乙醇流量計機械故障解決方法

摘要：分析乙醇流量計產(chǎn)生機械慢表的原因，依據(jù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳回的停機延時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(shù)據(jù)進(jìn)行分析，當(dāng)流量計停機延時流量評估得分小于等于20分時，通過貝葉斯定理判斷，依據(jù)評估得分發(fā)現(xiàn)該流量計為機械慢表的準(zhǔn)確率的大于等于90%的可信度為94．94%。如果客戶用氣設(shè)備每天至少停機1次，則評估周期*多需要30d，該評估方法可將故障發(fā)現(xiàn)周期從2a縮短到30d，*大程度降低燃?xì)夤镜臋C械慢表損失。
1概述
在日常工作中，乙醇流量計因軸承卡死等機械故障而造成的流量計不計量現(xiàn)象(俗稱機械死表)，通常都能被燃?xì)夤竟ぷ魅藛T及時發(fā)現(xiàn)，追繳氣量也較容易。而因軸承磨損導(dǎo)致的計量誤差偏大的現(xiàn)象(俗稱機械慢表)，由于現(xiàn)場缺乏有效的技術(shù)手段，較難及時發(fā)現(xiàn)，目前診斷機械慢表只有定期將流量計通過檢測臺，用音速噴嘴等標(biāo)準(zhǔn)計量裝置檢定，即流量計周檢。根據(jù)JJG1037—2008《乙醇流量計檢定規(guī)程》(以下簡稱JJG1037—2008)要求，乙醇流量計檢定周期為2a，即出現(xiàn)機械慢表時，在及時進(jìn)行流量計周檢的情況下，該故障*長可能存在2a。
2形成機械慢表的原因分析
乙醇流量計的主要計量部件為機芯，乙醇流量計的結(jié)構(gòu)見圖1。
乙醇流量計機芯由軸、軸承、葉輪組成，機芯的葉輪兩端由軸承支撐，當(dāng)流體通過時，沖擊葉輪，對葉輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩Mτ，使葉輪克服機械摩擦力矩Mτm、流體阻力矩Mτf以及磁電轉(zhuǎn)換器對葉輪產(chǎn)生的電磁反作用力矩Mτe而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。由此可以建立葉輪的運動微分方程:

式中
J———葉輪的轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2
ω———葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s
t———時間，s
Mτ———氣體流動對葉輪所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩，N·m

Mτm———葉輪旋轉(zhuǎn)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(rèn)為管道內(nèi)流量不**間變化，即葉輪以穩(wěn)定的角速度旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)就必然導(dǎo)致軸與軸承之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生磨損，工作時間越長，工況環(huán)境越差，潤滑越不利，磨損也就越嚴(yán)重，從而機械摩擦力矩Mτm越來越大。使用初期，葉輪以應(yīng)有角速度旋轉(zhuǎn)，如果機械摩擦力矩越來越大，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度會小于應(yīng)有角速度，雖然隨著角速度的降低，流體阻力矩變小，但是由于機械摩擦力矩增大，仍達(dá)到了穩(wěn)定工況。這種葉輪旋轉(zhuǎn)角速度變小的現(xiàn)象，叫流量計計量偏慢現(xiàn)象(即機械慢表)。因此認(rèn)為:機械摩擦力矩Mτm增大是造成乙醇流量計機械慢表的主要原因。
3流量計工況數(shù)據(jù)分析
隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，燃?xì)膺h(yuǎn)傳數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已逐步被燃?xì)夤静捎茫撓到y(tǒng)現(xiàn)場通過有線通信采集各項數(shù)據(jù)，再通過無線GPRS每2min一次上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，可**了解燃?xì)鉁囟?、燃?xì)鈮毫?、瞬時流量、累積流量等實時信息，主要應(yīng)用于計量管理、抄收、預(yù)付費管理等方面。
①乙醇流量計葉輪慣性旋轉(zhuǎn)時間
當(dāng)用氣設(shè)備停止用氣時，管道內(nèi)氣體停止流動，葉輪由于慣性還在旋轉(zhuǎn)，此時流量計仍有逐漸下降的瞬時流量顯示。根據(jù)GB/T21391—2008《用氣體乙醇流量計測量天然氣流量》附錄C的相關(guān)解釋，在用氣設(shè)備停機后，流量計葉輪旋轉(zhuǎn)時間是評估該儀表運行工況的重要參數(shù)。
測量我公司常用的3種型號新流量計在用氣設(shè)備停機后葉輪的慣性旋轉(zhuǎn)時間，為了確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，設(shè)備停機時的流量負(fù)荷選定在流量計量程的10%～90%，流量計葉輪慣性旋轉(zhuǎn)時間實驗結(jié)果見表1。
表1流量計葉輪慣性旋轉(zhuǎn)時間實驗結(jié)果
由表1可以看出，當(dāng)停止用氣后，流量計葉輪平均慣性旋轉(zhuǎn)時間均大于140s，而根據(jù)前文分析可知，當(dāng)流量計為機械慢表時，機械摩擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度ω急速下降，用氣設(shè)備停機后葉輪慣性旋轉(zhuǎn)時間縮短。因此，停機后慣性旋轉(zhuǎn)時間是研究的關(guān)鍵切入點。
②停機延時流量
由于計量精準(zhǔn)的乙醇流量計葉輪在用氣設(shè)備停機后葉輪平均慣性旋轉(zhuǎn)時間均大于140s，我們對所監(jiān)控的流量計停機時連續(xù)運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出計量精準(zhǔn)的流量計在用氣設(shè)備停機后仍會有小流量數(shù)據(jù)傳輸，將該流量定義為停機延時流量。某加氣站計量精準(zhǔn)的流量計用氣設(shè)備停用時連續(xù)數(shù)據(jù)記錄見表2。瞬時工況流量為1．90m3/h的流量為停機延時流量。
表2某加氣站計量精準(zhǔn)的流量計用氣設(shè)備停機前后連續(xù)數(shù)據(jù)記錄
由表2可以看出，流量計瞬時工況流量從用氣設(shè)備運行時的263．19m3/h依次變?yōu)檫\行設(shè)備停機后的60．20m3/h、1．90m3/h的小流量(停機延時流量)數(shù)據(jù)傳回，由于監(jiān)控系統(tǒng)每2min傳回一條數(shù)據(jù)，因此，當(dāng)系統(tǒng)傳回至少一條停機延時流量時，可認(rèn)為此流量計慣性旋轉(zhuǎn)時間大于120s，經(jīng)多次比對我們判定其運行工況良好，而后經(jīng)現(xiàn)場拆表檢查，該流量計機芯內(nèi)部干凈無異物，后送至檢測中心檢定，其低區(qū)誤差在誤差允許范圍內(nèi)。
機械摩擦力矩大的流量計在用氣設(shè)備停機后往往沒有小流量運行數(shù)據(jù)傳輸。某加氣站機械摩擦力矩大的流量計在用氣設(shè)備停用時連續(xù)數(shù)據(jù)記錄見表3。
由表3可以看出，當(dāng)用氣設(shè)備停用后，沒有小流量(停機延時流量)數(shù)據(jù)傳回，而是直接從運行流量438．95m3/h變?yōu)?，而后經(jīng)現(xiàn)場拆表檢查，該流量計機芯的軸與軸承磨損嚴(yán)重，后送至檢測中心檢定，其低區(qū)誤差不合格。因此判定其機械摩擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉(zhuǎn)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(shè)備停用時連續(xù)數(shù)據(jù)記錄
4基于停機延時流量的評估方法
4．1乙醇流量計停機延時流量評估模型
根據(jù)不同用戶用氣規(guī)律的差異性，每個用戶用氣設(shè)備每天的停機次數(shù)各不相同，要反映流量計實時運行工況，不能只根據(jù)一條停機后的數(shù)據(jù)判斷流量計的準(zhǔn)確度，而是需要選取近期的多次停機數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。
為了確保所統(tǒng)計的停機數(shù)據(jù)能更加充分、準(zhǔn)確地反映流量計實時運行工況，建立流量計停機延時流量評估得分計算式:

式中
S———滿分為100分的情況下，評估周期內(nèi)流量計停機延時流量評估得分，分
n———評估周期內(nèi)有停機延時流量傳回的停機次數(shù)，次
N———評估周期內(nèi)該流量計的用氣設(shè)備總停機次數(shù)，次
式(5)針對某一臺流量計N次停機后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，其中n次有停機延時流量，(N－n)次無停機延時流量。根據(jù)以往經(jīng)驗，當(dāng)N越大，即計算的總停機次數(shù)越多時，評估準(zhǔn)確度越高。但是N越大意味著評估周期越長，流量計運行實時工況評估時效性降低，且工作量增大。因此N的取值需要進(jìn)一步討論。
4．2停機延時流量評估模型的貝葉斯定理實證
①實驗流程
有別于經(jīng)典統(tǒng)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，甚至包含著其主觀判斷。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)一步隨著新的實驗信息的增加不斷地進(jìn)行越來越符合實際的調(diào)整與修正。先驗概率是實驗前根據(jù)以往積累的資料和經(jīng)驗，對事件發(fā)生可能性的一個預(yù)設(shè);后驗概率是在實驗后，根據(jù)實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(zhǔn)確的判斷，但需要設(shè)計隨機實驗來實現(xiàn)。
貝葉斯定理驗證評估模型的實驗流程見圖2。貝葉斯定理驗證評估模型的實驗流程具體說明如下。

a．對于擬定的參數(shù)N，根據(jù)以往實踐經(jīng)驗預(yù)設(shè)一個先驗概率;
b．做實驗，根據(jù)實驗結(jié)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(dá)到預(yù)定要求，根據(jù)結(jié)果*終確定參數(shù)N。
②N設(shè)為20次時的實驗過程
現(xiàn)以LWQZ－100B流量計為例，根據(jù)式(5)，當(dāng)某臺LWQZ－100B流量計停機延時流量評估得分S≤20分時，可以判定為機械慢表。此判斷產(chǎn)生2種意見，意見1:此評分發(fā)現(xiàn)該型號機械慢表的準(zhǔn)確率≥a1，a1為此評分發(fā)現(xiàn)該型號機械慢表的準(zhǔn)確率的下限值，取90%;意見2:此評分發(fā)現(xiàn)該型號機械慢表的準(zhǔn)確率≤a2，a2為此評分發(fā)現(xiàn)該型號機械慢表的準(zhǔn)確率的上限值，70%。將意見1記為A1，意見2記為A2。對于這兩種意見工作人員決定用做實驗的方法確定其可信度。實驗方法是根據(jù)式(5)計算并統(tǒng)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。
*先將N設(shè)定為20次，即針對某一臺LWQZ－100B流量計統(tǒng)計計算其評估周期內(nèi)*近的20次的停機數(shù)據(jù)。根據(jù)以往經(jīng)驗，工作人員認(rèn)為意見1的可信度為60%，意見2的可信度為40%。記為P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率為先驗概率。
a．*1次實驗。用式(5)針對所監(jiān)控的逾1000塊規(guī)格為LWQZ－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(xiàn)，該5塊流量計中有3塊確實為機械慢表，2塊不是機械慢表。設(shè)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)———*1種意見的可信度，其中A1為*1種意見
P(B|A2)———A2發(fā)生的情況下B的可信度
P(A2)———*2種意見的可信度，其中A2為*2種意見
x———實驗中，取出的S≤20分的流量計數(shù)量，塊
y———實驗中，x塊流量計中確實為機械慢表的流量計數(shù)量，塊
a1———意見1中準(zhǔn)確率的下限值，取90%
a2———準(zhǔn)確率的上限值，取70%
根據(jù)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%。該實驗證明A1和A2的先驗概率有問題，需要再做*2次實驗。
b．*2次實驗。用式(5)針對所監(jiān)控的逾1000塊規(guī)格為LWQZ－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(xiàn)，該10塊流量計中有7塊確實為機械慢表，3塊不是機械慢表。設(shè)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%。
實驗1、2說明，當(dāng)N設(shè)定為20次時，發(fā)現(xiàn)機械慢表的準(zhǔn)確率不高于70%的可信度已達(dá)92．92%，發(fā)現(xiàn)機械慢表的準(zhǔn)確率較低。
③N設(shè)為30次時的實驗過程
現(xiàn)將N調(diào)整為30次，即針對某一臺LWQZ－100B流量計統(tǒng)計計算其評估周期內(nèi)*近的30次的停機數(shù)據(jù)。根據(jù)以往經(jīng)驗，工作人員認(rèn)為意見1的可信度為60%，意見2的可信度為40%。即P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率為先驗概率。
a．*1次實驗。用式(5)針對所監(jiān)控的逾1000塊規(guī)格為LWQZ－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(xiàn)，該5塊流量計中有5塊確實為機械慢表。設(shè)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*2次實驗。
b．*2次實驗。用式(5)針對所監(jiān)控的逾1000塊規(guī)格為LWQZ－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(xiàn)，該10塊流量計中有9塊確實為機械慢表。設(shè)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%。此實驗說明，當(dāng)N設(shè)定為30次，通過式(5)計算型號為LWQZ－100B的流量計*近的30條停機數(shù)據(jù)，當(dāng)該流量計停機延時流量評分S≤20分時，此評分發(fā)現(xiàn)機械慢表的準(zhǔn)確率≥90%的可信度已達(dá)到94．94%。
針對以上所做的4次實驗可得出，當(dāng)N設(shè)定為30次時，此評分模型發(fā)現(xiàn)型號為LWQZ－100B的流量計為機械慢表的準(zhǔn)確率較高。現(xiàn)假設(shè)客戶用氣設(shè)備每天至少停機1次，則評估周期*多需要30d。
以上為型號為LWQZ－100B流量計的停機延時評分機制，其他型號流量計也可通過此流程建立類似的停機延時評分機制。對先驗概率與后驗概率的比較可以看出，應(yīng)用貝葉斯定理有利于使工程師的經(jīng)驗、現(xiàn)場實驗成果以及歷史實驗資料都充分發(fā)揮作用，有利于積累資料的同時豐富經(jīng)驗，是少投入多產(chǎn)出的好方法。
5結(jié)論
①將乙醇流量計機械慢表的故障程度**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(xiàn)周期，將故障發(fā)現(xiàn)周期從2a縮短到30d，*大程度上降低燃?xì)夤镜慕?jīng)濟損失，從而為企業(yè)營收做貢獻(xiàn)。
②本文也是對燃?xì)庑袠I(yè)工商大表傳統(tǒng)管理模式進(jìn)行創(chuàng)新。通過應(yīng)用該技術(shù)，可以將“*檢合格、定期周檢、到期報廢”的傳統(tǒng)管理模式演變?yōu)?ldquo;*檢合格、**評估、永遠(yuǎn)如新”的嶄新管理模式。

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