电驱离心压缩机组失效风险及评价方法研究

周代军，温 皓，梁 俊，贾彦杰，陈小华，臧仕程

1.国家管网集团西南管道有限责任公司，四川成都 610366

2.西南石油大学，四川成都 610500

电驱离心式压缩机组作为天然气管道输送的动力，发生非计划故障停机将造成管网输送水力系统波动，影响到上下游输量、压力等工况，造成停输、减产及无法保供等后果。目前国内外研究局限于对输油气站场进行分区风险评价、压缩机组故障失效原因分析、基于可靠性的维修技术等，缺乏对管道离心式压缩机组进行系统分析和评价，尤其是机组各系统之间的关联、相互影响及各类故障失效发生的频次、后果评价等研究工作还未成体系，需要结合电驱离心式压缩机组的特点、各系统的关键控制点、历史故障数据及专家评分对机组失效进行综合风险评价，最终实现对机组运行、维护、检修的科学指导。

1 风险因素分析

1.1 机组失效故障树

各厂商在电驱离心式压缩机组的设计、制造和安全保护方面存在差异，但各系统之间的功能设置及逻辑关系相似。因此，在建立以机组失效为顶事件的故障树分析时，需要通过分析各因素之间的逻辑关系确定基本事件。其中基本事件X1～X50与F13“关键阀门故障”一样应为中间事件（中间事件包括管理和技术两个方面），以下对F13进行展开分析，分析基本事件X51～X67。机组失效故障树如图1所示，符号、事件如表1所示。

图1 电驱离心式压缩机组失效故障树

表1 机组失效故障树事件

1.2 故障树最小割集分析

割集即引起顶事件机组失效的基本事件集合。通过分析该故障树的最小割集以确定薄弱环节。求解图1得到的最小割集如下：

经过分析，得知机组失效共有66个最小割集，其中一阶最小割集50个，占总数75.7%，二阶最小割集16个，占总数24.3%。

1.3 故障树底事件的结构重要度分析

通过分析故障树各基本事件的结构重要度系数，从而反映底事件对顶事件的影响程度[1]。结构重要度系数计算见式（1）。

式中：Ia表示第a个基本事件的结构重要度系数；Jb表示第a个基本事件处于第b个最小割集中；Nb表示第a个基本事件所在的第b个最小割集事件总数量；Xa表示第a个基本事件属于第b个最小割集[2]。

计算得到的机组失效各基本事件的结构重要度系数如下：

综上，结构重要度系数排序为（I1～I50=1）>I67>（I51～I66=0.5）。因此，将X1～X50及X67（包含X51～X66）基本事件作为基本风险因素进行分析。

2 风险矩阵评价法

结合风险评价模型，风险大小R=修正因子n×失效概率Pi×失效后果Ci。第一，修正因子是根据风险矩阵所在等级区间值决定的变量。第二，失效概率分为5个等级，Ⅰ级极少发生、Ⅱ级偶尔发生、Ⅲ级时有发生、Ⅳ级经常发生、Ⅴ级频繁发生，不同等级的判断依据可根据该事件发生的频率来确定，通常情况，各运营单位是通过动设备可靠性指标进行关键绩效指标KPI考核的，结合运行管理需要，评价参考失效频率Ⅰ级为≤1次/季度（对应可靠性目标值99.3%），Ⅱ级为≤2次/季度（对应可靠性目标值98.7%），Ⅲ级为≤3次/季度（对应可靠性目标值98%），Ⅳ级为≤4次/季度（对应可靠性目标值97.5%），Ⅴ级为＞5次/季度（对应可靠性目标值96.8%）。第三，失效后果分为人身伤害、经济损失及环境破坏三方面进行评价，其中人身伤害分为5个等级，评价参考尺度A级无健康影响、B级造成轻伤、C级导致重伤、D级致1人死亡、E级致＞1人死亡；经济损失分为5级，评价参考尺度A级无财产损失、B级损失≤1万元、C级损失1～3万元之间、D级损失≥3万元、E级损失超过10万元；环境损失分为5级，评价参考尺度A级无影响、B级影响范围≤1万m3、C级影响范围1～5万m3之间、D级影响≥5万m3、E级影响超过10万m3。按上述评价法建立的风险矩阵如表2所示。

表2 离心式压缩机组失效风险评价矩阵

2.1 机组失效频率分析

从历史统计数据得到，中油管道公司所辖西南管道、西气东输、西部管道、北京管道及管道公司拥有电驱离心式压缩机组167台套，总装机容量2 833 MW，累计运行约260×104h。从中筛选出2 799次故障，机组平均故障率（故障时间/累计运行时间）为0.67%。各类故障原因统计分析的平均占比α及平均故障率如表3所示。

表3 电驱离心式压缩机组历史故障库数据统计分析

在实际应用过程中，通过专家故障原因评价占比β，对各类故障原因最终占比γ进行加权修正，如式（2）所示。

根据2010—2019年统计数据中各因素对应失效的次数，结合基本事件发生的频次以及在故障库中的占比，确定各因素的权重因子，相关数据统计分析如表3所示。

2.2 机组故障停机可能性评价

采用模糊综合评价法对各基本事件发生的可能性进行评估，建立评价对象因素集S={s1，s2，…，s50，s51}，确定评价等级论域V={Ⅰ级极少发生v1、Ⅱ级偶尔发生v2、Ⅲ级时有发生v3、Ⅳ级经常发生v4、Ⅴ级频繁发生v5}。评价步骤如下：

（1）设计专家调查表（总人数为m）。

（2）请有经验的专家在以上五个评价等级中打勾，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等级的分值可分别表示为：qv={1，3，5，7，9}。

（3） 统计出对第i个评价因素评价等级v的专家人数kvi（≤m）。

（4）计算出各评价因素的分值ti：

（5） 计算总分值t：

（6） 计算各评价因素的发生可能性Pi：

式中：w表示维修系数，分别取0.8、0.6、0.5。

2.3 故障严重性评价

在对失效后果的评价中，对人身伤害cr、经济损失cj、环境损失ch进行专家打分，每项后果因素评价根据评价等级进行打分，其中得分区间为A级 [0，20)、B 级 [20，40)、C 级 [40，60)、D 级[60，80)、E级[80，100]。失效后果最终得分为各专家评价得分的平均分，并对三项失效后果得分进行累加，见式（6），作为失效后果评价的最终得分，通过查询风险评价矩阵确定后果等级Ci。

3 风险控制

3.1 可接受准则

从生产运行的角度，当机组可靠性降低到限值以下就将采取必要的控制措施。失效因素评价所得结果为“较高风险”及以上的属于不可接受区域，可采取预测性维护或状态监测策略；对于“低风险”的则属于可接受区域，可采取事后维修或常规维修方式处置；余下的“较低风险”及“中等风险”则属于维护区，需要拟定预防性维修、功能测试或修正性维护与改进等定期综合维修计划[3]。电驱离心式压缩机失效风险可接受标准如图2所示。

图2 电驱离心式压缩机组失效可接受风险标准

3.2 维修策略分析

（1） 事后维修。主要应用于部分辅助系统、零部件故障失效存在不确定性，维修周期短，维护费用低，备件采购周期短，且备件充裕的故障情况。对于能通过部分故障的历史数据统计及可分析判断出易损件和备件更换周期的情况，则采取逐步过渡到视情况进行维修的策略。

（2）定期维修。主要应用于压缩机、电机本体以及关键辅助系统故障具有一定隐蔽性的情况。可以依据故障发生的规律和历史经验确定维修周期，通常以机组运行时间4 000、8 000、25 000、50 000 h为周期进行保养、小修、中修或大修，并可根据需要对系统进行预防性维护、功能性测试及修正性维护。

（3）预测性维护。主要应用于对维修成本大、维修周期长、备件采购周期长或保存困难的设备状态监测。根据潜在的故障发生规律、机理及趋势，预测性判断机组的健康状态，建立被监测变量的评定标准，当数据变化或恶化到标准值时进行更换或维修。若采取常规维修，均不能将风险控制在可接受水平上，而通过预测性维护改善各系统运行状况，则可达到提高机组运行可靠性的目的。

（4）维修策略投入。参考机组故障原因中仪表控制、机械、电气、外界因素及误操作的比例进行财力、人力及物力分配，提高维护检修及备件储备的精准度，使维保更有针对性。

3.3 风险消减算法

通过开展合理、科学的维检修工作，各风险因素需在原有风险的基础上进行重新计算，不同的维修策略对风险消减的权重存在差异，其中事后维修的系数w为0.8，定期维修的系数w为0.6，预测性维修的系数w为0.5。

3.4 实例分析

对某管道企业站场进口电驱离心式压缩机组进行风险评价，邀请5位行业专家进行现场机组健康检查、管理水平调研、员工访谈、历史数据收集分析。通过发放5份专家调查表，对各因素发生的可能性、故障原因、人身伤害、经济损失、环境损失进行评价和打分：计算出该压气站进口电驱离心式压缩机组顶事件“T”发生的概率是3.4×10-2，失效概率等级为V；失效后果平均得分为87.19，失效后果等级为B级，根据风险矩阵评定该站的风险等级为中等风险。各因素的失效概率、失效后果、评价结果及维修策略如表4所示。

表4 专家调查结果分析统计

通过分析发现，该站机组存在较高风险因素为X9“外电线路故障停机”，中等风险因素为X15“系统误报警”；其中较低风险占比55%，低风险占比41%，机组运行的总体风险可控。

外电波动（不稳定）、雷击及造成供电中断在非计划性停机中占比最高，是电驱离心式压缩机组失效的主要原因之一。管道企业可采取多项控制措施，包括：其一，加强与供电公司的沟通协调，比如在恶劣天气情况下与供电公司建立2 h联系机制，及时掌握电网情况；其二，加强外电线路巡检，对外电线路进行安全隐患排查工作；其三，增加对外电供电质量监测，实现变频器的失电穿越功能，可保证在外电短时波动期间，变频器在降低到最低转速以下后自动恢复运行；其四，尝试加装无扰动切换装置，通过并联切换功能实现正常运行时双馈线备用电源的可靠切换，保证不间断供电[4]。

系统误报警是机组失效的又一重要因素。在机组实际运行过程中，控制系统在由于仪表老化、逻辑缺陷、不稳定、通信中断、受到干扰、虚接、信号错误、控制器离线、IO模块损坏、数据飘移及联锁保护等原因造成误报警后，将联锁停机。管道企业需要加强以下几个方面工作[5]：其一，及时对仪表进行维护保养，包括本体安全检查、定期检定，检查控制系统信号线接头的紧固、ESD系统回路测试、现场仪表信号传输AI通道等；其二，机组运行期间重点检查各控制柜、交换机工作状态、机架模块指示灯是否正常，便于及时发现故障及时处理，若有整体老化问题，可考虑对控制系统硬件进行预防性更换；其三，检查电缆屏蔽层接地情况，接线是否规范，做到仪表电缆单独屏蔽，减少信号干扰可能性；其四，针对疑难故障、普遍性故障或高频故障开展专项研究，比如对记忆卡失效、电源模块烧坏、仪表电缆干扰等进行专项研究；其五，对于部分易损硬件进行备件储备。

3.5 动态管理与评价

电驱离心式压缩机组失效评价方法是基于动态管理的系统性方法，运营单位通过设定机组运行可靠性目标值确定各因素失效频率对应的失效等级，历史失效数据录入后自动更新单因素权重因子，对不同阶段、不同时期专家评价打分结果均进行综合计算评分，降低单次评价对结果的影响程度；对机组或单因素执行维修策略后，将修正风险的结果输出；维修资源的投入可动态参考各类故障原因占比进行合理分配。最终实现动态评价、科学决策。

4 结束语

通过以机组失效为顶事件的故障树分析，辨识出67项电驱离心式压缩机组风险因素，结合结构重要度分析确定51项因素为机组风险评价重要因素，对机组失效数据故障库、故障原因进行分析，利用专家打分的方式确定各风险因素失效的后果，采用风险矩阵对风险评价结果进行判别，从而采取与之相对应的维修策略。本研究工作可为类似项目提供借鉴。