基于CEEMDAN 的壓裂裝備潛在性故障診斷模型

苗俊田， 李卓軍， 劉冬冬， 鹿德臺(tái)， 趙 博

（中國石油大學(xué)（華東）， 山東 青島 266400）

0 引 言

壓裂裝備[1]作業(yè)流程需要嚴(yán)格控制力學(xué)載荷的數(shù)值水平，其運(yùn)行環(huán)境必須保持高壓力、高轉(zhuǎn)速、高排量的狀態(tài)，特別是在作用行為不斷發(fā)生變化的情況下，如果不能精準(zhǔn)控制力學(xué)負(fù)載效果，使壓裂裝備載荷水平持續(xù)增大，則會(huì)導(dǎo)致潛在性故障問題。

針對(duì)壓裂裝備的潛在性故障問題，采用模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的診斷方法[2]在融合模糊函數(shù)的基礎(chǔ)上，測(cè)算多維特征指標(biāo)與不同故障行為之間的關(guān)聯(lián)性，再按照危害性條件對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)，其診斷指令的生成需借助計(jì)算機(jī)生成綜合評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。因此，設(shè)備元件的運(yùn)行能力直接影響診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性?；贕A-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法[3]通過主分量啟發(fā)式計(jì)算的方式，確定潛在性故障行為與故障指征之間的屬性關(guān)系；再根據(jù)初始權(quán)重取值，確定壓裂裝備在潛在故障情況下的運(yùn)行能力，從而實(shí)現(xiàn)故障行為的初步診斷。由于無法確定額定載荷作用與故障力學(xué)載荷結(jié)果之間的數(shù)值關(guān)系，所以上述方法所得診斷結(jié)果始終不滿足精確診斷的應(yīng)用需求。

CEEMDAN 分解方法[4]的作用效果不會(huì)隨著模態(tài)分量值的改變而出現(xiàn)非精準(zhǔn)求解的問題，因此即便是在必要分解信息保持非相關(guān)狀態(tài)的情況下，只要保證模態(tài)分量取值結(jié)果的規(guī)律性，就能夠得到相對(duì)理想的分解結(jié)果。針對(duì)壓裂裝備潛在性故障診斷準(zhǔn)確性不高的問題，構(gòu)建一種基于CEEMDAN 的新型壓裂裝備潛在性故障診斷模型，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證該模型的實(shí)用性價(jià)值。

1 基于CEEMDAN 的潛在性故障序列分解

潛在性故障是指未表現(xiàn)出來但卻會(huì)對(duì)壓裂裝備運(yùn)行能力造成影響的故障，若不能實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在性故障的精準(zhǔn)診斷，則會(huì)影響壓裂裝備的實(shí)際運(yùn)行能力。對(duì)于壓裂裝備潛在性故障序列的分解，應(yīng)按照CEEMDAN 分解原則確定排列熵指標(biāo)的實(shí)際取值，再根據(jù)求解所得結(jié)果定義潛在性故障的序列分解條件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓裂裝備潛在性故障序列的分解。

使用CEEMDAN 原則分解壓裂裝備潛在性故障序列，應(yīng)將故障數(shù)據(jù)流劃分為高、中、低頻分量。在分解故障序列的過程中，精準(zhǔn)區(qū)分三類不同的數(shù)據(jù)樣本對(duì)象，可使診斷主機(jī)更好地確定潛在性故障行為的表現(xiàn)能力，從而確定排列熵指標(biāo)的實(shí)際取值范圍[5-7]。故障數(shù)據(jù)的CEEMDAN 分解原則如圖1 所示。

圖1 壓裂裝備故障數(shù)據(jù)的CEEMDAN 分解原則

排列熵反映了高、中、低頻分量在序列集合中的概率分布水平。相較于其他類型的熵值參數(shù)，排列熵計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)健性更強(qiáng)，且計(jì)算流程較為簡單，適用于多種不同的力學(xué)負(fù)載條件。排列熵指標(biāo)的計(jì)算流程如下：

1） 計(jì)算低頻分量概率分布參數(shù)，公式為：

式中：Imin表示極小值定義項(xiàng)；α表示壓裂裝備潛在性故障數(shù)據(jù)的時(shí)間混亂度描述參數(shù)；β表示熵指標(biāo)分布系數(shù)；pα表示低頻分量取樣參數(shù)。

2） 計(jì)算中頻分量概率分布參數(shù)，公式如下：

3） 計(jì)算高頻分量概率分布參數(shù)，公式如下：

式中：Imax表示極大值定義項(xiàng)；p3表示高頻分量取樣參數(shù)。

4） 進(jìn)行壓裂裝備潛在性故障序列排列熵求解，公式如下：

式中：δ表示故障數(shù)據(jù)評(píng)級(jí)參數(shù)；χ表示故障數(shù)據(jù)序列定義參數(shù)；y1、y2、y3分別表示與低、中、高頻分布參數(shù)相關(guān)的排列熵。

對(duì)步驟4）獲取的壓裂裝備潛在性故障序列排列熵進(jìn)行序列分解，公式為：

式中：φ表示基于CEEMDAN 原則的數(shù)據(jù)序列分解參量；e、r表示兩個(gè)不為0 的排列熵取值參數(shù)，且e≠r的不等式取值條件恒成立；We表示基于參數(shù)e的壓裂裝備[8]潛在性故障數(shù)據(jù)序列基準(zhǔn)值；Wr表示基于參數(shù)r的壓裂裝備潛在性故障數(shù)據(jù)序列基準(zhǔn)值。

2 壓裂裝備潛在性故障診斷模型構(gòu)建

完成序列分解的壓裂裝備潛在性故障數(shù)據(jù)保持分段式分布狀態(tài)，低頻、中頻、高頻分量分別對(duì)應(yīng)不會(huì)造成、間接造成、直接造成故障問題的數(shù)據(jù)樣本。在診斷故障過程中，這種相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)分類形式有助于主機(jī)元件對(duì)不同類型的故障問題進(jìn)行精準(zhǔn)辨別。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建壓裂裝備潛在性故障診斷模型，即利用序列分解表達(dá)式，分別對(duì)低頻、中頻、高頻分量所對(duì)應(yīng)的故障數(shù)據(jù)參量進(jìn)行診斷，從而在確定潛在性故障等級(jí)條件魯棒局部均值的同時(shí)，完成對(duì)瞬態(tài)故障[9-10]特征的提取。利用CEEMDAN 分解原則定義診斷模型，首先應(yīng)確定故障數(shù)據(jù)的魯棒局部均值。魯棒局部均值的求解公式為：

式中：γ表示均分值；E1、E2、E3分別表示低頻、中頻、高頻分量所對(duì)應(yīng)的故障行為魯棒性取樣參數(shù)。由于低頻、中頻、高頻分量與潛在性故障行為數(shù)據(jù)之間的魯棒性對(duì)應(yīng)程度依次減弱，所以E1、E2、E3的取值大小關(guān)系為E1＜E2＜E3。

設(shè)定t1表示低頻分量瞬態(tài)提取周期，t2表示中頻分量瞬態(tài)提取周期，t3表示高頻分量瞬態(tài)提取周期，d表示壓裂裝備[11]潛在性故障數(shù)據(jù)的瞬態(tài)行為參量，a˙表示故障數(shù)據(jù)瞬態(tài)行為指征，聯(lián)立公式（6），可將瞬態(tài)特征計(jì)算式表示為：

在式（7）的基礎(chǔ)上，構(gòu)建壓裂裝備潛在性故障診斷模型表達(dá)式：

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與步驟

選擇SYN5410TYL1860B 2500 型壓裂裝備作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將其串聯(lián)在如圖2 所示的潛在性故障診斷回路中，在施壓過程中，當(dāng)故障指示燈亮起，表示當(dāng)前壓力示數(shù)達(dá)到壓裂裝備額定載荷作用條件。

為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，忽略摩擦作用等其他外界條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過對(duì)比故障指示燈亮起時(shí)的實(shí)時(shí)力學(xué)載荷效果、壓裂裝備額定載荷作用條件，分析所應(yīng)用的診斷模型對(duì)于潛在性故障的診斷能力，差值越小表示所應(yīng)用方法的診斷準(zhǔn)確性越高。設(shè)目標(biāo)壓裂裝備發(fā)生潛在性故障時(shí)的額定載荷作用條件為5.7×109N，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1） 完善圖2 所示的診斷回路，將壓裂裝備串聯(lián)入回路中；

2） 調(diào)試mark-10 型測(cè)力計(jì)，并將其探針深入壓裂設(shè)備部件內(nèi)部；

3） 不斷增大人工施壓強(qiáng)度，并利用測(cè)力計(jì)測(cè)量各個(gè)階段力學(xué)載荷的具體數(shù)值，并將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與額定載荷作用條件進(jìn)行對(duì)比；

4） 根據(jù)實(shí)時(shí)載荷與額定載荷之間的差值，分析所應(yīng)用診斷方法的應(yīng)用能力。

3.2 數(shù)據(jù)與結(jié)果分析

以基于CEEMDAN 的壓裂裝備潛在性故障診斷模型作為實(shí)驗(yàn)組方法，基于模糊貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的診斷方法作為對(duì)照（一）組方法，基于GA-BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法作為對(duì)照（二）組方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。

圖3 力學(xué)載荷實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

分析圖3 可知，壓裂裝備潛在性故障行為發(fā)生在15～35 min 期間。在該時(shí)間階段內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組力學(xué)載荷的最大測(cè)量值為5.7×109N，與額定載荷作用條件相等；對(duì)照（一）組和對(duì)照（二）組力學(xué)載荷的最大測(cè)量值分別為7.8×109N 和3.0×109N，與額定載荷作用條件的差值分別 為2.1×109N 和2.7×109N。綜 上 可 知，應(yīng) 用 基 于CEEMDAN 的壓裂裝備潛在性故障診斷模型，所得力學(xué)載荷測(cè)量結(jié)果與發(fā)生潛在性故障時(shí)的額定載荷作用條件完全相等，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)壓裂裝備潛在性故障行為的準(zhǔn)確診斷。

4 結(jié) 語

基于CEEMDAN 分解原則所設(shè)計(jì)的壓裂裝備潛在性故障診斷模型通過定義序列分解表達(dá)式的方式，求解魯棒局部均值與瞬態(tài)特征參量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所構(gòu)建診斷模型可以保障診斷結(jié)果與發(fā)生潛在性故障時(shí)的壓裂裝備額定載荷作用條件完全相同，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓裂裝備潛在性故障行為的準(zhǔn)確診斷，符合實(shí)際應(yīng)用需求。