基于三角模糊数的压缩机组外水冷系统失效概率分析.pdf

2023年8 月第3 9卷第8 期石油工业技术监督Technology Supervision in Petroleum IndustryAug.2023Vol.39 No.8基于三角模糊数的压缩机组外水冷系统失效概率分析谢丽媛，王振国家管网集团西南油气管道有限责任公司南宁输油气分公司（广西南宁5 3 0 0 0 0）摘要外水冷系统是输气站场电驱压缩机组的关键辅助设备之一，开展外水冷系统失效分析可以为压缩机组故障停机提供科学的决策依据。在深入研究失效机制的基础上，邀请专家对故障树中基础事件概率进行估算，运用三角模糊理论量化评价语言，再引入左右模糊排序法计算事件发生的模糊失效概率，从而提出一种基于三角模糊数的外水冷系统失效概率分析模型。结果表明：该外水冷系统的模糊失效概率为0.6 3%，其中过滤器堵塞、空气开关故障、变送器故障是主要原因，与实际运行数据保持一致，验证了基于三角模糊数的外水冷系统失效概率分析模型的可靠性。同时，针对影响外水冷系统失效的薄弱环节提出相应的改进措施，为一线站场外水冷系统的高效运行提供合理化建议。关键词三角模糊数；左右模糊排序法；外水冷系统；压缩机组；失效概率D0I:10.20029/j.issn.1004-1346.2023.06.009Failure Probability Analysis on the Outside Water-cooling System ofCompressor Unit Based on Triangular Fuzzy NumberXIELiyuan,WANGZhenNanning Oil&Gas Transmission Branch Company,Southwest Oil and Gas Pipeline Co.,Ltd.,National Pipe Network Group(Nanning,Guangxi 530000,China)Abstract The outside water-cooling system is one of key auxiliary equipment of the electric drive compressors in the gas transmissionstation.Carrying out the failure analysis of the outside water-cooling system can provide a scientific decision-making basis for the fail-ure and shutdown of compressor unit.Based on in-depth research of the failure mechanism,experts were invited to estimate the proba-bility of basic events in the fault tree,using the triangular fuzzy number theory to quantify the evaluation language,and then introducingthe left and right fuzzy sorting method to calculate the fuzzy failure probability of the event.Then,an analysis model of failure probabilityof the outside water-cooling system was proposed.The results show that the fuzzy failure probability of the outside water-cooling systemis 0.63%.Filter clogging,air switch failure and transmitter failure are the main reasons,which are consistent with the actual operating da-ta,and verify the reliability of failure probabilistic analysis model of the outside water-cooling system based on triangular fuzzy numbers.Meanwhile,some improvement measures are put forward for the weak links affecting the failure of the external water cooling system,which provides the reasonable suggestions for the efficient running of outside water-cooling system at first-line station.Key words triangular fuzzy number;left and right fuzzy sorting method;outside water-cooling system;compressor unit;failure probability谢丽媛，王振.基于三角模糊数的压缩机组外水冷系统失效概率分析 J.石油工业技术监督,2 0 2 3,3 9(8)4 5-5 0.XIE Liyuan,WANG Zhen.Failure probability analysis on the outside water-cooling system of compressor unit based on triangular fuzzynumber/J.Technology Supervision in Petroleum Industry,2023,39(8):45-50.系统作为电驱离心式压缩机组的重要辅助设备，发0引言生故障可能会造成机组散热不足，进而导致停机，电驱离心式压缩机组相较其他压缩机组具有从而产生天然气停输、断供等后果。压缩机组外水流量大、转速快、结构紧凑、运转平衡可靠等优点，冷系统风险评价分析是对外水冷系统运行过程中被广泛应用于长距离天然气管输行业中。外水冷存在的各种风险因子进行识别、分析和评价，根据收稿日期：2 0 2 2-0 9-13；修回日期：2 0 2 3-0 3-2 8作者简介：谢丽媛1996)女，硕士，助理工程师，现主要从事压缩机组风险评价相关研究工作。E-mail:46石油工业技术监督风险评价结果对机组运行提出优化意见，保障系统安全。目前针对压缩机的风险评价分析已有所研究。郭奠采用综合评价法对压气站失效泄漏后果事件树进行分析，建立了风险控制体系，并进行灾害模拟,计算得出了各灾害后果的伤害半径和危害程度，为压气站的HSE体系、安全管理、风险控制措施等方面提供了理论指导。TangY等 2 建立了3 种压气站多状态、多失效模式的停运模型，提出了一种考虑多故障模式的压缩机站EGIES评价模型。李坡等3 采用博奔论组合赋权方法对压缩机组的指标权重进行计算，建立了压缩机组系统评价指标体系。周代军等 4 对压缩机组风险因素进行辨识和判别,并提出维修方案。游赞等5 基于AHP-FCE对压缩机组零部件重要度进行分析评价。於孝春等6 引人Bow-tie模型,采用模糊集相关理论量化城镇燃气管道泄漏事件的风险值。ShuY等7 采用了多模型加权组合方法建立了压缩机远程监控系统，对压缩机进行风险评估和安全评价分析。段礼祥等8 从人员素质、机械设备、环境条件、安全管理等4 个方面建立了压缩机安全评价指标体系，其评价结果与实际情况基本相符。段志刚等利用RCM进行风险评价，确定了压缩机的失效模式,并提出了相应的维护策略，避免过度维护保养。张静等 0 通过建立油气管道泄漏事故及其影响因素不可靠度模型,对油气管道进行定量评估。ZhouDJ等采用D-S理论，提出一种基于多源信息融合的可靠性评价方法,从部件、功能、质量、寿命模型等方面对压缩机组的特征参数进行综合评价。CagnoE等112 采用AHP法确定了天然气管道失效的先验分布。何莎等13 运用AHP法计算了页岩气集输管道风险因素权重,并开展了风险评价。胡桂清等 4 、王莉等 15 、董建军16 、赵岩17 还对压缩机故障和处理办法进行了深人研究。综上所述，当前大量的研究学者通过不同的评价方法开展压缩机组的失效分析，针对压缩机常见故障和处理办法进行深入研究，但对压缩机辅助设备的系统分析和评价研究较少。鉴于此,笔者将在对外水冷系统失效机制研究的基础上，建立外水冷系统故障树模型，引入三角模糊数和左右模糊排序法，计算得出外水冷系统各基础事件的模糊重要度,推导影响外水冷系统正常运行的主要因素，从而为机组的风险识别和规避提供指导。1 基本理论基于外水冷系统环境的复杂性、模型的不确定性以及人为因素的随机性,事件发生的概率难以给出客观的数值，据此引入模糊语言及方法，在一定程度上可以减弱专家主观因素造成的不确定性，使评价结果更加客观准确。当前模糊语言中最常用的是三角模糊数和正态模糊数。本文分别使用三角模糊数和正态模糊数，将专家的主观评价语言进行定量对比分析，同时使用左右模糊评价法将模糊值转化为精确值。1.1三角模糊数理论利用三角模糊数8 可将模糊的不确定语言变量转化为确定数值。研究中通常用m、3 个参数表示三角模糊数,记为A=(,m,)。当取入截集时（为置信水平），其对应的隶属函数19可以表示为：01-(m-x)/(m-+)xmu(a)=11-(-m)/0式中：A为x上的模糊集合；()为元素x对集合A上的隶属函数;m为模糊数A的均值；，为模糊数A的左右分布参数。三角模糊数的逻辑与门和或门模糊算子 2 0 1分别表示为式(2)和式(3)：Fx=-=(m,-a,),I/m,(m,+,-,A)(2)F=1-II(1-(m;-)-,A),1-I1-m,),(3)1-II(1-(m;+,)+;)式中：入为置信区间。1.2正态模糊数理论与三角模糊数类似,正态模糊数的逻辑与门 2 1和或门模糊算子 2 2 分别表示为式(4)和式(5)：Fx=(m;-,(-ln).(m+(-ln/)(4)i=1F=1-II(1-m;+;(-In),=T1-II(1-m;-;(-In)2)11.3左右模糊排序法为了更精确对比风险值，引入左右模糊排序法 2 3 (FPS)将事故模糊数进行解模糊化,从而转化为相应的精确值。首先定义最大和最小模糊集为：x(m-+)x=mm(m+-)111(1)(5)谢丽媛等：基于三角模糊数的压缩机组外水冷系统失效概率分析47：()=(x,0 x1(o,其他(1-x,00.36730,x0.2185同理，可求得正态模糊数条件下顶事件被触发的概率值为：P,=0.296 2+0.074 3(-ln 2)0.296 20.296 2+0.074 3(-1n 2)20.296 2-0.074 3(-ln)x 0.296 2e-(0.262)2（0.0 7 4 3）=e(0),0.296 2x0.296 2+0.074 3(1n 2)1,x=0.296 20,其他表3 为模糊语言分别取三角模糊数和正态模糊数时，不同置信水平下的顶事件被触发的模糊概率值。表3 不同置信水平下顶事件发生概率置信三角模糊数水平(10-)事件(10-)0.3X121.5X1330Xi415Xis24X160.3Xi724Xis3Xi94.5X201.5X211.5(12)0.218 5x0.296 20.296 2 x0.367 3(14)(15)(16)正态模糊数(10-)0.110.3802420630910.3154.51033092065015(0.226 3,0.296 2,0.360 2)(0.183 5,0.296 2,0.408 9)0.3(0.241 8,0.296 2,0.346 0)(0.214 7,0.296 2,0.377 7)0.5(0.257 4,0.296 2,0.331 8)(0.234 3,0.296 2,0.358 1)0.7(0.272 9,0.296 2,0.317 6)(0.251 8,0.296 2,0.340 6)0.9(0.288 4,0.296 2,0.303 4)(0.272 1,0.296 2,0.320 3)1.0(0.296 2,0.296 2,0.296 2)(0.296 2,0.296 2,0.296 2)由表3 可以看出，在同一置信水平下，模糊语言取三角模糊数的置信区间明显低于正态模糊数，表明三角型模糊数计算结果更为准确,离散度更低，但其容错率相对正态型模糊数较低。因此本文使用三角模糊数进行后续分析计算。运用左右模糊排序法对利用隶属函数求得的数据进行解模糊化，代入公式（8)和(9)中，可求解谢丽媛等：基于三角模糊数的压缩机组外水冷系统失效概率分析出顶事件T“外水冷系统失效”的模糊可能性值FPS,并通过公式(10)可将FPS转化为FFR,计算结果见表4。表4 顶事件T的模糊可能性值和模糊失效概率顶事件FPS:(T)FPSr(T)FPS:(T)T0.725 20.342 9可以看出，顶事件T的模糊失效概率为0.6 3%，事件FPSTM0.128 9M0.158 8M0.077 5X0.0101X20.005 7X0.089 8X0.011 5X0.017 2Xi0.005 7由表5 可知,模糊失效概率最大的中间事件为M电气失效事件，最大的3 个基础事件为X,过滤器堵塞、X13空气开关故障、X2变送器故障。以某天然气长输管道中间压气站为例，该站压缩机组配套外水冷系统于2 0 19年8 月投用，至今已运行逾3 年，外水冷机组历次故障事件统计结果见表6。表6 某压气站外水冷机组故障信息统计序号发生时间12019-10-2822020-04-1532020-07-0342020-10-1452020-10-2862021-02-0772021-03-3082021-04-0892021-08-02102022-02-02112022-04-1812202206-09132022-08-13由表6 可知，13 次故障事件中，Xi3事件5 次，X事件4 次，X2事件2 次，分别占比3 8.5%、3 0.8%、15.4%，合计占比达8 4.6%。可见，水冷机组实际运行故障情况与上述结论基本相符。因此,这些事件 49:事故发生率较低，但一且发生便会造成压缩机组停机，导致天然气停输、断供。外水冷机组的失效概率与近年来机组实际运行故障基本一致,验证了该风险评价的准确性。kFFR0.534 12.198 60.006 3表5 中间事件和基础事件的模糊可能性值和模糊失效概率FFR(10-5)FPSr4.45X129.73Xi30.557Xi42.55X10-6Xis1.49 X 10-8Xi61.05Xi76.84 X 10-6X201.36X104X211.49 10-8对机组发生故障贡献率最大,也是外水冷机组的薄弱部分，需要在日常运行中给予重视并改进，以提高系统的可靠性。2.4提高外水冷系统可靠性的措施针对外水冷机组的薄弱环节，提出以下改进意见：1)过滤器堵塞。水冷机组冷却水通常采用蒸馏故障原因事件类别水，为保证水冷系统的冷却效率，需严格控制总碱度、总硬度、悬浮物、pH值、溶解固形物、溶解氧等指风机空开跳闸X13过滤器堵塞X制冷机空开跳闸X13流量变送器故障X21过滤器堵塞XPLC故障X20振动变送器故障X21过滤器堵塞X循环泵空开跳闸X13继电器故障Xis风机空开跳闸X13循环泵空开跳闸X13过滤器堵塞X2.3.3中间事件与各基础事件概率计算与解模糊化同理使用正态型模糊数对不同置信水平下中间事件和各基础事件的发生概率进行分析，见表5。事件0.001 10.089 80.022 90.034 20.001 10.017 20.022.90.0567标，建议每季度开展一次水质化验，确保指标符合要求。设置过滤器差压监测报警,及时对堵塞过滤器进行清洗。同时，取样分析堵塞杂质，根据实际需要对冷却水管道注入2 11缓释除垢剂，清除内壁污垢，提高管道换热效率,增强外水冷机组冷却效果。2)空气开关故障。建立空气开关异常跳闸次数台账，定期测试供电回路中三相电流值在空气开关整定电流值以内，及时更换积碳、接触电阻大的空气开关。每半年排查一次空气开关虚接和断连情况，接线优先采用钎焊方式，保证接线牢固可靠。3)变送器故障。严格按照检定周期开展变送器检定校准，每季度对变送器开展零点漂移核查，及时对超差变送器进行维修更换。规范变送器安装方式，应尽量避开强电场、强磁场及强烈振动的影响区域，避免干扰传感器的正常工作。严禁变送器进线位置朝上布置，防止雨水渗入变送器内部引起短路。FFR(10-5)1.1110-171.059.0210-49.831031.1110-171.361049.0210-40.133:50石油工业技术监督Conference Series,2022,2253:012049.3结论8段礼祥,刘洋,刘绍东,等.往复式天然气压缩机整体安全外水冷机组的模糊失效概率分析是压缩机组性评价方法 .西安石油大学学报(自然科学版),2 0 2 1,3 6(3):83-89.辅助系统安全管理的重要部分,基于三角模糊理论9段志刚,李长俊,李川,等.基于RCM的电驱压缩机故障分析和解模糊法对影响外水冷机组风险因素的失效概.油气储运,2 0 13,3 2(9):993-996.率进行分析，求解机组运行的薄弱环节，并制定了10张静,樊建春,温东,等.基于故障树的油气管道泄漏模糊相应的改进措施。可靠性评估 .油气储运,2 0 10,2 9(6):4 0 1-4 0 6.1)由于外水冷机组会受到各种不确定因素的11 Zhou D J,Wei T T,Huang D W,et al.Reliability assessment影响以及人员认知的有限性，使用传统的概率方法based on multisource information fusion method for high难以进行分析。故基于模糊理论进行分析,在一定pressure natural gas compressorsJJournal of Pressure程度上减弱了专家主观因素的误差，使风险评价模Vessel Technology,2021,143(3):031702.型更为准确，结果更加客观可靠。12 Cagno E,Caron F,Mancini M,et al.Using AHP in determin-2)对正态型模糊理论和三角模糊理论在不同ing the prior distributions on gas pipeline failures in a ro-bust Bayesian approachJJ.Reliability Engineering and Sys-置信水平下外水冷机组失效事件进行对比分析，发tem Safety,2000,67(3):275-284.现三角模糊数结果更为精确,离散度较低，故使用13何莎,勾炜,胡燕,等.基于层次分析法的页岩气集输管道三角模糊理论开展进一步分析。风险评价方法研究 J.科技创新与应用,2 0 19(14):1-3.3)通过左右模糊排序法求得模糊可能性值,再14】胡桂清,洪兴胜,孙阁,等.空气离心压缩机RT56-RT35故进行解模糊化,得出了影响外水冷机组基础事件的障分析及排除 J.当代化工,2 0 18,4 7(5):999-10 0 1.模糊失效概率,找出导致外水冷机组失效的关键因15王莉,赵亚攀,张宝.变频驱动离心压缩机常见故障分析素,其中过滤器堵塞、空气开关故障、变送器故障是.压缩机技术,2 0 17(4):4 7-5 1.主要风险源，应予以重点关注。16董建军.离心压缩机故障分析及改进措施 .石油化工4上述方法丰富了外水冷机组风险分析研究设备,2 0 17,3 6(Z1):87-89.的理论和实践，计算结果与实际运行数据基本一17赵岩.离心式压缩机常见故障分析及诊断方法 .石油化工设备技术,2 0 12,3 3(2):4 6-5 0.致，表明了该失效概率分析的准确性，可以直接用18范英,李辰,晋民杰,等.三角模糊数和层次分析法在风险于现场外水冷机组的风险评价。评价中的应用研究 .中国安全科学学报,2 0 14,2 4(7):70-74.参考文献：19 El-Gamal H A,Award T H,Saber E.Leakage from labyrinth1郭奠.天然气压气站模糊风险评价与控制措施研究 D.seals under stationary and rotating conditionsJJ.Tribology成都：西南石油大学,2 0 14.International,1996,29(4):291-297.2 Tang Y,Zhao Y,Li W Y,et al.Incorporating compressor sta-20 Kim T S,Cha K S.Comparative analysis of the influence oftion multiple failure modes in risk evaluation of electricity-labyrinth seal configuration on leakage behaviourJJournalgas integrated energy systemsJ.CSEE Journal of Power andof Mechanical Science and Technology,2009,23(10):2830-Energy Systems,2021:1-9.2838.3李坡,孙玮,吴国净,等.基于组合赋权云模型的压缩机系21常鸿寿,魏金章.离心压缩机整体气动优化设计理论及统状态评价 J.石油工程建设,2 0 2 2,4 8(2):3 5-4 0.应用系统 J.机械工程学报,1991,2 7(3):6 2-6 7.4周代军,温皓,梁俊,等.电驱离心压缩机组失效风险及评22董一凝.离心式压缩机故障树分析 D.沈阳:东北大学,价方法研究 J.石油工程建设,2 0 2 1,4 7(5)：13-19.2017.5游赞,周博涵,禹贵成.基于AHP-FCE模型的储气库压缩23 Chen S J,Hwang Cl,Hwang F P.Fuzzy multiple a ttribute机组重要度评估研究 J.压缩机技术,2 0 2 1(3):16-2 0.decision making:Methods and applicationsMj.New York:6於孝春,贾朋美,张兴,等.基于模糊Bow-tie模型的城镇燃Springer-Verlag,1992.气管道泄漏定量风险评价 .天然气工业,2 0 13,3 3(7)：24 Onisawa T.An approach to human reliability in man-ma-134-139.chine systems using error possibilityJj.Fuzzy Sets and Sys-7 Shu Y,Liu X M,Mao C 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