煤（méi）焦油流量計機械故障的原（yuán）因分析及解決方法

摘（zhāi）要：分析煤焦油流量計產生機械（xiè）慢表的原因，依據數據傳輸係統傳回的（de）停機延時流（liú）量製（zhì）訂機械（xiè）慢表的（de）評估方法，對某LWQZ－100B的（de）流量計的30次停機數據進行分（fèn）析（xī），當（dāng）流（liú）量計停機延時流量評估得分小於等於20分時（shí），通過貝葉斯定理判斷，依據評（píng）估得（dé）分發現該（gāi）流量計為機械慢表的準確（què）率的大（dà）於（yú）等於90%的可（kě）信（xìn）度為94．94%。如果客戶用氣設備每（měi）天（tiān）至少停機1次，則評估周期*多需要（yào）30d，該評估方法可（kě）將故障發現周期從2a縮短到30d，*大程（chéng）度（dù）降低燃氣公司的機械（xiè）慢表損失。
1概述（shù）
在日常工作中，煤焦油流（liú）量計因軸承卡死等機（jī）械（xiè）故障而造（zào）成的流量計不計量現象(俗稱（chēng）機（jī）械死表)，通常都能被燃氣公司工作人員及時發（fā）現（xiàn），追（zhuī）繳氣量也較容易。而因軸承磨損導致的計（jì）量（liàng）誤差偏大的現（xiàn）象(俗稱機械（xiè）慢（màn）表)，由於現場缺乏有（yǒu）效的技術手段，較難及時發現，目前診斷機械慢（màn）表隻有定期將（jiāng）流（liú）量計通過檢測台，用音（yīn）速噴嘴等標準計量裝置檢定，即流量（liàng）計周檢。根據JJG1037—2008《煤焦油流量計檢定規程》(以下簡稱JJG1037—2008)要求，煤焦油（yóu）流量計檢定周期為2a，即出現機械慢表時，在及時進行流量計周檢的情況下，該故（gù）障*長（zhǎng）可能存在2a。
2形成機械慢表的原因分析
煤焦油流量計的主要計（jì）量部件為機芯，煤焦油流量計的結構見（jiàn）圖1。
煤焦油流量計機芯由軸、軸承、葉輪組成，機芯的葉輪兩端由軸（zhóu）承支撐，當流體通過時，衝擊葉輪，對葉輪（lún）產生驅動力矩Mτ，使葉輪克服機械摩擦力矩Mτm、流體阻力矩Mτf以及磁電轉換器對葉（yè）輪產生的電磁反作（zuò）用力矩Mτe而產生（shēng）旋轉。由此可以建立葉輪的運動微分方程（chéng）:

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

Mτm———葉輪旋轉所產生的機械摩擦力矩，N·m
Mτf———流體阻力矩，N·m
Mτe———電磁（cí）反作用（yòng）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，可認為管道內流量不**間（jiān）變化，即葉輪以穩（wěn）定的角速度旋轉。即存在

由於機芯的軸與軸承直接（jiē）接觸，在（zài）氣體中的（de）粉塵、雜質等作用下，葉輪旋轉就必然導致軸與軸承之間產生摩擦，進而產（chǎn）生磨損，工作時間越長，工況環（huán）境越差，潤（rùn）滑越不利，磨損也就（jiù）越嚴重，從而機械摩擦力矩Mτm越來越大。使用（yòng）初期，葉輪以應有角速度旋轉，如（rú）果機械（xiè）摩擦力矩越來越大，葉輪的旋轉角速度會小（xiǎo）於應（yīng）有角速度，雖然隨（suí）著角速度的降低（dī），流（liú）體阻力矩變小，但是由於機械摩擦力矩（jǔ）增大，仍達到了（le）穩定工況。這種葉輪旋（xuán）轉（zhuǎn）角速度變小的現象，叫流量計計量偏慢現（xiàn）象(即機械慢表)。因此（cǐ）認為:機械（xiè）摩擦力（lì）矩Mτm增大是造成煤焦油流量計機械慢表的主要原因。
3流量計工況數據分析
隨著通信技術不斷發展，燃氣遠傳數據傳輸係統已逐步被燃氣公司采（cǎi）用，該係統現場通過有（yǒu）線通信采集各（gè）項數據，再通過無線GPRS每2min一次上（shàng）傳數據至服務器，可（kě）**了解燃氣溫度、燃氣壓力、瞬時流量、累積流量等實時信息（xī），主要應用（yòng）於計量管理、抄收、預（yù）付費管理等方麵。
①煤焦油流量計葉輪（lún）慣性旋（xuán）轉時間
當用氣設（shè）備停止（zhǐ）用氣時，管道內氣體停止流動，葉輪由於（yú）慣性還在旋轉，此時流量計仍有逐漸下降的瞬時流量顯示。根據GB/T21391—2008《用氣體（tǐ）煤焦油流量計（jì）測量天然（rán）氣流量》附錄C的相（xiàng）關解釋，在用氣設（shè）備停（tíng）機後，流量計葉輪旋轉時間是（shì）評估該儀表運行工況的重要參數。
測量我（wǒ）公司常用的3種（zhǒng）型號新流量計在用氣設備停機後（hòu）葉輪的慣性旋（xuán）轉時間，為了確保數據準確性，設備停機時的流量負荷選定在流量計量程的10%～90%，流量計葉輪（lún）慣性旋轉時間實驗（yàn）結果見表（biǎo）1。
表1流量計葉輪慣性旋轉時（shí）間實驗結果

流（liú）量計型號	用氣設備停機時瞬時流量占流（liú）量（liàng）計*大量程的占比/%	測量次數/次（cì）	用氣設備停機後葉輪平均慣性（xìng）旋轉時間/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，流量計葉輪平均慣性旋轉時間均（jun1）大於140s，而根據（jù）前文分析可知，當流量計（jì）為機械慢表時，機械摩擦力矩Mτm增大，葉（yè）輪的旋（xuán）轉角速度（dù）ω急速下降，用氣設備停機後葉輪慣性旋轉時間縮短。因此，停機後（hòu）慣性旋（xuán）轉（zhuǎn）時間是研究的關鍵切入點。
②停機延時（shí）流（liú）量
由於計量精準的煤焦油流量計葉輪在用氣設備（bèi）停機後（hòu）葉輪（lún）平均慣性旋轉時（shí）間均大於140s，我們對所監控的流量（liàng）計停機時（shí）連續運行數據進行分析，得出計量精準的流量（liàng）計在用氣設備停機後仍會有小流量數據傳輸，將該流（liú）量（liàng）定義為停（tíng）機延時流（liú）量。某（mǒu）加氣站計量精準的流量計用（yòng）氣設備停用時連續數據（jù）記錄見表2。瞬時工況流（liú）量為1．90m3/h的流量為停機延時流量。
表2某加氣站計量精準的流量計用氣（qì）設備停機前後連續數據記錄（lù）

溫度/℃	壓力（lì）/kPa	瞬（shùn）時工況（kuàng）流量/(m3·h－1)	采集時間
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

由表2可以看出，流量計瞬時工況流量從（cóng）用氣設備運行時的263．19m3/h依次變為運行設備停機後的60．20m3/h、1．90m3/h的小流量(停機延時流量)數據（jù）傳回，由於監控係統每2min傳回一條數據，因此，當係統傳回至少一條停機延時（shí）流（liú）量時，可認為此流量計（jì）慣性（xìng）旋（xuán）轉時（shí）間大於120s，經多（duō）次比對我們判定其運行工況（kuàng）良好，而後經現場拆表檢查（chá），該流量計機芯內部幹淨無異物，後送至檢測中心檢定，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。某加氣站機械摩擦力矩大的流量計在用氣設（shè）備停用（yòng）時連續數據記錄見表3。
由表3可以看出，當（dāng）用（yòng）氣（qì）設備（bèi）停用後，沒有小流量(停機延時流量（liàng）)數據傳回，而是直接從運行流量438．95m3/h變為0，而後（hòu）經現場拆表檢（jiǎn）查，該流量計機芯的軸與軸承磨損嚴重，後送至檢測中心檢定，其低（dī）區誤（wù）差不（bú）合格。因此判定其機械摩擦力矩Mτm增大，葉輪的旋轉角（jiǎo）速度降低，運行工況（kuàng）較差，發生機械慢表的可能性高。
表（biǎo）3某加氣站機械摩擦力（lì）矩大的流量計用氣設備停用時連續數（shù）據記錄

溫度/℃	壓力/kPa	瞬時工況流（liú）量/(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基於停機延時流（liú）量的評估方（fāng）法（fǎ）
4．1煤焦油流量計停機延（yán）時流（liú）量評估模型
根（gēn）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（cì）數各不相同，要（yào）反映流量計實時運行工況，不能（néng）隻根據一條（tiáo）停（tíng）機後的數據判斷流量計的準確度，而是需（xū）要選取近期的多次停機數據進行評估。
為了確保所統計的停機（jī）數據能更加充分、準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（kuàng）下，評（píng）估周期內流量計停機延時流量評估（gū）得分（fèn），分
n———評估周期內有停機（jī）延時流（liú）量（liàng）傳（chuán）回（huí）的停機次數，次
N———評估周期內該流量計（jì）的用氣設備總停機次數，次
式(5)針對某一台流量計N次停機後的數據進行統計，其（qí）中n次有（yǒu）停機延時（shí）流量，(N－n)次無（wú）停機延時流量。根據（jù）以往經驗，當（dāng）N越大，即計算的總停機次數越多時，評估準確度越高。但是N越大意味著評（píng）估周（zhōu）期越長，流（liú）量計運行實時工況評估時（shí）效性降低，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型的貝葉斯定理實證
①實驗流（liú）程
有別於經典統計學派（pài），貝葉斯定理不僅考慮了樣本信息（xī），而（ér）且考慮了決策（cè）人（rén）員（yuán）所擁有的知識、經驗等私人信息，甚至包含著其主觀判斷。貝葉斯（sī）定理綜合樣本信息與先驗信息（xī）後進行（háng）計算，可能更科學合理，而且可進一步隨著新的實驗信息的增（zēng）加不斷地進行（háng）越來越符合實（shí）際的調整與修正。先（xiān）驗（yàn）概率（lǜ）是實驗前根據以往積累的資料和（hé）經驗，對事件發生可能性的一個預（yù）設;後驗概率是在實（shí）驗後，根據實驗獲得的信息對事件發生的可能性作重新審視和修正的概率。後驗概率往（wǎng）往對事件發生與否有更為準確的判斷，但需要設計隨機實驗來實現。
貝葉斯定理驗證評估（gū）模型的（de）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（rú）下。

a．對於擬（nǐ）定的參數N，根據以往實踐經（jīng）驗預設一個先驗概率;
b．做（zuò）實驗，根據（jù）實驗（yàn）結果用貝葉（yè）斯公式計算後驗概率;
c．驗（yàn）證得出的後驗概（gài）率是否達到預定要求，根據結果*終確定參數N。
②N設為20次時的實驗過程
現以LWQZ－100B流量計為例，根據式(5)，當某台LWQZ－100B流量（liàng）計停機（jī）延時流量評估得分S≤20分時，可以判定為機械慢表。此判斷產生（shēng）2種意見，意見1:此評（píng）分發現該型號機（jī）械慢（màn）表的準確率≥a1，a1為（wéi）此評分發現該型（xíng）號機械慢表的準（zhǔn）確率的下限值，取90%;意見2:此評分發現該型（xíng）號機械慢表的準確率≤a2，a2為此評分發現該型號機械慢表的準（zhǔn）確率的上限值（zhí），70%。將意（yì）見1記為A1，意見2記為A2。對於這兩種意見（jiàn）工作人員決定用做實驗（yàn）的方法確（què）定其可信度。實驗方法是（shì）根據式(5)計算（suàn）並統計出x台機械慢（màn）表，然後把這x台流量計上檢測台檢測驗證，然後計算可信度。
*先（xiān）將N設定為20次，即針對某一台LWQZ－100B流量（liàng）計（jì）統計計算其評估周期內*近的20次的停機數據。根據以往經驗，工作人員認為意見1的可信度為60%，意見2的可信度為40%。記為P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概（gài）率為先（xiān）驗概率。
a．*1次（cì）實驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格為LWQZ－100B流量計隨機計算，並選取其中5塊（kuài）S≤20分的流量（liàng）計。經檢測台（tái）檢（jiǎn）測後發現，該5塊（kuài）流量計中有3塊確實為機械慢表，2塊（kuài）不是機械慢表（biǎo）。設B表示事件:x塊流（liú）量計中有y塊為機械慢表。在本事件中（zhōng），x為5，y為3。
本論文所用到的貝葉斯公（gōng）式如下:

式中
P(A1|B)———B發生的情況下A1的可（kě）信度
B———事件:經檢測台檢測，x塊流量計中有y塊機械慢表（biǎo）
P(B|A1)———A1發生的情況下（xià）B的（de）可信度（dù）
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（de）可信度
P(A2)———*2種意見（jiàn）的可信度，其中A2為*2種意見（jiàn）
x———實驗中，取出的S≤20分的流量計（jì）數量，塊
y———實驗中，x塊流量計中確實（shí）為機械慢表的流（liú）量計數量，塊
a1———意見1中準確率（lǜ）的下限值，取90%
a2———準確率的上限值，取70%
根據式(6)～(8)可得，B發生的情況下A1的可信度為26．16%，即後驗概率P(A1|B)=26．16%，P(A2|B)=73．84%。該實驗證（zhèng）明A1和A2的先驗概率有問題，需（xū）要再做（zuò）*2次實驗。
b．*2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塊確實為機械慢表，3塊不是機（jī）械慢表（biǎo）。設C表示事件:10塊流量計中（zhōng）有（yǒu）7塊為機械慢表。
用C事件代替式(6)～(8)中的B事件，計算（suàn）可得C發生的情（qíng）況下A1的可信度（dù）為7．08%，即後驗概（gài）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（jī）械慢表（biǎo）的準確率較低。
③N設為30次時的實驗（yàn）過程
現將N調整為30次，即針對某（mǒu）一台LWQZ－100B流量計統（tǒng）計計算（suàn）其評估周（zhōu）期內*近的30次的停機數據。根據以往（wǎng）經驗，工作人員認為（wéi）意見1的可信度為60%，意見2的可信度為（wéi）40%。即P(A1)=60%，P(A2)=40%，此概（gài）率為先驗概（gài）率。
a．*1次實驗。用式（shì）(5)針對所監控的逾1000塊規格為LWQZ－100B流（liú）量計重新隨機計算，並（bìng）取其中5塊S≤20分的流量（liàng）計，經檢測台檢測後發（fā）現，該5塊流量計（jì）中有5塊確實為機械慢表。設D表示事件:5塊流量計中有5塊為機（jī）械慢表。
用D事件代替式(6)～(8)中的B事件，計算可（kě）得（dé）D發生的情況下A1的可信（xìn）度為84．06%，即後驗概率為P(A1|D)=84．06%，P(A2|D)=15．94%，這（zhè）種情形需要再做*2次實驗。
b．*2次實驗。用式(5)針對所監控的逾1000塊規格（gé）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（jīng）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表示事件:10塊流量計中有9塊為機械慢表。
用E事件（jiàn）代替式(6)～(8)中的B事件，計算可得E發生的情況下A1的可信度為（wéi）94．94%，即後驗概率為P(A1|E)=94．94%，P(A2|E)=5．06%。此實驗說明，當N設定為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，此評分發現機械慢表的準（zhǔn）確（què）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N設定為30次（cì）時，此評分模型發現型號為LWQZ－100B的流量計為機械慢表的準確率較高。現假（jiǎ）設客戶用氣設備每天至少停機1次，則評估周期*多需要（yào）30d。
以上為型號為（wéi）LWQZ－100B流量計的停機延時（shí）評分機製，其他型號流（liú）量計也可通過此流程建立類似的停機延時評分（fèn）機製。對先驗概率與後驗概率的比較可以看出，應用貝葉斯定理有利於使工（gōng）程師的經驗、現（xiàn）場實驗成果以及曆史實（shí）驗資料（liào）都充分發揮作用，有利（lì）於積累資料的同時豐富（fù）經驗，是少投入多產出的好方法。
5結論
①將煤焦油流量（liàng）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（lì）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30d，*大（dà）程度上（shàng）降（jiàng）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（rán）氣行業工商大表傳統管理模（mó）式進行創新。通過應用該技術，可以將“*檢合格、定期周檢、到期報廢”的傳（chuán）統管理模式演變為“*檢合格（gé）、**評估（gū）、永遠如新”的嶄新管理模式。

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