（计算机应用技术专业论文）汽轮机监测保护装置测试系统的研究与设计.pdf

j j _ l。，和：， 恻 r e s e a r c ha n dd e s i g no ft e s t i n gs y s t e mf o rt u r b i n e 一 - 是i u p e r v i s o r 、，i n s t r u m e n t a t i o n b y l i a n gz h i b i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f s u n y i q i at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y1 0 ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞：。查：塞酋日期：吵二羔j 孑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者繇瓢弑导师虢张亏嗍2 叩川矿 济南大学硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t v 第一章绪论1 1 1 课题研究背景及意义。l 1 2 汽轮机轴系预测维修装置简介2 1 3 本文主要工作4 第二章汽轮机监测保护装置测试相关内容5 2 1 传感器5 2 2 传感器的安装及轴心位置建模5 2 3 汽轮机轴系的振动信号8 2 4 信号分析9 2 4 1 频谱分析和波形分析的关系9 2 4 2 波形分析。1 1 2 4 2 1 波形分析的基础知识11 2 4 2 2 简单波形的分解1 2 2 4 3 频谱分析1 4 2 4 3 1 周期信号的频谱分析一傅里叶级数1 4 2 4 3 2 非周期信号的频谱分析一傅里叶积分1 5 第三章系统总体结构1 7 3 1 系统硬件平台1 7 3 2 软件框架一l7 3 2 1 上位机软件部分1 8 3 2 2 下位机软件部分18 第四章上位机与下位机之间的网络通讯1 9 4 1w i n d o w s 套接字1 9 4 2p a c k e td r i v e r 2 1 4 3 通讯协议2 1 4 3 1 上位机通讯模块设计2 2 汽轮机龄测保护装置测试系统的研究与设计 4 3 2 下位机通讯模块设计2 5 第五章系统实现2 7 5 1 系统概述2 7 5 2 数据处理2 7 5 2 1 数据采集和发送2 7 5 2 2 测试系统中所用数据结构2 8 5 2 3 数据存储2 9 5 2 4 历史数据3 0 5 3 下位机部分的具体实现。3 0 5 3 1 网卡驱动程序的安装3 0 5 3 2 通讯模块的实现3 0 5 3 3 转速信号模拟的实现3 3 5 3 4 振动信号模拟的实现一3 4 5 4 上位机软件部分的具体实现3 5 5 4 1 主界面及功能简介3 5 5 4 2 系统参数设置界面一3 6 5 4 3 数据预处理及振动信号预分析3 8 5 4 - 3 1 数据预处理3 8 5 4 3 2 振动信号预分析4 0 5 4 4 轴振卡件测试4 2 5 - 4 5 键相、转速卡件测试4 4 5 4 6 位移、差胀卡件测试4 5 5 4 7 偏心卡件测试4 9 5 4 8 瓦振卡件测试4 9 5 4 9 复合振卡件测试5 0 第六章总结一5 3 参考文献一5 5 致谢5 9 附录a ( 攻读学位其间发表论文目录) 6 1 n 济南大学硕十学位论文 摘要 汽轮机作为火力发电厂重要的大型旋转机械，处于生产环节中的关键地位，对其 安全性和可靠性有很高的要求。为了保障汽轮机组的正常运行，汽轮机监测保护装置 ( t s i ，t u r b i n es u p e r v i s o r yi n s t r u m e n t a t i o n ) 在机组的保护中正在被越来越广泛的使 用，由此可见，监测保护装置是否可靠在很大程度上也决定了汽轮机组的运行情况。 目前汽轮机监测保护装置卡件的定期校验需要拆解送到实验室来进行，并且还必须使 用特定厂家的设备，这就造成了汽轮机组停机时间的延长，影响了电厂的正常运行时 间。济南大学计算机应用研究所与山东鲁能控制工程有限公司联合研发了汽轮机轴系 预测维修装置，可以对全面了解汽轮机的运行状态，这套装置采集的信号来源于t s i 。 在此装置的基础上，通过增加相应的硬件，对软件进行再开发。在保持汽轮机轴系预 测维修装置原功能的基础上，设计开发了具有可视化界面的、可以现场检测汽轮机监 测保护装置卡件的汽轮机监测保护装置测试系统。 论文首先介绍了汽轮机轴系预测维修装置的相关内容，通过深入研究，分析汽轮 发电机轴系传感器信号的特点及信号的采集、分析方法，总结出汽轮机监测保护装置 测试系统对汽轮机轴系各信号的需求，并给出了对测试系统需求信号的模拟实现方 法。在此基础上，设计出系统的总体结构，搭建了一个数字化的汽轮机监测保护装置 测试系统的硬件平台。 系统的软件框架采用了模块化的设计方法，即先设计系统，再划分任务模块，编 写任务流程图，直至最终的编程实现。系统软件的具体实现包括上位机和下位机两个 部分。上位机软件提供了可视化的人机界面，用于完成测试所需信号的编辑和预分析、 信号的发送和接收、测试数据的存储功能，信号预分析采用了f 兀算法。下位机软 件根据上位机编辑产生的最终测试信号数据驱动相关硬件电路产生振动、转速、位移 等测试信号。针对上下位机之间的通讯需求，设计了相应的通讯协议，并采用w i n s o c k a p i 和p a c k e td r i v e r 编程接口进行了实现。 本系统的各项功能已基本完成，可以完成对汽轮机监测保护装置卡件的测试，有 较高的实用价值。 关键词：汽轮发电机；预测维修装置：监测保护装置；测试系统； i i i 汽轮机躲测保护装胃测试系统的研究与设计 i v 济南大学硕 学位论文 a bs t r a c t t u r b i n e ，a si m p o r t a n tl a r g e - s c a l er o t a t i n gm a c h i n e r yi nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t s ，i s t h ek e yp o s i t i o ni nt h ep r o d u c t i o nc h a i n i th a sv e r yh i g hr e q u e s t st ot h es e c u r i t ya n d d e p e n d a b i l i t y i no r d e rt op r o t e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft u r b i n e ，t u r b i n es u p e r v i s o r y i n s t r u m e n t a t i o n ( t s i ) i si n c r e a s i n g l ya n dw i d e l yu s e di nt h et u r b i n e - g e n e r a t o ru n i t s p r o t e c t i o n s o ，t h er e l i a b i l i t yo fs u p e r v i s o r yi n s t r u m e n t a t i o ni sal a r g ee x t e n tt od e t e r m i n e t h eo p e r a t i o no fs t e a mt u r b i n eg r o u p a tp r e s e n t ，t h ep e r i o d i cc h e c ko ft s ic a r dn e e dt o d i s a s s e m b l ep a r t sa n ds e n tt oal a b o r a t o r yt oc a r r yo u t , a n da l s om u s tu s eas p e c i f i c m a n u f a c t u r e ro fe q u i p m e n t i tc a u s e se x t e n s i o no fs t e a mt u r b i n ed o w n t i m e ，a n da f f e c t st h e p o w e rp l a n t sn o r m a lr u n n i n gt i m e t h ei n s t i t u t eo fc o m p u t e ra p p l i c a t i o no fu n i v e r s i t yo f j i n a na n ds h a n d o n gl u n e n gc o n t r o le n g i n e e r i n gl i m i t e dc o m p a n yj o i n t l yd e v e l o p e dt h e p r e d i c t i v em a i n t e n a n c ed e v i c eo ft u r b i n e - g e n e r a t o rs h a f t t h ee q u i p m e n tc a nu n d e r s t a n d t h eo p e r a t i o ns t a t u so ft u r b i n e - g e n e r a t o ri nm u l t i - d i r e c t i o n a l ，r e a l t i m e l yo rh i s t o r i c a l l y i t c o l l e c t ss i g n a l sf r o mt s i o nt h eb a s i so ft h i sd e v i c e a n da d dt h ea p p r o p r i a t eh a r d w a r ea n d r e - d e v e l o p m e n ts o f t w a r e m a i n t a i nt h eo r i g i n a lf u n c t i o no fp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ed e v i c e o ft u r b i n e - g e n e r a t o rs h 雄d e s i g na n dd e v e l o p m e n tat e s t i n gs y s t e mf o rt s lw i t hv i s u a l i n t e r f a c ea n do n - s i t ed e t e c t i o nt s ic a r d f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e sr e l e v a n tc o n t e n ta b o u tp r e d i c t i v em a i n t e n a n c ed e v i c eo f t u r b i n e g e n e r a t o rs h a f t t h r o u g ht h ei n d e p t hr e s e a r c ha n da n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i c so f t u r b i n e g e n e r a t o rs h 硪s e n s o rs i g n a l s a n ds i g n a la c q u i s i t i o na n da n a l y s i sm e t h o d s ， s u m m a r i z e du pt s it e s t i n gs y s t e mn e e d so ft h ev a r i o u ss i g n a l so ft h et u r b i n es h a f t ，a n d g i v e sm e t h o d so fs i m u l a t ei m p l e m e n t a t i o nt ot h et e s t i n gs y s t e mr e q u i r es i g n a l s o nt h i s b a s i s ，t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e s i g n e d t h e nah a r d w a r ep l a t f o r mo fd i g i t a l t e s t i n gs y s t e mf o rt u r b i n es u p e r v i s o r yi n s t r u m e n t a t i o ni sb u i l tu p t h es o f t w a r ef r a m e w o r ko fs y s t e mi sd e s i g n e db yt h eu s eo fm o d u l a rd e s i g nm e t h o d i tm e a n sd e s i g n i n gs y s t e mf i r s t ，a n dt h e nd i v i d i n gt h et a s km o d u l ea n dc o m p i l i n gt h ef l o w c h a r to ft h e t a s ku n t i lt h ee n do ft h ep r o g r a m m i n g , f i n a l l yr e a l i z i n gb yp r o g r a m m i n g c o n c r e t er e a l i z a t i o no fs y s t e ms o f t w a r ei n c l u d e st w op a r t s ，t h ee p i g y n o u sm a c h i n ea n d h y p o g y n o u sm a c h i n e t h ee p i g y n o u sm a c h i n es o f t w a r ep r o v i d e sav i s u a lh u m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，a n du s e r sc a na c c o m p l i s ht h ee d i t i n ga n dp r e - a n a l y s i so fs i g n a lt h a tt h et e s t i n g v 汽轮机监测保护装置测试系统的研究与设计 n e e d s ，s e n da n dr e c e i v es i g n a l ，t e s td a t as t o r a g ec a p a b i l i t i e s t h es i g n a lp r e - a n a l y s i sa s e s s o m ea l g o r i t h m s ，s u c ha sf 凡c t c a c c o r d i n go nt h ef i n a lt e s t s i g n a l sg e n e r a t e db y e p i g y n o u se d i t , t h eh y p o g y n o u sm a c h i n es o f t w a r ed r i v e sc i r c u i tt og e n e r a t es i m u l a t e d s i g n a l ，s u c ha sv i b r a t i o ns i g n a l ，s p e e ds i g n a l ，d i s p l a c e m e n ts i g n a l ，e t c i nv i e wo ft h e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e e p i g y n o u sm a c h i n ea n dh y p o g y n o u sm a c h i n e , c o r r e s p o n d i n gc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i g n e d ，a n dr e a l i z e dv i aw i n s o c ka n dp a c k e t d r i v e t t h eb a s i cf u n c t i o n so ft h es y s t e mh a v eb e e nc o m p l e t e da n dc a nb eu s e dt ot e s tt s i c a r d i th a sah i 曲v a l u ef o rp r a c t i c e k e yw o r d s ：t u r b i n e 。g e n e r a t o r ；p r e d i c t i v em a i n t e n a n c e d e v i c e ； s u p e r v i s o r y i n s t r u m e n t a t i o n ；t e s t i n gs y s t e m v i 济南大学硕卜学位论文 ，一- ii。iil u ! i 一一i 鼍皇曼曼曼 1 1 课题研究背景及意义 第一章绪论弟一早三；百下匕 汽轮发电机是电力行业的大型设备【l 】【2 1 ，一旦发生故障，造成的损失非常严重， 因此普遍采用了汽轮机监测保护装置( t s i ) 。t s i 3 1 在机组启停和正常运行中能够实 时检测转子轴承振动、偏心、轴向位移、胀差、缸胀、转速等信号，并将其采集到 的信号传送给d c s 的数据采集系统，进而对机组的安全稳定运行起到保护的作用【4 】。 但是对于t s i ，作为一种需要定期校验的机组保护系统，缺少一种有效的现场校验手 段，只能在实验室里校验t s i 的卡件，有些还必须使用特定厂家的设备才能进行校验， 在这种情况下，必须把t s i 的框架和卡件全部拆下来进行测试，测试完成后在重新安 装框架和恢复接线等等【5 】。由于种种原因，一般仅在机组大修期间才能进行t s i 装置 的校验。 目前在国内外生产的t s i 装置的校验设备只能校验特定的厂家的t s i 的卡件，如 北京华英达公司生产的e n 2 0 0 装置只能在实验室校验本特利3 3 0 0 的t s i 的卡件和 菲利普的部分t s i 卡件，无法实现在现场进行t s i 的系统校验。山东电力公司开发了 s p e 一9 7 b 装置，使用此装置校验t s i 时，用户可以方便地任意设置各探头的特性系数， 该装置内部的e e p r o m 可以长期保存设置的各探头的特性系数。可以用岬显示值 校验t s i 装置；也可以根据探头实测的参数，选用电压显示值校验t s i 装置，因此该 装置校验t s i 时，基本上只需按照 s p e 一9 7 b 装置使用说明书，将通道的输出信号 加在现场端子上即可，非常方便地校验了整个t s i 装置，而且这种校验是现场的通道 系统校验。而国内外现有的t s i 校验装置只能将t s i 装置拆解运到实验室，在脱离 t s i 现场运行环境下校验单独的t s i 的卡件，所以无法进行现场的校验和通道系统校 验，从而降低了校验的可靠性。因此s p e 9 7 b 装置是t s i 校验装置产品的一大进步。 s p e 9 7 b 虽然可以校验多种的t s i ，但是存在成本高，没有可视化的界面，只能 逐点进行测试，在现场存储数据，对于数据的分析需要到装有数据分析的计算机上才 能进行，对于振动只能在单一频率4 5 h z 下测试等缺点。开发一种普遍适用的可视化 t s i 测试系统就显得尤为重要。 济南大学计算机应用研究所与山东鲁能控制工程有限公司联合研制的汽轮机轴 系预测维修装置已在多家电厂企业使用，该装置正是通过t s i 的缓冲接口来实时、自 动、连续地采集和存储汽轮机轴系动力系统的各种数据。本文在此装置的基础上通过 1 汽轮机髓测保护装置测试系统的研究与设计 量曼皇曼鲁皇曼曼i i 一- i i i i i i i 。 _ ii i i i 舅曼曼 增加相应的硬件，对软件进行再开发。在保持汽轮机轴系预测维修装置原功能的基础 上，设计开发了具有可视化界面的，在保持原现场的通道系统的环境下，检测汽轮机 监测保护装置卡件的汽轮机监测保护装置测试系统。这种测试具有可视化界面，成本 低、应用灵活方便、测试周期短，不论在机组大、小修或临时停机时，只需较短的时 间就可方便地对t s i 装置的各种卡件进行现场的通道系统测试，具有了很强的实用 性。 1 2 汽轮机轴系预测维修装置简介 任何一部运转的发电机组，都伴随有振动信号的产生，它的变化常常隐含着初期 故障特征信号，因而常常对振动信号进行监测。而对于汽轮发电机而言，转轴是其核 心部分，整个发电机组能否正常工作主要取决于转轴能否正常运转，且大多数振动故 障都是直接与转轴的运动有关，在进行预测维修时有必要对发电机轴系的状态做监 测。因此，结合电力行业的特点，立足于国际先进的技术水平，开发出具有中国国情 的汽轮机预测维修装置新产品有很重要的意义。针对此情况，济南大学计算机应用研 究所与山东鲁能控制工程有限公司联合研发了汽轮机轴系预测维修装置，其框架如图 1 1 所示。 该装置为故障的预测与诊断提供可视化的界面，运用多种相关技术，对设备运行 状态进行监测分析，了解和掌握设备在使用过程中的工作状态，判断其是否正常，以 及对设备的故障进行诊断和预报，避免发生灾难性事故，并对机组维修提供参考意见， 达到提高机组运行效率、降低维修费用、延长设备寿命、保证设备安全运行的目的。 该装置主要包括以下几部分功能： ( 1 ) 监测与分析部分 振动监测与分析包括实时监测、历史趋势分析、数据查询、事故追忆等功能。实 时在线采样和振动信号分析( f f t ) ，机组升降速( 解列状态) 和日常运行( 并网状 动数据采集、分析和存储，报警、危急识别和事故追忆，历史资料存储等。 2 ) 故障预测与诊断部分 方面将采集和存储的数据通过计算机软件，把发电机轴系运行状态由原来黑箱 视化的界面，这些数据可以是实时数据也可以是历史数据，操作人员可以在机 出现异常时进行相应的处理。另一方面是采用专家系统进行故障诊断，根据相 提出的诊断经验建立一些故障典型模型，在进行各类实时监测时进行故障诊断 2 济南大学硕十学位论文 曼舅曼曼皇曼! 皇曼曼曼曼曼曼皇n m m1 一_ | - - 一- - 鼍鼍 图1 1 汽轮机预测维修装置框架图 ( 3 ) 参数设置 传感器与下位机硬件有关的各种参数( 比如位移变换系数、电压变换系数、报警 限) ，以及装置存储数据的时间间隔，启停机文件的存储条件，装置存储数据的路径， 这些数据对整个装置都很重要，这些数据不是一成不变的，针对不同的机组这些数据 会不同，同一个机组在不同的时间可能会对这些参数做调整，因此这些参数必须是可 以修改的，但又不能随意变化。该装置将这些重要参数按照一定的数据结构存储于专 用文件中，并且设定了对这些参数的访问权限。 另外该装置通过汽轮机t s i 装置的传感器缓冲接口，可以实时、自动、连续地采 1 汽轮机监测保护装置测试系统的研究与设计 曼i i i ；o 曼曼曼鼍曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼! 皇皇曼曼皇舅曼量 集和存储汽轮机轴系动力系统的各种数据，并且采用时间间隔和转速间隔这两种方式 进行数据存储，从而提供了个实时的、全方位的轴系运行档案。图1 2 为汽轮机轴 系预测维修装置的应用示意图。 汽 轮 发 电 机 传感器 传感器 振动、转速、 位移、胀差等 信号 汽轮机轴 系预测维 修装置 图1 2 汽轮机轴系预测维修装置应用示意图 目前该装置已在山东邹县等电厂十多台机组运行，取得了良好的经济效益和社会 效益。 1 3 本文主要工作 本文在深入分析t s i 装置测试信号需求的基础上，基于现有的汽轮机轴系预测维 修装置进行再开发，利用计算机技术开发一个用于汽轮机监测保护装置测试的数字化 系统。针对t s i 的不同卡件类型【1 1 】，分析了各个卡件测试所需的信号，通过可视化的 界面针对不同类型的t s i 的卡件通道基本参数，设定测试点并选择相应的测试信号组 合。考虑到量化将产生误差，通过f f t 分析方法对测试信号进行预分析，通过调整 最终产生用户所要的测试信号。t s i 卡件在测试信号激励下产生一个反馈电流信号， 这个信号被系统采集并分析，通过比较预期输出与卡件的实际反馈来判断t s i 卡件是 否正常工作，并将测试时所用的相关数据保存为历史文件，以备今后查询使用。 本测试系统使汽轮机轴系预测维修装置、监测保护装置测试两套装置合为一套， 有效利用了现有资源，大大降低了成本。 论文主要内容和安排如下： 第一章对课题背景和汽轮机轴系预测维修系统进行简单介绍。 第二章对汽轮机监测保护装置测试相关的内容进行了介绍，包括所使用传感器的 特性及其安装，汽轮机轴系的振动信号和信号分析的方法。 第三章设计了系统的总体结构，包括硬件平台和软件框架。 第四章根据系统的需求设计了通讯协议，介绍了相关通讯技术。 第五章给出了系统的具体实现，包括了上位机和下位机的具体实现。 第六章对论文的工作进行了总结。 4 济南大学硕十学位论文 第二章汽轮机监测保护装置测试相关内容 汽轮机运行状态的监测借助于安装在汽轮机周围的各种传感器，t s i 采集的就是 这些传感器的信号，对t s i 各种卡件进行测试即是通过模拟这些传感器的信号来实 现。 2 1 传感器 对机器的状况进行监测就要用到传感器，传感器是将机械振动量转换为电量的机 电转换装置。传感器的性能及传感器的选用都直接影响整个测试系统的功能。在旋转 机械测试装置中，常用的传感器有三种类型：电涡流非接触式传感器、惯性式速度传 感器、压电式加速度传感器【1 2 】。t s i 采集信号所用的传感器大部分是电涡流非接触式 传感器，所以下面将主要对其进行介绍。 大部分振动参数都可以应用非接触式电涡流探头进行测量，它适合于测量转子相 对于轴承的相对位移( 包括平均位置及振动位移) 。由于转轴表面有很大的切线速度， 因此用接触式传感器难以实现振动的接收。涡流传感器是利用转轴表面与传感器探头 端部间的间隙变化来测量振动，从而避免了与转轴表面的直接接触。涡流式位移传感 器另一特点是具有零频率响应，因此它不仅可以测出转轴轴心的振动位移，而且还可 测出转轴轴心的静态位置的偏离，这在判断运转过程中轴心是否处于正常的偏心位置 是很有用处的。 电涡流传感器工作原理【1 9 1 ：电涡流传感器利用金属的电涡流效应，电涡流产生一 个交变磁场，根据楞次定律，其方向与线圈原磁场方向相反，因此这两个磁场相互叠 加，改变了原线圈的阻抗。线圈阻抗的变化即与电涡流效应有关又与静磁学效应有关、 即与金属导体的电导率、磁导率、几何形状、线圈的几何参数、激励电流频率以及线 圈到金属导体的距离等参数有关。电涡流传感器正是利用这个定律将传感器与被测金 属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数、等效阻抗和等效电感三个参数的变化。 在通过测量、检波、校正等电路变为线性电压( 电流) 的变化。 电涡流传感器特性曲线如图2 1 所示。传感器正常工作在线性区，灵敏度通常有 1 0 m v u m ，8 m v u m ，4 m v u m 等。图中横坐标d 表示汽轮机大轴表面与传感器探头的 距离，纵坐标u 表示传感器电压输出信号的绝对值。 2 2 传感器的安装及轴心位置建模 电涡流非接触式传感器可用于测量汽轮机大轴的振动和转速，分别称为位移传感 5 汽轮机监测保护装置测试系统的研究与设计 0 图2 1 电涡流位移传感器特性图 器和转速传感器。在实际应用中，汽轮机预测维修装置监测的轴系振动信号来源于现 场的数十个位移传感裂2 抛6 1 。汽轮机每个轴瓦上均有一对正交安装的位移传感器，如 图2 2 所示。 位移传感器的输出为电压信号，范围在o v - - 一2 4 v 之间，电压绝对值与传感器探 头到轴面的距离成正比。通过灵敏度系数，电压值可以转化为位移量，而这个位移量 就是探头与轴面的距离。 在测轴振时，常常将探头装在轴承壳上，这样所测结果是轴相对于轴承壳的振动。 由于轴在垂直方向上与在水平方向上的振动没有必然的联系，因此在垂直与水平方向 上各装一个探头，用以分别测量垂直和水平方向的振动。也可以如图2 2 所示，与铅 图2 2 位移传感器的安装示意图 6 济南大学硕十学位论文 曼i i 一_一 ii ii ii i i i i 毫曼曼曼曼皇曼 垂线各呈4 5 0 ，注意这是为了显示出传感器的位置而未按照比例画的示意图，以 3 0 0 m w 发电机组为例，其大轴的直径一般为3 0 0 r a m 左右，而轴瓦与轴之间的间隙 大概为0 s m m ，由轴心位置变化而引起的角度误差不会超过0 2 5 0 ，则可以认为轴表面 对于位移传感器的探头而言是一个平面，位移传感器测出的数值是探头与轴表面的距 离l ，假设轴的半径为r ，则探头距轴心的距离为l + r 。 汽轮机静止时，高压油泵未打开，轴是落在轴瓦的底部的，如图2 3 所示。假设 轴瓦半径为r ，轴半径为r ，则汽轮机工作时轴心的活动范围是一个以轴瓦圆心为圆心、 以( r - r ) 为半径的一个圆。由于( r r ) 与r 之比非常小，所以可以认为轴心与两传 感器的夹角保持9 0 0 不变，并且过圆心o 竖直向下的直线为该夹角的平分线。 图2 3 轴与轴瓦位置示意图 图2 4 中圆的半径为( r r ) ，是轴心的活动范围。当轴落在轴瓦的底部时，其轴心 如图2 4 中的。所示，此时左右位移传感器的读数是d l ( 0 ) 和d r ( o ) ，则轴心距传感器 的距离为【d “0 m 和【d r ( 0 m ；当轴心位置变化到0 1 时，位移传感器读数为d e ( 1 ) 和 d r ( 1 ) 。则此时o l 的坐标值为： x l = d r ( o ) - d r o ) - d “0 ) 一d l ( 1 ) c o s 4 5 0 y l = 【d r ( o ) 一d “1 ) 】+ d l ( o ) 一d l ( 1 ) ) s i n 4 5 0 转速传感器提供键相信号，供预测维修装置同步采样使用。每当大轴键相槽转到 传感器探头的位置时，探头与轴面的距离发生突变，转速传感器相应输出一个脉冲， 即为键相信号。转速传感器的安装位置如图2 5 所示。 7 汽轮机i 监测保护装置测试系统的研究与设计 r 一。_ 图2 4 轴心的位置计算 键相槽 图2 5 转速传感器安装不意图 2 3 汽轮机轴系的振动信号 汽轮机组的运行工作状态是需要时刻关注的，无论机组是否发生不正常的振动都 得如此，这就需要对机组进行振动测量，测量的主要内容是： ( 1 ) 振幅 振幅的大小是指振动峰与峰之间的双振幅数值的大小，是振动强度的标志，可以 看出机器运行是否平稳。振动峰值的大小问题涉及到振动度量的问题，对于振动度量 通常有峰值( 单振幅值) 、平均值和有效值三种度量方法。通常，一台正常运行的机 器有一个稳定的，可接受的低振幅值。因此，任何振幅读数的变化都反映了机器状态 的改变。 ( 2 ) 频率 振动频率通常表示为机器转动频率的倍数，其原因主要是由于机器的振动频率趋 向于机器转动频率的整倍数或分倍数。这样就给我们提供了表达振动频率的一种方便 8 济南大学硕上学位论文 曼曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼! ! ! 曼蔓! 皇! 曼曼皇曼! ! iii im ；_ i _ i i i i i 曼曼毫曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼蔓曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼皇舅曼曼曼 形式。通过这种方式，我们不必将所有振动频率表示为周分或赫兹，而是表示为机 器转动频率的一倍、两倍或机器转动频率的百分之多少等。 表示频率的通常方式有： i x ：振动频率和机器的转动频率相同。 2 x ：振动频率是机器转动频率的两倍。 1 1 2x ：振动频率是机器转动频率的一半。 ( 3 ) 转速 转速是指汽轮机大轴的旋转速度，也就是大轴在单位时间内的转动次数。 ( 4 ) 相位 在电力系统中，一般情况下指的相位是键相点与振动高点之间相角的差距。 2 4 信号分析 对于发电机组轴系的振动信号，一般均做两种分析：波形分析和频谱分析【3 3 】【蚓。 2 4 1 频谱分析和波形分析的关系 。频谱分析和波形分析既是互相独立又是密切相关的，它们之间有明显的区别，通 过傅里叶变换( f o u r i e r t r a n s f o r m ) 又可以相互转换。 波形分析一般指的是对波形在时间域和幅值域里进行分析，即对各种物理量的动 态信号的幅值对时间为坐标的函数x ( t ) 在时间域t 内进行分析。通常的测试记录都是 二维记录，总是一个坐标表示时间，而另一个坐标表示某种物理量的幅值，它表示了 动态信号的幅度和时问的关系。通过分析，给出各种量的幅值关系，如幅值的大小、 幅值对时间的分布、起始时间和持续时间、时间滞后、相位滞后、以及波形的畸变( 失 真) 等。 频谱分析( 也称频率分析) ，是对动态信号在频率域内进行分析，分析的结果是 以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值以频率为变量的频谱函数 r ( o ) 。频域分析中可求得幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等等。频谱分析过 程较为复杂，它是以傅里叶级数( f o u r i e rs e r i e s ) 和傅里叶积分( f o u r i e ri n t e g r a l ) 为基础 的。 波形分析( 时间域分析) 与频谱分析( 频率域分析) 是可以相互转换的，也就是 通过傅里叶变换把它们联系起来，即 _ f ( 缈) = ix ( t ) e j , o , d t ( 2 1 ) 卜 9 汽轮机监测保护装胃测试系统的研究与设计 曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼鼍i i i 一i 一一i i 一i i , 量曼曼曼曼曼曼罡鼍皇舅舅曼鼍曼曼曼 x ( 垆西1 ，p ) p 埘d c o ( 2 2 ) f ( 缈) 是x ( t ) 的傅里叶变换，x ( t ) 是f ( 缈) 的傅氏逆变换。波形分析与频谱分析关系 的简单例子，示于图2 6 ，即时域内的一个复合周期波，应用傅里叶技术的原理对波 形分解，得到一次波、二次波等等。而在频谱分析中，也可用傅里叶级数原理求 得复合周期波形的各个频率的离散频谱线，它们之间的关系是一致的。 图2 6 直观地表示了从时间领域和频率领域来观察动态信号的有机联系。如用傅 里叶级数分析一个复杂的周期振动，设 x = f ( t ) 则可分解为很多谐波分量： ? 三4 + 4s i n ( ：- 纯) + 鸣s m ( 研+ 伊z ) t 一+ 墨c o s ( 研+ 纯) ( 2 3 ) + 岛c o s ( o d t + 缈2 ) + 、7 反过来，公式( 2 3 ) 的逆过程也成立。 幅 值 时 幅 值 测 图2 6 波形分析和频谱分析分析对应关系 ( a ) 时域波形图( b ) 频域频谱图( c ) 对应关系图 频域和时域表明了动态信号的两个观察面，即这两种观察信号方法的角度不同。 波形分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频谱分析是把动态信号变为以频率 轴为坐标表示出来。时域表示较为形象和直观，频域表示动态信号则更为简练，剖析 问题更加深刻和方便。目前，动态信号分析的趋势是从时域向频域发展，然而，它们 是相互联系、缺一不可、相辅相承的。 1 0 济南大学硕十学位论文 ! 蔓曼曼曼曼曼曼量曼曼! ! ! ! ! 曼! ! ! 曼! ! ! ! 曼曼曼! 曼! 蔓曼曼曼! 曼皇曼曼曼皇i l li b 曼曼曼皇曼曼! 皇! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼鼍舅 2 4 2 波形分析 波形分析是在时间域和幅值域里对波形进行各种各样的分析。它的基本目的和作 用主要有以下几个方面： 确定实测波形参量的最大幅值和时间分布； 分析各个谐波分量的频率值； 分析各个谐波分量的各个幅值及相位； 2 4 2 1 波形分析的基础知识 ( 1 ) 波形的类型 实测动态物理量的波形有各种类型，如简谐波形( 正弦的或余弦的) 、周期波形、 瞬间波形和随机波形( 或称不规则波形) 。 ( 2 ) 简单波形的特征 波形的最简单形式是简谐波。简谐振动的波形数学方程式为： 工( f ) = a s i n ( c o t + 缈)( 2 4 ) 其中 a 一波形的峰值，离基线( 平衡位置) 的最大位移，也称为单振幅； 2 a 一相邻两峰之间的幅值，称为峰峰值，也称为双振幅； 卜周期，t = l = 2 7 r c o ( 秒) ； 缈一角频率( 圆频率) ( 弧度秒) ； 厂一频率，f = t o 2 j r ( 赫兹) ； 缈一初始相角，是波形时间起点的基准值。对式( 2 4 ) 中，缈为正值时，称相位 超前；为负值时，称相位滞后。 对于波形的幅值经常采用峰值( p e a k ) 、平均绝对值