電驅離心壓縮機組失效風險及評價方法研究

周代軍，溫 皓，梁 俊，賈彥杰，陳小華，臧仕程

1.國家管網集團西南管道有限責任公司，四川成都 610366

2.西南石油大學，四川成都 610500

電驅離心式壓縮機組作為天然氣管道輸送的動力，發生非計劃故障停機將造成管網輸送水力系統波動，影響到上下游輸量、壓力等工況，造成停輸、減產及無法保供等后果。目前國內外研究局限于對輸油氣站場進行分區風險評價、壓縮機組故障失效原因分析、基于可靠性的維修技術等，缺乏對管道離心式壓縮機組進行系統分析和評價，尤其是機組各系統之間的關聯、相互影響及各類故障失效發生的頻次、后果評價等研究工作還未成體系，需要結合電驅離心式壓縮機組的特點、各系統的關鍵控制點、歷史故障數據及專家評分對機組失效進行綜合風險評價，最終實現對機組運行、維護、檢修的科學指導。

1 風險因素分析

1.1 機組失效故障樹

各廠商在電驅離心式壓縮機組的設計、制造和安全保護方面存在差異，但各系統之間的功能設置及邏輯關系相似。因此，在建立以機組失效為頂事件的故障樹分析時，需要通過分析各因素之間的邏輯關系確定基本事件。其中基本事件X1～X50與F13“關鍵閥門故障”一樣應為中間事件（中間事件包括管理和技術兩個方面），以下對F13進行展開分析，分析基本事件X51～X67。機組失效故障樹如圖1所示，符號、事件如表1所示。

圖1 電驅離心式壓縮機組失效故障樹

表1 機組失效故障樹事件

1.2 故障樹最小割集分析

割集即引起頂事件機組失效的基本事件集合。通過分析該故障樹的最小割集以確定薄弱環節。求解圖1得到的最小割集如下：

經過分析，得知機組失效共有66個最小割集，其中一階最小割集50個，占總數75.7%，二階最小割集16個，占總數24.3%。

1.3 故障樹底事件的結構重要度分析

通過分析故障樹各基本事件的結構重要度系數，從而反映底事件對頂事件的影響程度[1]。結構重要度系數計算見式（1）。

式中：Ia表示第a個基本事件的結構重要度系數；Jb表示第a個基本事件處于第b個最小割集中；Nb表示第a個基本事件所在的第b個最小割集事件總數量；Xa表示第a個基本事件屬于第b個最小割集[2]。

計算得到的機組失效各基本事件的結構重要度系數如下：

綜上，結構重要度系數排序為（I1～I50=1）>I67>（I51～I66=0.5）。因此，將X1～X50及X67（包含X51～X66）基本事件作為基本風險因素進行分析。

2 風險矩陣評價法

結合風險評價模型，風險大小R=修正因子n×失效概率Pi×失效后果Ci。第一，修正因子是根據風險矩陣所在等級區間值決定的變量。第二，失效概率分為5個等級，Ⅰ級極少發生、Ⅱ級偶爾發生、Ⅲ級時有發生、Ⅳ級經常發生、Ⅴ級頻繁發生，不同等級的判斷依據可根據該事件發生的頻率來確定，通常情況，各運營單位是通過動設備可靠性指標進行關鍵績效指標KPI考核的，結合運行管理需要，評價參考失效頻率Ⅰ級為≤1次/季度（對應可靠性目標值99.3%），Ⅱ級為≤2次/季度（對應可靠性目標值98.7%），Ⅲ級為≤3次/季度（對應可靠性目標值98%），Ⅳ級為≤4次/季度（對應可靠性目標值97.5%），Ⅴ級為＞5次/季度（對應可靠性目標值96.8%）。第三，失效后果分為人身傷害、經濟損失及環境破壞三方面進行評價，其中人身傷害分為5個等級，評價參考尺度A級無健康影響、B級造成輕傷、C級導致重傷、D級致1人死亡、E級致＞1人死亡；經濟損失分為5級，評價參考尺度A級無財產損失、B級損失≤1萬元、C級損失1～3萬元之間、D級損失≥3萬元、E級損失超過10萬元；環境損失分為5級，評價參考尺度A級無影響、B級影響范圍≤1萬m3、C級影響范圍1～5萬m3之間、D級影響≥5萬m3、E級影響超過10萬m3。按上述評價法建立的風險矩陣如表2所示。

表2 離心式壓縮機組失效風險評價矩陣

2.1 機組失效頻率分析

從歷史統計數據得到，中油管道公司所轄西南管道、西氣東輸、西部管道、北京管道及管道公司擁有電驅離心式壓縮機組167臺套，總裝機容量2 833 MW，累計運行約260×104h。從中篩選出2 799次故障，機組平均故障率（故障時間/累計運行時間）為0.67%。各類故障原因統計分析的平均占比α及平均故障率如表3所示。

表3 電驅離心式壓縮機組歷史故障庫數據統計分析

在實際應用過程中，通過專家故障原因評價占比β，對各類故障原因最終占比γ進行加權修正，如式（2）所示。

根據2010—2019年統計數據中各因素對應失效的次數，結合基本事件發生的頻次以及在故障庫中的占比，確定各因素的權重因子，相關數據統計分析如表3所示。

2.2 機組故障停機可能性評價

采用模糊綜合評價法對各基本事件發生的可能性進行評估，建立評價對象因素集S={s1，s2，…，s50，s51}，確定評價等級論域V={Ⅰ級極少發生v1、Ⅱ級偶爾發生v2、Ⅲ級時有發生v3、Ⅳ級經常發生v4、Ⅴ級頻繁發生v5}。評價步驟如下：

（1）設計專家調查表（總人數為m）。

（2）請有經驗的專家在以上五個評價等級中打勾，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級的分值可分別表示為：qv={1，3，5，7，9}。

（3） 統計出對第i個評價因素評價等級v的專家人數kvi（≤m）。

（4）計算出各評價因素的分值ti：

（5） 計算總分值t：

（6） 計算各評價因素的發生可能性Pi：

式中：w表示維修系數，分別取0.8、0.6、0.5。

2.3 故障嚴重性評價

在對失效后果的評價中，對人身傷害cr、經濟損失cj、環境損失ch進行專家打分，每項后果因素評價根據評價等級進行打分，其中得分區間為A級 [0，20)、B 級 [20，40)、C 級 [40，60)、D 級[60，80)、E級[80，100]。失效后果最終得分為各專家評價得分的平均分，并對三項失效后果得分進行累加，見式（6），作為失效后果評價的最終得分，通過查詢風險評價矩陣確定后果等級Ci。

3 風險控制

3.1 可接受準則

從生產運行的角度，當機組可靠性降低到限值以下就將采取必要的控制措施。失效因素評價所得結果為“較高風險”及以上的屬于不可接受區域，可采取預測性維護或狀態監測策略；對于“低風險”的則屬于可接受區域，可采取事后維修或常規維修方式處置；余下的“較低風險”及“中等風險”則屬于維護區，需要擬定預防性維修、功能測試或修正性維護與改進等定期綜合維修計劃[3]。電驅離心式壓縮機失效風險可接受標準如圖2所示。

圖2 電驅離心式壓縮機組失效可接受風險標準

3.2 維修策略分析

（1） 事后維修。主要應用于部分輔助系統、零部件故障失效存在不確定性，維修周期短，維護費用低，備件采購周期短，且備件充裕的故障情況。對于能通過部分故障的歷史數據統計及可分析判斷出易損件和備件更換周期的情況，則采取逐步過渡到視情況進行維修的策略。

（2）定期維修。主要應用于壓縮機、電機本體以及關鍵輔助系統故障具有一定隱蔽性的情況?？梢砸罁收习l生的規律和歷史經驗確定維修周期，通常以機組運行時間4 000、8 000、25 000、50 000 h為周期進行保養、小修、中修或大修，并可根據需要對系統進行預防性維護、功能性測試及修正性維護。

（3）預測性維護。主要應用于對維修成本大、維修周期長、備件采購周期長或保存困難的設備狀態監測。根據潛在的故障發生規律、機理及趨勢，預測性判斷機組的健康狀態，建立被監測變量的評定標準，當數據變化或惡化到標準值時進行更換或維修。若采取常規維修，均不能將風險控制在可接受水平上，而通過預測性維護改善各系統運行狀況，則可達到提高機組運行可靠性的目的。

（4）維修策略投入。參考機組故障原因中儀表控制、機械、電氣、外界因素及誤操作的比例進行財力、人力及物力分配，提高維護檢修及備件儲備的精準度，使維保更有針對性。

3.3 風險消減算法

通過開展合理、科學的維檢修工作，各風險因素需在原有風險的基礎上進行重新計算，不同的維修策略對風險消減的權重存在差異，其中事后維修的系數w為0.8，定期維修的系數w為0.6，預測性維修的系數w為0.5。

3.4 實例分析

對某管道企業站場進口電驅離心式壓縮機組進行風險評價，邀請5位行業專家進行現場機組健康檢查、管理水平調研、員工訪談、歷史數據收集分析。通過發放5份專家調查表，對各因素發生的可能性、故障原因、人身傷害、經濟損失、環境損失進行評價和打分：計算出該壓氣站進口電驅離心式壓縮機組頂事件“T”發生的概率是3.4×10-2，失效概率等級為V；失效后果平均得分為87.19，失效后果等級為B級，根據風險矩陣評定該站的風險等級為中等風險。各因素的失效概率、失效后果、評價結果及維修策略如表4所示。

表4 專家調查結果分析統計

通過分析發現，該站機組存在較高風險因素為X9“外電線路故障停機”，中等風險因素為X15“系統誤報警”；其中較低風險占比55%，低風險占比41%，機組運行的總體風險可控。

外電波動（不穩定）、雷擊及造成供電中斷在非計劃性停機中占比最高，是電驅離心式壓縮機組失效的主要原因之一。管道企業可采取多項控制措施，包括：其一，加強與供電公司的溝通協調，比如在惡劣天氣情況下與供電公司建立2 h聯系機制，及時掌握電網情況；其二，加強外電線路巡檢，對外電線路進行安全隱患排查工作；其三，增加對外電供電質量監測，實現變頻器的失電穿越功能，可保證在外電短時波動期間，變頻器在降低到最低轉速以下后自動恢復運行；其四，嘗試加裝無擾動切換裝置，通過并聯切換功能實現正常運行時雙饋線備用電源的可靠切換，保證不間斷供電[4]。

系統誤報警是機組失效的又一重要因素。在機組實際運行過程中，控制系統在由于儀表老化、邏輯缺陷、不穩定、通信中斷、受到干擾、虛接、信號錯誤、控制器離線、IO模塊損壞、數據飄移及聯鎖保護等原因造成誤報警后，將聯鎖停機。管道企業需要加強以下幾個方面工作[5]：其一，及時對儀表進行維護保養，包括本體安全檢查、定期檢定，檢查控制系統信號線接頭的緊固、ESD系統回路測試、現場儀表信號傳輸AI通道等；其二，機組運行期間重點檢查各控制柜、交換機工作狀態、機架模塊指示燈是否正常，便于及時發現故障及時處理，若有整體老化問題，可考慮對控制系統硬件進行預防性更換；其三，檢查電纜屏蔽層接地情況，接線是否規范，做到儀表電纜單獨屏蔽，減少信號干擾可能性；其四，針對疑難故障、普遍性故障或高頻故障開展專項研究，比如對記憶卡失效、電源模塊燒壞、儀表電纜干擾等進行專項研究；其五，對于部分易損硬件進行備件儲備。

3.5 動態管理與評價

電驅離心式壓縮機組失效評價方法是基于動態管理的系統性方法，運營單位通過設定機組運行可靠性目標值確定各因素失效頻率對應的失效等級，歷史失效數據錄入后自動更新單因素權重因子，對不同階段、不同時期專家評價打分結果均進行綜合計算評分，降低單次評價對結果的影響程度；對機組或單因素執行維修策略后，將修正風險的結果輸出；維修資源的投入可動態參考各類故障原因占比進行合理分配。最終實現動態評價、科學決策。

4 結束語

通過以機組失效為頂事件的故障樹分析，辨識出67項電驅離心式壓縮機組風險因素，結合結構重要度分析確定51項因素為機組風險評價重要因素，對機組失效數據故障庫、故障原因進行分析，利用專家打分的方式確定各風險因素失效的后果，采用風險矩陣對風險評價結果進行判別，從而采取與之相對應的維修策略。本研究工作可為類似項目提供借鑒。