燃?xì)庹{(diào)壓器故障分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李興泉陳楚粵姜懿蕓耿啟征孫明陽(yáng)

(1.山東建筑大學(xué) 熱能工程學(xué)院，山東 濟(jì)南250101；2.青島積成電子股份有限公司，山東 濟(jì)南250101)

0 引言

根據(jù)《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告(2019)》[1]預(yù)計(jì)，2050 年前我國(guó)天然氣消費(fèi)繼續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，將給城市的輸配管網(wǎng)維護(hù)帶來(lái)更大壓力。 燃?xì)庹{(diào)壓器是輸配系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一，其發(fā)揮著各級(jí)壓力調(diào)節(jié)、用氣壓力控制及維穩(wěn)的作用。 自工業(yè)革命后，英美等國(guó)家創(chuàng)造并發(fā)展了先進(jìn)的設(shè)備管理與維修的理念，提出從原始的“事后維修”轉(zhuǎn)變到“預(yù)防維修”“適時(shí)管理”等現(xiàn)代設(shè)備管理與維修的模式[2]，而我國(guó)在智慧燃?xì)獾睦砟钪С窒?，調(diào)壓器故障診斷系統(tǒng)及在線預(yù)警技術(shù)方面發(fā)展迅速。 李江波等[3]最早提出了基于先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)微處理器(Advanced RISC Machine，ARM)的燃?xì)庹{(diào)壓器檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行氣密性和特性測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果可以直觀反映調(diào)壓器靜壓特性的相關(guān)參數(shù)值是否符合要求。 同時(shí)，隨著設(shè)備自動(dòng)化程度提高，調(diào)壓器相關(guān)智能系統(tǒng)也在不斷的創(chuàng)新，楊蒙[4]首次將小波變換與逆向傳播(Back Propagation，BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合構(gòu)造的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于燃?xì)庹{(diào)壓器故障診斷研究中，通過(guò)相應(yīng)頻帶里變化的能量比例提取調(diào)壓器故障特征。由于此時(shí)故障診斷的分類結(jié)果不完善，杜毅[5]使用數(shù)學(xué)軟件Matlab 中的工具箱對(duì)歷年燃?xì)庹{(diào)壓器的故障類型及頻次進(jìn)行數(shù)據(jù)模型分析，再進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)找出運(yùn)行規(guī)律。 HAO 等[6]繼續(xù)研究了差分整合移動(dòng)平均自回歸(Autoregressive Integrated Moving Average，ARIMA)模型在燃?xì)庹{(diào)壓器故障診斷方面的應(yīng)用，通過(guò)平穩(wěn)化處理數(shù)據(jù)后識(shí)別模型種類，再選擇應(yīng)用檢驗(yàn)通過(guò)后的模型預(yù)測(cè)。 閔行博[7]優(yōu)化了小波包算法，大幅度降低了調(diào)壓器誤報(bào)和漏報(bào)故障的概率。李夏喜等[8]提出在歷史數(shù)據(jù)中提取參數(shù)穩(wěn)定的特征點(diǎn)作為故障診斷模型的訓(xùn)練依據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)調(diào)壓器的運(yùn)行狀態(tài)。 但上述所提出的EMD 和小波包分析法實(shí)時(shí)性不好且數(shù)據(jù)收集有限，郭裕祺等[9]提出了一種基于自編碼器的燃?xì)庹{(diào)壓器在線故障診斷系統(tǒng)。

目前國(guó)內(nèi)燃?xì)馄髽I(yè)已經(jīng)普遍建立了調(diào)壓器日常巡檢制度和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA)，定期保養(yǎng)和維護(hù)調(diào)壓器，并監(jiān)控管理。 但隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的調(diào)壓器維護(hù)工作已經(jīng)顯現(xiàn)出定期檢測(cè)周期長(zhǎng)、人力資源耗費(fèi)大、監(jiān)控覆蓋率降低、管理模式無(wú)改進(jìn)及險(xiǎn)情發(fā)現(xiàn)滯后等缺陷。 由于調(diào)壓器大部分時(shí)間處于正常運(yùn)行，運(yùn)行規(guī)律相對(duì)穩(wěn)定，故障類型比較有限且在出口壓力或流量上有所表征，運(yùn)行狀態(tài)中產(chǎn)生的故障也是逐步演進(jìn)的趨勢(shì)，因此，設(shè)計(jì)燃?xì)庹{(diào)壓器的故障分析系統(tǒng)是提高城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的管理效率、增強(qiáng)安全保障性的有效措施。 文章依據(jù)燃?xì)庹{(diào)壓器的工作原理和性能指標(biāo)設(shè)計(jì)了故障分析系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)SCADA 系統(tǒng)或物聯(lián)網(wǎng)壓力傳感器采集的出口壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏自編碼特征提取，并將特征樣本導(dǎo)入故障診斷模型，分析不同故障類型在出口壓力上的表現(xiàn)特點(diǎn)，以期能夠建立一個(gè)更高效、更智慧的燃?xì)庹{(diào)壓器故障預(yù)測(cè)性系統(tǒng)。

1 燃?xì)庹{(diào)壓器工作原理及性能指標(biāo)概述

1.1 燃?xì)庹{(diào)壓器的工作原理

調(diào)壓器是一個(gè)可通過(guò)調(diào)整閥口面積，使流速和動(dòng)能發(fā)生改變的局部阻力元件，按照工作原理可以分為直接式和間接式。 由于間接式調(diào)壓器薄膜兩側(cè)的壓力差容易控制在極小范圍內(nèi)，比直接式的精度和關(guān)閉等級(jí)更高，適合城鎮(zhèn)高中壓管網(wǎng)的調(diào)壓。 但直接式與間接式調(diào)壓器的基本結(jié)構(gòu)和原理相似，直接式反應(yīng)更迅速，能夠更直觀地看出壓力與閥口變化的關(guān)系。 直接式燃?xì)庹{(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，主要由閥桿、薄膜、調(diào)節(jié)彈簧、閥口、閥瓣等組成，當(dāng)下游用氣量增加時(shí)，出口壓力P2下降，此時(shí)上側(cè)調(diào)壓器調(diào)節(jié)彈簧的力大于導(dǎo)壓管連接的出口壓力即薄膜下側(cè)的壓力，導(dǎo)致薄膜下降，閥瓣也隨著閥桿一起向下位移，閥口開度增大，出口壓力P2恢復(fù)到初始給定值；若進(jìn)口壓力P1升高時(shí)，閥口開度變小，則燃?xì)饬髁拷档?，出口壓力P2可以保持設(shè)定值。

圖1 直接式燃?xì)庹{(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖

調(diào)壓器本身不需要外界能量，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，即在滿足下游流量需求的條件下，保持出口壓力維持于允許設(shè)定值的范圍內(nèi)。 直接式燃?xì)庹{(diào)壓器自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理如圖2 所示，調(diào)壓器信號(hào)管測(cè)量的出口壓力結(jié)果，受到進(jìn)氣量、進(jìn)口壓力的干擾。 當(dāng)出口壓力的實(shí)際值與給定值出現(xiàn)壓力偏差時(shí)，此時(shí)產(chǎn)生的偏差信號(hào)提示閥桿進(jìn)行位移，使出口壓力結(jié)果引入到輸入端參與下一次調(diào)節(jié)。

圖2 直接式燃?xì)庹{(diào)壓器自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作原理圖

因此，對(duì)于調(diào)壓器的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，設(shè)定的出口壓力是最重要的參數(shù)，其會(huì)影響閥門的調(diào)節(jié)性能。當(dāng)出口壓力設(shè)定偏高時(shí)，調(diào)壓器根據(jù)自動(dòng)壓力調(diào)節(jié)原理，閥口處閉合。 此時(shí)下游壓力高于上游，當(dāng)出口壓力下降后，再次引起穩(wěn)定器和調(diào)壓器主體薄膜向下運(yùn)動(dòng)，直到各個(gè)薄膜受到的力達(dá)到平衡。 當(dāng)出口壓力設(shè)定太低時(shí)，氣體在閥口閉合處的壓差偏大，同時(shí)氣體中的雜質(zhì)時(shí)會(huì)繼續(xù)沖刷閥口和閥座，降低了閥口的封閉性。 在平衡過(guò)程中，閥口不斷運(yùn)動(dòng)，氣體加倍沖刷閥口和閥座，增進(jìn)了對(duì)閥口及閥座的損害程度。 若長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)間斷性供氣的情況，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)、出口壓差過(guò)大，造成閥門、閥口關(guān)閉不嚴(yán)，調(diào)壓精度下降，更容易出現(xiàn)安全事故。

1.2 燃?xì)庹{(diào)壓器的動(dòng)態(tài)模型

燃?xì)庹{(diào)壓器的動(dòng)態(tài)特性是當(dāng)入口壓力或流量發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在過(guò)渡過(guò)程中的特性，其能夠影響調(diào)壓器的運(yùn)行安全及設(shè)備性能。 采用模塊化建模的方法，以直接式燃?xì)庹{(diào)壓器的主閥為研究對(duì)象，列出運(yùn)動(dòng)方程式，由式(1)表示為

式中m為閥桿、閥瓣等運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；k為調(diào)節(jié)彈簧剛度，N/s；x為彈簧等運(yùn)動(dòng)部件位移，m；c為調(diào)節(jié)彈簧阻尼系數(shù)，N·s/m；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；ΔP為進(jìn)、出口間的壓力差，ΔP＝P2- P1；S為薄膜的有效面積，m2。

當(dāng)彈簧處于平衡狀態(tài)，閥口開度穩(wěn)定在某一位置時(shí)，建立的運(yùn)動(dòng)部件模型為該運(yùn)動(dòng)方程的實(shí)現(xiàn)，需要連接其他已經(jīng)建立的子模型如容積模型、孔口流動(dòng)模型、氣體參數(shù)模型、閥門信號(hào)模型等之間的相關(guān)端口來(lái)完成[10]。

1.3 燃?xì)庹{(diào)壓器相關(guān)性能指標(biāo)定義

(1) 穩(wěn)壓精度A指一族靜特性曲線上，工作范圍內(nèi)出口壓力實(shí)際值與設(shè)定壓力間的最大正偏差和最大負(fù)偏差絕對(duì)值的平均值對(duì)設(shè)定壓力的百分比，由式(2)表示為

式中Δ＋、Δ-分別為出口壓力實(shí)際值與設(shè)定壓力間的正、負(fù)偏差，MPa；P2s為設(shè)定壓力，MPa。

穩(wěn)壓精度等級(jí)(Accuracy class，AC)則定義為穩(wěn)壓精度的最大允許值乘以100[11]。

穩(wěn)壓精度受到彈簧剛度和薄膜面積的影響，選擇彈簧剛度較小及薄膜有效面積變化量較小的調(diào)壓器來(lái)提高穩(wěn)壓精度。

(2) 關(guān)閉壓力等級(jí)SG 定義為實(shí)際關(guān)閉壓力與設(shè)定壓力之差對(duì)設(shè)定壓力之比的最大允許值乘以100[11]，通常關(guān)閉等級(jí)越低則關(guān)閉性能越好。

2 燃?xì)庹{(diào)壓器故障分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)可知，當(dāng)處于用氣高峰時(shí)，下游出口壓力在設(shè)定壓力附近波動(dòng)，若整體運(yùn)行壓力上移，則可判斷設(shè)定壓力偏高，出現(xiàn)超壓的問題；當(dāng)處于正常用氣時(shí)，出口壓力在穩(wěn)壓精度范圍內(nèi)正常變化，是驗(yàn)證調(diào)壓器調(diào)節(jié)作用的最好時(shí)段，也為研究預(yù)測(cè)調(diào)壓器運(yùn)行狀態(tài)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；當(dāng)處于用氣低谷時(shí)，出口壓力值能夠反映調(diào)壓器處理下游超壓的情況，包括調(diào)壓器關(guān)閉時(shí)的關(guān)閉壓力，直接反映調(diào)壓器的關(guān)閉等級(jí)偏高問題。

故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)旨在將維修人員的經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為“電子腦”存儲(chǔ)，是“電子腦”指導(dǎo)維修人員檢修的一個(gè)交互過(guò)程，該分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其核心是診斷模型，需要30 d 的歷史數(shù)據(jù)和以往專家經(jīng)驗(yàn)作為故障判斷的依據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)預(yù)處理和特征提取后導(dǎo)出診斷結(jié)果，形成用氣特征圖譜和故障特征類型。 用氣特征圖譜能夠客觀地刻畫用氣規(guī)律，讀取出口壓力、流量等關(guān)鍵評(píng)價(jià)調(diào)壓器狀態(tài)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)繪制靜特性曲線并計(jì)算出實(shí)際穩(wěn)壓精度等級(jí)和關(guān)閉壓力等級(jí)；故障特征是通過(guò)故障診斷模型分類欠壓、內(nèi)漏、啟動(dòng)壓力升高、關(guān)閉等級(jí)升高等問題。

圖3 調(diào)壓器故障預(yù)測(cè)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 故障分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

目前使用的傳統(tǒng)壓力表存在以下3 種問題:(1) 依靠人工讀數(shù)，無(wú)法避免人為誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確；(2) 無(wú)法積累數(shù)據(jù)，即使人工記錄后，查閱也很困難；(3) 無(wú)法做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，人工檢查具有滯后性。 由于調(diào)壓場(chǎng)站分布都相對(duì)分散，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的成本偏高，應(yīng)用智能物聯(lián)網(wǎng)壓力傳感器可以減少各項(xiàng)成本。 將調(diào)壓器中的傳統(tǒng)機(jī)械壓力表更換成物聯(lián)網(wǎng)壓力傳感表，或在調(diào)壓器后端安裝智能壓力表，通過(guò)智能壓力傳感器可以設(shè)定高低壓的報(bào)警值，當(dāng)調(diào)壓器運(yùn)行出現(xiàn)故障如超壓時(shí)，向燃?xì)夤菊{(diào)度中心發(fā)送報(bào)警信號(hào)，檢修人員進(jìn)行維修。

導(dǎo)致調(diào)壓器運(yùn)行異常的因素很多，但都可以在出口壓力上有所表征。 因此，建立該分析系統(tǒng)的關(guān)鍵在于收集不同時(shí)刻的出口壓力，文章從SCADA系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)壓力傳感器中提取到2020 年不同日期的出口壓力數(shù)據(jù)，形成用氣特征圖譜如圖4 所示。

圖4 調(diào)壓器的實(shí)際壓力工作狀態(tài)曲線圖

2.2 故障分析系統(tǒng)診斷模型的建立

燃?xì)庹{(diào)壓器故障診斷模型采用高維度的特征向量來(lái)更準(zhǔn)確地表達(dá)模型特征。 由于將所有歷史數(shù)據(jù)樣本全部打標(biāo)，工作量巨大無(wú)法完成，由機(jī)器學(xué)習(xí)稀疏自編碼提取特征值，將存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)圖片進(jìn)行聚類，找出離群的樣本圖片即疑似故障并對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注，之后支持向量機(jī)分類器(Support Vector Machine，SVM)會(huì)對(duì)標(biāo)注數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分類，產(chǎn)生一個(gè)機(jī)器故障分類結(jié)果，同時(shí)也根據(jù)提煉的專家經(jīng)驗(yàn)再進(jìn)行故障判定，由此產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)判斷結(jié)果和之前的機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行融合判斷(即對(duì)20%的歷史數(shù)據(jù)樣本和上線運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證)，形成一個(gè)具有雙重判斷依據(jù)的故障結(jié)果，最終融合的故障結(jié)果將繼續(xù)作為故障輸入數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)器的故障分類依據(jù)進(jìn)行更新，驗(yàn)證更新為更準(zhǔn)確的故障判定依據(jù)，工作原理如圖5 所示。

圖5 調(diào)壓器故障診斷模型工作流程圖

2.2.1 故障分析系統(tǒng)診斷的特征樣本提取

現(xiàn)在很多燃?xì)庹{(diào)壓器預(yù)警應(yīng)用，采用小波包能量值法對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取并得到定量故障判斷依據(jù)，但由于現(xiàn)存大量用戶有用氣類型不同、用氣習(xí)慣差異、調(diào)壓器品牌型號(hào)不統(tǒng)一等情況，故無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)條件下的適用要求。 沒有分類標(biāo)簽的原始?jí)毫?shù)據(jù)，增加其類別標(biāo)記工作量大且復(fù)雜，因此文章希望機(jī)器能夠自己學(xué)習(xí)到樣本中的重要特征，使其在龐大的數(shù)據(jù)環(huán)境下獲得最優(yōu)的表達(dá)，并有效地降維樣本。

采用稀疏自編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)的特征提取，旨在構(gòu)造某些新的特征來(lái)表示原始的數(shù)據(jù)樣本，避免了因人的主觀經(jīng)驗(yàn)影響的取值偏差。 新的特征需包含原始數(shù)據(jù)的有效信息，同時(shí)便于之后的學(xué)習(xí)補(bǔ)充。自編碼器是一種無(wú)監(jiān)督的包含編碼器和解碼器兩部分的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)調(diào)整損失函數(shù)，其能產(chǎn)生許多變種形式，稀疏自編碼器是其中的一種[10]。 將數(shù)據(jù)預(yù)處理后以24 h 為時(shí)間長(zhǎng)度的調(diào)壓器出口壓力曲線作為原始數(shù)據(jù)樣本，輸入到稀疏自編碼器，通過(guò)稀疏自編碼器的算法，重構(gòu)還原出口壓力曲線。 機(jī)器通過(guò)不斷迭代得到最小值的重構(gòu)誤差[12]，使所有樣本的平均重構(gòu)誤差最終達(dá)到一個(gè)最小值。 其中，涉及的重構(gòu)誤差是指稀疏自編碼器的輸入與輸出間的差值，其大小可用來(lái)判斷原始數(shù)據(jù)樣本偏離歷史數(shù)據(jù)規(guī)律的程度。 重構(gòu)誤差顯示越小說(shuō)明特征越準(zhǔn)確，符合歷史曲線的運(yùn)行規(guī)律，相反誤差越大則說(shuō)明不符合正常運(yùn)行規(guī)律，需要進(jìn)行故障預(yù)測(cè)分析。 若新樣本數(shù)據(jù)持續(xù)偏離原有的數(shù)據(jù)特征，且經(jīng)排查后調(diào)壓器運(yùn)行正常，則說(shuō)明用戶用氣習(xí)慣發(fā)生了改變，需要對(duì)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行更新[9]。

2.2.2 故障分析系統(tǒng)診斷的分類機(jī)器

支持向量機(jī)是建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的一種數(shù)據(jù)挖掘方法，可以較好地處理有關(guān)時(shí)間序列分析的回歸與分類以及有關(guān)判別分析等模式識(shí)別的問題，并可推廣于預(yù)測(cè)和綜合評(píng)價(jià)等領(lǐng)域和學(xué)科[13]。SVM 分類器的工作機(jī)理是找到一個(gè)最符合分類要求的超平面，使該超平面在滿足分類精度的前提下，保證超平面兩邊的空白區(qū)域達(dá)到最大化。 通常SVM 可以實(shí)現(xiàn)大部分線性可分?jǐn)?shù)據(jù)的最優(yōu)分類，常用于各類分類統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用中。

該系統(tǒng)在對(duì)歷史數(shù)據(jù)樣本和上線運(yùn)行后的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試、驗(yàn)證時(shí)，將稀疏自編碼器提取的特征值和預(yù)測(cè)出口穩(wěn)定數(shù)據(jù)作為SVM 分類器的輸入，找到相應(yīng)的故障類型標(biāo)簽，再對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓器故障分類模型進(jìn)行訓(xùn)練及測(cè)試，最終準(zhǔn)確輸出主要的故障類型。

2.2.3 故障分析系統(tǒng)診斷的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

(1) 調(diào)壓器故障判斷經(jīng)驗(yàn)

調(diào)壓器自身零件損壞及老化問題會(huì)造成以下影響:對(duì)于調(diào)壓器關(guān)閉壓力超標(biāo)的原因有閥門堵塞或損壞、閥瓣密封圈或閥口密封墊片老化、薄膜老化等，此類情況分別采取清洗或更換閥門、及時(shí)更換密封圈或密封墊片、更換調(diào)壓器薄膜等方法；由于調(diào)壓器內(nèi)部雜質(zhì)增多引起調(diào)壓器出口壓力降低，此類情況采取清洗調(diào)壓器的方法。 通常調(diào)壓器的主要故障率集中在閥口墊片的老化及損傷，雜質(zhì)堆積在閥口的橡膠密封墊上導(dǎo)致閥口的關(guān)閉性能降低，使出口壓力值偏高。

除此之外調(diào)壓器的故障也可由流量的變化引起。 當(dāng)實(shí)際流量大于設(shè)計(jì)流量時(shí)會(huì)造成調(diào)壓器出口壓力降低，出現(xiàn)此類情況應(yīng)及時(shí)更換調(diào)壓器的型號(hào)；當(dāng)上游管道壓力供氣量不斷變化時(shí)出口壓力出現(xiàn)波動(dòng)，此類情況及時(shí)與上游機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)商[14]。

(2) 燃?xì)庹{(diào)壓器壓力參數(shù)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)

燃?xì)庹{(diào)壓器壓力設(shè)定參數(shù)具體見表1。

根據(jù)調(diào)壓器壓力參數(shù)的設(shè)定值進(jìn)行維修后，調(diào)壓器的SG 應(yīng)低于設(shè)備出廠SG，且最高不超過(guò)關(guān)閉壓力最大允許相對(duì)增量25%(SG25)[11]；若連續(xù)維修3 次，關(guān)閉壓力仍然超過(guò)SG25，列為危舊設(shè)備，并及時(shí)更換。

表1 調(diào)壓器壓力設(shè)定參數(shù)表

3 燃?xì)庹{(diào)壓器故障分析系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 故障分析系統(tǒng)診斷分類的實(shí)現(xiàn)

由故障分析系統(tǒng)中的故障診斷模型分類出以下4 種故障類型，見表2，同時(shí)也作為機(jī)器學(xué)習(xí)、提煉專家經(jīng)驗(yàn)的故障判斷依據(jù)繼續(xù)在樣本數(shù)據(jù)中更新。

表2 調(diào)壓器壓力故障特征表

3.2 故障分析系統(tǒng)預(yù)警和報(bào)警的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述分析系統(tǒng)及故障診斷的研究，建立如圖6 所示的調(diào)壓器狀態(tài)分析功能平臺(tái)，展示了調(diào)壓器出口壓力、實(shí)時(shí)壓力、調(diào)壓精度、關(guān)閉等級(jí)等工作情況以及進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性評(píng)估，做出智能故障判斷。

圖6 調(diào)壓器每日狀態(tài)分析功能平臺(tái)圖

文章以調(diào)壓器故障分析系統(tǒng)為核心建立的該功能平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警和故障預(yù)警兩大功能[15]。

針對(duì)調(diào)壓器故障預(yù)警類型，列出以下3 種情形表示燃?xì)庹{(diào)壓器已出現(xiàn)故障的趨勢(shì)，但現(xiàn)階段仍可以正常工作運(yùn)行，并進(jìn)行預(yù)警。

(1) 調(diào)壓器關(guān)閉閥口時(shí)，出口壓力高出預(yù)期，屬于關(guān)閉壓力偏高；

(2) 隨著調(diào)壓器的運(yùn)行，出口壓力逐漸偏離設(shè)定值，無(wú)法滿足用戶用氣需求，屬于出口壓力偏移；

(3) 出口壓力瞬時(shí)拉低，但尚未脫壓，屬于瞬時(shí)欠壓。

對(duì)于調(diào)壓器故障報(bào)警類型，列出以下5 種情形表示調(diào)壓器已出現(xiàn)嚴(yán)重故障且存在安全風(fēng)險(xiǎn)，需要及時(shí)安排維修。

(1) 調(diào)壓器設(shè)定出口壓力偏高

如圖7 所示，紅線表示當(dāng)前的出口壓力，紅線兩側(cè)的虛線表示調(diào)壓精度的上、下偏差，最上部的虛線表示當(dāng)前關(guān)閉等級(jí)。 可以看出該日的最大、最小出口壓力分別為3.17 和2.92 kPa，設(shè)定的出口壓力和當(dāng)前調(diào)壓精度分別為2.6 kPa、±0.64%，此時(shí)的出口壓力和關(guān)閉等級(jí)分別為2.94 kPa、SG7.7，故可以判斷由于設(shè)定的出口壓力偏高，導(dǎo)致運(yùn)行壓力整體上移，進(jìn)而造成壓力超標(biāo)。

(2) 關(guān)閉等級(jí)超標(biāo)

如圖8 所示，可以看出該日調(diào)壓器的最大、最小出口壓力分別為3.21 和2.22 kPa，設(shè)定的出口壓力和當(dāng)前調(diào)壓精度分別為2.5 kPa、±4.06%，此時(shí)的出口壓力和關(guān)閉等級(jí)分為2.34 kPa、SG33.9，由此情形判斷因?yàn)殚y口的關(guān)閉性能逐漸降低，導(dǎo)致關(guān)閉壓力偏高，出口壓力偏高。

(3)調(diào)壓器內(nèi)漏

如圖9 所示，可以看出該日的最大、最小出口壓力分別為3.32 和2.06 kPa，設(shè)定的出口壓力為2.4 kPa，此時(shí)的出口壓力和關(guān)閉等級(jí)分別為2.16 kPa、SG53.6，當(dāng)前的調(diào)壓精度為±5.69%，由此情形判斷閥口關(guān)閉不嚴(yán)，出現(xiàn)內(nèi)漏，導(dǎo)致出口壓力持續(xù)升高，下游壓力超標(biāo)。

(4) 出口壓力已超過(guò)放散壓力，卻未啟動(dòng)，安全附屬設(shè)施異常，則放散閥失效。

(5) 出口壓力已超過(guò)切斷壓力，卻未啟動(dòng)，安全附屬設(shè)施異常，則切斷閥失效。

圖7 調(diào)壓器設(shè)定出口壓力偏高故障曲線圖

圖8 調(diào)壓器關(guān)閉等級(jí)超標(biāo)故障曲線圖

圖9 調(diào)壓器閥口關(guān)閉不嚴(yán)故障曲線圖

4 結(jié)論

為了增強(qiáng)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全保障性，基于調(diào)壓器出口壓力保持穩(wěn)定的特性，文章設(shè)計(jì)了燃?xì)庹{(diào)壓器故障分析系統(tǒng)，完成了數(shù)據(jù)采集、故障診斷的設(shè)計(jì)，得出的主要結(jié)論如下:

(1) 故障分析系統(tǒng)建立了調(diào)壓器狀態(tài)分析功能平臺(tái)，能夠自動(dòng)判斷欠壓、內(nèi)漏、出口壓力偏移和超壓等4 種故障類型。

(2) 故障分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)出現(xiàn)關(guān)閉壓力偏高、出口壓力偏移、出口壓力瞬時(shí)欠壓等3 種情形的故障預(yù)警，以及對(duì)出現(xiàn)設(shè)定出口壓力偏高、關(guān)閉等級(jí)超標(biāo)、內(nèi)漏、放散閥失效和切斷閥失效等5 種情形的故障報(bào)警。

(3) 故障系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估、自動(dòng)識(shí)別故障類型及科學(xué)安排維修，降低了因調(diào)壓器故障導(dǎo)致的供氣風(fēng)險(xiǎn)，改變了傳統(tǒng)調(diào)壓器事后管理的現(xiàn)狀，擴(kuò)大了管理的范圍，有效地實(shí)現(xiàn)了針對(duì)性的燃?xì)庹{(diào)壓器預(yù)防性管理，對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓器的維護(hù)管理方面有較好的促進(jìn)作用。