智能柴油流量計機械故障解決方法

摘要：分析智能柴油流量計產生（shēng）機械慢表的原因，依據數據傳輸係統傳回的停機延時流量製訂機械慢表的評估（gū）方法，對某LWQZ－100B的流量計的30次停機（jī）數據進行（háng）分析，當流量計停機延時流量評（píng）估得分小於等於20分時，通過貝葉（yè）斯定理判斷，依據評估得（dé）分發現該流量計為機械慢表的準確率（lǜ）的大於等於90%的可信度為94．94%。如果客戶用氣設備（bèi）每天至少停機1次，則評估周（zhōu）期*多需要30d，該評估方法可將故障發現周期從2a縮短到30d，*大程度降低燃氣公司的機械慢表損失。
1概述
在日常工作中，智（zhì）能柴油流量計因軸（zhóu）承卡死等機械故（gù）障而（ér）造成的流量計不計（jì）量現象(俗稱機械死表)，通常（cháng）都能被燃氣公司工作人員及（jí）時發現，追繳（jiǎo）氣量也較容易。而因軸承磨（mó）損導致的計量誤差偏大（dà）的現象(俗稱機械慢表)，由於現場缺（quē）乏（fá）有效的技（jì）術手段，較難及時發現，目前診斷機械慢表隻有定期將（jiāng）流量計通過檢測台（tái），用音速噴嘴等標準計量裝置檢定，即流量計周檢。根據（jù）JJG1037—2008《智能柴油流量計檢定規程》(以下簡稱JJG1037—2008)要求，智能柴油流量計檢定周（zhōu）期為2a，即出現機械慢（màn）表時，在及時進行流量計周檢的情況下（xià），該（gāi）故障*長可能存在2a。
2形（xíng）成機械慢表的原因分析
智能柴油流量計的主要計量部件（jiàn）為機芯，智能柴油流量（liàng）計的結（jié）構見圖（tú）1。
智能柴油流（liú）量計機芯由軸、軸承、葉輪組成，機芯的葉輪兩端由軸承支撐，當流體通過時，衝擊（jī）葉輪（lún），對葉輪產生驅動力矩Mτ，使葉輪（lún）克服機械摩擦（cā）力矩Mτm、流體阻力矩Mτf以及磁電轉換器對葉輪產生的電磁反作用力（lì）矩Mτe而產生旋轉。由（yóu）此可以建立葉輪的運動微分方程（chéng）:

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

Mτm———葉輪旋（xuán）轉所產生的機械摩擦力矩，N·m
Mτf———流體阻力（lì）矩，N·m
Mτe———電磁反作用力矩，N·m
式(1)中通常電磁反作用（yòng）力矩Mτe比較（jiào）小，可（kě）以忽略。正常工作條（tiáo）件下，可認為管道內流量不（bú）**間變（biàn）化，即葉輪（lún）以穩（wěn）定（dìng）的角速度旋轉。即（jí）存在

由於機芯的軸與軸承直（zhí）接接觸（chù），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生摩擦，進而產生磨損，工作時間越長，工況環境越差，潤滑越不利，磨損也就越嚴重，從而機械摩擦力矩Mτm越來越大。使用初期，葉輪以應有角速度旋轉，如果機械摩（mó）擦力矩越來越大，葉輪（lún）的旋（xuán）轉角速度會（huì）小於應有角（jiǎo）速度，雖然隨著角速度的降（jiàng）低（dī），流（liú）體阻力矩變小，但（dàn）是由於機（jī）械摩擦力矩增大（dà），仍達（dá）到了穩定工況。這種（zhǒng）葉輪旋轉角（jiǎo）速度變（biàn）小的現象，叫流量計計量偏慢現象(即機（jī）械慢表)。因此認為:機械摩擦力矩Mτm增大是造成智能柴油流（liú）量計（jì）機械慢表的主要原（yuán）因。
3流量計工況數據分析
隨著通信技術不斷發展，燃氣（qì）遠傳數據傳輸係統已逐步被燃（rán）氣公司（sī）采用，該係統現場（chǎng）通過有線通信采集各項數據，再（zài）通（tōng）過無線GPRS每2min一次上傳（chuán）數據至服務器，可**了解燃氣溫度、燃（rán）氣壓力、瞬（shùn）時流量、累積流量（liàng）等實時信息，主要應用於計量管理、抄收、預付費管理等（děng）方麵。
①智能柴油流量計葉輪慣性旋轉（zhuǎn）時間
當用（yòng）氣設備停止用氣時，管道內氣體停（tíng）止流動，葉輪由於慣性還在旋轉，此時流量（liàng）計仍有逐漸下降的瞬（shùn）時流量顯示。根據GB/T21391—2008《用氣體智（zhì）能柴（chái）油流量計（jì）測量天然氣流量》附錄C的相關解釋，在用氣設備停機後，流量計葉輪旋轉時（shí）間是評（píng）估該儀表運行工況的（de）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後葉輪的慣性旋（xuán）轉時（shí）間，為了確保數據準（zhǔn）確性，設備停機時的流量（liàng）負荷選定在流量計量程的10%～90%，流量計葉輪慣性旋轉時間實驗結果見表1。
表1流量計葉（yè）輪慣性旋轉時間實驗結（jié）果

流量計型號	用氣設備停機時瞬時流量占流量計*大量程的占比/%	測量次數（shù）/次	用氣設備停機後葉輪平均（jun1）慣性旋（xuán）轉時間（jiān）/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，當停止用氣後，流量（liàng）計葉輪平均慣性旋（xuán）轉時間均（jun1）大於140s，而根據前文分析可知，當流（liú）量計為機械慢表（biǎo）時，機械摩（mó）擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉角速度ω急速下降，用氣設備停機後葉輪（lún）慣（guàn）性（xìng）旋轉時間縮短。因此，停（tíng）機後慣性旋轉（zhuǎn）時間是研究的關鍵切入點（diǎn）。
②停機（jī）延時（shí）流量
由於計量精準的智能柴油流量計葉輪在用氣設備停機後葉輪平均慣性旋（xuán）轉時間均大於140s，我們對所監控的流量計停機時連（lián）續運行數據進行分析，得出計量精準的流量計在用氣設備停機後仍會有（yǒu）小流量數據傳輸，將該流量定義（yì）為停機延時（shí）流量。某加氣站（zhàn）計量精準的流量計用（yòng）氣設（shè）備停（tíng）用時連續數據記錄見表2。瞬時工況流量為（wéi）1．90m3/h的流（liú）量為停機延時流量（liàng）。
表2某加氣站計量精（jīng）準的流量（liàng）計用氣（qì）設備（bèi）停機前後連續數據記錄

溫度/℃	壓力/kPa	瞬時工況流量/(m3·h－1)	采（cǎi）集時間
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（yóu）表2可以看出，流量計瞬（shùn）時工況流（liú）量從用氣設備運行時的263．19m3/h依次變（biàn）為運（yùn）行設備停（tíng）機後的60．20m3/h、1．90m3/h的小流量(停機延時流量)數據傳回，由於監控係統每（měi）2min傳回一條數據，因此，當係統傳回（huí）至少一條停機延時流量時，可認為此流量（liàng）計慣性旋轉時間大（dà）於（yú）120s，經多次比對我們（men）判定其運行工況良好，而後經現場拆表檢查，該流量計機芯內部幹淨無異物，後送至（zhì）檢測中（zhōng）心檢定，其低區誤差在誤差允許範圍內。
機械摩擦力矩大的流量計在用氣設備停機後往往沒有小流量運行數據傳輸。某加氣站（zhàn）機械摩擦力矩大的流量計（jì）在用氣設（shè）備停（tíng）用時連續數據記錄見表3。
由表3可以看出，當用氣設備停用後，沒有小流量(停機（jī）延時流量)數據傳回，而（ér）是直接從運行流量438．95m3/h變為0，而後經現場拆表檢查，該流量計機芯（xīn）的軸與（yǔ）軸承磨損嚴重，後（hòu）送至檢測中心檢定，其（qí）低區誤差（chà）不合格。因此判定其機（jī）械摩擦力矩Mτm增大，葉輪（lún）的旋轉角速度降低，運行工況較差（chà），發生機械慢表的可能性高。
表3某（mǒu）加氣站機械摩擦力矩大的流量計用氣設備停用（yòng）時連續數據記錄

溫度/℃	壓力/kPa	瞬時工況流（liú）量（liàng）/(m3·h－1)	采集時間
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基於停機（jī）延時（shí）流量的評估方法
4．1智能柴油流量計停機延時流（liú）量評估模型
根據不同用戶用氣規律的差異性，每個用戶用氣設備每天的停機次數各不相同，要反映流量計實時運（yùn）行工況，不能隻根據一條停機後的數據判（pàn）斷（duàn）流量計（jì）的準確度，而是需要選取（qǔ）近期的多次停機數據進行評估。
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時運行工況，建立（lì）流量計（jì）停機延時流量（liàng）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（jī）延時流量評估（gū）得（dé）分，分
n———評估周期內有停（tíng）機延時流量傳回的停機次數，次（cì）
N———評估周期內該流（liú）量計的用（yòng）氣設備（bèi）總停機次數，次
式(5)針對某一台流（liú）量計N次停機後的數據進行（háng）統計，其中n次（cì）有停機（jī）延時流量，(N－n)次無停機延時流量。根據以往經驗，當N越大，即計算的總停機次數越（yuè）多時，評估（gū）準確度越高。但是（shì）N越大意味著評估周期越長，流量計運行實時工況評（píng）估時效性降低（dī），且工作量增大。因此N的取值需要進一步討論。
4．2停機延時流量評估模（mó）型的貝葉斯定理實證
①實驗流程
有別於經典統計學（xué）派，貝葉斯定（dìng）理不僅考慮了（le）樣本信息，而且考慮（lǜ）了決策人員所擁有的知識、經驗等私人信息，甚至（zhì）包含著其主觀判斷。貝葉（yè）斯定理綜合樣本（běn）信息與先驗信息後進行計算，可能更科學合理，而且可（kě）進一步隨（suí）著新的實驗信息（xī）的增加不斷地進行越來越符合實際的調整與修正。先驗（yàn）概率是實驗前根據以往積累的資料（liào）和經驗，對事件發生可能性的一個預設;後驗概率是在實驗後，根據實驗獲（huò）得的（de）信息對（duì）事件發生的可能性作重新審視和修正的概率。後驗概率往往對事件發生與否（fǒu）有更為準確的判斷，但需要設計隨機實（shí）驗來實現。
貝葉（yè）斯定理驗證評估模型（xíng）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（míng）如下。

a．對於擬定的參數N，根據以往實踐經驗預設一個先驗概率;
b．做實驗，根據（jù）實驗（yàn）結果用貝葉斯公式計算後驗概率;
c．驗（yàn）證得出的後驗（yàn）概率是否達到預定要求，根據結果*終確（què）定參數N。
②N設為20次時的實驗過程
現以LWQZ－100B流量（liàng）計為例，根據式(5)，當某台LWQZ－100B流量計停機延時流（liú）量評估得分S≤20分時，可以判定為機械慢表。此判斷產生2種意見，意見（jiàn）1:此（cǐ）評分發現該型號機械慢（màn）表的準確率≥a1，a1為此（cǐ）評分發現（xiàn）該型號機械慢表的準（zhǔn）確（què）率的下限值，取90%;意見2:此（cǐ）評分發現該型號機械慢表（biǎo）的準確率≤a2，a2為此評分發現該型號機械慢表的準確率（lǜ）的上限值，70%。將意見1記為A1，意見2記為A2。對於這兩種意見工作人員決定用做（zuò）實驗的方法確定其可信度（dù）。實驗（yàn）方法是根據式(5)計算並統計出x台機械慢表，然後把這x台流量計上（shàng）檢測台檢測驗證，然後計算可信度。
*先將N設定為20次，即針對某一台LWQZ－100B流（liú）量計統計計算其評估周期（qī）內*近的20次的停機數據。根據以往（wǎng）經驗，工作人員認為意見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（gài）率為先驗概率。
a．*1次（cì）實驗。用式(5)針對所監控的（de）逾1000塊規格（gé）為LWQZ－100B流量計隨機計算，並選取（qǔ）其中5塊S≤20分的流（liú）量計。經檢測台檢測後發現，該5塊流量計中有3塊確實（shí）為機械慢表，2塊不是機械（xiè）慢（màn）表。設B表示事件:x塊流量計中有y塊為機械慢表（biǎo）。在本事件中，x為5，y為3。
本論文（wén）所用到的貝（bèi）葉斯公式如下:

式中
P(A1|B)———B發生的（de）情況下A1的可信度
B———事（shì）件:經檢測台檢測，x塊流量計中有y塊機（jī）械（xiè）慢表
P(B|A1)———A1發生的情（qíng）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發生的情況下B的可（kě）信度
P(A2)———*2種意見（jiàn）的可信度，其（qí）中A2為*2種意見
x———實驗中，取（qǔ）出的S≤20分的流量（liàng）計數量，塊
y———實驗中，x塊（kuài）流量計中確實（shí）為機械慢表（biǎo）的流量計數量，塊
a1———意見1中準確率的下限值，取90%
a2———準確率的上（shàng）限值，取（qǔ）70%
根據式（shì）(6)～(8)可得，B發生的情況下A1的可信度為26．16%，即（jí）後驗概率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（yòng）式(5)針對所監（jiān）控的逾（yú）1000塊規格為LWQZ－100B流量計重新隨機計算，並取其中10塊S≤20分的流量計。經檢測台檢測後發現，該10塊流量計中有7塊確實為機械慢（màn）表，3塊不（bú）是機械慢表。設C表（biǎo）示事件（jiàn）:10塊流量計中有7塊為機械慢表。
用（yòng）C事件代（dài）替式(6)～(8)中的B事件，計算可得C發生的情況下A1的可（kě）信度為7．08%，即後驗（yàn）概率為P(A1|C)=7．08%，P(A2|C)=92．92%。
實驗1、2說明，當N設定為20次時，發現機械慢表的準確率不高於70%的可信度已達92．92%，發現機械慢表的準確率較低。
③N設為30次時的實驗過程
現將N調整（zhěng）為30次（cì），即（jí）針對某一台LWQZ－100B流量計統計計算其評估周期內*近（jìn）的30次的停（tíng）機數據。根據以往經驗，工作人員認為意見1的可信度為60%，意見2的（de）可信度為40%。即P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概率為（wéi）先驗概率。
a．*1次實驗。用式(5)針對（duì）所監控的逾1000塊規格為LWQZ－100B流量計重新隨機計算，並取其（qí）中5塊S≤20分的流量計，經檢測台檢測後發現，該5塊流量計中有5塊確實為機械（xiè）慢表。設D表示事件:5塊流（liú）量計中有5塊為機械慢表。
用D事件（jiàn）代替式(6)～(8)中的B事件，計算可得D發生的情況下A1的可信度為84．06%，即後驗概率為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（de）逾1000塊規格為LWQZ－100B流量計重新隨機計（jì）算（suàn），並（bìng）取其中10塊（kuài）S≤20分的流量（liàng）計，經檢測台檢測後發現，該10塊流量計中有9塊確實為機械慢表。設E表（biǎo）示事件（jiàn）:10塊流量計中（zhōng）有9塊為機械慢表。
用E事件代替式（shì）(6)～(8)中的B事件，計算可得E發生的（de）情況下A1的（de）可信度為94．94%，即後驗概率為（wéi）P(A1|E)=94．94%，P(A2|E)=5．06%。此實驗說明，當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條停機數據，當該流量計停機延時流量評分S≤20分時，此評分發（fā）現（xiàn）機械慢表的準確率≥90%的可信度已達到94．94%。
針對以上所做的4次實驗可得出，當（dāng）N設定為30次時，此評分模型發現型號為（wéi）LWQZ－100B的流量計為機械慢表的準確（què）率較高。現假設客戶用氣設備每天至少停（tíng）機1次，則評估周期*多需要30d。
以上為型（xíng）號為LWQZ－100B流量計的停（tíng）機延時（shí）評分機製，其他型號流量計也可通過此流程建立類似的停機延（yán）時評分機（jī）製。對先驗概率與後（hòu）驗概率的比較可以看出，應用貝葉斯定理有利於使工程師的經驗（yàn）、現（xiàn）場實驗成果以及曆史實驗資料都（dōu）充分發揮作用，有利於積（jī）累資料的同時豐富經驗，是少投入多產出的好方法（fǎ）。
5結論
①將智能柴油流量計（jì）機械慢表的故障程度**量化，大幅度（dù）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現周期，將故障發現周期從2a縮短到（dào）30d，*大程度上降低燃氣公司的經濟損失，從而為企業營收做貢獻。
②本文也是對燃氣行業工商大表傳統管（guǎn）理（lǐ）模（mó）式進行創新。通過應用該技術（shù），可以將“*檢合格、定期（qī）周檢、到期（qī）報（bào）廢”的傳統管理模式演變為“*檢合格、**評估、永遠如新”的嶄新管理模式。

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