小型排涝泵站机电设备的维护优化方案

第

27

卷第

6

期

2221

年

6

月

水利科技与经济

Watcr

Conservaocy

Scieocc

and

Technolooy

anC

Economy

Vol.

27

No.

4

Joo.

,2221

doi

：

12.

3969/5

isso

1006

-7175.

222/

26.

022

!

型須

E

涝泵站机电设备的维护优化方案

谢粤荣

(沙坪河水利枢纽管理中心

，

广东鹤山

529702

)

［

摘

要

］

为解决泵站维护优化问题

，

基于电子表格开发一个决策系统

，

用于估算设备的运行

成本

、

故障分布参数和稳定性

。

研究目标是在较长计划期内

，

确定系统的最优维护和更换方

案

。

通过数学规划软件来最小化总成本函数

，

同时满足系统稳定性的阈值

，

从而在每个周期

中对系统做出最优决策

。

为了验证模型的准确性

，

对其有效性进行了检验

，

结果证明模型给

出的方案起到了优化作用

。

此外

，

还对所有的成本参数进行了灵敏度分析

，

证明该方法的稳

定性

。

将模型用于某小型排涝泵站维护的实际问题中

，

研究结果可作为泵站长期维护和更换

的指导方案和依据

。

［

关键词

］

LING

0

软

件

；

泵站维护方案

；

决策系统

［

中图分类号

］

F4

［

文献标识码

］

B

［

文章编号

］

lOOG-

7175(2621)66

-

OlOO-

25

Maintenance

Optimization

Scheme

of

Electro

Mechanical

Equipment

io

Small

Droioage

Pumping

Station

XIN

Yoc

-

rono

(Shanino/e

Watcv

Control

Project

Manavement522770,

Goeaigdono,

Chino)

Abstroch

:

Io

orvcr

to

solva

thc

optimizdtion

prollem

of

pumpino

station

,

a

decision

一

maniny

system

baseC

on

spvenshrt

m

develonen

in

this

pancr

,

whicO

is

oseC

tv

estimaVc

tVc

onerv-

tion

cost

r

fdnlt

distrinuhon

parameters

anC

shnility

of

equipmenV

Thc

reserrcO

/

o

—

is

tv

determioc

thc

optirm)anC

aplacemeet

plao

of

thc

system

in

a

lono

plannino

peVon.

Thronoy

mdthemdticol

proorammino

software

te

minimizc

tec

tota.

cost

fooction

,

whiie

meetino

tec

thresyola

of

system

stdOility

,

so

as

h

maOc

thc

optimai

decision

for

thc

system

in

eacO

cycO.

N

oraer

h

veri

­

fy

thc

accoracy

of

thc

modC,

thc

eXectiveness

of

thc

model

is

W

sw

X.

Thc

reshlts

shw

that

thc

scOemc

yivan

by

the

monC

has

playeC

ao

optimizatiop

ix

P

c

.

N

aOdition

,

sensitivity

analysie

of

al.

cost

parameterv

is

out

te

prova

thc

staOilite

of

thc

methon.

Thc

monC

is

te

thc

main-

1

x

00

of

a

smali

drainayc

pump

station

,

anO

thc

reserrcO

osc

U

s

coo

bc

oseC

ss

thc

yuinaaco

scOemc

anO

basis

for

the

lono

一

term

maintenaoco

anO

cplacement

of

the

pump.

Key

words

：

LINGO

software

；

pump

station

maintenaoco

scOemc

；

dneision

system

［

收稿日期

］

2021

-01

-05

［

作者简介

］

谢粤荣

（

1982

-

）

,

男

，

广东鹤山人，

工程师

，

从事泵站标准化管理建设

、

泵站机电设备的维护保养工作.

—

100

—

谢粤荣

:小型排涝泵站机电设备的维护优化方案

第

6

期

1

概述

水泵的预期使用寿命很长，

特别是较老的型

其中:

a

为改进系数;为

i

组件丿周期结束时有

效年限

；

^

,

+

1

为

i

组件维护后有效年限

。

3.2

更换成本

更换操作是将组件的有效使用年限恢复到

零

，

使系统表现得像新的一样

，

并且系统的故障

号

［

］

。

据统计数据

，

大多数水泵都能使用

20

年

左右,然后才开始出现故障

［

0

］

。

水泵的运行方式

是把水抽到蓄水池里

，

再根据需要从蓄水池中排

出

［

9

］

。

随着时间的推移

，

一些型号的水泵有可能

率也回到零

。

系统的更换成本与维护成本相似,

表示目标函数中的重置成本

，

该成本是在周期/

结束时发生的，

更换成本等于组件

i

的初始价格

。

停产,因此水泵之间没有统一的效率标准，

这给

研究人员带来困扰

。一般在泵站的输水线都安

进行更换对系统不造成影响

，

系统继续以一定的

装有变频驱动

（

VFD

）

,

可以控制抽水的速度

。维

修人员通过几类参数来测试泵的缺陷

，

如电阻温

度装置

（

RTD

）

进行振动测试

、

油液分析

，

同时运

行的水泵不超过

2

~3

个,这样可以对未工作的

水泵进行维护⑷

。

泵站维护和更换计划为何时

应执行特定类型的预防维护操作提供了依据

［

］

。

一些泵站在修复多年的旧设备上花费了过

高的成本

，总修理维护费用之和比更换新设备的

成本要高得多

。

本研究的主要目标是开发一个

数学模型

，

用来优化泵站设备的维修和更换方

案

。

除了获得最优调度方案外，

还提出一个基于

Excel

的决策系统,决策者可以通过更改成本和

故障参数来解决系统问题

。

2

工程概况

本文以某小型排涝站为研究对象

。

排涝站

2008

年建成并投入使用

，

工程等级为

W

等

，

泵站

按16

年一遇

24

h

暴雨

1

d

排干的农排标准设计,

泵机组共安装

3

台卧式电机

，

单机容量

120

kW

,

总装机容量

366

kW,

设计总流量

6

m

9

/s

。

泵站建

，

随

时

，

些泵出现故

。

本文

以该泵站作为案例,进行以下研究

。

9

成本构成

3.

1

维

护

成本

计算泵站系统维护需要考虑以下几个因素

,

即泵站部件的可靠性

、

维护成本和部件的有效使

用年限

。

在对部件进行维修后

，

该部件的有效使

用年限将延长

。但会导致在下一个周期丿开始计

算时降低了部件

i

的真实使用年限

。

式

（

1

）说明

了维护后有效年限与周期结束时有效年限间的

。

乓+严％",

⑴

速度老化

。

部件

i

的有效年限和故障率将继续增

加

，

并且在给定周期丿结束时

，

系统将完全失效

。

式

（

2

）

给出了进行部件更换对系统造成的影响

。

乓

+

1

=0

（

2

）

3-

3

时间流

逝造成的影响

本节不对泵站系统进行任何更改

（

维护或更

）

。

人为

，

续

随着时间以一定的速度老化

。

部件

i

的有效寿命

和故障率将继续增加

,

到给定的周期丿结束时

，

系

统将完全失效

。

以下公式反映了时间流逝对系

：

乓+严匕

，

⑶

3.4

故障成本

随着时间的推移

，

泵站系统中的组件将持续

出现故障

。

维护和更换只会延迟组件的故障率

,

或者将故障率重置回零

。

无论系统在何时出现

故障

，

都会有与其故障相关的成本

。

在目标函数

中

故

本

虑了

在

时

都可

能发生故障

。

该意外故障成本可以通过先前故

障成本的平均值来确定

。

3.6

固定停工成本

对于串联配置的系统

，

将有固定的停机成

本

。

如果一个组件发生故障

，

则必须关闭整个系

统以维护或更换该特定组件

。收入损失或其他

相关因素而关闭该系统产生的费用必须包括在

总

目

函数中

。

4

基于

Excel

的决策系统

基于电子表格的决策系统是通过以下几个

阶段建立的

。

这需要了解

VBA

（

应用程序

VB

语

言

）

、

LINGO

（

线性规划软件

）

和

Excd

三者之间的

相互作用

。

为了创建决策系统

，

首先从一个基本

—

171

—

第

26

卷第

6

期

2221

年

6

月

水利科技与经济

Watec

Conservancy

Science

and

Techcolooy

and

Economy

Vol.

26

No

2

Jnc.

,2221

的

ExcC

表开始

，

添加用户表单和控件来导航该

程序

。

用户界面的背后是嵌入在每个工作表和

用户表单中的

VBA

代码层

，

使得电子表格与进行

机

翻

周期

为

。

为了计算泵

护的成本

，

将泵的总翻新成本乘以

(

9/15

)

。

同

样,机械密封的成本乘以

(9/12

)

。

动平衡测试和

灌注室密封更换每

2

年进行一次,费用为

702

元

。

数学计算的

LINGO

软件互相联系

。

为达到该目

的,

LINGO

代码中使用了一个对象链接和嵌入

(OLE)

的本机函数

。

这个

OLE

函数使

LINGO

能

这些成本的总和为泵的维护成本

，

见式

(

5

)

。

而

用类似容量的新泵替换该泵的成本约为

15

够从

Excd

文件中接收数据(软件输入过程

)

，并

万元

。

维护费用泵

=13

802

x

(

9/17

)

+

12

222

x

(9/12

)

+702

x(9/5)=18

542(

元

)

向

EcC

输出最佳解决方案

。

在

LINGO

中

，

编码

语言用于将数学模型转换成可执行代码

。

(

5)

在

E

xco

I

表单中

，

决策者输入关于组件数量

、

规划范围等信息

，

接下来进入到

故

障参数

页

面

,

该页面有所有故障参数的选项

。

下一步进入成

本输入界面,在此输入与系统相关的所有成本,

在该界面

Excd

通过

LINGO

来解决问题,并显示

一个输出界面和一个报告选项界面

。

共有

4

种

不同的报告选项

，

即查看计划

、

稳定性与时间关

系

、

成本与时间关系和总成本

。

在整个过程中

，

LINGO

在后台不断收集信息

，

并将结果输入到表

单界面

。

5

模型应用

本研究的重点是

3

个独立的部件

，

电机

、

泵

和球阀

。

为了使研究周期足够包括所有组件的

更换周期

，

并且不会因为太长而影响准确性

，

故

选择

66

a

作为规划周期

。

为了测试系统的稳定

性

，

还对设备和其他变量的相关成本进行了

分析

。

2.

1

维护和更换成本

泵的维护和更换成本是系统所需要确定的

第一类成本

。

根据记录

，

大约每

15

年对泵进行

一次全面翻新

。

翻新包括动态平衡测试和更换

轴套

、

轴承和耐磨环

。

表

1

为与这些更换项目相

本

。

表

1

更换项目相关的成本

项目

花费

/

元

动态平衡测试

322

轴套

4222

轴承

2

002

耐磨环

6

542

总计

13322

机械密封的维护周期大概是

19

年一次

。

为

了保持一致

，

将所有维护周期标准化

，

选择

9

年

—

—

102

—

—

泵机组的电机是卧式电机

。

维护成本均按

照电机的

9

年翻新期进行标准化

。

在此期间

，

所

有轴承和油封都要更换

，

绕组也要清洗

、

重新浸

泡和烘烤

，

总成本约为

13

002

元

。

与泵相似

，

该电

机的机械密封大约每

19

年更换一次

，

费用约为

2

002

元

。

此外

，

每年需要对电机进行振动测试

,

每台成本为

752

元

。

式

(6)

给出了电机的总维护

成本

。

即替换类似的电气发动机大约要花费

19

万元

。

维护费用

发动机

=5

002

x

(9/5

)

+

2

002

x

(9/12

)

+754

x(9/1

)

=29

252(

元

)

(

6)

与泵和电机不同

，

球阀不需要维护

。

组成阀

门的单个零件使用寿命与整个阀门的使用寿命

大致相同

。

更换球阀的成本大约为

28

002

元

。

2.2

故障成本

在许多系统中

，

故障设备的更换除了新设备

的费用之外

，

还会产生其他费用

。

这些费用包括

生产产值损失

、

清理成本和许多其他不可预见的

成本

。

故障成本通常很难估计,在该泵站案例

中

，

故障成本以

3

个部件的更换成本来计算

。

2.3

故障数据

在先前的研究中

，

通常将设备故障数据与威

布尔分布相关联

，

几乎所有的设备故障都遵循这

种特定的分布

。

使用威布尔曲线来表示设备故

障需要估计两个参数

，

即特征寿命(规模)和形状

参数

。

为了估计这些参数,首先确定每个组件的

平均故障时间

(MTTF

)

和该故障的标准偏差

。

表

2

为每个组件的

MTTF

和标准偏差的初始值

。

表

6

每个组件平均故障时间和该故障标准偏差时间

组件

平均故障时间

/a

标准偏差

/a

电机

42

3

泵

32

2

球阀

32

6

谢粤荣

:小型排涝泵站机电设备的维护优化方案

第

6

期

通过表

2

给出的数据

，

利

（

7

）

和式

（

8

）

计

护

，

而不是关闭

3

次线路

。

假设停机成本相对较

，

为

50000

元

。

算每个

到

尔

果见表

3

o

&和形状参数

0

。

求解

个

假

每

护

部

'效

MTFF

=

^x

r(1

+

(24))

(7)

a

2

=e

2

x[

^(1

+

((

4

))

-(^(1

+

(2

4

)))

0

]

(8)

表

3

每个组件的威布尔标度

。

和形状参数

0

组件

尔

形参数

电机

43.

19

5.09

泵

32.

06

7.

06

阀32.

40

5.79

威布尔分布可以代表不可配对系统

，

然而它

述可修复设备的分布

。

泊

化

（

NHPP

）

是用于可修复

尔分

。

通过式

（

9

）

和式

（

10

）

可以

尔

和

形状参数

NHPP

参数

。

入

NHPP

=

(

护

)

(

9

)

NHPP

=P

-

1

(10

)

NHPP

参数见表

4

o

表

4

NHPP

参数

组件

尔

形参数

机1.91E-09

4.

09

泵

1.64E-10

6.

06

阀

1.01E-08

4.

79

泵

稳定性至关重要

。

为了在

60

a

的

规划周期内保证泵

99%

的稳定性

,

必须实

现每年

0.999

833

的稳定性

。

式

（

11

）

给出的

可靠性

（

RR

）

是在

中使

稳定性

。

0.

999833

二

1

-

（

1

-

RR

）

5

—

—

吠

R

=

0.

820392

（

1

）

上述计算结果表明

，

泵机

为一个整体

,

必须在规划范围内保持

0.83

以上的稳定性

。

每

个泵单元

联的

，

因此

：

R

发动机

x

r

m

x

R

阀

M

RR

（

12

）

5.4

其他假设

每当泵机组被迫关闭时,会产占

本

。

由于

联的

2

其中一个

，

其余

两个也必须

。

在这种情况下

，

最好在

已

情况下

，

对所有

3

个

预防性维

寿命

。

维护成本作为维护

指标

，

通

（

13

）

表达如下

：

"

=

—

替

替本

本-维护成本

—

（

13）

个公式

，

维护系数

a

2

护

本

，

寿命

。

表

5

给

出每个

a

值

。

表

5

组件的维护系数值

组件

护数

a

机

0.

29

泵

0.

10

阀

35.71

6

运行结果

该模型的运行结果是建议在

24

a

更换电机

和球阀

，

并对泵

翻新

。

图

1

给出泵机

最

佳预防性维护计划

，

按照此预防性维护计划

,

预

计总成本为

1

239

088.

6

元

。

该金额是在

60

a

规

划期内

护所

3

个

预期

本

。

图

1

最佳维护计划

除了给出维护时间表

，

决

给出关于

3

个

其他信息

。

稳定性与时

形成

一个表格,显示出每个时期每个

稳定性

。

图

2

给出了在规划期

60

a

,

为一个整体的

稳

性

。

每年系统的总体稳定性

图

2

每年总体可靠性

—

103

—

第

26

卷第

6

期

2021

年

6

月

水利科技与经济

Watcc

Cooserveycy

Scieccc

and

Techyolooy

and

Ecooomy

Vol.

26

No.

2

Jun.

,2021

从图

2

中

可以看出

，

在整个规划周

期中

，

系

统的整体稳定性

护时间表给出的

第

，

第

于

33%

的稳定性要求

。

累积成本与稳定性的联系

预防性维护

在第

20

年

，

稳定性在第一轮维

在第

33

年

护

中

下降的更明

显

，

因

为电机

期

被

更换,而在第

33

年

只

阀都在

这一时

阀被

更换,故第二

明

显下降

。

在

规

图

5

累计成本与系统稳定性的联系

护

划期

60

ct

稳定性

期,稳定性徘徊在

33%

以

上

。

成

显示

了

3

个

本与

时

在

60

c

期间的

计

成本和每

个

期

本

。

在第

20

年和第

33

年,按照时间表会有两笔

额支出

。

这

为

决策者

预算

了依据

。

见图

3

和图

4

。

年度成本

图

3

年度成本

年度累计成本

时间

/a

图

4

年度累计成本

图

5

给出了累计

成本与

稳定

性

的联系

。

由

图

5

可知

，随

稳定性

，

成本

：

。

成本

下降在

99%

〜

93%

的稳定性

。

示

了另一种规律

：

当系统接近

9/%

以

下稳定

性

范围时

,

预防性维护

检修

。

—

104

—

6

结论

本文建立了包括维护成本

、

更换成本

、

时间

流逝成本

、

故障成本

、

固定停工成本的规划模型

,

通过基于

ExcC

的决策支持系统和

LINGO

软件

进行求解

，并在

河

泵机组中进行了实

例验证

,

了最佳的预防性维护计划

：

建

议在使用

20

c

后更换电机和球阀

，

第

33年再次

更换球阀。

因为泵的故障率很低

，

故在

60

c

规划

期运行中更换泵

。

同时还分析了规

划

期间内

为一个整

稳定性

，

年

；

本

、

年度累计成本与时

,

计

本与

稳

定性联系起来

。

该

研究能为

泵

I

长

期维护和更

指导方

案

。

［

参考文献

］

［

1

］

罗晓亮

•

水利泵站机电设备的安装及检修方法探讨

［

J

］

•

农业科技与

信

息

,2020(22)

：121

-

122.

［

2

］

方贵盛

，邱海亮

，

尹世玉

，

等

•

泵站性能测试虚拟

仿真实验平台设计与实现

JJ

］

.

实验室研究与探索,

2020,39(11)

：

29

-103.

J

］

刘晶•晋安河流域泵站群联合优化调度研究福

建建设科技

,2020(6)

：

106

-109.

［

4

］

杨琨

.

泵站检修维护与可靠性分析黑龙江水利

科技

,2020,43(3)

：

211

-213,251.

J

］

吴树勇

•

探讨排涝泵站电气设备运行与维护管理策

略

［

J

］

.

建材与装饰

,2020(3)

：

249

-250.