摘要：隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，煉化企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)配電系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求。對(duì)于配電設(shè)備,傳統(tǒng)的定期檢修、事后檢修的工作模式已經(jīng)難以滿足需求。隨著人工智能技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，狀態(tài)檢修在未來(lái)必將取代傳統(tǒng)檢修。對(duì)配電設(shè)備狀態(tài)檢修決策技術(shù)進(jìn)行了深入研究，開(kāi)發(fā)了狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)并進(jìn)行了應(yīng)用。該系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行運(yùn)行性能評(píng)估,并依據(jù)評(píng)估結(jié)果給出檢修決策建議，以便合理安排檢修計(jì)劃,使設(shè)備安全、高效運(yùn)行。該系統(tǒng)的應(yīng)用為配電設(shè)備檢修的科學(xué)決策和人力資源的合理分配提供了技術(shù)支持,使企業(yè)配電系統(tǒng)的管理更高效、更科學(xué)。
關(guān)鍵詞：煉化企業(yè) 配電設(shè)備 狀態(tài)檢修 決策系統(tǒng) 時(shí)間模型 故障率 可靠度 最小成本
隨著科技的發(fā)展，各類先進(jìn)的電氣設(shè)備在煉化企業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，大幅提高了煉化企業(yè)的生產(chǎn)效率，但是依然存在一些問(wèn)題需要正視。電氣設(shè)備故障頻發(fā)，傳統(tǒng)的檢修方式已經(jīng)不能滿足當(dāng)前運(yùn)行和維護(hù)的需求。近年來(lái)，電氣設(shè)備質(zhì)量的不斷提高為狀態(tài)檢修的開(kāi)展提供了技術(shù)支撐[1]，同時(shí)保證配電系統(tǒng)和電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行也是建設(shè)一流煉化企業(yè)的必然要求，相信在不久的將來(lái)，狀態(tài)檢修必將取代定期檢修。
1 狀態(tài)檢修的研究意義
長(zhǎng)久以來(lái)，國(guó)內(nèi)石化行業(yè)配電設(shè)備檢修時(shí)多采用定期檢修。對(duì)于配電設(shè)備而言，每年需要進(jìn)行一次小檢修，運(yùn)行超過(guò)5 a的，則要進(jìn)行一次大檢修，在此基礎(chǔ)上，每10 a進(jìn)行一次系統(tǒng)大檢修[2]。圖1為設(shè)備定期檢修時(shí)間模型，Tp表示常規(guī)檢修平均時(shí)間，h;T1表示常規(guī)檢修完成至發(fā)生故障時(shí)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，h;Tc表示設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)所需要的故障檢修平均時(shí)間，h;T2表示故障檢修完成至下次常規(guī)檢修時(shí)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間,h。定期檢修能夠降低設(shè)備故障率，減少設(shè)備故障時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期。如果采用定期檢修，需要檢修人員每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次維護(hù)工作，這有一個(gè)弊端，就是可能會(huì)導(dǎo)致檢修過(guò)度，增加企業(yè)檢修成本。
圖1 設(shè)備定期檢修時(shí)間模型
據(jù)調(diào)查，2011年到2016年國(guó)內(nèi)石化行業(yè)配電設(shè)備平均故障率高達(dá)350次/a。雖然近些年投入了大量資金，投用了大量智能化、自動(dòng)化水平較高的新設(shè)備，但設(shè)備故障率依然居高不下，這從側(cè)面反映出定期檢修還存在一些問(wèn)題，因此需要找到新的檢修方法來(lái)代替定期檢修模式。狀態(tài)檢修能夠在發(fā)生故障前及時(shí)找到劣化部位，可以避免設(shè)備維修時(shí)對(duì)正常零部件的拆卸，能夠有效延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提高使用效率，降低企業(yè)維修成本[3]。圖2為設(shè)備狀態(tài)檢修時(shí)間模型。
圖2 設(shè)備狀態(tài)檢修時(shí)間模型
綜上所述，定期檢修容易出現(xiàn)“檢修過(guò)度”和“檢修不足”的情況，只靠定期進(jìn)行的人力檢修無(wú)法滿足現(xiàn)階段的設(shè)備維護(hù)需求。狀態(tài)檢修能夠準(zhǔn)確反映配電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，可以降低設(shè)備故障率，提高配電可靠性，降低成本，克服了盲目維修的問(wèn)題，所以研究配電設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)具有非常重要的意義[4]。
2 配電設(shè)備狀態(tài)檢修模型建立
2.1 配電設(shè)備狀態(tài)檢修基礎(chǔ)理論
判斷設(shè)備性能的依據(jù)取決于質(zhì)量指標(biāo)，一般有性能指標(biāo)與可靠性指標(biāo)兩種[5]。其中，性能指標(biāo)是在設(shè)備正常工作時(shí)能夠達(dá)到的功能要求，運(yùn)行時(shí)間不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響;可靠性指標(biāo)是在設(shè)備安全運(yùn)行時(shí)能夠達(dá)到的功能要求，運(yùn)行時(shí)間會(huì)對(duì)其產(chǎn)生直接影響。
設(shè)備可靠度用可靠函數(shù)表示，指設(shè)備可以安全、穩(wěn)定運(yùn)行到特定時(shí)間t的概率，用R(t)表示，見(jiàn)式(1)。
R(t)=P(E)=P(T>t)
(1)
式中，P為概率；P(E)為產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率； T為設(shè)備壽命,h。如果R(t)為0.8，則代表在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，10臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí),有2臺(tái)設(shè)備因故障無(wú)法繼續(xù)正常運(yùn)行。所以在制定設(shè)備檢修計(jì)劃時(shí)，要考慮設(shè)備的可靠性問(wèn)題。
設(shè)備不可靠度與可靠度互為相反，不可靠函數(shù)也稱為累積故障分布函數(shù)，是設(shè)備在時(shí)間t內(nèi)出現(xiàn)故障的概率，用F(t)表示，見(jiàn)式(2)。
F(t)=1-R(t)
(2)
對(duì)F(t)求時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)，得到故障率密度函數(shù)f(t)，見(jiàn)式(3)。
(3)
設(shè)備故障率是設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間t后,設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，前提是設(shè)備需要安全、可靠運(yùn)行至t時(shí)刻，用λ(t)表示。設(shè)備故障率屬于一種條件概率，見(jiàn)式(4)。
(4)
設(shè)備故障率可以真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，是分析設(shè)備可靠性的主要參數(shù)之一。通常來(lái)說(shuō)，根據(jù)設(shè)備維修次數(shù)、歷史故障信息、運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等能夠計(jì)算出設(shè)備故障率。在工作時(shí)掌握設(shè)備的故障率，可以為檢修工作提供技術(shù)支持，及時(shí)采取有效的檢修措施，最大限度降低設(shè)備故障率。設(shè)備故障率還可用式(5)表示。
P(t
(5)
當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行至t時(shí)刻后，在Δt時(shí)刻所出現(xiàn)的設(shè)備故障率見(jiàn)式(6)。
(6)
設(shè)備平均壽命E(T)是設(shè)備安全運(yùn)行的時(shí)間，分為兩種形式。發(fā)生故障后，如果設(shè)備在維修后能夠正常使用，則稱為平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間；如果設(shè)備無(wú)法通過(guò)維修恢復(fù)到其原有的工作狀態(tài)，則稱為平均失效時(shí)間。基于這兩種情況，如果已知故障率密度函數(shù)，則設(shè)備平均壽命可用式(7)表示。
E(T)=
tf(t)dt
(7)
2.2 常用的故障率模型
建立設(shè)備故障率模型時(shí)，一般采用正態(tài)分布、威布爾分布、指數(shù)分布等方法[6]。威布爾分布適用于運(yùn)行時(shí)間對(duì)設(shè)備故障率有影響的變化，指數(shù)分布多用于運(yùn)行時(shí)間與故障率不存在線性關(guān)系的設(shè)備。威布爾分布是目前使用最普遍的方法[7],對(duì)設(shè)備進(jìn)行研究時(shí)，運(yùn)行時(shí)間與故障率有密切的關(guān)系，設(shè)備故障浴盆曲線見(jiàn)圖3。
圖3 設(shè)備故障浴盆曲線
第一階段為早期故障段。由于設(shè)備制造中存在缺陷或者調(diào)試時(shí)存在干擾因素，在投入運(yùn)行初期設(shè)備經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)故障，隨著設(shè)備的不斷磨合，故障率會(huì)逐漸降低，設(shè)備開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定期。在此階段，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行試運(yùn)行，試運(yùn)行一段時(shí)間后，如果設(shè)備依然不能正常運(yùn)行，就會(huì)遭到淘汰，避免后期投入運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重后果。
第二階段為偶然故障段。在此階段，設(shè)備會(huì)逐步趨于穩(wěn)定運(yùn)行，不再頻繁發(fā)生故障。在此期間出現(xiàn)的故障一般是由外界不利因素導(dǎo)致的，包括人為誤操作等。在設(shè)備運(yùn)行期間要對(duì)其進(jìn)行定期維護(hù)，明確設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，延長(zhǎng)設(shè)備使用周期，減少故障的發(fā)生。
第三階段為損耗故障段。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，設(shè)備各部件會(huì)出現(xiàn)明顯的老化、磨損等現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備性能下降，影響運(yùn)行效率，增加故障發(fā)生頻率，長(zhǎng)久之后，設(shè)備會(huì)報(bào)廢失效。在此階段，要適當(dāng)增加維修次數(shù)，減少故障的發(fā)生概率，最大限度延長(zhǎng)設(shè)備使用周期。
2.3 可靠度約束
設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)，確保設(shè)備在檢修期間可靠是十分必要的，所以建立模型時(shí)要充分考慮這一點(diǎn)。配電設(shè)備在檢修期間的可靠度見(jiàn)式(8)。經(jīng)過(guò)n個(gè)檢修周期后，設(shè)備可靠度見(jiàn)式(9)。
(8)
(9)
式中，b為故障率遞增因子；η為威布爾分布曲線擬合的尺度參數(shù)；β為威布爾分布曲線擬合的形狀參數(shù)；θi為第i次預(yù)防性檢修的時(shí)間變量。
將設(shè)備可靠度下限設(shè)為RL，則
其中，設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間與維護(hù)時(shí)間是根據(jù)設(shè)備在過(guò)去5 a內(nèi)的故障數(shù)據(jù)獲得的，一般設(shè)置為0.7≤RL
(10)
2.4 配電設(shè)備狀態(tài)檢修模型建立
將可靠度約束條件應(yīng)用到最小成本數(shù)學(xué)模型中，建立了最小成本模型，見(jiàn)式(11)。約束條件:
或0
(11)
式中，C為研究周期內(nèi)設(shè)備檢修總費(fèi)用，萬(wàn)元;cr為設(shè)備故障后維修該設(shè)備的成本，萬(wàn)元；cm為一次檢修所需的成本函數(shù)，萬(wàn)元；cd為因設(shè)備檢修造成的間接損失，萬(wàn)元。
2.5 配電設(shè)備運(yùn)行總風(fēng)險(xiǎn)
配電設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)，設(shè)備故障與檢修相互對(duì)立，增加檢修次數(shù)雖然能夠降低設(shè)備故障率，但也可能帶來(lái)檢修風(fēng)險(xiǎn)；檢修不足雖然能夠降低檢修風(fēng)險(xiǎn)，但可能會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)更大故障。為了協(xié)調(diào)二者的矛盾，需要找到平衡點(diǎn)，設(shè)故障風(fēng)險(xiǎn)為RF，檢修風(fēng)險(xiǎn)為RM，配電設(shè)備運(yùn)行總風(fēng)險(xiǎn)為R，建立決策優(yōu)化模型，見(jiàn)式(12)。
R=RF+RM
(12)
在進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策時(shí)，如果僅解決單一風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，會(huì)使決策缺乏全面性，所以要將設(shè)備檢修收益與配電設(shè)備運(yùn)行總風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合，建立優(yōu)化模型，對(duì)二者同時(shí)制約，用最小的風(fēng)險(xiǎn)換取最大的效益。優(yōu)化模型見(jiàn)式(13)。
(13)
式中，ω1與ω2表示權(quán)重，且ω1+ω2=1，v表示檢修收益,萬(wàn)元。
3 配電設(shè)備狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)開(kāi)發(fā)
3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
配電設(shè)備狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，也就是用戶端與服務(wù)器結(jié)構(gòu)，這種模式結(jié)構(gòu)在處理數(shù)據(jù)時(shí)效率更高。具體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)采用C/S 3層架構(gòu)模式(見(jiàn)圖4)，其中表示層主要包括用戶登錄、配電檢修部門設(shè)置、配電設(shè)備信息管理、配電設(shè)備檢修日程顯示等功能；業(yè)務(wù)邏輯層包括對(duì)設(shè)備故障率進(jìn)行預(yù)測(cè)、根據(jù)要求制定狀態(tài)檢修計(jì)劃、確定檢修間隔時(shí)間等功能；數(shù)據(jù)訪問(wèn)層包括臺(tái)賬數(shù)據(jù)訪問(wèn)、可靠性分析數(shù)據(jù)訪問(wèn)和檢修計(jì)劃數(shù)據(jù)訪問(wèn)等功能，主要接受業(yè)務(wù)邏輯層的指令，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)建立關(guān)系模型;數(shù)據(jù)庫(kù)的主要功能是存儲(chǔ)系統(tǒng)中所需要的數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)信息、設(shè)備臺(tái)賬信息、失效數(shù)據(jù)和費(fèi)用數(shù)據(jù)等。
圖4 配電設(shè)備狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)架構(gòu)
3.2 系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)及應(yīng)用
為此，工程項(xiàng)目劃分必須堅(jiān)持由項(xiàng)目法人組織監(jiān)理、設(shè)計(jì)及施工等單位進(jìn)行，并確定主要單位工程、主要分部工程、重要隱蔽單元工程和關(guān)鍵部位單元工程。項(xiàng)目法人在主體工程開(kāi)工前將項(xiàng)目劃分表及說(shuō)明書面報(bào)相應(yīng)質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)確認(rèn)。工程實(shí)施過(guò)程中，需對(duì)單位工程、主要分部工程、重要隱蔽單元工程和關(guān)鍵部位單元工程的項(xiàng)目劃分進(jìn)行調(diào)整時(shí)，項(xiàng)目法人要重新報(bào)送工程質(zhì)量監(jiān)督機(jī)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)。
該決策系統(tǒng)功能主要包括4個(gè)方面的內(nèi)容。
(1)狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)管理。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中將用戶設(shè)定為3級(jí)：高級(jí)管理員、管理員、檢修人員。高級(jí)管理員負(fù)責(zé)檢修人員管理、設(shè)備信息統(tǒng)一管理和審核、大型巡檢任務(wù)審核管理等；管理員主要負(fù)責(zé)檢修人員信息管理、配電設(shè)備臺(tái)賬信息管理、狀態(tài)檢修計(jì)劃制定和下發(fā)、配電設(shè)備故障率預(yù)測(cè)等；檢修人員主要負(fù)責(zé)執(zhí)行狀態(tài)檢修計(jì)劃和記錄檢修情況等。
(2)配電設(shè)備臺(tái)賬信息管理。該功能包含配電設(shè)備各類信息的管理。
(3)配電設(shè)備的可靠性分析。該功能即故障率預(yù)測(cè)，主要是管理員執(zhí)行。管理員根據(jù)配電設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)、歷史故障數(shù)據(jù)和設(shè)定的可靠性指標(biāo)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障率預(yù)測(cè)。該系統(tǒng)同時(shí)具有配電設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)功能。
(4)狀態(tài)檢修計(jì)劃制定。根據(jù)配電設(shè)備可靠性分析結(jié)果，輸入檢修模型所需要的參數(shù)，運(yùn)行軟件程序，得出設(shè)備一個(gè)大檢修周期內(nèi)的檢修計(jì)劃和所需要的檢修成本，為管理員的檢修決策提供數(shù)據(jù)支持。
某煉化企業(yè)對(duì)加氫裝置的某臺(tái)電機(jī)(額定功率220 kW、額定電流26.2 A)應(yīng)用了該狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)。利用振動(dòng)傳感器測(cè)量電機(jī)的振動(dòng)值，進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析，記錄振動(dòng)信號(hào)波形，繪制軸心軌跡圖。利用溫度傳感器對(duì)電機(jī)軸承溫度進(jìn)行在線采集，繪制溫度曲線。將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和記錄的數(shù)據(jù)及振動(dòng)信號(hào)波形輸入該系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)根據(jù)在線數(shù)據(jù)結(jié)合專用模型對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，并給出檢修的預(yù)測(cè)判斷。該電機(jī)的部分運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 某電機(jī)部分運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)
由表1可知，2021年6月12日之前，該電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)一直良好。6月12日電機(jī)振動(dòng)值變大，至當(dāng)日11∶20系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，提示工程師需要到現(xiàn)場(chǎng)查看電機(jī)運(yùn)行情況，工程師現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)該電機(jī)運(yùn)行聲音正常，判斷電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，未對(duì)電機(jī)進(jìn)行處理。6月18日05∶25系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，工程師至現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)電機(jī)有雜音出現(xiàn)，通知生產(chǎn)操作工進(jìn)行切泵處理，由于該電機(jī)切泵操作較多，至當(dāng)日10∶33電機(jī)停機(jī)，停機(jī)前電機(jī)振動(dòng)值及軸承狀態(tài)值持續(xù)升高。電機(jī)檢修發(fā)現(xiàn)前軸外圈彈道有剝落、一個(gè)滾珠有剝落，后軸正常。該電機(jī)檢修情況充分驗(yàn)證了該狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)對(duì)電機(jī)狀態(tài)預(yù)判的正確性。
4 結(jié)束語(yǔ)
對(duì)配電設(shè)備狀態(tài)檢修決策技術(shù)及系統(tǒng)進(jìn)行了具體研究。該系統(tǒng)依據(jù)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷技術(shù)檢測(cè)電氣設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的整合和分析來(lái)評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，制定檢修策略，保證電氣設(shè)備及整個(gè)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。狀態(tài)檢修融入了先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和人工智能等優(yōu)化控制方法，是一個(gè)綜合性的決策過(guò)程，以電氣設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)為依據(jù)，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)裝置傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)和定期檢查的歷史數(shù)據(jù)等信息，采用可靠性評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)，判斷設(shè)備的異常程度，同時(shí)預(yù)測(cè)狀態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)以及故障率，將試驗(yàn)人員從繁雜的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析評(píng)價(jià)工作中解脫出來(lái)，可以更高效、更科學(xué)地開(kāi)展工作。對(duì)于性能明顯下降的配電設(shè)備，給出合理的檢修計(jì)劃建議，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)險(xiǎn)性等因素，以便管理人員合理地規(guī)劃?rùn)z修工作。配電設(shè)備狀態(tài)檢修決策系統(tǒng)的應(yīng)用降低了設(shè)備的故障率，減少了故障維修費(fèi)用及停電損失，保障了企業(yè)配電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
