基于組合賦權(quán)云模型的壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)評價

李 坡，孫 瑋，吳國凈，安志軍，王 平，梁昌晶

1.華北石油管理局有限公司蘇里格勘探開發(fā)分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300

2.中國石油華北油田公司檢驗檢測中心，河北任丘 062552

3.中國石油華北油田公司第五采油廠，河北辛集 052360

壓縮機(jī)是天然氣長輸管道壓氣站的重要組成部分，投資占整個壓氣站的60%～70%，其運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性一直是管理者重點關(guān)注的問題[1-2]。特別在運行中后期，壓縮機(jī)性能逐漸劣化，而目前對于機(jī)組的狀態(tài)評價和故障診斷往往具有滯后性，給安全生產(chǎn)帶來諸多不便[3]。

目前，諸多學(xué)者對壓縮機(jī)的狀態(tài)評價進(jìn)行了相關(guān)研究，董超群等[4]采用層次分析法建立了壓縮機(jī)整體安全性評價方法，在考慮結(jié)構(gòu)屬性和載荷特性的前提下對各部件進(jìn)行賦權(quán)；馬虎強(qiáng)等[5]采用可靠性為中心（RCM）理論，總結(jié)了壓縮機(jī)常見的失效模型，并分析了風(fēng)險等級，給出了維護(hù)建議；梁政等[6]從安全性和經(jīng)濟(jì)性兩個方面針對壓縮機(jī)各部件建立判斷矩陣，得到權(quán)重因子；段禮祥等[7]從人員素質(zhì)、機(jī)械設(shè)備、環(huán)境條件、安全管理等四個方面建立壓縮機(jī)安全評價指標(biāo)體系，其評價結(jié)果與實際情況相符。以上研究對于壓縮機(jī)的狀態(tài)評價具有重要意義，但多基于本體設(shè)備評價，對于輔助系統(tǒng)的考慮不足，壓縮機(jī)系統(tǒng)屬于典型的耦合系統(tǒng)，即設(shè)備在運行過程中兩個及以上的風(fēng)險會相互影響并彼此產(chǎn)生聯(lián)動現(xiàn)象，因此需建立一套覆蓋壓縮機(jī)系統(tǒng)的整體狀態(tài)評價體系。此外，以上研究多采用定性理論推理定量結(jié)論，更多依賴于專家判斷，缺乏對狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度挖掘，模型普適性不高。影響壓縮機(jī)系統(tǒng)整體狀態(tài)的指標(biāo)具有隨機(jī)性和不確定性，而云模型作為可同時處理隨機(jī)性和不確定性的推理模型目前在壓縮機(jī)評價領(lǐng)域尚未應(yīng)用[8-9]?；诖?，以壓縮機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合組合權(quán)重-云模型對壓縮機(jī)進(jìn)行狀態(tài)評價，以期為采取機(jī)組判廢、降級使用和換件處理等措施提供理論依據(jù)和實際參考。

1 云模型

云模型是由Li Deyi等提出的用于處理定性概念和定量數(shù)據(jù)之間不確定性的轉(zhuǎn)換模型[10]，其模型服從均勻分布和正態(tài)分布，與層次分析法和模糊綜合評價法相比具有更強(qiáng)的普適性和處理不確定性問題的能力。假設(shè)U是一個定量論域，且U={x}，C是論域U的模糊定性集合，此時對于任意x均存在一個穩(wěn)定的隨機(jī)數(shù)μ（x），μ（x）即為x對C的確定度函數(shù)，則每一個μ（x）構(gòu)成一個云滴，多個μ（x）構(gòu)成論域U上的分布云[11]。

云模型中定性概念和定量數(shù)據(jù)之間轉(zhuǎn)換借助云數(shù)字特征由云發(fā)生器完成，云數(shù)字特征包括期望Ex、熵En和超熵He。Ex在論域空間中代表定性概念的點值，反映云重心；En代表定性概念的模糊性和隨機(jī)性，一方面反映在論域空間中可被定性接受的云滴確定度，另一方面反映論域空間中能夠代表定性概念的概率；He代表熵的不確定性度量，反映云滴的厚度和離散程度[12-13]。云數(shù)字特征的確定方法如下：

式中：Lmin、Lmax分別為等級區(qū)間的下限和上限；k為經(jīng)驗值，通常取0.01、0.02或1。從定性到定量通常采用正向云發(fā)生器，輸入云數(shù)字特征（Ex、En、He） 和云滴數(shù)量o，則可輸出o個云滴在論域空間上的云滴分布 （xi，μ（xi） ），i=1，2，3，···，o；反之由定量到定性采用逆向云發(fā)生器，μ（xi）公式如下：

式中：Eni為根據(jù)En和He生成的一個隨機(jī)數(shù)。

2 博弈論組合賦權(quán)

各評價指標(biāo)的權(quán)重直接影響云模型的評價結(jié)果，主觀賦權(quán)可在一定程度反映實際情況，但易受到專家判斷的影響；客觀賦權(quán)可充分利用算法對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，但由于個別等級區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)過于集中，導(dǎo)致個別指標(biāo)的賦權(quán)過重，脫離實際或常識。博弈論組合賦權(quán)是以納什均衡理論為主的主客觀協(xié)調(diào)手段，通過對主觀權(quán)重和客觀權(quán)重進(jìn)行調(diào)和，使基本權(quán)重與理想權(quán)重之間的偏差和最小，從而縮小兩者間的差異性，使結(jié)果更符合實際情況[14-15]。設(shè)有h個基本權(quán)重方案組合的向量集合{w1，w2，…，wh}，ah為權(quán)重組合系數(shù)，則基本權(quán)重的線性組合為：

式中：w為可能的組合權(quán)重向量集。通過式（4）對ah進(jìn)行求解，對ah進(jìn)行歸一化處理后得ah*，得到最優(yōu)權(quán)重向量集w*：

在此，h取2，主觀權(quán)重采用改進(jìn)G1法；客觀權(quán)重采用熵權(quán)法。

3 組合賦權(quán)-云模型評價方法

基于式（2），可計算出某指標(biāo)xi隸屬于某個等級的確定度，為了消除隨機(jī)性造成的噪聲影響，采用2 000個云滴的平均確定度作為μ（xi），再結(jié)合組合賦權(quán)得到的權(quán)重w*，計算出某等級下的云綜合確定度μm：

式中：m為劃分的狀態(tài)等級。按照最大原則比較，得到壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)評價等級。

4 實例分析

4.1 評價指標(biāo)體系的建立

以長輸管道典型壓氣站內(nèi)使用的電驅(qū)壓縮機(jī)為例，壓縮機(jī)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)本體、電動機(jī)、齒輪增速箱、變頻器、干氣密封系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，其中壓縮機(jī)通過變頻器改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速，并通過齒輪增速箱與壓縮機(jī)相連，驅(qū)動壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)；干氣密封系統(tǒng)用于防止機(jī)組內(nèi)部流通部分各空腔氣體的泄漏，并阻止外部氣體進(jìn)入機(jī)組或內(nèi)部氣體向外界泄漏；潤滑系統(tǒng)用于對電動機(jī)、齒輪箱和壓縮機(jī)的軸承部位進(jìn)行潤滑，延長摩擦元件的使用壽命；冷卻系統(tǒng)用于對氣路和油路進(jìn)行冷卻，保證機(jī)組正常運行。目前，各系統(tǒng)的正常與否通常采用狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷，且數(shù)據(jù)可通過站內(nèi)SCADA系統(tǒng)上傳至上位機(jī)，狀態(tài)參數(shù)以振動數(shù)據(jù)為主，同時兼顧溫度、壓力、流量、電流和電壓等參數(shù)。參照Q/SY 05074.3—2016《天然氣管道壓縮機(jī)組技術(shù)規(guī)范第3部分：離心式壓縮機(jī)組運行與維護(hù)》的相關(guān)內(nèi)容，將評價體系分為一級指標(biāo)和二級指標(biāo)，其中二級指標(biāo)均可通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)獲得，評價體系見表1。

表1 壓縮機(jī)系統(tǒng)整體狀態(tài)評價體系

4.2 云模型數(shù)字特征的確定

以近2年SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)實際工況，將壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)分為優(yōu)、良、中、差、最差5個等級。將表1中的指標(biāo)分為極小型和區(qū)間型兩種，其中極小型指標(biāo)表示數(shù)據(jù)越小，壓縮機(jī)狀態(tài)越好，包括 C1、C2、C7、C8、C9、C11、C14、C15、C16等指標(biāo)；區(qū)間型指標(biāo)表示數(shù)據(jù)既不能太大，也不能太小，在某個區(qū)間內(nèi)壓縮機(jī)狀態(tài)最好，包括 C3、C4、C5、C6、C10、C12、C13等指標(biāo)。對于極小型指標(biāo)，以現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)定的高報警閾值和高高報警閾值分別作為差、最差等級的閾值，將高報警閾值以下的監(jiān)測數(shù)據(jù)從小到大排列，以4∶4∶2的比例得到優(yōu)、良和中等級的上下限；同理，對于區(qū)間型指標(biāo)，將高報警閾值和高高報警閾值，以及低報警閾值和低低報警閾值作為差、最差等級的閾值，將其余數(shù)據(jù)按照從中間到兩邊的原則，以4∶4∶2的比例得到優(yōu)、良和中等級的上下限，見表1。將表1中的指標(biāo)等級進(jìn)行柔化處理，生成云模型數(shù)字特征，k值取0.01，見表2。

表2 經(jīng)柔化的云模型數(shù)字特征

將數(shù)字特征代入正向云發(fā)生器得到各評價指標(biāo)隸屬于各等級的標(biāo)準(zhǔn)云滴圖，以壓縮機(jī)振動位移和壓縮機(jī)入口壓力兩個指標(biāo)的2 000個標(biāo)準(zhǔn)云滴圖為例，見圖1。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)云滴圖

其中，橫坐標(biāo)為評價指標(biāo)在狀態(tài)等級內(nèi)的論域，縱坐標(biāo)為指標(biāo)確定度。

4.3 組合權(quán)重的計算

對5項一級指標(biāo)采用主觀賦權(quán)，對16項二級指標(biāo)采用組合賦權(quán)，經(jīng)計算調(diào)和系數(shù)為a1=0.876 5和a2=0.641 6，一級指標(biāo)中權(quán)重最大為壓縮機(jī)本體（B1），其次為變頻調(diào)速及電動機(jī)系統(tǒng)（B2），其余3種輔助系統(tǒng)的權(quán)重差距不大。二級指標(biāo)中壓縮機(jī)出口壓力（C6）、電動機(jī)軸承溫度（C9）和干氣密封系統(tǒng)控制壓力（C10）的權(quán)重較大，C6偏離會造成壓比變化，導(dǎo)致氣流脈動和喘振，C9偏離會導(dǎo)致潤滑油動力黏度的改變，同時也會對轉(zhuǎn)子振動產(chǎn)生影響，C10偏離直接影響壓縮機(jī)的密封性能；二級指標(biāo)中入口溫度（C3）的權(quán)重最小，調(diào)和后的權(quán)重值更加客觀合理，結(jié)果見表3。

表3 指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

4.4 云綜合確定度計算

隨機(jī)挑選5條SCADA樣本數(shù)據(jù)，見表4。將其代入各個狀態(tài)等級下的正向云發(fā)生器，計算樣本相對于各狀態(tài)的云確定度，式（6）賦權(quán)后，得到云綜合確定度。以第一條數(shù)據(jù)的C1=21.8 μm為例，代入云發(fā)生器后見圖2。

圖2 壓縮機(jī)振動位移的平均確定度云圖

表4 樣本數(shù)據(jù)

取各狀態(tài)下的平均確定度，該數(shù)據(jù)的平均確定度分別為（0，0.97，0，0，0），對其進(jìn)行歸一化處理后為（0，1，0，0，0），則該時刻壓縮機(jī)振動位移的狀態(tài)為“良”。依次類推，賦權(quán)后各樣本的綜合確定度見表5。根據(jù)最大隸屬度原則，第一條數(shù)據(jù)對應(yīng)一級指標(biāo)的狀態(tài)分別為優(yōu)、良、差、優(yōu)、優(yōu)，對于狀態(tài)等級低于“良”的系統(tǒng)應(yīng)立即采取安全措施或停機(jī)檢查，其中干氣密封系統(tǒng)的狀態(tài)等級為“差”，通過分析，過濾器的壓差接近高限值，過濾器濾芯堵塞，通過更換解決問題；同理，第4條數(shù)據(jù)中潤滑系統(tǒng)的狀態(tài)等級為“中”，通過分析，其潤滑油的供油溫度過高，潤滑油變質(zhì)后會導(dǎo)致軸承溫度升高、機(jī)組振動增大等次生危害，通過更換同型號的潤滑油問題得以解決。由于采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為云模型數(shù)字特征等級閾值的劃分依據(jù)，其評價結(jié)果與壓縮機(jī)實際運行狀態(tài)相符。

表5 壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)評價結(jié)果 （云綜合確定度）

續(xù)表5 壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)評價結(jié)果 （云綜合確定度）

5 結(jié)束語

（1）對影響壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的因素進(jìn)行了梳理，構(gòu)建了壓縮機(jī)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，共得到5項一級指標(biāo)和16項二級指標(biāo)，并采用博弈論對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。

（2）博弈云模型可將不確定的定性概念轉(zhuǎn)換為定量數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為云模型數(shù)字特征等級閾值的劃分依據(jù)，其結(jié)果與現(xiàn)場實際情況相符，今后可通過調(diào)整等級閾值來預(yù)測壓縮機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)的未來發(fā)展趨勢。