煤焦油流量計機械故障的原因分析及解決方法

摘要：分析煤焦油流量計產(chǎn)生機械慢表的原因，依據數據傳輸系統傳回的停機延時(shí)流量制訂機械慢表的評估方法，對某LWQZ－100B的流量計的30次停機數據進(jìn)行分析，當流量計停機延時(shí)流量評估得分小于等于20分時(shí)，通過(guò)貝葉斯定理判斷，依據評估得分發(fā)現該流量計為機械慢表的準確率的大于等于90%的可信度為94．94%。如果客戶(hù)用氣設備每天至少停機1次，則評估周期最多需要30d，該評估方法可將故障發(fā)現周期從2a縮短到30d，最大程度降低燃氣公司的機械慢表?yè)p失。
1概述
在日常工作中，煤焦油流量計因軸承卡死等機械故障而造成的流量計不計量現象(俗稱(chēng)機械死表)，通常都能被燃氣公司工作人員及時(shí)發(fā)現，追繳氣量也較容易。而因軸承磨損導致的計量誤差偏大的現象(俗稱(chēng)機械慢表)，由于現場(chǎng)缺乏有效的技術(shù)手段，較難及時(shí)發(fā)現，目前診斷機械慢表只有定期將流量計通過(guò)檢測臺，用音速?lài)娮斓葮藴视嬃垦b置檢定，即流量計周檢。根據JJG1037—2008《煤焦油流量計檢定規程》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)JJG1037—2008)要求，煤焦油流量計檢定周期為2a，即出現機械慢表時(shí)，在及時(shí)進(jìn)行流量計周檢的情況下，該故障最長(cháng)可能存在2a。
2形成機械慢表的原因分析
煤焦油流量計的主要計量部件為機芯，煤焦油流量計的結構見(jiàn)圖1。
煤焦油流量計機芯由軸、軸承、葉輪組成，機芯的葉輪兩端由軸承支撐，當流體通過(guò)時(shí)，沖擊葉輪，對葉輪產(chǎn)生驅動(dòng)力矩Mτ，使葉輪克服機械摩擦力矩Mτm、流體阻力矩Mτf以及磁電轉換器對葉輪產(chǎn)生的電磁反作用力矩Mτe而產(chǎn)生旋轉。由此可以建立葉輪的運動(dòng)微分方程:

式中
J———葉輪的轉動(dòng)慣量，kg·m2
ω———葉輪的旋轉角速度，rad/s
t———時(shí)間，s
Mτ———氣體流動(dòng)對葉輪所產(chǎn)生的驅動(dòng)力矩，N·m

Mτm———葉輪旋轉所產(chǎn)生的機械摩擦力矩，N·m
Mτf———流體阻力矩，N·m
Mτe———電磁反作用力矩，N·m
式(1)中通常電磁反作用力矩Mτe比較小，可以忽略。正常工作條件下，可認為管道內流量不隨時(shí)間變化，即葉輪以穩定的角速度旋轉。即存在

由于機芯的軸與軸承直接接觸，在氣體中的粉塵、雜質(zhì)等作用下，葉輪旋轉就必然導致軸與軸承之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生磨損，工作時(shí)間越長(cháng)，工況環(huán)境越差，潤滑越不利，磨損也就越嚴重，從而機械摩擦力矩Mτm越來(lái)越大。使用初期，葉輪以應有角速度旋轉，如果機械摩擦力矩越來(lái)越大，葉輪的旋轉角速度會(huì )小于應有角速度，雖然隨著(zhù)角速度的降低，流體阻力矩變小，但是由于機械摩擦力矩增大，仍達到了穩定工況。這種葉輪旋轉角速度變小的現象，叫流量計計量偏慢現象(即機械慢表)。因此認為:機械摩擦力矩Mτm增大是造成煤焦油流量計機械慢表的主要原因。
3流量計工況數據分析
隨著(zhù)通信技術(shù)不斷發(fā)展，燃氣遠傳數據傳輸系統已逐步被燃氣公司采用，該系統現場(chǎng)通過(guò)有線(xiàn)通信采集各項數據，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)GPRS每2min一次上傳數據至服務(wù)器，可隨時(shí)了解燃氣溫度、燃氣壓力、瞬時(shí)流量、累積流量等實(shí)時(shí)信息，主要應用于計量管理、抄收、預付費管理等方面。
①煤焦油流量計葉輪慣性旋轉時(shí)間
當用氣設備停止用氣時(shí)，管道內氣體停止流動(dòng)，葉輪由于慣性還在旋轉，此時(shí)流量計仍有逐漸下降的瞬時(shí)流量顯示。根據GB/T21391—2008《用氣體煤焦油流量計測量天然氣流量》附錄C的相關(guān)解釋?zhuān)谟脷庠O備停機后，流量計葉輪旋轉時(shí)間是評估該儀表運行工況的重要參數。
測量我公司常用的3種型號新流量計在用氣設備停機后葉輪的慣性旋轉時(shí)間，為了確保數據準確性，設備停機時(shí)的流量負荷選定在流量計量程的10%～90%，流量計葉輪慣性旋轉時(shí)間實(shí)驗結果見(jiàn)表1。
表1流量計葉輪慣性旋轉時(shí)間實(shí)驗結果

流量計型號	用氣設備停機時(shí)瞬時(shí)流量占流量計最大量程的占比/%	測量次數/次	用氣設備停機后葉輪平均慣性旋轉時(shí)間/s
LWQZ－50Z	10	10	142
LWQZ－50Z	20	10	145
LWQZ－50Z	40	10	152
LWQZ－50Z	50	10	150
LWQZ－50Z	60	10	154
LWQZ－50Z	90	10	155
LWQZ－80Z	10	10	171
LWQZ－80Z	20	10	172
LWQZ－80Z	40	10	175
LWQZ－80Z	50	10	177
LWQZ－80Z	60	10	179
LWQZ－80Z	90	10	183
LWQZ－100Z	10	10	190
LWQZ－100Z	20	10	197
LWQZ－100Z	40	10	201
LWQZ－100Z	50	10	205
LWQZ－100Z	60	10	209
LWQZ－100Z	90	10	212

由表1可以看出，當停止用氣后，流量計葉輪平均慣性旋轉時(shí)間均大于140s，而根據前文分析可知，當流量計為機械慢表時(shí)，機械摩擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉角速度ω急速下降，用氣設備停機后葉輪慣性旋轉時(shí)間縮短。因此，停機后慣性旋轉時(shí)間是研究的關(guān)鍵切入點(diǎn)。
②停機延時(shí)流量
由于計量精準的煤焦油流量計葉輪在用氣設備停機后葉輪平均慣性旋轉時(shí)間均大于140s，我們對所監控的流量計停機時(shí)連續運行數據進(jìn)行分析，得出計量精準的流量計在用氣設備停機后仍會(huì )有小流量數據傳輸，將該流量定義為停機延時(shí)流量。某加氣站計量精準的流量計用氣設備停用時(shí)連續數據記錄見(jiàn)表2。瞬時(shí)工況流量為1．90m3/h的流量為停機延時(shí)流量。
表2某加氣站計量精準的流量計用氣設備停機前后連續數據記錄

溫度/℃	壓力/kPa	瞬時(shí)工況流量/(m3·h－1)	采集時(shí)間
26．92	282．756	263．20	2016－09－129:16
26．63	282．261	263．19	2016－09－129:18
26．78	282．696	263．19	2016－09－129:20
26．51	282．184	60．20	2016－09－129:22
26．50	288．762	1．90	2016－09－129:24
26．20	288．735	0．00	2016－09－129:26

由表2可以看出，流量計瞬時(shí)工況流量從用氣設備運行時(shí)的263．19m3/h依次變?yōu)檫\行設備停機后的60．20m3/h、1．90m3/h的小流量(停機延時(shí)流量)數據傳回，由于監控系統每2min傳回一條數據，因此，當系統傳回至少一條停機延時(shí)流量時(shí)，可認為此流量計慣性旋轉時(shí)間大于120s，經(jīng)多次比對我們判定其運行工況良好，而后經(jīng)現場(chǎng)拆表檢查，該流量計機芯內部干凈無(wú)異物，后送至檢測中心檢定，其低區誤差在誤差允許范圍內。
機械摩擦力矩大的流量計在用氣設備停機后往往沒(méi)有小流量運行數據傳輸。某加氣站機械摩擦力矩大的流量計在用氣設備停用時(shí)連續數據記錄見(jiàn)表3。
由表3可以看出，當用氣設備停用后，沒(méi)有小流量(停機延時(shí)流量)數據傳回，而是直接從運行流量438．95m3/h變?yōu)?，而后經(jīng)現場(chǎng)拆表檢查，該流量計機芯的軸與軸承磨損嚴重，后送至檢測中心檢定，其低區誤差不合格。因此判定其機械摩擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉角速度降低，運行工況較差，發(fā)生機械慢表的可能性高。
表3某加氣站機械摩擦力矩大的流量計用氣設備停用時(shí)連續數據記錄

溫度/℃	壓力/kPa	瞬時(shí)工況流量/(m3·h－1)	采集時(shí)間
22．84	258．615	438．95	2016－09－1210:24
22．70	258．412	438．94	2016－09－1210:26
22．71	258．645	438．92	2016－09－1210:28
22．63	258．191	438．94	2016－09－1210:30
22．60	262．212	438．95	2016－09－1210:32
22．50	262．335	0．00	2016－09－1210:34

4基于停機延時(shí)流量的評估方法
4．1煤焦油流量計停機延時(shí)流量評估模型
根據不同用戶(hù)用氣規律的差異性，每個(gè)用戶(hù)用氣設備每天的停機次數各不相同，要反映流量計實(shí)時(shí)運行工況，不能只根據一條停機后的數據判斷流量計的準確度，而是需要選取近期的多次停機數據進(jìn)行評估。
為了確保所統計的停機數據能更加充分、準確地反映流量計實(shí)時(shí)運行工況，建立流量計停機延時(shí)流量評估得分計算式:

式中
S———滿(mǎn)分為100分的情況下，評估周期內流量計停機延時(shí)流量評估得分，分
n———評估周期內有停機延時(shí)流量傳回的停機次數，次
N———評估周期內該流量計的用氣設備總停機次數，次
式(5)針對某一臺流量計N次停機后的數據進(jìn)行統計，其中n次有停機延時(shí)流量，(N－n)次無(wú)停機延時(shí)流量。根據以往經(jīng)驗，當N越大，即計算的總停機次數越多時(shí)，評估準確度越高。但是N越大意味著(zhù)評估周期越長(cháng)，流量計運行實(shí)時(shí)工況評估時(shí)效性降低，且工作量增大。因此N的取值需要進(jìn)一步討論。
4．2停機延時(shí)流量評估模型的貝葉斯定理實(shí)證
①實(shí)驗流程
有別于經(jīng)典統計學(xué)派，貝葉斯定理不僅考慮了樣本信息，而且考慮了決策人員所擁有的知識、經(jīng)驗等私人信息，甚至包含著(zhù)其主觀(guān)判斷。貝葉斯定理綜合樣本信息與先驗信息后進(jìn)行計算，可能更科學(xué)合理，而且可進(jìn)一步隨著(zhù)新的實(shí)驗信息的增加不斷地進(jìn)行越來(lái)越符合實(shí)際的調整與修正。先驗概率是實(shí)驗前根據以往積累的資料和經(jīng)驗，對事件發(fā)生可能性的一個(gè)預設;后驗概率是在實(shí)驗后，根據實(shí)驗獲得的信息對事件發(fā)生的可能性作重新審視和修正的概率。后驗概率往往對事件發(fā)生與否有更為準確的判斷，但需要設計隨機實(shí)驗來(lái)實(shí)現。
貝葉斯定理驗證評估模型的實(shí)驗流程見(jiàn)圖2。貝葉斯定理驗證評估模型的實(shí)驗流程具體說(shuō)明如下。

a．對于擬定的參數N，根據以往實(shí)踐經(jīng)驗預設一個(gè)先驗概率;
b．做實(shí)驗，根據實(shí)驗結果用貝葉斯公式計算后驗概率;
c．驗證得出的后驗概率是否達到預定要求，根據結果最終確定參數N。
②N設為20次時(shí)的實(shí)驗過(guò)程
現以L(fǎng)WQZ－100B流量計為例，根據式(5)，當某臺LWQZ－100B流量計停機延時(shí)流量評估得分S≤20分時(shí)，可以判定為機械慢表。此判斷產(chǎn)生2種意見(jiàn)，意見(jiàn)1:此評分發(fā)現該型號機械慢表的準確率≥a1，a1為此評分發(fā)現該型號機械慢表的準確率的下限值，取90%;意見(jiàn)2:此評分發(fā)現該型號機械慢表的準確率≤a2，a2為此評分發(fā)現該型號機械慢表的準確率的上限值，70%。將意見(jiàn)1記為A1，意見(jiàn)2記為A2。對于這兩種意見(jiàn)工作人員決定用做實(shí)驗的方法確定其可信度。實(shí)驗方法是根據式(5)計算并統計出x臺機械慢表，然后把這x臺流量計上檢測臺檢測驗證，然后計算可信度。
首先將N設定為20次，即針對某一臺LWQZ－100B流量計統計計算其評估周期內最近的20次的停機數據。根據以往經(jīng)驗，工作人員認為意見(jiàn)1的可信度為60%，意見(jiàn)2的可信度為40%。記為P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率為先驗概率。
a．第1次實(shí)驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格為L(cháng)WQZ－100B流量計隨機計算，并選取其中5塊S≤20分的流量計。經(jīng)檢測臺檢測后發(fā)現，該5塊流量計中有3塊確實(shí)為機械慢表，2塊不是機械慢表。設B表示事件:x塊流量計中有y塊為機械慢表。在本事件中，x為5，y為3。
本論文所用到的貝葉斯公式如下:

式中
P(A1|B)———B發(fā)生的情況下A1的可信度
B———事件:經(jīng)檢測臺檢測，x塊流量計中有y塊機械慢表
P(B|A1)———A1發(fā)生的情況下B的可信度
P(A1)———第1種意見(jiàn)的可信度，其中A1為第1種意見(jiàn)
P(B|A2)———A2發(fā)生的情況下B的可信度
P(A2)———第2種意見(jiàn)的可信度，其中A2為第2種意見(jiàn)
x———實(shí)驗中，取出的S≤20分的流量計數量，塊
y———實(shí)驗中，x塊流量計中確實(shí)為機械慢表的流量計數量，塊
a1———意見(jiàn)1中準確率的下限值，取90%
a2———準確率的上限值，取70%
根據式(6)～(8)可得，B發(fā)生的情況下A1的可信度為26．16%，即后驗概率P(A1|B)=26．16%，P(A2|B)=73．84%。該實(shí)驗證明A1和A2的先驗概率有問(wèn)題，需要再做第2次實(shí)驗。
b．第2次實(shí)驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格為L(cháng)WQZ－100B流量計重新隨機計算，并取其中10塊S≤20分的流量計。經(jīng)檢測臺檢測后發(fā)現，該10塊流量計中有7塊確實(shí)為機械慢表，3塊不是機械慢表。設C表示事件:10塊流量計中有7塊為機械慢表。
用C事件代替式(6)～(8)中的B事件，計算可得C發(fā)生的情況下A1的可信度為7．08%，即后驗概率為P(A1|C)=7．08%，P(A2|C)=92．92%。
實(shí)驗1、2說(shuō)明，當N設定為20次時(shí)，發(fā)現機械慢表的準確率不高于70%的可信度已達92．92%，發(fā)現機械慢表的準確率較低。
③N設為30次時(shí)的實(shí)驗過(guò)程
現將N調整為30次，即針對某一臺LWQZ－100B流量計統計計算其評估周期內最近的30次的停機數據。根據以往經(jīng)驗，工作人員認為意見(jiàn)1的可信度為60%，意見(jiàn)2的可信度為40%。即P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率為先驗概率。
a．第1次實(shí)驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格為L(cháng)WQZ－100B流量計重新隨機計算，并取其中5塊S≤20分的流量計，經(jīng)檢測臺檢測后發(fā)現，該5塊流量計中有5塊確實(shí)為機械慢表。設D表示事件:5塊流量計中有5塊為機械慢表。
用D事件代替式(6)～(8)中的B事件，計算可得D發(fā)生的情況下A1的可信度為84．06%，即后驗概率為P(A1|D)=84．06%，P(A2|D)=15．94%，這種情形需要再做第2次實(shí)驗。
b．第2次實(shí)驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格為L(cháng)WQZ－100B流量計重新隨機計算，并取其中10塊S≤20分的流量計，經(jīng)檢測臺檢測后發(fā)現，該10塊流量計中有9塊確實(shí)為機械慢表。設E表示事件:10塊流量計中有9塊為機械慢表。
用E事件代替式(6)～(8)中的B事件，計算可得E發(fā)生的情況下A1的可信度為94．94%，即后驗概率為P(A1|E)=94．94%，P(A2|E)=5．06%。此實(shí)驗說(shuō)明，當N設定為30次，通過(guò)式(5)計算型號為L(cháng)WQZ－100B的流量計最近的30條停機數據，當該流量計停機延時(shí)流量評分S≤20分時(shí)，此評分發(fā)現機械慢表的準確率≥90%的可信度已達到94．94%。
針對以上所做的4次實(shí)驗可得出，當N設定為30次時(shí)，此評分模型發(fā)現型號為L(cháng)WQZ－100B的流量計為機械慢表的準確率較高?，F假設客戶(hù)用氣設備每天至少停機1次，則評估周期最多需要30d。
以上為型號為L(cháng)WQZ－100B流量計的停機延時(shí)評分機制，其他型號流量計也可通過(guò)此流程建立類(lèi)似的停機延時(shí)評分機制。對先驗概率與后驗概率的比較可以看出，應用貝葉斯定理有利于使工程師的經(jīng)驗、現場(chǎng)實(shí)驗成果以及歷史實(shí)驗資料都充分發(fā)揮作用，有利于積累資料的同時(shí)豐富經(jīng)驗，是少投入多產(chǎn)出的好方法。
5結論
①將煤焦油流量計機械慢表的故障程度隨時(shí)量化，大幅度降低不同型號流量計因機械摩擦力矩增加造成機械慢表的發(fā)現周期，將故障發(fā)現周期從2a縮短到30d，最大程度上降低燃氣公司的經(jīng)濟損失，從而為企業(yè)營(yíng)收做貢獻。
②本文也是對燃氣行業(yè)工商大表傳統管理模式進(jìn)行創(chuàng )新。通過(guò)應用該技術(shù)，可以將“首檢合格、定期周檢、到期報廢”的傳統管理模式演變?yōu)?ldquo;首檢合格、隨時(shí)評估、永遠如新”的嶄新管理模式。

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