模糊诊断技术在天然气压缩机故障诊断中的应用.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 5卷 第 6期 润滑与密封 LUBRI CA nON ENGI NE ERI NG J u n e 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 5 No ． 6 I N I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 6 ． 0 2 5 模糊诊 断技术在 天然气压缩机故障诊 断中的应 用 赵旭东张来斌段礼祥 中国石油大学 北京机电工程学院北京 1 0 2 2 4 9 摘要针对某天然气压气站的大型离心压缩机故障诊断的要求，提出一种基于模糊理论的故障诊断模型。该模型 基 于征兆对于故障的肯定及否定程度 ，提 出修正模糊关系矩阵，能够适应复杂故障的诊断。实践证 明这种诊断模型应用 在压缩机故障诊 断上是可行的。 关键词离心压缩机；模糊理论；故障诊断 中图分类号 T H I 6 5 ． 3 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 0 61 0 4- 4 Ap p l i c a t i o n o f Fu z z y Di a g n o s i s Te c h n i q ue o n Fa ul t Di a g no s i s o f Ce n t r i f u g a l Co mp r e s s o r s i n Na t u r a l Ga s S t a t i o n Zh a o Xu d on g Zh a n g L a i b i n Du a n L i x i a n g C o l l e g e o f M e c h a n i c al a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a Ab s t r a c t A ma t h e ma t i c mo d e l o f f a u l t d i a g n o s i s b a s e d O N t h e f u z z y t h e o r y Was e s t a b l i s h e d f o r t h e l a r g e c e n t r i f u g al c o rn- p r e s s o r s i n n a t u r al g a s s t a t i o n． Ac c o r d i n g t o t h e p o s i t i v e a n d n e g a t i v e e f f e c t o f s y mp t o ms t o f a u l t s ， t h e r e v i s e d f u z z y r e l a t i o n ma t rix Was i n t r o d u c e d t o s u i t f o r c o mp l e x f a u l t d i a g n o s i s ． Th e p r o p o s e d mo d e l wa s p r o v e d t o b e p r a c t i c ab l e o n f a u l t d i a g n o s i s for c e n t rif u g al c o mp r e s s o r ． Ke y wo r d s c e n t r i f u g al c o mp r e s s o r ； f u z z y t h e o ry ； f a u l t d i a g n o s i s 目前国内输气管线增压站 如陕西榆林 、府谷 增压站采用的离心式压缩机组大多从 国外进 口， 价格昂贵 ，其投资 占压气站投资的 5 0 ％以上。虽然 离心式压缩机的故障类型较多 ，但往往以机组异常振 动的形式表现出来 ，目前诊断异常振动常用的方法有 白木万博的得分法、概率统计诊断方法、模糊诊断方 法和人工智能专家系统诊断方法等 j ，其中模糊诊断 方法应用最多。虽然国内模糊学应用在石油机械上已 有十几年的历史 ，但从实践来看，难以应对压缩机 存在的多种故障和表现为多个征兆的情况。本文作者 分析了这种压缩机存在的复杂故障和表现出的多个征 兆，依据征兆对于故障的肯定及否定作用大小，对模 糊关系矩阵和相关系数进行改进修正 ，实现对复杂故 障的诊断。 1 模糊诊断的数学描述 “ 设机组故障 的原 因集合 为 U { u 。 ， ，⋯， 基金项目国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X 0 5 0 4 8 - 0 0 5 - 0 3 H Z ；中 国石油天然气集团公司创新基金项 目 0 7 E 1 0 0 5 ． 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 一 l 8 作者简介 赵旭东 1 9 8 1 一 ，男 ，硕士研究生，主要从事机械 故障诊断方面的学习研究 ． E m a i l 1 3 8 1 1 7 2 5 7 7 5 1 3 9 ． c o r ／ L “ } ， 征兆集合为 V { ， ，⋯， } ，建立由故 障征兆到故障原因的模糊关系矩阵足， 厂 r r 1 2 ， ⋯ ， r h] I ； ； I I I f L r l ， ， ⋯ ， r mj 其中r i 1 ，2 ，⋯，m， I ，2 ，⋯，n 表示故障 原因 与征兆 v s 的相关系数 ，它也是根据统计分析 和专家经验确定的。 在设备异常状态下振动的模糊诊断中，选择频谱 中各区域峰值的最大值为特征值建立隶属函数，各征 兆群的征兆隶属度常用升半哥西分布，其一般形式 r k 一 ‰ j x o 2 【 0 ≤ 戈 。 式中 为征兆的大小；k为常数。 设进行综合评判的征兆论域为 ，诊断结果的故 障论域为 y ， 则故障论域 y V { 不平衡， 不对中， ， 联轴器损坏，⋯} 其中各元素 的隶属度 组成模糊向量 B B [ u u M ⋯] T 3 征兆论域为 2 0 1 0年第 6期 赵旭东等模糊诊断技术在天然气压缩机故障诊断中的应用 1 0 5 U{ 。 一 0～ 0 ． 3 9 f 倍频 ， 一 0 ． 4～ 0 ． 4 9 f倍频 ， 一 1 ／ 2 f 倍频 ，⋯ } 其 中各元素 的隶属度 组成模糊 向量 A A[ M ． ， “ ⋯r 4 征兆隶属度 A 与故 障隶属 度 曰之 间的关 系用 模 糊关系矩阵来表达 BA。 B 5 在目前的研究 中，一般是从单一故障出发研究其 对应的特征 征兆 ，因此 得到 的模 糊关 系矩阵仅适 用于设备只存在单一故障的情况 ，对设备存在多种故 障和表现为多个征兆的情况是不适用的。但是对于压 气站 压缩机 ，其存 在多种 故 障 ，并 表 现为多 个特征 ， 而这种情况在振动诊断 中是 常见 的 ，所 以须对压缩机 可能出现的故障与可能表现的征兆彼此间的关系进行 研究，对模糊关系矩阵进行修正。 2修正模糊关 系矩阵 目前考虑所有的故障和征兆是不可能和不现实 的，作者选取北京华油天然气有限公司榆林压气站压 缩机出现的主要故障及特征进行研究。 北 京华 油天然气有限公司榆林压气站的压缩机 已 安装有在线监测系统 ，可采集各个测点的振动数据， 经过一定的频谱分析，可得到包含有一倍频、二倍频 等倍频 ，以及 1 ／ 2倍频等分频的一系列信息 的数据 库。参照白木万博 的振动得分法和苏赫 J S o h r e 的振动征兆表 ，以及其他一些 专家的经验 和现场数 据 ，可 以得到初步 的模糊关 系矩 阵 ，见表 1 。 表 1 离心压缩机模糊关 系矩阵 R T a b l e 1 F u z z y r e l a t i o n ma t r i x o f c o mp r e s s o r 注 f 为压缩机轴的转动频率。 相关 系数 r 的确定 是假设 待诊断对象只存在单一 故障 ，没 有考虑故 障之间的相互影响 。为了应对复杂 故障诊断，必须考虑此故障与彼故障之间、此征兆与 彼征兆之间以及故障和征兆之间的相互影响，确定符 合实 际的模糊关 系矩阵 和模糊 向量 。为了提 高诊断精 度 ，国内部分专家学者提出动态模糊关系矩阵，实现 动态的诊断 。 ，或者引入 自适应的最小二乘优化算 法 以实现隶属度 函数的机器 自学习 ，但是都没有关 于大型旋转机械诊断的应用实例 。 从 利用征 兆诊 断故障的角度来 说 ，仅 知道如果设 备存在某种故障，则对应将出现和不出现哪些征兆及 其隶属度是不够的。更重要的是要明确如果机组出现 和没有出现某个征兆，则可能存在和不存在哪些故障 及其隶属度。因为从征兆出发去诊断故障，关键在于 要 明确征兆存在与否对特定故障 的肯定和否定程 度。 作者基于这种思想，并根据现场实际情况，约定 负值对应于征兆存在对判断某故障起否定作用，正值 则对应于征兆对判断某故障起肯定作用， “ 0 ”则表 示征兆存在 与否对判 断某故障无 影响 ，详见 表 2 。 表 2 征兆量词及其对应的隶属度 Ta b l e 2 S y mp t o ms t o f a u l t s a n d s u b o r d i n a t e d e g r e e 隶属度 机制分析 明显程度 获得难易 o 征兆 堑 故障 很强烈 不可获得 那么修正后 的模糊关 系矩 阵 R 见表 3 。 1 0 6 润滑与密封 第 3 5卷 表 3 离心压缩机模糊关系矩阵 R Ta b l e 3 Re v i s e d f u z z y r e l a t i o n ma t r i x o f c o mp r e s s o r 对比表 1 和表 3 ，可知修正模糊关系矩阵 ， 有 以下优越性 1 即使故障与征兆不相关 ，也有可能不为 0 ， 这说明间接地对其他故障产生了影响，这种间接的影 响是表 1 所不能反应 出来的 。 2 当r 1 时说明此征兆在对诊断该故障起强 烈支持作用的同时，可能有其他征兆对该故障起否定 作用，这样可以保证在消除其他征兆的影响后，使故 障的隶属度达到最大值 1 。这种支持和否定作用也是 表 1 所不能体现的。 3 根据表 3 ，可以直 接得 到用 于专 家推理系统 的诊断规则 ，如图 1 所示 。 机 组存在 0 ． 4 ～0 ． 4 9 f 频 a n d 机组 不存在O ～0 ． 3 9 f “ 频 a n d 机组不存在 0 ． 5 ～O ． 9 9 鼢频 帕 匝 图 1 诊断规则推导过程 F i g 1 I n d uc i n g p roc e s s o f f a u l t d i a g n o s i s r u l e 3 诊断模型及算法 从上面分析可以得到诊断的数学模型是 B A。 R{ “ “ Ⅱ ⋯“ } “ ≤0 “ i 6 7 一 般来说，模糊算子有4种模型，作者根据具体 情况 ，选用模型 ，V ，即 u V u 1 ， 2 ， ⋯， 7 8 4诊断实例 选取榆林压气站的离心压缩机组进行故障诊断。 该系统由电机、齿轮箱 、压缩机等组成，如图 2所 示。由于压缩机组体积较大、结构复杂，安装检修不 方便 ，不容易使三者 同轴 ，常发生不对 中或轴弯曲等 故 障。 图 2 压气站离心压缩机组示意图 Fi g 2 S k e t c h ma p o f c e nt r i f u g a l c o mp r e s s o r s y s t e m 利用模糊诊断方法对其进行诊断，诊断过程如图 3所示 。 最大隶属度原则判断 卜 { 得到诊断结论 图3 压缩机模糊诊断过程 Fi g 3 F l o w c h a r t o f f u z z y f a u l t d i a g n o s i s o f c o mp r e s s o r 2 0 1 0年第 6期 赵旭东等模糊诊断技术在天然气压缩机故障诊断中的应用 1 0 7 根据压缩机在线监测数据库 中某一次记录 ，提取 故障特征 ，由式 2 得到故障征兆模糊 向量 A A 0 0 0 0 0 ． 4 2 0 ． 4 8 1 ． 0 从而 B A 。 R ，R 为一修正模糊关 系矩 阵。 选用主因素决定型的计算方法 ，V 以及 式 7 ，计算得到 B 0 ． 4 2 0 ． 4 8 0 0 0 0 ． 2 0 ． 2 按照最 大 隶属 度 原 则 m a x “ ，i 1 ，2 ，⋯ ， 7 ，“ 0 ． 4 8 最大，即在上述故障征兆中，出现的故 障原因为 “ ，即以上故障征兆原因是压缩机不对 中 所致，停机后检修 ，进行对中检查 ，发现压缩机驱动 端 径向 l ， 方 向 垂直 位移 明显 偏大 ，遂 予 以调 整 ， 避免 了机组带病运行 。 5 结论 1 建立 了压 气 站离 心压 缩机 典 型故 障与征 兆 的关系 ，并且对模糊关系矩阵进行 了修正 ，以灵活应 对现场复杂情况 。 2 实践证 明所提 出的模糊 诊断方 法是可行 的， 但是 由于模糊 故障诊断 带有经验 性和一 定 的主观 性 ， 需要在以后的实践中不断完善和改进，提高诊断的准 确性 。 参考文献 【 1 】丁克北． 离心压缩机故障诊断研究现状及发展趋势 [ J ] ． 炼 油与化工 ， 2 0 0 5 ， 1 6 2 3 0 3 2 ． Di ng Ke b e i ．Fa i l u r e d i a g n o s i s s t u d y o f c e n t ri f ug a l c o mpr e s s o r a n d d e v e l o p m e n t t r e n d [ J ] ．R e fi n i n g a n d C h e m i c al s ， 2 0 0 5 ， 1 6 2 3 03 2 ． 【 2 】华北庄 ， 刘扬松． 石油机械 中的模糊学方法[ J ] ． 石油机械， 1 9 9 5， 2 3 1 2 5 66 0 ． 【 3 】张来斌 ， 王朝晖 ， 樊建春 ， 等． 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，热力性能效率的明显提高也带动了 A系列俄罗斯高 压加热器的热力性能效率大幅度提高，进而提高了田湾核 电厂整体系统的热效率，产品的精密程度及优良的质量得 到了江苏田湾核电公司业主、西安热工院以及俄罗斯专家 等的一致好评。