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基于面向对象贝叶斯网络的船用锅炉炉膛安全性定量分析

文档作者：初珠立杨自春文档来源：海军工程大学		点击数：	更新时间： 2024年08月08日
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第39卷第5期
2010年10月
船海工程
SHIP&amp;amp;()CEAN ENGlNEERlNG
V01．39 No．5
Oct．2010
基于面向对象贝叶斯网络的
船用锅炉炉膛安全性定量分析
初珠立。杨自春
(海军工程大学船舶与动力学院，武汉430033)
摘要：在对船用锅炉炉膛进行安全性分析时发现，故障隔离功能丧失在部件之间存在重复故障片段。
借鉴面向对象贝叶斯网络建立故障模型，采用基于Bayes的蒙特卡罗仿真得到底事件概率先验信息。与故障
树等传统方法比较，该模型直观简洁，有效缩小关键故障因子容量，诊断更加准确。
关键词：锅炉炉膛；贝叶斯网络；安全性定量分析；面向对象
中图分类号：U664．1 TK229．7 文献标志码：A 文章编号：1671—7953(2010)05-0092—05
炉膛是由水冷壁、近炉第一列管、前后壁与炉
底所构成的密闭空间，为锅炉的燃烧室。炉膛的
前后砖壁与水冷壁严密而有效地限制与隔离燃烧
火焰的扩散，保证燃烧的安全。
锅炉炉膛前后砖壁与风口砖直接接受高温火
焰的冲刷与灼烧，特别是风口砖频繁经受着冷热
交变的冲击，大风浪舰艇的颠簸，以及油风配合失
调引起锅炉的振动，均是耐火砖綮破损的主因。
内炉板紧贴高温的耐火砖，经受高温的烧烤，外壳
板经受内外压力差的作用，是内外壳板损伤的主
因。锅炉底座承受着锅炉重力与舰艇航行中左右
摇摆产生的巨大惯性力作用，又要保证锅炉热胀冷
缩时的自由移动，这两方面是炉底座被损的主因。
锅炉结构示意见图1，图2为锅炉炉膛结构组成。
炉膛耐火砖壁是炉部的薄弱部件，是可靠性
较差的部位，常见的故障模式有：隔离功能丧失；
炉膛内部发生爆燃；砖壁涂层破碎脱落、耐火砖出
现裂纹、炉底固定螺栓松动，严重时发生倒塌；风
口砖出现烧蚀、破碎；内炉板过热变形，甚至烧穿；
外壳板受压变形，密封性破坏、漏气；活动底座的
位移间隙堵塞，危及炉体自由膨胀等。同时，这些
故障模式之间又相互关联相互影响，使得分析计
92
收稿日期：2009—09—25
修回日期：2009一10—29
基金项目：总装武器装备预研基金
(9140A27050106JBll)
作者简介：初珠立(1985-)，男，硕士生。
研究方向：舰船动力及热力系统的科学管理
E-mail：hgchuzhuli@1 63．corn
图l锅炉结构示意
图2锅炉炉膛示意
算工作更加复杂。
经过故障模式、影响及危害性分析(FME—
CA)【¨，故障模式中隔离功能丧失的故障模式发
生可能性等级为D，为较少，故障模式发生概率范
围为10q≤P≤10．4；危险的严重性等级为I级，
人员死亡或多人重伤，系统瘫痪或报废，重大财产
损失(损失i00万元及以上)，重大环境损害；风险
指数为8，属严重等级，给出的评价准则为不希
望，一般不接受。由此可见，炉膛隔离功能丧失对
锅炉安全性危害较大，因此，结合OOBN(object—
oriented bayesian networks)方法[2卅对该故障进
行分析。
万方数据
基于面向对象贝叶斯网络的船用锅炉炉膛安全性定量分析——初珠立，杨自春
1 建模分析
由于在锅炉炉膛的实体结构中，耐火砖、绝热
层、内炉板、外壳板由内而外层层包裹，出现隔离
功能丧失时存在相关顺序失效的情况。其对应的
故障节点依次为M5：耐火砖破损，M；：绝热层破
损，M7：内炉板破损，聪：外壳板破损。
在进行FTA分析时发现，节点之间存在相
同的故障片段Mj，故障树拓扑结构见图3，图中
三角符号代表重复片段。
图3炉膛隔离功能丧失故障树
根据00BN原理，分析炉膛隔离功能丧失建
模过程见图4。建立对象关系见图5。
故障模式辨识卜_—爿待分析故障
竺望竺刊攀l
M耐火砖【l IM内炉板
M炉底
松动
M封II砖
烧蚀脱落
图S隔离功能丧失对象关系图
在故障树分析中要重复建立M4(对应的贝叶
斯网络片段见图4)及其下面的子节点事件，不仅
增加了建模的工作量，而且使得故障树的计算推
理效率大大下降，同时因为重复记入近似故障概
率，将增大最终计算误差。而采用OOBN方法就
会避免将片段重复复制和粘贴带来的冗余运算，
从而提高运算效率，图6为坛对应的贝叶斯网
络片段。
圈6舰对应的贝叶斯网络
对各中间事件作进一步分析，找出各自的子
事件，确定其内部BN的结构和参数，并将片段
M。整合到M对应的贝叶斯网络中，得到图7所
示完整的网络拓扑结构。
93
万方数据
第5期船海工程第39卷
M
图7转化后的贝叶斯网络图
表1 中间事件(顶)事件编号及含义
编号含义编号含义
M 炉膛隔离功能丧失A磊外壳板破碎脱落
M一炉底松动M9腐蚀
Mz 前后砖肇倒塌M10雾化不良造成偏烧
M3 封门砖烧蚀脱落MI-热应力
％机械振动^磊z工况急剧变化
^磊耐火砖破碎脱落M-。燃油压力过低
^磊绝热层破碎脱落M·t喷油器污染锈蚀
M； 内炉板破碎脱落
在文献[7]的基础上，采用基于贝叶斯的蒙特
卡洛数字仿真方法‘8埘。对Xm X，。、X。。、X。，概率
值进行仿真。
1)X13、X1s。
指数分布单元进行定数截尾实验，失效数取
z=I，总实验时间r一150 h，工作时间取t。一
20 h，验前信息为ZO一1，动----400 h。
2)X14、X17。
指数分布单元进行定数截尾实验，失效数取
z=l，总实验时间r一150 h，工作时间取￡。一
20 h，验前信息为ZO一2，功=400 h。
置信度取)，一0．95，仿真次数取为N一
20 000，Matlab编程计算得到失效概率：
Q13----3．1×10一，Q14—2．3×10～，
Q15一1．2×10一，Q】7—2．5×lO一。
其余节点的先验信息参考文献‘73以及充分参
考专家经验得到，见表2。
94
表2底事件节点名称及概率值
节点名称Q值
X-：固定螺栓松动
X2：大风浪颠簸
)(3：机舱内机械震动
X4：油风配合器失调
x5：内外压力应力
)(6：重油杂质超标
X，：高温氧化腐蚀
K：冷热交变应力
)(9：调风器压力过低
X，。：喷油器结焦
Xu：正车至倒车
X-z：紧急停机
X。。：燃油总管破损
X⋯回油阀磨损过大
x】s：喷油器雾化片磨损
X。s：燃油泵排量降低
X，t：燃油过滤器破损
Q1=1．5×10一5
Q一2．o×lO叫
0_3—4．o×lO一4
Q4=2．6×lO_4
Q=3．o×lO_4
0_6=2．1×10一4
Q7=2．4xlO-4
Q=1．6×10_5
Q一2．4×lO一5
Qlo=3．2×lO_4
Q11=3．o×lO“
Q12=1．1×10-4
Q13=-3．o×lO一6
Q14=2．3×lO-5
Q15—1．O×10一5
Q16=3．1×10一6
Q17—2．2×lO_5
2 OOBN与FTA计算对比分析
2．1 OOBN计算结果
贝叶斯网络可以根据某个根节点的数值变化
自动更新整个网络，找到发生概率最大的顶事件。
根据式其定义可求得顶事件M发生概率：
1 ^
P(M一1)(ΣⅡP(XP 一1)一(>：|I P Xi 7ci))×
i xi‘0f。1
P(M—l I砌)=
6．94×lO_4 (1)
式中：巩——父节点的集合。
顶事件与各底事件之间的条件概率：
P(M=1 I墨一1)一
≥：P(墨=铂M一1，墨=1，
X、'．．．’x‘孓m，⋯'XN
1≤k≤N，歹≠志)×[P(墨一1)]-1 (2)
另外，还可求得各底事件重要度I影，表示节
点Xj更新前后顶事件M的概率值变化，定义为
Birnbaum Measure(BM)重要度，即：
J影一P(M一1 Xi一1)一
P(M一1 Xf一0) (3)
依次更新各底事件概率，对照更新前后根事
件概率值的变化，见表3。
分析表3，其中XH、X。。改变值最为显著，表
明他们是导致M事件发生的主要原因，对应部件
在平时的使用和维护中当出现炉膛隔离功能丧失
时应该作重点检查。至于其他节点，改变值比较
万方数据
基于面向对象贝叶斯网络的船用锅炉炉膛安全性定量分析——初珠立，杨自春
表3 OOBN底事件更新后M概率变化值BM
各数量值级×101
更新后8．12 7．14 7．86 7．33 7．87 8．43 6．99 7．05 8．14
些!；!!!；!!!；!!!；!!!；!!!；!!!：!!!：!!!：!!
节点
X10 Xu X12 XIs X14 Xls X1s X17
小的原因除了本身故障概率较小以外，更主要是
因为他们与系统关联度比较小。
2．2 OOBN与FTA计算结果对比
根据FTA顶事件概率计算
研0匕
P(D—P(“U G)一ΣP(G)一 i=1
ΣP(GG)+⋯+(一1)一1P(II Cf)(4)
1≤禹≤．埘净1
式中：C__一上行法求得的最小割集；
m——最小割集数。
根据式(4)：
25
b 20
、X 15
嚣lo
窭5
O
P(T)≈ΣP(Ci)一7．03 X 10-4
i=1
表4 FrA底事件更新后M概率改变值
(各值数量级) ×101
差堡!!：!!!!；!!!；!!!；!!!；!!!；!!!；!!!；!!!；!!
节点
XlO xtl X12 X13 X14 x15 X16 X17
表4中数据可以反映出各底事件的重要度。
其中：X1、X2、X3、X。、X。。、X。。的改变幅度相对较
大，反应出这6个节点事件对顶事件发生的影响
比较大。因此，当出现顶事件对应故障时，应该优
先排查上述6部件，在平时的使用和维护中，也应
予以重点关注。
0()Bl、J和FrA计算结果可以直观地反映在图
8,9中，从中可以直观地查找关键故障，在FD～中为
X1、X2、X3、X4、X1t、X1s，在00BN中为xlt、X1s。
1 4 7 10 13 16
节点序号
图8 OOBN计算各底事件重要度
3结束语
由于存在重复的故障片段，因此考虑借鉴面
向对象思想，并采用表达能力更强的贝叶斯网络
方法对船用锅炉炉膛隔离功能丧失进行建模。利
用基于Bayes的蒙特卡洛仿真方法得到部分部件
故障概率值，得出底事件重要度，进而查找对顶事
件影响最大的故障因子。最后将似．)BN和FTA
计算作比较，发现()()BN方法缩小了关键故障因
子容量(由6个减少为2个)，查找故障更加准确
快捷，体现出更高的运算效率，得出的结论也更具
有实际指导意义。
参考文献
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节点序号
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95
万方数据
第5期船海工程第39卷
图6第六阶振型图
图7第六阶应力图
2．2叶片振动特性分析
由图2～7图示振型图及其他振型图分析知，
第一阶振型为一阶周向弯曲振动，第二阶振型为
一阶轴向弯曲振动，第三～六阶振型分别为一阶
扭转振动、二阶轴向弯曲振动、二阶扭转振动和二
阶轴向弯曲振动。
3结论
用仿真形式分析叶片的振动特性具有一定的
精确性、有效性和可靠性。并且该方法还可以分
析显示其高阶振型，这一点是实验与解析分析无
法达到的。研究为工程界提供了一种快速有效的
计算叶片振动特性的方法，可为进一步研究该叶
片的设计优化和振动安全性检验提供数值依据。
参考文献
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Modal Analysis of the Steam Turbine Blade Based on Ansys
SUN Ji-hong．YANG Zi-chun
(School of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)
Abstract：The entity model of a steam turbine blade was built．The vibration characteristics of the steam turbine
blade were studied numerically by using the structure analysis block in Ansys．The former six orders of natural frequen—
cies and vibration modes of the blade were calculated．The analytical results can be used as reference for optimization de—
sign and vibration safeness verification for the steam turbine blade,
Key words：steam turbine blade；finite element method；modal analysis
(上接第95页)
Quantitative Safety Analysis of Hearth of Warship
Boiler Based on Bayesian Networks
CHU Zhu-li．YANG Zi-chun
(Scbool of Naval Architecture and Powar，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)
Abstract：Taking the lost of insulate function as a case of the hearth of ship boiler，the quantitative safety analysis
was carried out based on the transition of FTA tO Bayesian networks．This technique broke through the short of duality in
the盯A theory，with multi-conditions of every node,Meanwhile。the method took the relationships among them in top
account，sought for parameters of the nodes before the quantitative calculate．The results showed that this technique is
more reasonable and of more engineering practicability．
Key words：hearth of ship boiler；bayesian networks；quantitative safety analysis；object-oriented
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