手段已经在核电主变压器上得到了广泛的应用，为保证和提高核电主变压器的可靠性提高了条件。

3.1 制定核电主变压器PdM 模板

按照2.2 章节中的技术路线，对核电主变压器现有的在线监测技术手段进行分析，并根据主变压器FMEA 分析结果，制定详细的PdM 模板，结果如表2 所示。

表2 主变压器PdM 模板

3.2 优化核电主变压器预防性维修策略

对核电主变压器的故障模式及其对应的预防性维修策略进行梳理，找出表征核电主变压器状态的参数，分析这些参数与在线监测技术手段之间的技术关系，可以得到主变压器预防性维修的策略优化方法，并确定设备现场加装传感器的建议和维修策略优化结果。

表3 以主变压器油样常规分析为例，详细说明了预防性维修向预测性维修的转化过程。

表3 主变压器预防性维修策略优化

根据电厂已有的预防性维修大纲情况和电力行业法律法规的标准，结合电厂现状（设备预测性维修偏少，主要是定期维修为主），针对新开发的设备预测性维修大纲对定期的预防性维修开展了专项优化分析，删除机电仪预防性大纲42 项，延期大纲18 项，增加18 项。

3.3 核电主变压器传感器加装建议

根据3.2 章节的分析结果，核电主变压器可以增加在线红外、变压器振动在线监测、局部放电在线监测、温度在线监测、铁芯接地电流在线监测、运行参数在线监测、氢气乙炔微水在线监测装置、油色谱在线监测和套管在线监测等装置，形成一体化的变压器状态监测平台，并进行状态评估，如图3 所示。

图3 核电主变压器传感器加装示意图

4 总结

综上，通过在核电厂重要设备上增加传感器，实施基于在线监测技术的预测性维修，可以有效减少预防性维修项目，延期定期维修周期，充分利用设备有效使用寿命、减少维修工作量和降低维修成本等目的，逐步实现由预防性转向预测性维修为主的维修方式。