基于模糊综合评判的水泵运行状态评估及寿命预测

2021-10-22董雪旺

水利技术监督 2021年9期

董雪旺，董煜

(1.甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃白银 730400；2.兰州工业学院，甘肃兰州 730050)

甘肃省景泰川电力提灌工程(简称景电工程)是位于甘肃省景泰县的一项高扬程、大流量、多梯级的电力提灌引黄工程。因为景电工程泵站较多，梯级建设，各泵站都并联安装多台水泵，在上水高峰期，大部分泵站满负荷运行，无备用机组，如若水泵运行状态异常，会造成多级泵站停运相应流量的水泵，造成灌区流量减少，系统运行平稳失衡。因此，为了保证灌区土地的正常灌溉，如何有效地预防或者维护水泵的正常工作，有效提高景电工程提水灌溉效益是亟待解决的问题。针对这一问题，需要对水泵建立一个完善的运行状态评估系统，给泵站技术人员对水泵维护、管理和自动化监测提供合理的参考意见。

由于水泵机组设备结构复杂以及泵站特殊的梯级建设，水泵结构本身或者运行条件环境等诸多原因都会影响其正常运行[1]。所以及时掌握水泵运行状况，对其运行状态进行评估，对于实施水泵异常状况下的维修以及提高设备的可靠性具有实际应用价值。水泵系统是一个涉及运行条件、检修状况及环境因素的复杂工程系统，其评估过程也是一个将定量转化为定性的多因素、多层次、多目标的过程。近年来，模糊理论已经成为设备运行状态评估的重要方法。陈朋永等人构造了一种多层次模糊模型用来对高压断路器的运行状态进行综合评估[3]。伏玉明等人针对影响转辙机运行的诸多因素，利用模糊方法实现了对该设备健康状况的评估[4]。吴俊杰等人利用模糊综合评判发对变电站二次设备状态进行评价[5]。朱婧瑶等人利用模糊理论建立了变压器状态评估模型[6]。模糊综合评判法能够对受到多种因素影响的系统做出一个总体的评价[2]。该方法比较符合水泵运行状态评估的实际需求。本文引入模糊原理建立两级评估模型，对水泵运行状态进行评估，并将对应结果进行量化计算，得到水泵设备运行的剩余寿命，为水泵设备的状态检修和及时更换提供了理论依据。

1 模糊综合评判

通过建立系统的影响因素隶属度模型得到系统在运行状态下的模糊表达，并且确定各影响因素对应的权重，经过模糊变换得到故障诊断结果[7]。

1.1 评判水泵运行状态的因素集

通过对水泵机组的运行状态、检修状况、环境因素进行分析，总结影响水泵正常运行的参数指标，选取影响水泵运行的因素集为

U={u1，…，uj，…un}

(1)

式中，uj—第j种影响因素。

1.2 评判水泵运行状态的评语集

根据水泵运行状态的好坏以及发生故障的概率，将水泵运行状态分为不同的等级的评语集作为评估结果，则得评语集为

V={v1，…，vi，…vm}

(2)

式中，vi—第i种评价等级。

1.3 模糊关系矩阵R

假设V中第j种影响因素对应U中第i种评估结果的隶属度为rji，且0≤rji≤1。Ri表示各影响因素对应的第i种评估结果的隶属度向量，则可写出V和U的模糊关系矩阵R如下所示。

(3)

1.4 层次分析法确定权重

在评估过程中，各因素对于系统评价的影响程度是不相同的，所以需要确定各影响因素对应的权值。层次分析法(AHP)可以将水泵机组系统看成整体，通过数字来反映影响水泵运行的各因素之间的相对重要性，这是一种合理、有效地权值确定方法[8]。

(1) 构建因素集中所有影响因素重要程度的层次结构。

(2) 通过对不同影响因素之间的比较，来确定各参数的重要性指标，通常以1—9数字及其倒数来表示其相对重要程度，数字越大越重要，构造出的判别矩阵A，并进行一致性检验。

(4)

式中，aij—元素i与元素j相比的重要性评价。

(3) 利用下式获取权重。

AW=λmaxW

(5)

式中，λmax—判别矩阵的最大特征根；W—特征根的特征向量，即所求权值，且满足如下条件：

(6)

1.5 模糊计算

因为在不同故障状态下，各特征参数的权值分配不同，所以，应该将关系矩阵Ri和对应的权重集Wi进行模糊变换得到综合评判结果。

(7)

式中，“∘”代表模糊合成算子。为了综合考虑所有特征参数对故障诊断的评判影响，采用乘积求和的运算方法更为合理，具体表示为：

(8)

2 健康指数及寿命预测

引入健康指数计算方法，该方法是根据设备的老化程度来表达设备健康水平指数随时间变化的过程，并且广泛应用于设备的健康状态评估[10- 12]。

健康水平指数(HI)计算公式为[13]

HI=HI0×eB(T2-T1)

(9)

式中，HI0—水泵的初始健康指数；HI—水泵健康指数；B—老化系数；T1—开始使用的年份；T2—HI对应的年份。

健康指数为设备能够完成规定功能的能力，结合设备的实际运行状况，得到一个0到10之间的单一数值，其值越低表示设备运行状态越好[14]。健康指数与设备运行状态情况之间的关系见表1。

表1 健康指数与设备状态关系表

老化系数B通过水泵设备的设计寿命来获得，根据水泵开始使用时的健康指数和停止使用时的健康指数，将主体健康指数变换为计算老化系数：

(10)

式中，HI0—水泵开始使用时的健康指数，一般取0.5；HIt—水泵停止使用时的健康指数，一般取7；T1—投运时的设备运行时间，一般为0；Ti—设备的设计寿命。

水泵的剩余使用寿命(EOL)为其当前健康指数到设备停止使用健康指数所间隔的时间[15]，根据式(2)、(3)变换可得

(11)

根据式(5)，可以看出剩余寿命的计算需要得到设备此时的健康指数，本文要将模糊综合评判结果转换成对应的健康指数，方法如下；

(12)

式中，h—设备对应的健康指数量化值。

3 水泵运行状态评估模型的建立及验证

3.1 评判指标

对水泵进行运行状态的评估首先要确定评估的指标，也就是对哪些方面进行评估能够合理地表现出水泵的运行状态。通常，评判指标都是影响系统运行的重要因素。综合考虑景电工程水泵的运行情况和历史表现，本文对水泵的评价指标主要是从水泵本身的运行状态、检修状况以及环境因素三个方面考虑，运行状态是从设备运行时自身体现出来的一些因素，主要包括水泵的流量、设备运行时的温度、噪音以及振动等情况；检修状况是通过对水泵的历史维护信息表现出来的一些因素，包括设备的历史发生异常的情况、设备的使用年限以及设备外观磨损与锈蚀情况等；环境因素是指水泵运行的环境情况，包括水质的情况、水泵安装条件、气温等天气因素。可以建立两级水泵运行状况评估模型，如图1所示。