某型燃气轮机启动失败的模糊故障树分析

闫 东，梁前超，邵梦麟，焦宇飞

(1.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033; 2.东海舰队装备部，浙江 宁波 315122)

维修理论

某型燃气轮机启动失败的模糊故障树分析

闫 东1，梁前超1，邵梦麟1，焦宇飞2

(1.海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033; 2.东海舰队装备部，浙江 宁波 315122)

在对某型燃气轮机启动进行故障分析并建立故障树的基础上，依据工程技术人员反馈得到的模糊信息，对该型燃气轮机启动过程进行了模糊可靠性分析，计算得到了在不同置信水平发生启动失效的故障概率区间，为提高装备可靠性及改进系统可靠性设计提供了依据。

燃气轮机；可靠性；模糊故障树

某型燃气轮机由冷态启动至慢车工况经历了电机启动、空气压缩、点火燃烧、涡轮升速等过程，该过程由静态到动态启动时间短，并伴随着急剧的物理化学变化，是燃气轮机正常运行中最易出现故障的环节。乔振广[1]等，针对GT12E2型发电燃气轮机机组第一次启动过程中总是失败现象，分析排查找到了原因及解决方法。赵小宁[2]从3个方面分析了PG9171E型燃气轮机启动失败的原因。朱维军[3]等针对燃气轮机启动特点对可能出现的故障进行了细致探讨，进一步提出了燃气轮机在启动管理阶段应当重点关注的问题。船用燃气轮机因其恶劣的工作环境和独特启动特点，决定了其产生故障的多样性。本文结合燃气轮机在实际启动过程中的故障类型，建立了较为完整的故障树模型，依据用户及工程技术人员提供的实际运行经验数据，采用模糊故障树分析方法，对燃气轮机启动失效概率进行研究，对研究燃气轮机启动过程可靠性，改进燃气轮机可靠性设计具有一定指导意义。

1 故障树的建立

该型船用燃气轮机启动过程具有启动时间短，转子升速快，物理化学变化剧烈，热负荷大，机械冲击力大，控制系统复杂等特点。而在故障树的建立过程中，忽略控制系统人员操作的失误及信号传输等故障，重点放在燃气轮机启动过程中自身设备的可靠性上，归纳为4个主要故障：启动电机故障、燃油压力不足、滑油系统故障以及点火不成功。按照以“燃气轮机启动失败”为顶事件T来建立故障树。

如图1所示，共21个基本事件，用Xi(i=1，2，…，21)表示，4个主要故障为中间事件，用Ei(i=1，2，3，4)来表示(事件名称见表1)。假设各基本事件彼此独立，可得到故障树的结构函数为：

T=E1+E2+E3+E4，

式中：E1=X1+X2+X3+X4+X5；E2=X6+X7+X8+X9+X10+X11；E3=X12+X13+X14+X15+X16；E4=X17+X18+X19+X20+X21。

图1 燃气轮机启动故障树

2 模糊故障可靠性分析

传统的故障树分析基于一个基本假设，即要求系统及其组成的单元状态只有正常或故障2个状态，现有的理论要求故障树顶事件和基本事件发生的概率为一精确值，在实际中，这一点是很难做到的[4]。由于受外界各种复杂因素及其自身设备偶然性等影响，各基本事件发生故障的概率具有不确定性，即模糊性。人们只能给出事件发生的均值及其置信区间，结合工程技术人员的实际经验和判断来构造模糊数的隶属函数，这样就可以采用模糊数来描述事件的发生，从而进行有效的可靠性分析。

在模糊故障树分析中引入模糊数P来描述事件发生的概率，利用隶属函数P(x)来表征发生故障的模糊性。用PT、PEi、Pxi表示顶事件、中间事件及基本事件故障发生概率。并且工程中常采用三元数组(m，α，β)来表示模糊数，其中m对应于隶属度μ=1的模糊数，亦称为均值，是依据工程技术人员提供的经验值确定的；α与β称为模糊数P的左右分布，表征了故障概率的模糊程度，分布区间越窄，则m值越可信。α与β取值应由所选用的隶属函数确定。

隶属函数有多种形式，L-R型模糊数有三角形、正态型、尖形3种，结合实际过程，这里采用三角形隶属函数(见图2)，其参照函数形式为：

L[(m-x)/α]=max{0,1-(m-x)/α},当x≤m,αgt;0，

(1)

R[(m-x)/β]=max{0,1-(m-x)/β},当xgt;m,βgt;0，

(2)

对应于三角模糊数P的隶属函数为：

(3)

图2 三角形隶属函数图

为使三角形隶属度函数表达方便，采用下面的格式来表征模糊数P。

P=(m-α,m,m+β)，

这样表示则模糊数的上下界限分别为m+β和m-α。模糊数的取值落在区间时m-α≤x≤m+β，隶属度区间为[0，1]。当x靠近均值m时，隶属度变大(当x=m时，隶属度为1)；当x不在此区间时，则隶属度为0。

笔者依据某型燃气轮机实际使用中，用户及工程技术人员实际经验反馈的模糊信息，综合列出表1所示的基本事件参照表及其模糊值。

表1 基本事件模糊数据

续表1 基本事件模糊数据

由此可以得到中间事件的发生概率，即模糊数PE1、PE2、PE3、PE4分别为：

PE1=(0.007 78,0.014 10,0.019 42)；

PE2=(0.009 14,0.015 61,0.019 78)；

PE3=(0.006 68.0.011 35,0.014 02)；

PE4=(0.007 79,0.012 38,0.015 73)。

相应的顶事件的发生概率，即模糊数PT为：

PT=(mT-αT,mT,mT+βT)=(0.031 39,0.053 44,0.068 95)。

表2 模糊数在不同置信水平下的置信区间

3 结束语

本文采用模糊数的分析方法，结合工程实际反馈的故障信息，通过线性三角隶属函数的数学方法计算得出了以下结论。

1)对燃气轮机启动进行模糊故障树分析，产生出了模糊故障树分析的理论与方法,这为燃气轮机系统的故障分析研究开辟了新的途径。

2)燃气轮机在启动过程中的故障概率远高于正常运行过程，综合各置信水平得到启动过程发生故障概率区间为(0.031 4，0.053 4)，与燃气轮机实际使用情况基本相符。

3)计算给出了燃气轮机各部件故障概率区间值，对于工程实际改进系统可靠性方案，提高整体可靠性程度具有指导和借鉴意义。

在燃气轮机的实际应用中，由于工作人员操作差异、经验数据评估水平、各部件材料差异等多方面的原因，导致利用传统的故障树分析方法难以得到有效的可靠性数值。本文采用模糊数的方法，回避了故障树基本事件必须是确定值的前提，通过线性三角隶属函数的数学方法计算得出了在经验数据下燃气轮机启动失败的概率，并求出了在不同置信水平下船用燃气轮机发生故障的概率区间，为进一步改善燃气轮机启动的可靠性设计提供了数据。

[1] 乔振广，彭红武. GT13E2燃气轮机启动失败的故障分析及处理方法[J]. 燃气轮机技术， 2003，16(4):57-58.

[2] 赵小宁.PG9171E型燃气轮机启动失败原因分析[J].燃气轮机技术，2010，23(1):49-53.

[3] 朱维军，余又红.某型燃气轮机启动过程故障分析[J].燃气轮机技术，2013，26(1):5-8.

[4] 赵艳萍，贡文伟. 模糊故障树分析及其应用研究[J]. 中国安全科学学报， 2001， 11(6): 32-34.

[5] Singer D.A Fuzzy set approach to fault tree and reliability analysi[J].Fuzzy Set and Systems，1990，34(8):145-155.

2014-09-15

兴船报国创新超越

On the basis of establishing the fault tree for start failure of the gas turbine,the research analyses the fuzzy reliability of the start process of the gas turbine，according to the fuzzy information fed back by the engineering technologist and the different confidence level,we got different failure probability interval by calculating.All these consequence will offer assistance in increasing the equipment reliability and improving the system design of reliability.

gas turbine;reliability;fuzzy fault tree

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2015.01.013

装备预研基金(40103)

闫东(1990-)，男，河南鹤壁人，在读硕士研究生，研究方向为燃气轮机故障诊断及可靠性分析。