论文研究-基于网络级联故障的氧化铝多效蒸发系统可靠性研究 .pdf

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基于网络级联故障的氧化铝多效蒸发系统可靠性研究,徐德刚,桂艳球,为了更好的从氧化铝多效蒸发系统固有结构分析其可靠性,基于网络级联故障理论,提出了一种新的网络分析方法。根据复杂网络理论,
山国武花论文在丝 其中,表示节点到节点的最短路径,网络的总连线数为 连线介数 节点或连线的介数就是所有最短路径中通过该点或连线的最短路径条数的比率。介数反 映了相应的节点或者连线在整个网络中的作用和影响力,具有很强的现实意义 连线的介数指网络中最短路经过连线的次数,有: ∑ 其中是点和之间的最短路径总条数, 表示这些路径中通过连线的条数。 连线的介数说明该连线的位置对于网络中信息流动影响的大小。 网络可靠性 网络可靠性指标为: 100‰ 式中为初始状态下(某一芍点或连线故障前)网络的总节点(连线),′是节点 或连线故障后新平衡状态下网终最大块的节点数(连线)。O表示了整个系统在故障节点影 响后的可靠稈度,值越人,则说明故障影响越不严重,系统运行可靠性人;反之故障影响就 较大,系统运行可靠性小。 网络级联故障模型 许多研究者对网络上相继故障的控制与预防策略、电力传输网络上的干扰、描述相继故 障现象的模型、袭山策略的探讨、网络抵制相继故障的优化等进行了研究,并得到了许 多有价值的结论。但实际复杂工业流程系统运行有其特点,必须要结合实际牛产过程进行分 析。系统运行过稈中,当一条线路停运时,物料可能被转移到其它线路上,进而造成级联反 应,并最终对整个系统的结构和物料传输产生重大的影响。 本文将节点上的负荷基夲上定义为节点的度或介数(根据节点物料传输量确定)进行模 拟计算;而崩溃节点上负荷的重新分配,可以按照最短路径的路由策略原则。实际上,在故 障蔓延过程中,根据节点的运行谷量和运行极限,在计算系统的可靠性后,可以调整拓扑模 型中线路的沇量,改变最短路径的方向,也可以调整节点负荷,以减轻过负荷节点的压力, 减缓故障的进一步蔓延,避免氧化铝多效蒸发系统受扰动后影响到碳酸钠溶液的衡过程 氧化铝蒸发系统的网络建模 实际复杂工业系统往往由大量离散设备单元组成,通过各种介质的传递,各单元连接成 相关联的高度复杂的相玍作用。整个系统的性能显然取决」子系统的动力学行为和相互作 用。这与复杂网络的理论框架——节点动力学行为和节点之间的相互作用共同涌现出整体动 力学行为相吻合。因此,基于复杂网络理论框架研究大规模上业系统已经引起了关 根据系统论的观点,可以将某厂的氧化铝多效蒸发系统(如图所示)看作是由各种基 本单元如各种设备、装置等通过各种管路、线路连接而成,这些基本单元之间存在错综 复杂的相互作用关系,构成复杂的网终结构,以实现物质、能量、信号的交换与传递。本文 假设:如果节点之间存在结构连接关系,则存在可能的物料传送、信号传输或故障传播关系 山国武技论文在丝 图1某厂的氧化铝多效蒸发系统 因此,根据上述思想,对系统按以下原则进行网络模型构造: 首先,忽略氧化铝多效蒸发系统中各设备装置的现实意义(如表1所示),将其抽象成 网络的一个节点 表1各节点对应的装备设置 名称 名称 节点 名称 原液槽 四效水冷器 二效循环泵 污水泵 阀 效过料泵 原液泵、轻铝泵 三级闪蒸器 水封泵 次水泵 效水冷器 不合格过滤槽 次水泵 效蒸发器 合格过滤槽 水封泵 强制循环泵 合格水泵 、、、、蒸发原液 阀 软水泵 四效循环泵 阀 不合格水泵 四效过料泵 一效循坏管 高压水泵 二级闪蒸器 水封泉 出料泵 效水冷器 污酸泵 二次水泵 效蒸发器 和子泵 五效过料泵 效循环泵 压力泵 五效循环泵 三效过料泵 饱和蒸汽 五效水封管 水封泵 污酸 五效蒸发器 一级闪蒸器 水泵 水冷器 二次燕汽 真空泵 二效水冷器 水封泵 冷凝水 阀 阀 四效蒸发器 二效蒸发器 然后,用节点之间的连线代表设备之间的联系,这和联系可以看作物质、能量流,如果 没有联系则不予连接。按照上面规则,该系统可抽象成一个网终系统,如图2所示。 山国武技论文在丝 >2自 p 图2构建的氧化铝多效蒸发系统网络模型 从图分析结果还可以看网络模型中二效蒸发器的运行质量直接影响着网终中 的元件的运行质量。还可看到,同样都是蒸发器的一效、效、三效等蒸发器之间 的度数却相差不大,说明作用相冋或相似的元件其对系统的影响也相似。 根据复杂网络理论,山图中分析得出其网络模型的特性如表所示: 表2氧化铝多效蒸发系统网络模型特性 网络 节点数 聚类系数平均路径长度 效率 原液泵 事实上,这些网络统计对研究复杂多效蒸发系统结构特点及级联故障传播的内在机理提 供了很好的理论工具。比如,结构脆弱性是指网络中某一单元或某一些单元退出或相继退岀 后,网络保持其拓扑结构完堊并正常运行的能力,对于分析整个复杂氧化铝多效蒸发系统有 很好的指导作用。 对网络影响较人的连线介数,其流通性较强,如表所示。 表3影响网络的20条主要连线的介数 连线介数连线介数连线介数连线介数连线介数 网络级联故障的性能分析 网络级联故障仿真方法 复杂网终级联故障仿真的基本思路是按一定得规则选择网终中的的节点发生故障, 并将该节点及相应的连连线从网络中删除,负荷重新分配则必然导致网终中其他点的负荷发 生变化,如果造成其他节点负荷超过自身的负荷容量,即发生节点故障,需继续删除节点和 山国武花论文在丝 相应的连连线,直到没有节点故障为止。最后,按照公式来考察网络故障后的可靠程度。 选择初始故障点的方式有随杋点选择、最大负荷点选择和最大度节点选择等。本文采用 给定删除节点,依次对网络的每个节点进行级联故障模拟,计算每个节点造成的∂值,O 值相对较大的节点说明发生故障后系统的可靠性较大,由此可以找出是系统的关键点。 随机故障模式 随机攻击是指以一定比例随机删除节点随杋打击随机故障策略,即完全随机地去除 网络中的一部分节点。在电网基础应用环境中,随机性破坏表现为“破坏者只有关于网络结 枃的部分资料,只能呆用一种随机的破坏策略”;在工业坏境中,随机性破坏则表现为机器 部件节点或链路的自然故障。 本次仿真按为随机删除节点,分别删除的节点如表所示 表4删除节点对应元件 原液泵 水冷器 三效循环泵 污酸泵 真空泵 在删除节点“,, ,”后,网络发生级联故障,使节点“ 网终最大块脱离联系,并使网终特性发生了变化,通过仿真过程,再删除脱离网终最大块的 节点“ 得出新的子网络对比之前原网络 由表分析得岀,随机故障后的最大块子网终比相比之前效率有所降低ε根据公式() 得出故障严重程度:∂值为 其故障后可靠性较高。 最大度故障模式 最大度攻击即从去除网络中度值大的节点,开始去除网络中一部分具有最高度的节点。 假设去除的节点数占原始网络总节点数的比例是,用最大连通子网终的相对大小和平均路 径长度与聚类系数的变化来度量网络的可靠性。 本次仿真按建立的氧化铝多效蒸发系统网终模型度值由大到小删除网终节点,删除 的节点如表所示 表5删除最大度节点对应元件 效蒸发器 四效蒸发器 三效蒸发尜 原液槽 原液槽 通过仿真过程,再删除脱离网络最大块的节点“,, ,,,”得出新的 子网络对比之前原网络 由表分析得出,最大度打击后的最大块子网络比相比之前效率有所降低,其平均路 径长度和聚类系数也相应变化。根据公式()得出故障严重程度:∂值为 与随机 故障相比其故障严亘性髙,系统可靠性较低。说明最大度的节点是网络的关键点,也可称为 故障点 最大连线故障模式 最大连线攻击即从去除网络中介数最高的节点廾始,有意识地去除网络中一部分具有最 山国武技论文在丝 高介数的节点。假设去除的节点数占原始网终总节点数的比例是,用最大连通了图的相对 大小和平均路径长度与聚类系数的变化米度量网络的可靠性。 本次仿真按为,按介数由大到小删除节点,分别删除的节点如表所示: 表6删除节点对应元件 二效蒸发器四效蒸发器效蒸发器效蒸发器出料泵 通过仿真过程,再删除脱离网络最大块的节点“ ,,”得出新的子 网络对比之前原网终。 将上面三种不同级联故障模式下的网络特性进行对比,如表所示 表7不同故障模式下络特性对网比 原网络 随机故障 最大度故障 最大连线故 由表分析得岀,最大连线故障后的最大块子网络比相比之前效率有所降低,其平均路 径长度和聚类系数也相应变化。根据公式()得出最大连线故障后系统可靠性 与 随机枚障相比其故障严重性高,系统可靠性降低。说明最大连线的节点是也是网络的关键点, 也可称为故障点。 由述仿真结東可看出网络模型在随机故障下具有一定得鲁棒性,抗御能力强,而在最 大度故障和最大连线故障下则显得非常脆弱,系统可靠性降低。事实上,在对氧化铝多效蒸 发系统网络模型分析时,得到结果表明连线的作用与节点非常相似。为此,考虑到负荷大的 节点或连线吏易于导致触发系统的连锁故障因此应利用有限的资源首先重点保护那些会 造成系统重大性能损失的负荷大的节点或连线而同时可以适当降低对负荷小的节点或连 线的保护措施。 结论 本文建立了氧化铝多效蒸发系统网络模型,并对该模型的拓扑结构进行分析。根据复杂 网络级联故障理论,通过研究不同故障对系统的影响,主要分为三个方面:随机故障、最人 度故障和最大连线故障。利用生产现场数据,计算得出了某氧化铝多效蒸发系统的可靠性。 此外,给出了在不冋故障模式网终相继故贗合理有效的保护策略,从而可以重点保护那些会 造成系统重大性能损失的关键设备或关联连线,保证系统安全有序地运行。对于现实工业系 统,本文提岀的网络方法探讨相继故障的预防及有效保护将具有实际的参考价值。 参考文献 彭小奇,宋国辉,宋彦坡等氧化铝生产蒸发工序的分析中南大学学报自然科学版 山国武技论文在丝 桂华,僅书君,阳春华氧化铝管式降膜蒸发器的火用分析搾制工程 蒋浩天.工业系统的故障检测与诊断.北京:机械工业出版社, 李果,高建民,高智勇基于小世界抔扑模型的复杂系统安全分析机娀「程学报,, 刘涛,陈忠,陈晓荣复杂网络理论及其应用研究概述.系统程, 姜洪权,高建民,陈富民等基于复杂网络理论的流程工业系统实全性分析西安交通大学学报 王建伟荣莉莉面冋相埊故障的复杂內络上袭击策略硏究中国管理科学 陈晓刚,孙可,曹一家基于复杂焖络理论的大电网结构脆弱性分析电工技术学报,, 鲁宗相.电网复杂性及大停电事故的可靠性研究.电力系统自动化 方锦清非线性网络的动力学复杂性研究的若干进展自然科学让展

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