基于RCM与数据挖掘的燃气发电机维修决策.pdf

.65第8 期基于RCM与数据挖掘的燃气发电机维修决策郝林，胡军，王子维，李瓒，张湘跃（中海油安全技术服务有限公司，天津30 0 4 5 7)摘要】结合国际失效数据库，采用以可靠性为中心的维修（RCM）的方法，分析了燃气发电机组典型失效模式以及检维修维护策略。基于失效数据库针对各部件计算了检维修周期，并于设备厂家提供的周期进行了对比分析。同时，为进一步优化检维修策略，采用XGBoOst算法，对燃气发电机组状态监测数据进行了数据挖掘，通过拟合分析，得出润滑油温度与Nox实际值对机组有功功率的影响更为重要的结论。关键词】燃气发电机组；RCM；数据挖掘前言设备运行效率一方面是由其可靠性决定的，另一方面与其运行参数有关。在部件可靠性满足要求的情况下如何进行一步优化运行参数以保障设备的运行效率是提升设备管理水平优化生产的重要研究内容。在设备可靠性方面，以可靠性为中心的维修RCM（R e l i a b i l i t y Ce n t e r e d M a i n t e n a n c e）是目前国际上流行的、用以确定设备预防性维修需求的一种系统工程方法。近年来，国内部分企业已开展了基于RCM理论的设备维护研究。在优化运行参数方面，随着人工智能技术的不断推进，基于PLC或DCS等过程监控数据的数据挖掘技术能够实现运行参数调优。内燃发电机组作为石油化工的关键设备，一旦发生故障将影响安全生产。因此为保障内燃发动机组的可靠性，其维修维护至关重要。本文以卡特彼勒G3520H燃气发电机为例，基于失效数据库以及运行设备参数，采用RCM方法以及机器学习算法，进一步优化了维修策略，以期提升运行可靠性，保障安全运行 1 2 1故障统计分析燃气发电机于2 0 1 7 年投产，故障统计情况如图1 所示，该燃气发电机组存在的主要问题为 3-8 ;1、爆震，主要发生于2 0 1 7 年至2 0 1 8 年5 月，目前运行较为稳定；2、启动困难或跳机，多种因素导致该种失效模式，如发电机异常、火花塞失效等；3、信号异常，主要为电缆信号问题；4、温度异常，主要为火花塞故障导致缸温较低；5、其它，主要为管道、法兰泄露等问题；6、传感器，NOX传感器失效次数较多。爆霆启动困难或跳机8信号异常3温度异常10传感器失效其它42051015202530354045故障次数图1 燃气发电机组故障次数统计作者简介：郝林（1 9 8 2-），男，硕士，副高级工程师，研究方向：设备设施风险评估与可靠性分析。-66-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备上述统计的故障情况按照不同部件分别计算失效率，与OREDA(OffshoreReliabilityData)对比，如表1、图2 所示，总结如下：1、压力传感器失效率高于行业平均值，温度传感器失效率略低于行业平均值，NOX传感器失效率远高于平均值；2、燃烧室失效率与行业平均值基本一致；3、管道失效率远高于行业平均值。表1 不同部件对应失效率OREDA失效率（每1 0 6 小时）失效部件次数实际失效率（每1 0 6 小时）低平均高压力传感器、压力表493.0110.3251.21117.77温度传感器246.513.0564.76148.94NOX传感器493.011.698.3919.31燃烧室66.981.316.4814.89缸套11.161.67.9118.2管道7162.767.5437.4286.05阀门369.7525.72127.6293.46电控制器件246.513.3766.32152.52信号线246.54.6423.0352.96一实际失效频率OREDA统计失效频率（均值）内燃发电机组失效部件图2 不同部件失效率与OREDA数据库对比2基于RCM的维修策略OREDA数据库给出了不仅给出了不同失效模式对应的失效率，同时给出了不同部件的失效率。因此在采用FMECA的方法对燃气发电机进行可靠性分析评估中，从典型失效模和部件失效，两个方面分析进行分析。分析的故障模式及故障代码包括：不能启动、排烟异常、输出功率不足、温度异常、声音异常、振动过大、仪表读数异常、电压不稳定、爆震、有用介质外漏、燃气外漏、误停机。分析的部件包括：进排气系统，配气机构，机体组件，曲柄连杆机构，点火系统，润滑与冷却系统，启动系统。部件检维修周期制定基于部件可靠度，用R(t)表示 9 1 0 R(t)=P(Tt)=J tf(t)dt(1)式中f(t)为失效概率密度。本次分析考虑失效概率密度呈指数分布，f(t)=入e时，R(t)=et。根据可靠性数据库OREDA中相关设备的失效率，计算各子单元的维修介入时间。本文以不能启动为例如表2 所示，以及从部件维度以点火系统为例如表3所示，分别进行分析 1 2 。根据OREDA数据库燃气发电机失效率为1 1 9 9.2 3次每1 0 6 小时，其中点火系统失效所占频率为0.5 4%。67郝林等基于RCM与数据挖扶发电机维修决策第8 期表2 FMEA分析（失效模式：不能启动）失效原因失效根源分析维修策略缓解措施保养手册周期(h)电池充电不足或电瓶损坏电解液位低或电池老化定期检查补足电解液或更换电池250排除任何断路/接触不良故接触不良/线路断路接头氧化或松动定期检查障，检查接头有无氧化，250如果必要则清洗燃气滤清器堵塞滤清器使用时间过长或状态监测，定期检查定期检查滤器105杂质过多定期检查更换燃气滤清器1000空气滤清器堵塞滤清器使用时间过长或状态监测，定期检查定期检查滤器105杂质过多定期检查更换燃气滤清器1000启动前检查加热缸套水，缸套水温度过低启动前未加热缸套水状态监测，定期检查1加强人员培训表3表1 FMEA分析（点火系统）故障检测保养手册维修策略基于OREDA计功能故障模式故障原因影响方法算检维修介入预防措施周期(h)时间(h)将点火线圈的脉冲高压火弱断火，点引入燃烧室，在火花塞1、沉积物；2、火花塞检查调损坏火时间过早或定期更换20007921的两个电极间产生电火达到使用寿命整更换过晚花，引燃混合气1、点火开关短点火系统正时能够按时在火花塞两电火弱断火，点路；2、点火线检查、点火变极间产生电火花的全部损坏火时间过早或定期检查4000/80007921圈、充电线圈等压器延长器更装置过晚短路或开路；换对燃气发电机组开展了FMEA分析，结合燃气发电机组操作和保养手册以及OREDA对各部件的失效数据统计。得出如下结论：1、仪表系统：根据OREDA数据库，仪表存在失效可能，特别是压力表、温度表所占失效比例较高，但机组维修保养计划中未明确压力表校验标定与检查。日常管理中应结合运行经验，关注仪表系统，如燃料压力表、除烟滤清器压力表等。2、配气机构：检维修介入时间与基于OREDA数据库计算的介入时间基本一致。3、机体组件：检维修介入时间与基于OREDA数据库计算的介入时间基本一致，根据操作和保养手册每4 0 0 0 小时进行气缸压力测试，能够在一定程度上反映气缸的运行状况。气缸套存在水垢、磨损、拉缸、穴蚀、裂纹的失效模式，通过采取水质/润滑油检测、保证气缸紧固避免过大振动的手段能够保证其安全运行。4、曲柄连杆机构：检维修介入时间与基于OREDA数据库计算的介入时间基本一致，根据实际检维修时间口基于OREDA计算检维修时间运行时间（h)图3维修介入时间对比-68-2023年第2 6 卷技术交流石油和化工设备操作和保养手册每4 0 0 0 小时进行气缸压力测试，能够在一定程度上反映气缸的运行状况。曲轴存在异响、磨损、弯曲、疲劳断裂的失效模式，通过采取润滑、定期检查曲轴减振器等手段能够保证其安全运行，应做好曲轴减振器的检测记录，作为后期分析的基础。3基于监测参数的性能优化监测参数反应了局部构件的运行状态，进而影响内燃发电机的整体运行效率。通过各参数与内燃发电机功率的拟合，分析影响机组效率的关键参数，可以指导参数的优化调整实现效率提升，降低燃料消耗率 1 3-1 5 。燃气发电机组的部分运行参数进行了统计，主要包括：有功功率、缸套水入口压力、缸套水温度、燃气计量阀开度、发动机转速、Nox实际值、空气过滤器压差、润滑油温度。基于2 0 1 7 年1月至2 0 1 9 年6 月的发电机功率及相关参数的数据，部分数据如表4 所示。表4 运行数据（2 0 1 8 年5 月1 日）缸套水入口缸套水温燃气计量阀发动机转速Nox实际值空气过滤器润滑油温时间有功功率kW压力kPa度开度%RPMPPM压差kPa度08时1862.40298.0091.0032.801488.7591.751.0085.7809时2392.40320.0094.0037.201488.7589.752.0086.2810时2416.80292.0094.0037.201488.7592.502.0086.4411时1566.00284.0088.0030.001488.7588.501.0084.1612时1497.60288.0088.0029.201488.7595.501.0084.0913时1492.80300.0089.0029.201488.7598.001.0084.34采用XGBoost(eXtreme Gradient Boosting)，即极度梯度提升树算法，对燃气发电机组的运行数据进行分析。（1）牛特征工程对原始数据进行分析后，选取发电机有功功率作为分析目标；选取缸套水入口压力（fO）、缸套水温度（f1）、燃气计量阀开度（f2）、发动机转速（f3）、No x 实际值（f4）、空气过滤器压差（f 5）、润滑油温度（f6）这7 个参数作为分析特征；(2)模型建立从历史运行数据集中选取2 0%（2 4 6 组）作为预测数据集（不参与训练），剩余的8 0%（9 8 4组）用于回归模型的训练。训练数据中，8 0%（7 8 7 组）作为训练集，2 0%（1 9 7 组）作为验证集。(3）类数据预测利用训练好的模型，对预测数据集进行分析。经分析，损失函数为0.9 9 7 5 1 7 6，模型拟合程度比较好。（4）变量重要性分析对特征工程处理后的特征变量使用XGBoost进行特征变量挑选，可判断对质量预测结果的影响较为明显的特征变量。经分析，润滑油温度（f 6）、No x 实际值（f4）这些因素对发电机功率的影响较大，而缸套水温度（f1）、空气过滤器压差（f5）这些因素对电机功率的影响较小。因此，结合RCM分析成果，在润滑油检测以及进排气系统的维修，应进一步高检维修频次，以确保系统的可靠性与运行效率。f6￥1 6 7 74特征变量16403fo11162920f136724902505007501000125015001750Fscore图4 发电机功率相关的特征重要性排序4结论在充分调研国内某企业内燃发电机组现状以及历史故障的基础上，结合国际失效数据库，采(上接7 3页）-69-郝林等基于RCM与发电机维修决策第8 期用RCM的方法，分析了燃气发电机组典型失效模式以及检维修维护策略，同时采用XGBoost算法，拟合了监测参数，进行了参数变量重要性分析，进一步补充了基于RCM的维修策略。通过本文的研究，对类似燃气发电机组，提出如下结论：1）以实际故障为基础，重点关注机组的传感器、工艺管道、火花塞。2）部件失效率参考OREDA数据库，计算的检维修周期与机组操作手册中给出的周期基本一致，但汽缸垫、油封、气门略检维修时间略高于基于数据库计算的介入时间。3）根据机组参数变量重要性分析，应重点监控润滑油温度与Nox实际值，在实际运行中应重点保障两个运行参数平稳，以期达到较高的有功功率。参考文献1曹钟中,杨昆,顾煜炯等.汽轮机及其辅助设备系统以可靠性为中心的维修（RCM）的技术分析原则 .国际电力,2 0 0 2,3:30-352周新建,李志强.利用FMECA法的兆瓦级风力机故障模式分析 .华东交通大学学报,2 0 1 7,34(1):1 0 7-1 1 63杨波.2 4 0 火花塞式燃气机预然燃烧技术研究 .内燃机车,2 0 0 9(9):1-6（3）环缝焊接装配时调整好破口间隙及错边后采用筋板固定环缝，环缝用胶带密封后进行内部充氩，焊接前将不锈钢带贴在环缝位置试焊确认焊缝背面氩气保护效果是否良好。焊接采用氩弧焊进行焊接，过程中应逐步撕开胶带，一般一次揭开胶带长度不大于1 0 0 mm。焊接时采用对称焊，由于焊接过程中焊缝位置漏气严重，焊接两段后应重新密封冲氩至满足要求后再继续焊接，焊缝熔敷金属厚度大于5 mm可以不再进行背气保护。5结论4高青,金英爱,李明,方瑛.点燃式发动机临界爆震控制及其特性 .吉林大学学报(工学版),2 0 0 3(4):7-1 15陈东峰,G3520C燃气发电机组励磁系统的常见故障分析与预防 .电气技术与经济,2 0 1 9(4):4 1-4 36石志强,何艳玲等，5 0 0 GF-3RJ燃气发电机组连杆断裂分析.热处理技术与装备,2 0 1 6(1):31-357王军,燃气发电机组故障分析及防范措施 .机电信息2014(3):41-428郑仁武,燃气发电机组运行故障分析和维修措施 .设备管理与维修,2 0 0 6(1):1 8-1 99JMurthy DNP,Bulmer M,Eccleston J A.Weibull model selectionfor reliability modeling.Reliability Engineering and SystemSafety,2004,86(3):257-26710Wang,Zheng,Time-dependent reliability model and failurerate analysis of mechanical componentsJ,Journal of NortheasternUniversity,2007,(11):155-15911钱鑫,蔡忠春等.某型军用发动机故障模式、影响及致命性分析机 .四川兵工学报,2 0 1 4(1 0)12董晓峰,顾煜炯等.基于模糊粗糙集的案例推理再发电设备RCM分析中的应用 J.中国电机工程学报，2 0 0 9，2 9(32):30-3613张建华,侯国莲,孙晓刚等.采用概率神经网络的汽轮机故障诊断方法.动力工程,2 0 0 5,2 5(5)：6 9 8-7 0 114陈平,谢志江,欧阳奇.多层传递函数的量子神经网络在汽轮机故障诊断中的应用.动力工程,2 0 0 7,2 7(4):5 6 9-5 7 215李治靖,郭海湘,李亚楠,刘晓一种基于Boosting的集成学习算法在不均衡数据中的分类 系统工程理论与实践2016,1:189-199收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 5 修回日期：2 0 2 3-0 7-1 3不锈钢薄壁容器的焊接主要是通过控制热输入及刚性固定的方式防止焊接变形，对不同结构的焊接接头应制定适宜的焊接工艺，同时还需要综合考虑焊接效率及经济性。目前不锈钢薄壁容器主要的焊接方法是氩弧焊进行焊接，激光焊及等离子焊接的方法在个别产品也有应用，虽然还不普及但应用前景广泛。参考文献1GB/T150-2010压力容器 S2NB/T47003.1-2009钢制焊接常压容器 S收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 7 修回日期：2 0 2 3-0 7-1 3