概述
所謂壽命，是指從出生經過發育、成長、成熟、老化以至死亡前機體生存的時間，通常以年齡作為衡量壽命長短的尺度。由於人與人之間的壽命有一定的差別，所以，在比較某個時期，某個地區或某個社會的人類壽命時，通常採用平均壽命。平均壽命常用來反映一個國家或一個社會的醫學發展水平，它也可以表明社會的經濟、文化的發達狀況。
壽命為計算年齡的一種，為一個生物誕生到死亡的所有時間，一般將其單位定為“歲”。壽命的原意不同於年齡，但由於語言上的錯誤導致有時候年齡可以代替壽命一詞。
壽命一詞時也時常被用來指機械、設備或零件從開始使用到故障無法使用的時間長短。
壽命線上監測通常指機械、設備零件等的線上監測。
火力發電設備壽命線上監測
在運行中利用安全狀態線上監測系統,對火力發電機組的設備或構件進行剩餘壽命實時監測的技術,是壽命預測和壽命診斷技術的進一步發展。監測系統通常由計算機、信號採集和轉換單元以及溫度、壓力、應變、位移等各類感測器以及線上監測軟體構成。感測器直接安裝在構件的被監測部位。計算機的輸入信號實時直接取自運行中的被監測的設備構件,實時對輸入信號分析處理。處理後的結果,如剩餘壽命值、壽命損耗率等,實時輸出列印、顯示或儲存。必要時,還可直接輸入控制機構,及時改變被監測設備或構件的運行工況。
目前主要依據的壽命預測方法是分析法。採用壽命線上監測前,首先要根據被監測設備或構件的運行條件來確定其主要的壽命損耗機制(蠕變、疲勞或蠕變疲勞互動作用等),按所確定的機制來採用相應的壽命損耗率的計算公式或模型。
壽命線上監測裝置工作流程壽命線上監測裝置工作流程的例子如圖所示。可以看出,壽命線上監測裝置與其他套用計算機的線上監測裝置大致相同。值得注意的是信號處理和分析計算兩個方面。
由於運行溫度是變化的,為實現不同溫度、應力(即分析法中的i條件)水平下各自的壽命損耗率計算,對信號的處理常採用將運行溫度分成一系列的溫度間隔等級(一般為5℃)的方法,例如531～535℃、536～540℃等,分別按各間隔溫度,計算各間隔的實際運行時間△ti。把測得的介質壓力和儲存的構件的實際形狀尺寸計算出的折算應力,並加上構件上其他的作用力合成當量應力σi。在應力計算中,鍋爐和主蒸汽管道等的厚壁承壓構件,由於形狀比較簡單,計算也比較簡單。但對汽輪機轉子,則需複雜的熱應力分析計算程式。
分析計算按蠕變壽命損耗率;疲勞壽命損耗率;蠕變疲勞互動作用壽命損耗率來計算。圖中“高溫部”是一個是非門,起判斷作用,由構件的溫度水平決定。如構件溫度處於蠕變範圍,則從“是”門走,先進行蠕變壽命損耗率計算;否則,從“非”門走,僅進行疲勞壽命損耗率計算,然後得出總壽命損耗率。
壽命監測技術在電廠中的套用目前火電廠中鍋爐厚壁承壓構件,如鍋筒、汽水分離器、過熱器聯箱等,以及主蒸汽管道和汽輪機轉子等,已採用壽命線上監測。水冷壁管、過熱器管、再熱器管、省煤器管等鍋爐內承壓構件,一方面由於運行條件惡劣,不但有蠕變、疲勞等,還有氧化、腐蝕……;另一方面,也由於同一部件運行工況也不盡相同等原因,採用壽命線上監測技術尚有一定困難。目前此技術在電廠中的高溫蒸汽管道的套用功能僅限於篩選出壽命損耗率≥60%的構件。決定壽命損耗率≥60%的構件能否繼續安全運行,尚需採用其他的壽命預測方法,例如非破壞的蠕變空洞檢驗或取樣進行力學性能試驗等。
在電廠除專用的壽命線上監測裝置外,也可利用控制室的中心計算機來實現壽命線上監測。還可用數據採集器來採集並儲存被監測件的溫度和壓力數據,在運行一段時間後,例如105h後需要進行壽命預測時,再送到專用的計算機進行壽命損耗率的計算分析。
新型潤滑油壽命（磨損顆粒／黏度）線上監測技術
傳統的潤滑油狀態監測是指利用實驗室的物理化學分析技術對機器設備正在使用的潤滑油樣品進行綜合分析,獲得設備潤滑與磨損狀況的信息,並據此預測設備磨損過程的發展,及時發現故障或預防故障的發生.
線上潤滑油狀態監測則是在設備正常運行不停機的情況下通過對在用潤滑油的物化參數實時監測,判定設備工況,診斷設備的的異常部件,異常程度.從而實現避免重大事故的發生.有針對性地維護和修理.另外實時監測可以幫助理解機械設備中摩擦副的磨損機理,潤滑機理,磨損失效類型等,確定潤滑油剩餘壽命.確定合理的磨合規範和換油期.
目前我國在"線上潤滑油狀態監測"儀器製造方面仍屬於空白,國際上少有的同類儀器仍處在體積大,技術複雜,套用範圍小,單一參數監測,價格昂貴,資源浪費的狀態.主要是感測器技術無法突破.
由最近歸國的留美學者發明的機械磨損顆粒/粘度感測器具有體積小,成本低,結構簡單安裝使用方便的特點.同時該技術可實現多參數測量,具有製造工藝和自動化智慧型化水平高等優點.主要性能指標達到國際先進水平.套用領域如:大型機械齒輪箱,軸承失效,汽輪壓縮機組,發動機組,液壓系統,飛機,輪船及大型動力機械等.
這項發明不僅填補了我國在線上潤滑油狀態監測方面的空白,也為國內行業的普遍套用提供了可能性.提高了我國測試儀器的整體水平.該技術近期已完成樣品測試並申報國家發明專利（專利申請號200610033506。8）,正在國內尋求合作(2006年2月）
基於DCS和MIS的鍋爐汽包壽命線上監測和管理
現代大型火電機組普遍採用分散控制系統(DCS)和管理信息系統(MIS)。相對而言，DCS直接用於現場設備的監視和控制，系統結構緊湊、數據傳輸速度較快、通信負荷較高，對可靠性、實時性要求很高。而MIS數據刷新頻率較低，又不用於現場控制，對可靠性和實時性要求不高，多使用通用的商業軟體，信息量大，資源豐富，人機界面友好。同時，DCS和MIS又都是開放型體系結構，絕大多數電廠已有相應的通信接口來實現這兩個系統間的信息交換。基於此，本文提出採用DCS側組態與MIS側編程相結合的方法，綜合利用DCS和MIS的軟硬體資源，解決鍋爐汽包的壽命線上監測和管理問題，並以此開發了一套鍋爐汽包壽命線上監測和管理系統(下文簡稱系統)。該系統已套用於某電廠B&WB-l025/18.44-M自然循環鍋爐。
一、監測對象的選擇 鍋爐是火電機組中最重要的部件之一，對於自然循環鍋爐，汽包是最重要的承壓部件，運行工況複雜，不僅要承受內部較高的壓力，還要承受冷、熱態起停及變負荷時的循環機械應力和熱應力，這些交變的應力很容易產生疲勞破壞。因此，本文選擇鍋爐汽包作為線上監測對象，採用DCS側組態與MIS側編程相結合的方法，進行壽命線上監測和壽命管理。
二、系統結構 系統充分利用電廠現有的軟硬體資源，不加裝新的測點和硬體設備，以降低成本和減少對現場的影響。在結構上，該系統把對實時性要求較高、計算過程簡單的應力計算放在DCS內完成，而將對實時性要求不高、計算相對複雜的壽命計算放在MIS內完成，最大限度地利用了軟硬體資源。具體結構如圖1所示。
三、DCS側的計算模型 對於鍋爐汽包壽命的線上監測，需要實時跟蹤的參數是集中下降管開孔處的主應力σ。由於汽包疲勞壽命線上監測有很強的實時性和連續性，要求疲勞壽命計算簡單可靠、計算周期短。同時，考慮到降低成本和減少對現場的影響，監視的測點要求儘可能少，並且儘量利用現有測點和現有的軟硬體。因此，應該對疲勞壽命計算方法進行一些合理的簡化和改進，以適應線上監測的要求。 汽包疲勞壽命分析表明，汽包集中下降管內壁轉角處為疲勞壽命的最危險點，只要該處的疲勞壽命能保證，整個汽包的壽命就能保證。要求得該處的疲勞壽命，必須首先對該處所承受的各種應力進行合成。 應力合成的步驟:先計算出不開孔圓筒體的各種應力，包括由內壓引起的機械應力σp和由汽包內外壁溫差引起的熱應力σt，再分別乘以相應的應力集中係數Kt、Kt進行應力合成計算。即:此處的σp實際上就是內壓引起的環向應力σθ。式(2)中Dn、S都是已知的幾何尺寸，汽包內壓p的測量可以利用現有的DCS測點。
由汽包內外壁溫差引起的熱應力σt可採用以下公式計算: 式(3)中α、E、ν都是已知的物性參數,f(β)也可以根據已知的幾何尺寸計算出來，則σt僅與Δt有關，而Δt測量也可以利用現有的DCS測點。 綜上所述，採用以上的簡化和處理之後，既保證了計算的可靠性，又可以很容易地實現主應力σ的求取，計算中只有初等運算，完全滿足組態要求。
四、DCS側的組態實現 為實現對汽包壽命的線上監測，系統在DCS側所要做的工作如下: (1)挑選需要的測點，如汽包的工作壓力和內外壁溫差等; (2)通過資料庫組態，在DCS的資料庫中增加新參數，如主應力值; (3)通過算法組態，實現新參數的邏輯計算，如根據式(1)，由汽包工作壓力和內外壁溫差計算出主應力值。 這些工作所需的測點就是計算模型中用到的相應運行參數，而資料庫組態和算法組態的實現則根據DCS的不同而有所差異。作為開放的控制系統，幾乎所有的DCS都具有方便靈活的資料庫組態和和算法組態功能。 以蒙達發電公司為例，其DCS採用的是Bailey公司的INFI90系統，給用戶提供的是一個通用的系統組態和運行控制平台。 在資料庫組態中，系統將主應力值作為一個虛擬量設定在資料庫中，這樣通過計算得到的主應力值將會同其它測點值一樣，被不間斷地送入MIS。在MIS中可以方便的獲得進行壽命計算所需要的應力值參數。 在算法組態中，需要把INFI90系統提供的模組化功能單元按一定邏輯組合起來，從而實現特定的功能。具體的算法組態設計見圖2。
五、MIS側的計算模型5.1應力幅的確定 相對於主應力σ的計算，應力幅的確定以及最終疲勞壽命的計算是一種比較複雜的計算和邏輯處理過程，需要的處理時間較長，占用的軟硬體資源也較多。在MIS側，基於MIS系統資料庫，採用可連續計數的雨流法對應力幅和疲勞壽命進行計算。 資料庫中存放的主應力值σ是按時間順序存放的，計算應力幅時，只需將它們取出。首先剔除非轉折點，留下按時間順序排列的應力峰谷值；然後考察應力峰谷值序列，任意相鄰4點σi-1、σi、σi+1、和σi+2隻要滿足如下條件： 在應力峰谷值序列中從頭至尾進行搜尋，若沒有循環取出，則應力點按順序向前移1點;若有循環取出，則向前移2點，應力循環計數n增加1次。這樣處理直到整個序列結束。重複上述處理，直到在剩下的峰谷值序列里再也找不到能滿足上述條件的4個峰谷值為止。 然後，再在剩下的峰谷值序列里，將相鄰2點按一個半循環的應力幅進行處理，即按半循環進行壽命損耗累積，直至全部應力值都處理完畢。其應力幅也可用公式描述。5.2疲勞壽命的計算 為了實現線上計算，將ASME的設計疲勞曲線用曲線擬合方法編製成相應的疲勞壽命計算公式;或者將該曲線編製成表格(數組)存於計算機的存儲器中，計算時用對數插值法即可根據應力幅σa求出對應的允許循環次數Ni。 以此獲得的整個應力譜的疲勞壽命損耗如下: 式中:Ntq、NIB分別為全循環和半循環的允許循環周次;n、k分別為全循環和半循環的個數。
六、MIS側程式結構及主要功能 MIS側程式對由DCS傳送來的參數進行篩選、保存、計算、分析和結果顯示，是系統的主體部分。MIS側程式採用基於資料庫的客戶機/伺服器結構。即在伺服器端完成參數的篩選、預處理、保存，按日、按月的定期壽命損耗計算以及總壽命損耗量的累計計算;在客戶端實現不定期(自定義時段)的壽命損耗計算，各種計算結果的查詢和顯示，重要的鍋爐運行參數的實時跟蹤曲線和起動/停爐時的跟蹤及指導曲線的顯示。MIS側程式的簡單結構如圖3。 MIS側程式採用客戶機/伺服器結構，體現了模組化設計的思想，是系統設計和開發上的另一特點。通過客戶機/伺服器結構，將需要連續運行的數據的篩選、保存和預處理任務放在伺服器端，而將計算結果的顯示、分析、起停指導等功能放在客戶端，既保證了壽命計算的連續性又便於用戶使用。6.1伺服器端程式的主要功能 伺服器端程式的主要功能:(1)對DCS傳送來的參數進行預處理並保存於資料庫中;(2)每日定期計算;(3)每月定期計算;(4)總壽命損耗值的累計計算。 由於要進行大量資料庫操作和定時計算，伺服器端程式必須連續不間斷運行，因此應安裝在一台與MIS資料庫相連的可以連續不間斷工作的計算機上。同時，鑒於該程式占用的系統資源並不多，因此可以考慮將其直接安裝在MIS伺服器上。 以蒙達發電公司汽包壽命線上監測和管理系統為例，該系統MIS側伺服器端程式採用DELPHI6.0作為開發語言，連線的資料庫是ORACLE8.1.6，該程式為2M位元組，運行時占用記憶體為3.5M位元組。測試時連續運行數月，情況良好。6.2客戶端程式的主要功能及實現方法 客戶端程式可以安裝在多台不同的計算機上，同時運行不會互相干擾，從而實現基於MIS資料庫的資源共享。只要MIS資料庫、伺服器端程式運行正常，MIS中任何一台安裝了客戶端程式的計算機，不論是生產層還是管理層，都可以很方便地獲得有關鍋爐壽命損耗情況的數據。 客戶端程式的主要功能如下: (1)各種定期計算結果的顯示。客戶端程式可以將定期計算結果從資料庫中取出，經過進一步處理，用多種方式顯示出來。用戶可以通過選擇相應的年份和顯示方式，查詢本系統自投運以來至系統當前日期之間每年度各個月份的鍋爐壽命損耗值。 (2)不定期(自定義時段)壽命損耗計算及顯示。在MIS資料庫中存有大量定期計算的中間結果，通過對這些中間結果的再加工，可以實現本系統自投運以來到當前時間之間任意時間範圍內的蠕變、疲勞壽命損耗值的計算。 (3)實時跟蹤曲線。通過DCS採集的相關運行信息，經過加工處理之後，可轉換成各種曲線形式，用戶可根據需要，查找有關鍋爐運行信息和跟蹤曲線，例如機組負荷實時跟蹤曲線、汽包壓力實時跟蹤曲線和汽包溫度的實時曲線等。 (4)鍋爐起停跟蹤及指導曲線。因為72h內鍋爐汽包的蒸汽壓力、溫度值都已保存在MIS資料庫中，因此只要當前時刻機組仍處於起動/停爐狀態，調出相應界面，將會自動追溯到開始起動的時間，並顯示從該時刻開始直到當前時刻的汽包溫度或壓力的變化情況。隨著時間的變化，跟蹤的終點不斷調整，始終保持為系統當前時間，從而實現起動過程的全程實時跟蹤。同時，可根據起動/停爐時的特徵及鍋爐汽包壽命管理的要求，給出合適的起動/停爐指導曲線，通過與指導曲線的對比，協助操作人員最佳化起動/停爐過程。 系統的MIS側客戶端程式用VISUALBASIC6.0編制而成，連線的資料庫是ORACLE8.1.6，測試時運行情況良好。
七、結語
本文提出採用DCS側組態與MIS側編程相結合的方法實現鍋爐汽包的壽命線上監測和管理。在此基礎上，開發了一套汽包壽命線上監測和管理系統，並將其套用於某電廠1號爐。該系統採用DCS組態來計算鍋爐汽包的應力，用MIS完成疲勞損耗的計算和管理，將實時性要求較高的應力計算放在DCS內完成，而將實時性要求不高的壽命計算放在MIS內完成，最大限度地利用了發電機組原有的軟硬體資源。實踐表明，該系統對提高機組運行的安全性和可靠性起到了重要的指導性作用，且不需要增加新測點，對現場設備沒有影響，具有很好的套用前景。
