基于贝叶斯网络的评估方法:用于检测新型故障的系统,该系统旨在预防海上设施中的冷凝器灾难性失效

《Safety Science》:Bayesian network-based evaluation of a novel fault detection system for preventing catastrophic condenser failures in offshore facilities

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年05月09日 来源:Safety Science 5.4

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  Furkan Ertan|?zkan U?urlu|Fatih Tono?lu|F?rat Sivri|Serdar Y?ld?z|Jin Wang土耳其奥尔杜大学海事运输与管理工程系摘要本研究以一起真实的海上平台事故案例为研究对象,探讨了海水冷却联合循环系统中冷凝器故障的原因及

  
Furkan Ertan|?zkan U?urlu|Fatih Tono?lu|F?rat Sivri|Serdar Y?ld?z|Jin Wang
土耳其奥尔杜大学海事运输与管理工程系

摘要

本研究以一起真实的海上平台事故案例为研究对象,探讨了海水冷却联合循环系统中冷凝器故障的原因及其后果。研究采用贝叶斯网络(BN)结合模糊逻辑的方法对故障路径进行建模,并评估了操作人员错误和报警缺陷等影响因素的作用。该模型有助于制定和评估针对性的系统改进措施,例如增加分析仪和故障停机指令机制。这些改进显著降低了灾难性故障的概率。专家评估证实了所提出的措施在提高运营安全和减少人为错误方面的有效性。研究强调了及时干预、稳健的控制系统以及预防性维护在降低故障风险中的关键作用。同时,研究结果还指出需要持续进行风险分析,改进组件/系统的选型,并通过培训计划来支持高风险海上环境下的可靠运营。这些发现为行业相关方提供了实际建议,有助于开发更安全、更可靠的海上能源系统。

引言

海上能源平台是在高环境条件下运行的高风险社会技术系统,即使是小故障也可能迅速演变成影响整个设施的运营中断(Eneh, 2011; Zhang et al., 2017; Itiki et al., 2019)。在这种环境下,电力生产过程的连续性不仅对运营效率至关重要,也对平台的可持续和安全运行具有重要意义。然而,这些系统的动态性和不确定性特征凸显了传统风险分析方法的局限性,亟需采取基于韧性的方法(Itiki et al., 2019; Karlilar Pata and Balcilar, 2024)。由于其在恶劣环境中的社会技术特性,关键基础设施可能通过相互关联的故障路径快速陷入级联故障状态,而早期检测的缺失可能导致紧急情况的发生(Sarwar et al., 2018; Adumene et al., 2021)。因此,海上设施的安全性不仅取决于设备可靠性,还取决于预测破坏性事件、限制其影响以及保持系统功能和完整性的能力(Deyab et al., 2018)。
在复杂系统中,技术组件与组织组件之间的紧密交互可能导致故障从其起源点迅速扩散至整个运营结构(Nord et al., 2014; Haglind, 2008)。因此,韧性要求在“预测-吸收-适应-恢复”循环中分析技术和组织漏洞(Berkeley et al., 2010; Sarwar et al., 2018)。海上作业中强调多学科和基于场景的风险评估方法,表明这些知识差距需要整体或综合性的评估(Nguyen et al., 2016; Mazzetti et al., 2021; Guikema et al., 2015)。在此背景下,冷凝器系统作为海上终端复杂运营结构中的关键子组件发挥着重要作用(Islam et al., 2020)。诸如污染、腐蚀、管子开裂或传热效率下降等问题可能导致涡轮机背压升高,从而引发负荷损失、紧急停机或大规模运营中断(Nguyen et al., 2016; Mazzetti et al., 2021)。在海上平台,有限的可访问性和恶劣的环境条件不仅增加了故障发生的风险,还可能导致技术性能下降、其他子系统的可持续性受损以及人员安全问题(Deyab et al., 2018; Adumene et al., 2023)。因此,如果不及时控制冷凝器等核心组件的性能下降,可能会引发级联效应,使系统陷入危机和紧急情况。
本研究通过一个海上能源系统中冷凝器故障的案例研究,展示了这类故障在危机和应急管理中的重要性。所提出的基于贝叶斯网络的模型不仅用于故障检测,还作为一种概率决策支持工具,帮助在不确定性环境下进行故障缓解、准备、响应和恢复。该模型以概率方式表示故障机制,利用模糊逻辑处理不确定性,并通过观察到的症状进行动态风险评估。这种方法旨在提高海上平台的系统可靠性,同时为理解冷凝器引发的级联故障提供框架,支持运营决策,并系统地预防类似高风险工业系统中的危机。由此,本研究为海上能源系统中的韧性工程和基于风险的决策支持应用的发展做出了贡献,同时促进了危机和应急管理过程中对潜在故障的全面考虑(Li et al., 2021)。

章节片段

联合循环系统基础

更高效利用能源的一种方式是采用联合循环系统,该系统常用于电力生产(Ersayin and Ozgener, 2015)。在联合循环系统中,除了燃气轮机外,还集成了余热锅炉和蒸汽轮机(图1)。因此,该系统包含两个协同工作的循环:燃气循环和蒸汽循环。
联合循环系统通过利用相同的能源源,通过燃气轮机和蒸汽轮机产生电力

方法论

本研究采用贝叶斯网络框架,并在适当情况下结合模糊逻辑,以识别和建模冷凝器系统中主要运营故障之间的因果关系。贝叶斯网络的结构和参数来源于文献以及对一个装有类似海上平台冷凝器系统的发电厂的重大运营故障的案例研究。条件概率是根据八位领域专家的意见确定的。

结果

本研究分析了冷凝器中的故障事件,探讨了潜在的系统相关问题,并提供了如何通过适当措施避免此类故障的指导。本研究中的冷凝器是能源行业多个领域(包括海上平台、发电厂和工业设施)中常用的设备(Laskowski et al., 2020)。
基于事故场景开发的初步贝叶斯网络模型中,还考虑了增加分析仪和故障停机机制

讨论

海上平台的电力生产和能源效率对运营的可持续性至关重要。大部分能源需求通过发电机、可再生能源和混合系统来满足(Itiki et al., 2019; Nord et al., 2014; Du et al., 2024; Oliveira Pinto et al., 2019)。持续的能源供应是决定生产效率和安全关键系统(如应急响应)可操作性的基本因素

结论

基于一个代表性的事故案例,本研究对海水冷却系统中冷凝器管故障的潜在影响及其引发因素进行了风险分析。开发了基于贝叶斯网络和模糊逻辑的事故模型,并在该框架内评估了旨在预防未来事故的系统改进措施。分析表明,操作人员错误和报警缺陷显著增加了故障风险

作者贡献声明

Furkan Ertan:可视化、验证、软件开发、方法论设计、调查、数据分析、概念化。?zkan U?urlu:撰写 - 审稿与编辑、初稿撰写、监督、方法论设计、调查、概念化。Fatih Tono?lu:初稿撰写、软件开发、方法论设计。F?rat Sivri:初稿撰写、软件开发、方法论设计。Serdar Y?ld?z:撰写 - 审稿与编辑、初稿撰写、数据分析。Jin Wang:撰写 - 审稿与

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
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