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預測性方法 保障油氣開采生命線

預測性方法 保障油氣生產生命線

穩定高效的油氣開采可離不開壓縮機這個關鍵設備!

來自 |?JPT
編譯 | TOM 驚蟄

壓縮機系統在油氣生產中地位非常重要,大部分石油石化設備都離不開氣體壓縮機,該技術也被成為油氣開采的生命線,如何保持其高效平穩運行是行業關注的重點。利用先進的機器學習方法,可以確定異常情況,預測潛在的壓縮機跳機及原因,并提出足夠的警告,以便進行干預。這種預測性維護方法有可能減少旋轉設備故障造成的停機時間。

利用機器學習系統首當其沖就是訓練模型,以識別正常與異常的條件。然后,利用該模型將設備的實時數據進行分類,指出設備性能何時偏離了確定的穩定狀態。識別異常的能力是該方法與傳統監測工具的主要區別。隨著數字技術的進步,可以在幾分鐘內實現對比與警告,使工程師在收到故障警告時采取適當的預防措施。

研究人員根據某地區2016年的歷史數據,分析了該系統在預測故障時的效率。還處于概念驗證階段的系統在一年內正確地預測了11次事故,而在這段時間內共發生了23次故障,成功預測率將近50%。更重要的發現之一是,機器學習模型提前數小時預測了故障。其中一次,提前了36小時。其他8個預測中,通知時間也平均提前了約7小時。

本文中將支持向量機(SVM)作為檢測機器異常狀態的分類器。利用SVMs進行二類分類。一些學者認為,與線性判別分析和反向傳播神經網絡等技術相比,SVM分類器具有更好的分類效果。

SVM的一個特性是它們可以通過非線性函數,將數據投影到更高維度的空間,來創建非線性決策邊界。單類SVM可創建一個二進制函數,捕獲輸入空間中存在大部分數據的區域。由此形成的函數,對于由訓練數據點定義的區域返回+1,而在其他區域返回-1。

低壓壓縮機是一個關鍵生產設備,當工程師發現異常時,通常會選擇繞過或手動關閉。這是數據集中不含有實際跳機,但包括許多手動停機的主要原因。例如, 2017年數據的分析顯示,31個記錄的延期,4個是手動停機,7個是流程待機,19個被歸類為故障。在這19次故障中,只有6次是由低壓壓縮機(LPC)的某些故障引起的,其余13次是由LPC上游子系統的問題引起的。無法區分LPC的所有失效模式與LPC的重復失效模式。因此,選擇單類SVM作為模擬LPC正常工作的合適策略。無論故障模式如何,這都可以識別任何異常事件。

為了訓練用于LPC以及其作業流程的SVM,確定了大約300個模擬標簽。模擬標簽比數字標簽少,但數據點是連續的而不是離散的。這300個標簽分為兩個模型,LPC以及作業流程。LPC模型由近230個輸入標簽組成,流程模型由近70個輸入標簽組成。流程模型還包括許多子系統。兩種模型的所有標簽在被送入相應的SVM模型之前,都經過了一定的預處理步驟。

為了確定LPC的正常工作狀態,研究人員主要關注了兩種策略:

  • 事件日志。LPC上的每個事件都被記錄為錯誤,然后歸類為故障或其他類型的延遲。
  • 流程穩定狀態。這是根據關鍵閥門的位置來決定的,這些閥門可表明LPC是否在線并處于生產狀態。此外,還可及時為LPC與流程模型創建確定的邊界。對于LPC模型,發生延遲2小時之前與2小時之后的數據點被認為是異常的。對于流程模型,采用了6小時的邊界余量。

表現最好的單類模型是基于流程穩態來定義機器的正常工作狀態,并且滾動窗口上的數據聚類作為延遲來計算變化率,計算值可被用于訓練LPC與流程的SVM模型。每10分鐘輸入一次測試數據流,并執行用于訓練模型的相同預處理步驟。1周的滾動窗口被確定為平滑數據以及計算當前觀測到的變化率的最佳措施。模型輸出包含一個簡化的標記列表,LPC模型大約200個標記,流程模型大約30個標記。通過刪除低方差標記以及刪除警告的預處理步驟,來解釋標記數量減少的原因。SVM模型的輸出本質上是布爾值,表示數據點是正常的還是異常的。這種連續的輸出流幾乎可以實時地顯示LPC及其流程的狀態。

當單類SVM模型從正常翻轉變為異常(從真變為假)時,它就被認為是LPC狀態的警告或變化。每當發生上述翻轉時,所有標簽的所有值都按降序排列,并選擇與報告前10個標記。根本原因識別是一種派生機制,它將SVM輸出視為唯一輸入。

LPC的性能數據存儲在基于時間的數據庫中??稍谏虡I軟件中構建工作流程,以執行端到端提取/變換/加載以及數據處理任務。該工作流程部署在服務器上,每10分鐘運行一次。每次運行工作流程時,軟件程序會以1分鐘的頻率為大約300個選定的壓縮機以及流程變量輸入前10分鐘的數據。這些數據通過各種模塊傳遞,以進行篩選、轉換與驗證。然后,數據通過工作流程中嵌入的模塊進行傳遞;利用標準庫,結合SVM算法,將壓縮機數據生成二進制的異常值分類。再之,軟件將結果輸出到結構化查詢語言數據庫,結果只是表示故障預測的布爾值true或false。當結果從true變為false并保持false超過10分鐘時,系統會發送一封電子郵件來警告出現了故障預測。

該方法還可精確識別故障發生的根本原因,并且在遇到類似故障時,可清晰顯示出故障模式。例如,反饋臂松動,無法正確控制流量,而導致跳機。在這種情況下,算法將“LPC標準流速”識別為最主要的根本原因。在一個案例中,警報幾乎提前12個小時發出,而在另一個案例中,只有幾分鐘。這歸因于手動干預失敗并導致跳機。在大多數情況下,工程師需要有足夠的警告時間來采取預防措施。

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