專利名稱：汽輪發(fā)電機組隨機振動故障實時診斷方法
技術領域：
本發(fā)明屬于大型旋轉機械振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領域，特別涉及汽輪發(fā)電 機組振動狀態(tài)自動在線監(jiān)測的一種汽輪發(fā)電機組隨機振動故障實時診斷方法。
背景技術：
隨著機組容量增大，有些大型汽輪發(fā)電機組經(jīng)常表現(xiàn)為較為明顯的隨機振動 故障，其頻率、振幅波動性變化明顯，表現(xiàn)形式較復雜。隨機振動故障本身不會 給機組安全運行帶來直接危害，但是隨機振動將會對機組長期穩(wěn)定可靠運行帶來
不利影響。
(1) 隨機振動可以誘發(fā)明顯的有害振動。由于隨機振動的頻譜是連續(xù)譜，激 振力頻帶相當寬。如果周圍存在自振頻率與隨機振動頻率成份匹配的部件，它將 會激起不穩(wěn)定共振，誘發(fā)明顯有害振動。例如，軸瓦軸向隨機振動，本身雖然不 會給機組安全運行帶來不利影響，但由于傳至軸系，經(jīng)波形節(jié)聯(lián)軸器共振放大之 后，產(chǎn)生了明顯有害振動，使波形節(jié)產(chǎn)生較大的交變應力，長期運行波形節(jié)將會 產(chǎn)生疲勞損傷和斷裂，造成機組重大生產(chǎn)事故。
(2) 隨機振動表現(xiàn)是機組嚴重振動故障的重要征兆，如果不及時處理，將會 給機組安全運行帶來不利影響。例如，由松動的大部件和軸頸不穩(wěn)定沖擊激起的 隨機振動，不及時調(diào)整機組轉子平衡，降低激振力，其直接后果是機組軸瓦在短 期內(nèi)將被振碎。
通常，機組隨機振動故障的診斷工作都是由經(jīng)驗豐富的專家完成，具有診斷 經(jīng)濟成本高，周期長，可靠性低，有效性差的缺點。因此，汽輪機組隨機振動故
障在線實時診斷方法具有一定的重要用途。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠實現(xiàn)自動在線監(jiān)測、準確診斷故障的汽輪發(fā) 電機組隨機振動故障在線實時診斷方法。
一種汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其特征是該隨機振動故障在線^時診斷方法包括
(a) 數(shù)據(jù)采集，采集汽輪機組軸系的軸承座振動信號、軸振動信號以及振動信 號分析處理需要的鍵相信號，進一步計算得到相對軸振通頻振幅，軸承座的瓦振
振動通頻幅值，結合FFT(快速傅立葉變換)頻譜分析，得到軸承座振動預先設定 頻段內(nèi)的通頻振幅；
(b) 瓦振低頻振動與軸振關聯(lián)性分析，將上述計算的軸承座瓦振低頻振動預先 設定頻段內(nèi)的通頻振幅、相對軸振通頻振幅二者的比值，以此為依據(jù)定量判定軸 承座的低頻振動設定頻段內(nèi)的振動與相對軸振具有非關聯(lián)性；
(c) 瓦振低頻振動幅值條件驗證，依據(jù)低頻振動預先設定頻段內(nèi)的通頻振幅 數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關定量計算，評價設定頻段內(nèi)低頻振幅的波動情況；
(d) 瓦振低頻振動主頻率條件驗證，結合軸承座瓦振振動信號的FFT頻譜分 析結果，定量分析預先設定的低頻振動頻段內(nèi)振動主頻率變化情況，評價判定設 定頻段內(nèi)低頻主頻率波動是否明顯；
(e) 瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證，結合軸承座瓦振振動信號的FFT頻 譜分析結果，通過計算低頻振動頻段內(nèi)頻率成份數(shù)量及變化情況，評價判定設定 頻段內(nèi)低頻振動頻率成份分散性是否明顯；
(f) 機組隨機振動故障識別診斷，結合軸承座的瓦振低頻振動幅值條件驗證、 低頻振動主頻率條件驗證及低頻振動頻率成份分散性驗證這3項驗證的結果，綜 合判斷得出大型汽輪發(fā)電機組是否發(fā)生隨機振動故障的結論。
本發(fā)明的有益效果是汽輪機組隨機振動故障診斷方法利用機組運行中軸系 的振動數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算分析判斷得到故障診斷結論，具有方法科學，結論可靠， 能夠實現(xiàn)自動實時在線監(jiān)測、診斷故障等優(yōu)點。


圖1為大型汽輪發(fā)電機組隨機振動診斷功能流程圖。 圖2為瓦振低頻振動與軸振非關聯(lián)性驗證功能結構框圖。 圖3為瓦振低頻振動幅值條件驗證功能結構框圖。 圖4為瓦振低頻振動主頻率條件驗證功能結構框圖。圖5為瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證功能結構框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種能夠實現(xiàn)自動在線監(jiān)測、準確診斷故障的汽輪發(fā)電機組隨機 振動故障在線實時診斷方法。首先進行基本情況分析
一、 在汽輪發(fā)電機組上能激起隨機振動故障有兩大類。 一是流體沖擊；二是 松動的大部件和軸頸對軸瓦不穩(wěn)定沖擊。首先，與軸承座直接或間接相連的管道 有循環(huán)水管、油管、主蒸汽管、再熱蒸汽和導汽管等，當這些管路設計不合理時， 在較大流量下管路會激起顯著隨機振動，管道的隨機振動傳至軸承座或汽缸。其 次，支承的有關部件發(fā)生松動，將會引起軸承座連接剛度降低，在激振力不變時 軸承振幅會增大。當軸瓦在瓦窩內(nèi)松動、汽缸內(nèi)某個大部件松動，在振動或汽流 作用下，對軸瓦或汽缸產(chǎn)生沖擊，或軸頸對軸瓦產(chǎn)生不穩(wěn)定沖擊，將激起隨機振 動。
二、 汽輪發(fā)電機組上的隨機振動故障，頻譜以連續(xù)譜為主，其主頻率和幅值 均極不穩(wěn)定。隨機振動就其振動頻率成份是由激振力頻率決定，當激振力頻率在 某一范圍內(nèi)頻率成份豐富時，振動頻譜表現(xiàn)為連續(xù)，其中振幅最大對應的頻率稱 為主頻率，在不同時間主頻率及其幅值變化顯著。目前在大機組上觀察到的低頻 振動幅值不穩(wěn)定，振動主頻率在5-30Hz范圍內(nèi)波動變化，振動頻譜表現(xiàn)為連續(xù)。
本發(fā)明就是在以上所述內(nèi)容基礎上，根據(jù)汽輪機組隨機振動故障的主要特 征，結合振動信號分析處理及模式識別技術，對汽輪機組的隨機振動故障進行分 析診斷。
大型汽輪發(fā)電機組隨機振動故障實施診斷方法主要由數(shù)據(jù)采集及預處理、瓦 振低頻振動與軸振非關聯(lián)性驗證、瓦振低頻振動幅值條件驗證、瓦振低頻振動主 頻率條件驗證、瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證、機組隨機振動故障識別診斷 等環(huán)節(jié)組成，其功能流程圖如圖1所示。在實時診斷過程中，針對相應的瓦振(軸 承座振動)與軸相對振動，先進行瓦振低頻振動與軸振關聯(lián)性分析，在驗證瓦振 低頻振動在設定頻段內(nèi)的振動與相對軸振的關聯(lián)性不明顯后，再進入后續(xù)針對軸 承座瓦振低頻振動的幅值條件驗證、主頻率條件驗證及頻率成份分散性驗證等實時運算分析。下面結合附圖進一步說明具體實施步驟及診斷方法。 數(shù)據(jù)采集及預處理
在汽輪發(fā)電機組上能激起隨機振動故障有兩大類， 一是流體沖擊；二是松動 的大部件和軸頸對軸瓦不穩(wěn)定沖擊。上述隨機振動都是在軸承座上表現(xiàn)明顯，在 后續(xù)的計算分析過程中需要用到相對軸振動數(shù)據(jù)。因此，診斷機組隨機振動故障 采集汽輪機組軸系的軸承座振動信號以及軸振動數(shù)據(jù)。
根據(jù)采集得到的振動信號，得到相對軸振通頻振幅A。，軸承座振動通頻幅 值Av。對軸承座振動進行FFT(快速傅立葉變換)頻譜分析，根據(jù)預先設定的低頻 振動頻段[^_，結合FFT頻譜分析結果，累加頻段內(nèi)的振幅得到該頻段內(nèi)
的通頻振幅^n^。
瓦振低頻振動與軸振非關聯(lián)性驗證
計算瓦振低頻振動頻段[/^ ， /^』內(nèi)的通頻振幅J^、相對軸振通頻振幅Av 二者的比值《、=《/《。在設定的時間段內(nèi)，如果比值&的最大值、最小值的差
值的絕對值大于設定的閾值rra (設定閾值7;,為0.3)，那么判定低頻振動設定頻
段內(nèi)的振動與相對軸振非關聯(lián)性驗證通過，否則判定為驗證不通過，其功能結構
框圖如圖2所示。
瓦振低頻振動幅值條件驗證
分析瓦振低頻振動幅值波動性，評價設定頻段內(nèi)最大振幅的波動情況，其功
能結構框圖如圖3所示。在設定時間段內(nèi)，計算瓦振低頻振動頻段K她，/ 』內(nèi) 的通頻振幅的最大值和最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于預先設定
的閾值7;^，那么判定低頻振動幅值條件驗證通過，否則判定為驗證不通過。 瓦振低頻振動主頻率條件驗證
對瓦振信號進行FFT(快速傅立葉變換)頻譜分析，在預先設定的低頻振動頻
段[/;^，^^]內(nèi)，得到最大振動幅值對應的主頻率值y;,。在設定時間內(nèi)，計算 /,^的最大值和最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于預先設定的閾值r,， 那么判走瓦振低頻振動主頻率條件驗證通過，否則判定驗證不通過，其功能結構
框圖如圖4所示。瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證
對瓦振信號進行FFTX快速傅立葉變換)頻譜分析，在預先設定的低頻振動頻
段[/;,，Y，m]內(nèi)，計算得到幅值大于設定值的低頻振動頻率。在設定時間內(nèi)，計 算符合條件的低頻振動頻率成份數(shù)量0"在FFT頻譜分析的采樣頻率、采樣數(shù) 確定的情況下，0/可以明確得到。根據(jù)FFT頻譜分析的采樣頻率、采樣數(shù)設定 低頻振動頻率成份數(shù)量閾值7V，如果低頻振動頻率成份數(shù)量大于閾值7^，那么 判定為瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證通過，否則判定驗證不通過，其功能結 構框圖如圖5所示。
汽輪發(fā)電機組隨機振動故障的診斷
根據(jù)上述瓦振低頻振動幅值條件驗證、瓦振低頻振動主頻率條件驗證及瓦振 低頻振動頻率成份分散性驗證的結果，可以做出是否發(fā)生隨機振動故障的診斷。 如果同時通過上述3項驗證，那么可以判斷發(fā)生隨機振動故障。
實施例
利用該方法可以實現(xiàn)對300MW汽輪發(fā)電機組高壓轉子一側的軸承座處的隨 機振動故障診斷。根據(jù)該方法設計具體的隨機振動故障計算機診斷程序，將故障 診斷程序安裝在工控機(IPC)內(nèi)。隨機振動故障實時診斷程序中的一次診斷循環(huán)過 程包括診斷方法中涉及的數(shù)據(jù)采集及預處理、瓦振低頻振動與軸振非關聯(lián)性驗 證、低頻振動幅值條件驗證、低頻振動主頻率條件驗證、低頻振動頻率成份分散 性驗證、機組隨機振動故障識別診斷等一系列計算分析驗證環(huán)節(jié)。
首先，工控機(IPC)通過高速數(shù)據(jù)采集卡實時采集汽輪發(fā)電機組高壓轉子一側 的軸承座振動及軸相對振動信號。根據(jù)采集得到的振動信號，得到相對軸振通頻 振幅Ac，軸承座振動通頻幅值^&。對軸承座振動進行FFT(快速傅立葉變換)頻 譜分析，根據(jù)預先設定的低頻振動頻段[5/fe， 3Wfe]，累加頻段內(nèi)的振幅得到該 頻段內(nèi)的通頻振幅^^。
其次，故障診斷程序實時計算軸承座振動(瓦振)低頻振動頻段[5/fe， W/fe]
內(nèi)的通頻振幅J^、相對軸振通頻振幅Av二者的比值&、-vCM,。在設定的時間 IO秒內(nèi)，計算比值凡,的最大值、最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于設定的閾值0丄那么判定低頻振動設定頻段內(nèi)的振動與相對軸振非關聯(lián)性驗證通 過，故障診斷程序進入后續(xù)的分析診斷環(huán)節(jié)。如果驗證判定為不通過，故障診斷 程序不會進入后續(xù)的分析診斷環(huán)節(jié)，重新進入數(shù)據(jù)采集及預處理環(huán)節(jié)。
故障診斷程序針對高壓轉子的一側軸承座振動信號，進行瓦振低頻振動幅值 條件驗證、瓦振低頻振動主頻率條件驗證及瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證等 3項驗證，3個驗證過程是實時同步進行的。3項驗證中的任何一項驗證失效，都 會導致程序重新進入進入數(shù)據(jù)采集及預處理環(huán)節(jié)。
在瓦振低頻振動幅值條件驗證中，故障診斷程序實時計算軸承座振動(瓦振)
低頻振動頻段[5/fe， WZ/z]內(nèi)的通頻振幅^vc。在設定的時間IO秒內(nèi)，計算J^ 的最大值和最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于預先設定的閾值IO微米，
那么判定瓦振低頻振動幅值條件驗證通過。
在瓦振低頻振動主頻率條件驗證中，故障診斷程序實時計算預先設定的低頻
振動頻段[J/fe， M/fe]內(nèi)，得到最大振動幅值對應的主頻率值/。M^計算/。 ^的
最大值和最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于預先設定的閾值5Hz，那么 判定瓦振低頻振動主頻率條件驗證通過。
在瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證中，在設定的時間IO秒內(nèi)，故障診斷 程序實時計算預先設定的低頻振動頻段[5/fe， 30/fe]內(nèi)，幅值大于1微米的低頻 振動頻率成份數(shù)量0,，假設FFT頻譜分析的采樣頻率為1000Hz、采樣數(shù)為1000 的情況下，低頻振動頻率成份數(shù)量閾值為2500。如果通過計算得到在[5/fe， 30//z] 內(nèi)，幅值大于1微米的低頻振動頻率成份數(shù)量為3100，該值大于閾值2500，那 么判定為低頻振動頻率成份分散性驗證通過。
最后，故障診斷程序根據(jù)瓦振低頻振動幅值條件驗證、瓦振低頻振動主頻率 條件驗證及瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證的結果，判斷是否發(fā)生隨機振動故 障的診斷。如果同時滿足上述3項驗證，那么可以判斷發(fā)生隨機振動。
權利要求
1. 一種汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其特征在于，該隨機振動故障在線實時診斷方法包括(a)數(shù)據(jù)采集，采集汽輪機組軸系的軸承座振動信號、軸振動信號以及振動信號分析處理需要的鍵相信號，進一步計算得到相對軸振通頻振幅，軸承座的瓦振振動通頻幅值，結合FFT頻譜分析，得到軸承座振動預先設定頻段內(nèi)的通頻振幅；(b)瓦振低頻振動與軸振關聯(lián)性分析，將上述計算的軸承座瓦振低頻振動預先設定頻段內(nèi)的通頻振幅、相對軸振通頻振幅二者的比值，以此為依據(jù)定量判定軸承座的低頻振動設定頻段內(nèi)的振動與相對軸振具有非關聯(lián)性，向診斷決策提供驗證支持；(c)瓦振低頻振動幅值條件驗證，依據(jù)低頻振動預先設定頻段內(nèi)的通頻振幅數(shù)據(jù)，經(jīng)過相關定量計算，評價設定頻段內(nèi)低頻振幅的波動情況，向診斷決策提供驗證支持；(d)瓦振低頻振動主頻率條件驗證，結合軸承座瓦振振動信號的FFT頻譜分析結果，定量分析預先設定的低頻振動頻段內(nèi)振動主頻率變化情況，評價判定設定頻段內(nèi)低頻主頻率波動是否明顯，向診斷決策提供驗證支持；(e)瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證，結合軸承座瓦振振動信號的FFT頻譜分析結果，通過計算低頻振動頻段內(nèi)頻率成份數(shù)量及變化情況，評價判定設定頻段內(nèi)低頻振動頻率成份分散性是否明顯，向診斷決策提供驗證支持；(f)機組隨機振動故障識別診斷，結合軸承座的瓦振低頻振動幅值條件驗證、低頻振動主頻率條件驗證及低頻振動頻率成份分散性驗證這3項驗證的結果，綜合判斷得出大型汽輪發(fā)電機組是否發(fā)生隨機振動故障的結論。
2.根據(jù)權利要求1所述汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其特 征在于，所述相對軸振通頻振幅是根據(jù)采集得到的振動信號，得到相對軸振通頻 振幅Ae，軸承座振動通頻幅值Av;對軸承座振動進行FFT頻譜分析，根據(jù)預先 設定的低頻振動頻段[/^ ， , ^]，結合FFT頻譜分析結果，累加頻段內(nèi)的振幅得 到該頻段內(nèi)的通頻振幅^^。
3.根據(jù)權利要求1所述汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其特 征在于，所述瓦振低頻振動幅值波動性是在設定時間段內(nèi)，計算瓦振低頻振動頻 段[/;,， /^]內(nèi)的通頻振幅^^的最大值和最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于預先設定的閾值remrf，那么判定低頻振動幅值條件驗證通過。
4.根據(jù)權利要求1所述汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其 特征在于，所述瓦振低頻振動主頻率條件驗證是對瓦振信號進行FFT頻譜分析， 在預先設定的低頻振動頻段[/;一， /a^]內(nèi)，得到最大振動幅值對應的主頻率值/amffic，在設定時間內(nèi)，計算/。 ^的最大值和最小值的差值的絕對值，如果該絕對值大于預先設定的閾值rw/rf，那么判定瓦振低頻振動主頻率條件驗證通過。
5. 根據(jù)權利要求i所述汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其特征在于，所述瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證是對瓦振信號進行FFT頻譜分 析，在預先設定的低頻振動頻段[/^ ， /^J內(nèi)，計算得到幅值大于設定值的低頻 振動頻率，在設定時間內(nèi)，計算幅值大于設定值的低頻振動頻率成份數(shù)量G/， 以采樣數(shù)設定低頻振動頻率成份數(shù)量閾值7>，如果低頻振動頻率成份數(shù)量0/大 于閾值7>，那么判定為瓦振低頻振動頻率成份分散性驗證通過，否則判定驗證 不通過。
6. 根據(jù)權利要求1所述汽輪發(fā)電機組隨機振動故障在線實時診斷方法，其特 征在于，所述汽輪發(fā)電機組隨機振動故障的診斷是在實時診斷隨機振動故障過程 中，根據(jù)上述瓦振低頻振動幅值條件驗證、瓦振低頻振動主頻率條件驗證及瓦振 低頻振動頻率成份分散性驗證的結果，如果同時通過上述3項驗證，那么判斷發(fā) 生隨機振動故障。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于大型旋轉機械振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷領域，涉及汽輪發(fā)電機組振動狀態(tài)自動在線監(jiān)測的一種汽輪發(fā)電機組隨機振動故障實時診斷方法。通過采集汽輪機組軸系的軸承座瓦振振動信號、軸振動信號，對振動數(shù)據(jù)進行標定轉換、異常點剔除等必要的數(shù)據(jù)預處理。利用FFT(快速傅立葉變換)頻譜分析，對振動數(shù)據(jù)進行瓦振低頻振動與軸振關聯(lián)性分析，并進一步對軸承座瓦振振動數(shù)據(jù)進行低頻振動幅值條件驗證、低頻振動主頻率條件驗證、低頻振動頻率成份分散性驗證等實時定量計算分析。在上述實時定量計算分析基礎上，結合各項驗證結果，診斷機組是否發(fā)生隨機振動故障。
文檔編號G01M7/00GK101430247SQ20081022758
公開日2009年5月13日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權日2008年11月28日
發(fā)明者宋光雄 申請人:華北電力大學