（水利工程专业论文）水轮发电机组状态监测及其故障诊断研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 长江三峡工程，是当今世界上最大的水利枢纽工程，其功能包括防洪、发电和航 运等。我国将以三峡电站为核心，形成全国电网互联的基本格局。在这样的互联电网 格局中，三峡电站的安全稳定运行对于电力系统运行的稳定性无疑将起着至关重要的 作用。因此，保证运行的安全稳定性，减少对系统的冲击，是三峡电站设计和运行的 关键性问题。 在水电站运行过程中，能够影响和反映机组运行状态的参数很多，一般的计算机 监控系统往往都仅侧重于对温度和电量的监测，对机组运行期间振动和摆度量的监测 却重视不够。然而在水轮发电机组运行过程中，有很多原因都可能造成机组振动和摆 度过大甚至超标，有时还可能诱发共振而导致某些部件振动加剧，影响着电厂的安全 经济运行。对机组运行中的振动情况进行实时的监视、测量与分析是减少机组事故， 提高维修效率的有效途径。因为振动不仅含有幅值、相位和频率的信息，而且还能反 映出机组的故障状态且易于测量，因此振动监测也就越来越显得重要，也逐渐受到人 们越来越广泛的关注。 本论文正是针对这样一种实际需要，结合具体的科研开发项目，在对振动监测及 其相关技术做一介绍之后，讨论了水轮发电机组振动监测分析系统的总体构成与所能 实现的功能。详细研究了三峡水力发电厂左岸电站榴、# 1 0 机组的在线监测与故障诊 断系统。 本论文的研究内容如下： 1 阐述了振动监测与故障诊断的需求、意义和任务 2 对振动信号的分析与处理的理论基础做了系统的介绍； 3 讨论了状态监测与故障诊断系统的结构，水轮发电机组振动问题分类及故障诊 断的特点，给出了水轮发电机组故障诊断模型，为建立领域知识库打下了基础 4 在前面介绍的基础上，结合具体的科研项目，讨论了三峡电厂水轮发电机组振 动监测与故障诊断系统的组成、功能及其实际应用； j 总结与展望 关键词：三峡电厂水轮发电机组状态监测信号分析与处理故障诊断 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h r e eg o r g e sp r o j e c ti st h eg r e a t e s tw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c ti nt h ew o r l d ， f u n c t i o n i n ga sf l o o dc o n t r o l ，e l e c t r i c a lp o w e ra n ds h i p p i n g w i t ht h ei n t e r c o n n e c t i o no f p o w e rg r i d ，t h eo p e r a t i o ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo ft h r e eg o r g e sp l a n tb e c o m e sm o r ea n d m o r ei m p o r t a n tf o rt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l ep o w e rs y s t e m t h u s ，h o wt oa s s u r et h e o p e r a t i o ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t y ，r e d u c ei t si m p a c to nt h ep o w e rg r i da r et h ek e yp r o b l e m si n t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h r e eg o r g e sh y d r o p o w e rp l a n t d u r i n gt h er u n n i n go fh y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t s ，t h e r ea r em a n yp a r a m e t e r st h a t c a na f f e c ta n dr e f l e c tt h es t a t eo ft h er u n n i n gu n i t s i nu s u a lc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gs y s t e mo fh y d r a u l i cp o w e rs t a t i o n ，o n l ys u c hp a r a m e t e r sa st e m p e r a t u r ea n d e l e c t r i cq u a n t i t ya r es u p e r v i s e dw h i l et h es u p e r v i s i o no fv i b r a t i o na n ds w i n gi sn o tc n o u g h b u ti nt h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h e r ea r el o t so fr e a s o n st h a tm a ym a k et h ev i b r a t i o na n d s w i n go ft h eu n i t sg r e a t e ra n de v e nm a k ei tb e y o n dt h es t a n d a r d s o m e t i m e ss y m p a t h e t i c v i b r a t i o nc o u l db ei n d u c e d ，a sar e s u l tt h ev i b r a t i o no fc e r t a i nc o m p o n e n t si s a g g r a v a t e d a n da c c o r d i n g l yt h es a f ea n de c o n o m i co p e r a t i n go fh y d r a u l i cp o w e r p l a n ti sd i s t u r b e d i ti s a ne f f e c t i v em e t h o dt or e d u c ea c c i d e n t sa n dr a i s em a i n t e n a n c ee f f i c i e n c yt h a t p u tu p r e a l t i m ew a t c h i n g 、m e a s u r i n ga n da n a l y z i n go nv i b r a n tc o n d i t i o no fo p e r a t i n gu n i t si n t o p r a c t i c e b e c a u s en o to n l yt h ei n f o r m a t i o no fa m p l i t u d e 、p h a s ea n df r e q u e n c yi si n c l u d e di n t h ev i b r a n tc o n d i t i o nb u ta l s oi tc a nr e f l e c tt h es t a t eo ft h ef a u l ta n de a s yt om e a s u r e s ot h e v i b r a t i o nm o n i t o r i n gb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n dg e t sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e a t t e n t i o n d e a l i n gw i t ht h ep r a c t i c a ld e m a n da n dc o m b i n i n g t h ep r a c t i c a lp r o j e c t ，t h ec o m p o s i t i o n a n dt h ef u n c t i o no f “h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t sv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n da n a l y z i n g s y s t e m ”i sd i s c u s s e da f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft e c h n o l o g i e sr e l a t i v et ov i b r a t i o nm o n i t o r i n g d e t a i l e d l yr s e a r c hv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mo f8u n i ta n d1 0u n i to f t h e eg r o g e sh y d r o p o w e rp l a n t 。 i i 华中科技大学硕士学位论文 t h i sp a p e ri so r g a n i z e da sf o l l o w s ： 1t h en e c e s s i t y 、d u t ya n ds i g n i f i c a n c eo fd e v e l o p i n gv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l t d i a g n o s i sa r en a r r a t e d 2t h et h e o r yo ft h ev i b r a t i n gs i g n a la n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n gi si n t r o d u c e d 3at y p i c a ls t r u c t u r ep a t t e r no fs t a t es u p e r v i s i o n f a u l t d i a g n o s i ss y s t e mf o r h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gs e t si sb r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h ev i b r a t i o nt y p e sa n df e a t u r e so f h y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gs e t sa r ea n a l y s e d 4b a s e do nt h ei n t r o d u c e o ft h ef r o n t ，t h ec o m p o s i t i o nf u n c t i o na n df a c ta p p l i c a t i o n o fv i b r a t i o nm o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i ss y s t e mo fh y d r o e l e c t r i cg e n e r a t i n gu n i t so f t h r e eg r o g e sh y d r o p o w e rp l a n t 5s u m m r i z a t i o na n dp r o s p e c t i o n k e y w o r d t h r e e g r o g e sh y d r o p o w e rp l a n t ，h y d r o e l e c t r i c g e n e r a t i n g u n i t s ， c o n d i t i o m o n i t o r i n g ，s i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g ，f a u l td i a g n o s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：鸯次彳镭 日期：州年l1 月冒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并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 借阅。本人授权华中科技大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：李天冯 指导教师签名 幸錾 日期：伽降1 1 月胃目日期：t - s $ ，月g 日 华中科技大学硕士学位论文 l 概述 1 1 开发三峡水轮发电机组振动监测系统的意义 近年来，随着计算机技术的迅速发展，使得计算机在自动化领域的应用日趋广 泛。水电站作为关系国民经济建设和人民日常生活的重要生产部门，如何确保其运 行的安全性、可靠性、经济性以及生产的稳定性一直足电力生产部门研究的重点。 长江三峡工程，是当今世界上最大的水利枢纽工程，其功能包括防洪、发电和 航运等。我国将以三峡电站为核心，形成全国电网互联的基本格局。在这样的互联 电网格局中，三峡电站的安全稳定运行对于电力系统运行的稳定性无疑将起着至关 重要的作用。因此，保证运行的安全稳定性，减少对系统的冲击，是三峡电站设计 和运行的关键性问题。 在水电站运行过程中，能够影响和反映机组运行状态的参数很多，一般的计算 机监控系统往往都仅侧重于对温度和电量的监测，对机组运行期间振动和摆度量的 监测却重视不够。然而在水轮发电机组运行过程中，有很多原因都可能造成机组振 动和摆度过大甚至超标，有时还可能诱发共振而导致某些部件振动加剧，影响着电 厂的安全经济运行。对机组运行中的振动情况进行实时的监视、测量与分析是减少 机组事故，提高维修效率的有效途径。因为振动不仅含有幅值、相位和频率的信息， 而且还能反映出机组的故障状态且易于测量，因此振动监测也就越来越显得重要， 也逐渐受到人们越来越广泛的关注 2 j 0 水轮发电机组和其它机器设备一样，其在运转中的振动是一种普遍存在的、不 可能完全避免和消除的现象。只要将振动限制在允许范围内，它对机组本身及其j 作并无妨害，但是过大的、经常的振动却是十分有害的。在水轮发电机组运行过程 中，有很多原因( 如电气、机械和水力等因素) 都可能造成机组振动和摆度过大甚 至超标，有时还可能诱发共振而导致某些部件振动加剧，严重时可能危及机组甚至 电站的安全。其所呈现的特征是机组的振动、摆度和压力脉动的幅值较大。 华中科技大学硕士学位论文 由此可以看出：振动伴随着机械设备的运行而产生，它会引起机械设备运行的 劣化，必须将其控制在一定的许可范围之内；同时，振动又是机械设备本身动力学 特性的表征，由设备的振动信号的分析处理中，我们可以得到设备的运行状态，并 由此识别系统或设备的故障，从而找到对设备进行状态预知维修的时机和方法，达 到保障设备安全运行的目的。因为振动不仅含有幅值、相位和频率的信息，而且还 能反映出机组的故障状态且易于测量，因此振动监测也就越来越显的重要，也越来 越受到重视【3 】 4 1 。 在目前尚无较为有效的解决水力机组运行过程中振动较为严重这一问题的妥 善办法的情况下，水电厂振动监测分析系统可以对机组振动情况进行实时监测，并 利用专门的系统分析软件对所测数据进行相应处理，分析得出机组振动与运行工况 之间的关系，为寻找解决振动问题的方法提供实测资料和科学的依据。与故障诊断 专家系统相结合，将分析结果送入专家系统的知识库，对电站运行状况作出合理的 判断并给出相应的处理意见，从而可以实现完全意义上的监测诊断。 1 2 振动监测技术及故障诊断系统的发展概况 旋转机械广泛应用于电力、化工、机械及军事工业部门。例如，电力系统的汽 轮发电机组与水轮发电机组，化工系统的压缩机以及泵等机械设备。我国在化工、 电力等部门的机组振动保护系统的配置情况基本上是从国外引进的大型成套设备 都配有较完善的监测系统，而对国内制造和国内原有机组，尚未配备完整的监控系 统，随着监视仪器可靠性的提高以及人们对保护系统重要性认识的加深，正在准备 对原有设备进行改造，安装必要的监测装置。 由此可见，我国的有关部门正在从对旋转机械振动进行巡回检测、定期检测及 停机检修状况过渡到对机组进行长期连续监测的阶段，并进一步提出对机组的振动 信号进行状态分析及故障诊断要求。 近十多年来，我国一些高校、研究所和工厂，在振动监测和故障诊断这一领域 开展了许多研究工作，无论在理论研究、测试技术和仪器研制等方面，都取得了不 少成果，有的已用于国内用户。但由于产品设计水平尚有差距，以及元器件、接插 华中科技大学硕士学位论文 件等的质量问题，还不能完全满足工业部门的需要。因此越来越多的人正在广泛深 入地对旋转机械进行监视与诊断理论和方法的探讨以及各类仪器系统的研制 1 5 1 9 1 d o 。 我国对水电厂振动监测技术的研究和开发工作还刚刚起步，没有一个固定的模 式和完整的成功先例，尚处于不断创新与发展的阶段。随着现代化科学技术的迅速 发展，我国电力工业已进入大电网、高电压、大机组、高参数、高自动化的发展时 期，由此，对发电厂现代化管理提出了更高的要求。在这种情况下，水电厂振动监 测技术的研究将有效促进实时监测、故障诊断理论、维修决策理论等方面的技术进 步，有助于实现水电机组从计划检修向状态检修的转变，对确保电网安全、稳定、 高效运行起到重要作用，并给电厂与电网带来极大的直接经济效益和社会效益，具 有良好的应用前景。 1 3 水力机组振动监测系统的任务、作用和基本功鲥”儿埘 ( 一) 任务 振动现象是水轮发电机组运行时所不可避免的，但只有超过一定限度的振动才 会对枫组的安全运行带来危害。监测系统的直接任务就是： ( 1 ) 监测机组现在的振动水平，并根据预定的标准判断它是否在允许范围内； ( 2 ) 监测机组振动水平未来发展的趋势，预测机组是否或何时可能超过预定标 准： ( 3 ) 记录偶然出现的事故过程，为分析事故原因提供依据。 ( z - ) 作用和意义 ( 1 ) 实现机组振动的自动保护，这是电站实现“无人值班或少人值守”所不可 缺少的条件。今后，它应成为大中型、甚至所有电站必备的设备； ( 2 ) 为实现机组的“状态检修”创造条件： ( 3 ) 提高运行、管理的现代化水平，为实现运行、管理、故障诊断等的专业化、 自动化、网络化奠定基础。 华中科技大学硕士学位论文 ( 三) 完整的振动监测系统功能 完整的振动监测系统应包括下面三部分功能： ( 1 ) 振动的状态监测和振动保护功能 它是状态监测系统最基本的功能，用于振动量和脉动量的测量和显示、超限报 警或停机、振动变化的趋势分析、故障记录( 录波) 和事故追忆等。 ( 2 ) 数据分析功能 数据分析的基本功能是对振动测量结果进行幅值分析、频率分析、相位分析以 及分析结果的显示和存储；数据分析进一步的功能则是对测量记录或基本分析数据 继续多角度的相关分析及其显示和存储，以便得到有关振动的更多角度、更详细的 信息，为振动状态分析、振动变化趋势分析或振动故障诊断提供更加充分的依据。 ( 3 ) 故障诊断或辅助诊断功能 当振动故障出现时，确定或协助确定故障的原因和机理，然后提出处理措施方 面的建议，就是故障诊断的功能。从技术上说，故障诊断是振动监测系统功能的最 高阶段和最高目标。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文在对水轮发电机组振动监测系统的相关技术和信号分析与处理的基本 理论做了系统介绍的基础上，结合具体的科研项目，讨论了水轮发电机组振动监测 系统的构成以及功能实现。 初步建立了适用于三峡发电厂水轮发电机组的故障诊断知识库，实现了基于故 障树和规则树的自动诊断技术、基于典型样本的自动诊断技术和基于领域知识的咨 询诊断技术系统。 此外本论文还针对三峡电站的具体运行特点，实现了基于i n t e r n e t 的w e b 化实时状态监测和分析技术，通过与电厂m i s 系统的有机结合，。实现远程分析与 诊断。 本论文的结构安排如下： 第一章( 即上述内容) 对水轮发电机组振动监测系统的意义、f 1 ：用、发展概况： 4 华中科技大学硕士学位论文 第：章对振动信号的分析与处理的理论基础做了系统的介绍；第三章介绍了水轮发 电机组状态监测与故障诊断系统模型；第四章在 订面介绍的基础上，结合具体的科 研项目，讨论了三峡电厂水轮发电机纽振动监测j 分析系统的组成、功能及其实际 应用。第五章总结与展望。 e 华中科技大学硕士学位论文 2 , 1 引言 2 振动信号分析与处理的理论基础 设备在运行过程中，和运行状态有关的各种物理量随时间的变化呈现一定的规 律。这些物理量包括振动、噪声、温度、压力等。用各种相应的传感器及测量仪器 测得它们随时问的变化就获得信号。信号中常常包含对机器状态识别与渗断非常有 用的各种信息，有效地分析、处理这j i ! 信息，建立它们和设备运行状态之间的联系， 是设备故障诊断的基础。然而，信号中常常伴有各种噪声和干扰，要消除和减少噪 声和干扰的影响，需要对信号进行预处理。对测试信号的分析处理( 如滤波、调制、 变换、增强、估值等) ，就是对信号的加工变换，其目的是改变信号的形态，便于 滤除干扰噪声、提取有用信息、对信号进行分析和识别【1 8 1 1 1 9 脚】。 2 , 2 信号分析系统及其内容 信号分析的最终目的，总的来说可概括为两个主要方面：其一是分析信号本身 的特性及频率结构：另一方面是分析信号所依附的系统的动态特性，以了解系统在 各种信号( 包括干扰) 输入时所具有的品质，作为进一步改善系统及其设计的基础。 2 2 1 信号分析系统的组成 以前，信号分析主要通过模拟式分析仪器进行随着数字计算机的迅速发展， 现代信号分析通常有两种手段，一种是以计算机为核心的专用数字式信号分析仪 器，另一种是采用通用计算机，以软件方式来进行信号分析。尽管以上两种方式存： 形，上有所差别，但信号分析的基本手段和方法是基本一致的。信号分析系统的幕 厂 - 区寸酬枷s t t 中恒mp 斗、自【成可用罔2 + 1 来描述( 1 9 l 。 图2 1 信号二 析系统组成 华中科技大学硕士学位论文 各主要构成部分及功能： ( 1 ) 传感器单元完成信号的获得，它将待分析的物理量转化为电信号( 电压、 电流或其它屯参数) 的形式。这些物理量通常是电量、温度、压力、位移、速度、 加速度及流量等。 ( 2 ) 预处理单元来自传感器的输出信号通常是含于干扰噪声中的微弱信号， 因此一般信号在被采样之前须经过预处理。预处理单元的基本作用有两个：其一是 放大，将信号放大到与d 转换器相适配；其二是滤波，抑制干扰噪声信号的高频 分量，将频带压缩以降低采样频率，避免产生混淆。 ( 3 ) 采样保持( s h ) 及模数转换( a d ) 单元通过模数转换器a d 将模拟 信号x ( t ) 在时间上离散化及幅值上量化成数字信号x ( n ) ，以便计算机处理。实 际中模数转换器的型式有多种，在信号分析中要求选用转换速度快及转换精度比较 高的器件，例如常采用逐次逼近反馈编码原理的d 器件。 为了保证模数转换过程的精度，在转换过程中，被转换的输入信号应该不变或 变化很小，其变化所引起的误差不应超过a d 器件的龟化误差。对于信号变化快而 a d 器件转换速度不够高的情况，须在a d 转换器之前加个采样保持器( s h ) ， 以起到对信号的跟踪又在转换期间保持a f d 器件输入不变的作用。 ( 4 ) 信号分析单元通常由计算机来完成，这是信号分析的中心环节，它使整 个系统成为一个智能化的有机整体。分析内容随具体任务而定，取决于信号分析的 目的。 ( 5 ) 数模转换单元d ad a 转换器可以将汁算机的分析处理结果转换为模拟 量的形式输出，提供波形显示或其他用途【1 9 1 【2 1 1 1 2 2 1 。 2 ，2 2 信号分析的主要内容 信号分析的内容十分j h 泛，它包括对信号的时域特性及频域特性的分析，也包 括对信号所依附的各种形式的系统特性的分析。从f 。i 号分析的基本方法及手段出 发，可将信号分析的t 耍1 人j 容概括如下1 1 8 1 1 9 】： ( 1 ) 谱分析信i j 分 i 的 本山法之一是将时域惦号通过某种变换使信号的本 华中科技大学硕士学位论文 质挺现得更清晰，例如，通过傅立叶变换以频域的形式来描述信号，比在时域内描 述! l 有更简明清晰的特点，更能揭示信号的本质内容。特别是快速傅立叶算法发明 以f j ，频谱分析的应用更为丌阔。因此，通过傅立叶变换分析信号的频谱( 包括幅 值h 及功率谱) 来认识信号的频率结构是信号分析的重要内容。 ( 2 ) 相关分析当信号被强烈的随机干扰所混杂甚至淹没时，将信号做相关分 析，利用确定信号的规律性将其从干扰中分离出来，或者利用信号问的相关性求取 信i 传输系统的特征参数和动态特性。 ( 3 ) 滤波处理根据某种目的和技术指标设计一个系统，对信号进行加工处理 使j 变成所希望的形式。例如，削弱信号中多余的内容或滤除混杂在信号中的噪声 干扰，或者通过滤波变换将信号变成一种容易分析及识别的形式。 总的来说，通过各种分析技术，将信号中所包含的内容揭示出来，以达到各种 实目的目的，这就构成信号分析的主要内容。 2 3 信号的预处理技术 对于采集到的信号原有波形，首先要除掉各种无意义而有害的噪声( 干扰) ， 同l 时加工成便于进行精密分析的信号，这就u q 做信号的预处理。经过预处理的信号 在时域和频域内作了分析后，可对诊断所需的各离散值进行计算。 信号的预处理方法常用的有：滤波、相加平均、包络线处理等【“1 1 1 9 l 【2 0 1 。 2 4信号分析的一般方法 州蚓 信号描述有三种方式：时域描述、频域描述及幅值域描述，可分别以时间t 、 频蓐f 及幅值x 为坐标变量来描述信号的变化规律。信号分析与处理便是存时间、 频蕾、幅值等域分别进行的，它们是从不同的角度对信号进行观察幂1 分析，丰富信 号i ，析与处理的结果【1 2 】。 根据信号描述方式的不同，相应地产生了几种不同的信号分析的方法。信号 分听的经典方法￥r 时域分析法与频域分析法。时域分析又可称为波形分析，是用信 号r0 幅值随时问变化的图形或表达式束进行分析，可以得到任h j - 亥0 信i ；的瞬时值 华中科技大学硕士学位论文 或最大值、最小值、均值、均方根值等；也可以通过信号的时域分析，研究其稳态 分量与波动分量；对信号的相关分析，可以研究信号本身或相互之间的相似程度。 信号的频域分析是把信号的幅值、相位或能量变换为以频率坐标轴表示，进 而分析其频率特性的一种方法，又称为频谱分析，例如幅值谱、相位谱、能量谱密 度、功率谱密度等。对信号进行频谱分析可以获得更多的有用信息，因此，频谱分 析在近代信号分析技术中已成为一个重要手段。 信号的幅值域分析主要是针对随机信号而言的，由于随机变量x 幅值的不确 定性及其相对概率的确定性，引入概率密度函数来描述随机信号，显然它是以幅值 x 为自变量的函数。 2 4 1 信号的时域分析 对时域信号x ( t ) 的分析研究，可包括信号分解及参数分析两方面。 ( 一) 信号的时域分解 信号分解是从不同的角度出发，利用叠加原理将信号分解为两个或多个分量之 和，从而使信号所包含的时域特征更突出，或者使形式复杂的信号更便于分析。信 号分解常有以下几种基本方式：直流分解、偶奇分解 、虚实分解、窄脉冲叠加 分解、正交函数分解法。 ( 二) 时域参数分析 时域函数x ( t ) 给出了信号随时间变化的规律，因而可以求出任意时刻t 的值。 但在许多实际情况中并不需要了解信号的瞬时值及波形变化细节，只需了解某些表 征信号时域特征的参数即可。例如，对由传感器收集的信号x ( t ) ，有时只要x ( t ) 的 最大值不超过某一规定的极限值，就认为信号x ( o 所表示的工况是正常的，不必干 预，只有当其超过规定值才对工况进行调整处理。此时，就只需测取信号的最大值 即可。 对于时域波形参数的分析，因具体问题不同而有所差异，几种典型参数的分析 方法为：峰值及峰峰值分析、平均值分析、时间常数分析、拟合分析、相关分析。 华中科技大学硕士学位论文 2 4 2 信号的频率域分析 通过对信号的傅立叶变换可以求得信号的频率结构，了解信号的频率成分或系 统的动态特性。在此基础上，可实现对信号的控制、跟踪，或对系统参数的识别及 校正。因此，谱分析是信号分析中的重要内容。一般来说，谱分析包括频谱分析及 功率谱分析两部分。 2 4 3 信号的幅值域分析 信号的幅值域分析是指在信号幅值上进行的各种处理，它主要是针对随机信号 而占的。随机信号的各种参量的数据处理，是在分析确定性信号的基础上发展起来 的，它与确定性信号的分析方法，除了有相似之处外，也有明显的区别，这主要是 需要考虑概率和统计的因素。 2 5 小结 对振动信号的分析，通常是以快速傅立叶变换为基础，然后对信号在幅值域、 时域及频域上分别进行一系列的变换与处理。但是，对于不同类型的信号，其处理、 分析的方法不同。前面所介绍的对信号在三个变换域中的分析方法，只是信号分析 的一般性方法，随着近年来科学技术的发展，对信号分析与数据处理的要求也在不 断提高，相应地，信号分析与处理的方法也在不断的丰富与完善。针对不同的分析 对象和分析目标，应综合运用多种分析方法，以保证分析结果的准确性。但是，需 要强调的是，振动信号分析，只是为我们识别机器设备状态和发现故障提供一个有 力的工具，对于实际问题的解决，不仅需要使用者对信号分析与处理方法的正确理 解，而且还依赖与使用者对所分析和诊断对象的透彻认识。 l o 华中科技大学硕士学位论文 3 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统模型 水轮发电机组设备的状态监测与故障诊断系统( 简称f d i ) 通常包括四种功能， 即设备状态监测、故障诊断、故障预测与寿命分析和决策判断。f d i 系统判断机组 运行设备的好坏，在检测出设备有故障时，做出停机维修或更新改造设备或改变机 组运行条件等决策，从而保证机组的安全运行；同时，通过掌握机组的运行规律， 可以提高设备维修的可达性和设备完好性，减少设备的全寿命周期费用【5 2 1 。第一节 详述了f d i 实施环节和系统结构；第二节详细介绍了状态监测与故障诊断的关键技 术；第三节讨论了水轮发电机组振动的特点和故障分类，第四节总结了水轮发电机 组故障的特点。 3 1 状态监测与故障诊断实施环节和系统结构 3 1 1 状态监测与故障诊断实施的主要环节 状态监测与故障诊断实施的主要环节为状态检测、特征分析、特征量选择、工 况状态识别、故障诊断等，如图3 1 所示【1 9 】。 _ j 工况正常 工 状 特特况故 j 故障原因及部位 态征征 状 障一 检 分 _ 最 态诊 测 析选 识断 j1 ：况状态发展 择 别 l 趋势 图3 - 1 状态监测与故障诊断的主要环仃 ( 一) 信号的状态检测 应满足两方面的要求，一是状态，指对机组在运行中的检测；二是动态过程具 有多方面的信息，没必要都检测，所选择的信号及其在设备上的部位都要能敏感的 反映工况的变化。本文讨论的水轮发电机组的状态监测与故障诊断系统中的状态检 测，主要是安装状态状态数据采集和处理装置，连续地对机组所有测点的振动、摆 华中科技大学硕士学位论文 度、压力脉动、导叶开度等运行状态参数进行状态检测，显示机组的通频振幅、工 作状态、时域波形等。 ( 二) 信号特征分析 由于直接检测到的信号大都是随机信号，它包括了大量与故障无关的信息，一 般不宜作为判别量，需要用现代信号分析与数据处理方法把直接检测到的信号转换 为能表达工况状态的特征量，对于某些有规律的信号，可从波形结构上提取特征量。 特征分析的目的就是找到工况状态与特征量的关系，把反映故障的特征信息和与故 障无关的信息分离开来，达到“去伪存真”的目的。 在本文中主要是通过状态和追忆两种方式，对机组在不同状态下的信号快速、 准确地进行各种信号分析和处理，绘制出有利于识别机组状态的图谱，找出反映故 障特征信息。常用信号分析方法有时域波形图、频谱图、轴心轨迹图、趋势分析等。 ( 三) 特征量的选择 用上述方法可得到许多特征量，但没必要都用来做判别依据，实际中，各特征 量对工况状态变化的敏感程度不同，因此应选择敏感性强，规律好的特征量，达到 “去粗存精”。如水轮发电机组运行中振动的幅值和频率是最敏感的特征量。另外， 特征量的选取还要考虑实时性。 ( 四) 工况状态识别 对运行状态进行分类，判别工况状态是否j 下常，并对异常状态做出报警。 ( 五) 故障诊断 根据监测系统提供的信息和信号分析的结果，通过专家系统或模糊数学等方法 判断出故障原因、部位，对当前工况及其发展趋势作出确切的判断。判断依据有： 当前机组的实际运行工况( 征兆数据) ；历史资料及领域专家的知识( 知识库) 5 4 1 o 3 1 2 水轮发电机组设备豹状态监测与故障诊断系统结构 水轮发电机组设备的状态监测与故障诊断系统在系统结构上采用分布式系统 的结构模式，整个系统由数据采集、状态检测、信号分析处理、故障渗断专家系统 等组成，采用工业以太网和通信电缆作为通信网络。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 2 状态监测与故障诊断关键技术 3 2 1 监测点的选择与布置 测点是指测量被测单元状态信息和特征量的位置。确定合理的测点位置和数量 是保证监测和诊断准确的基础，所有测点的选择与水轮发电机组特性、旋转机械特 性、设备结构特点等联系起来，以使测点最有代表性，最能捕捉设备运行状态。如 轴摆度、机架振动、尾水管压力脉动等。 水轮发电机组的振动测试，同一位置的测点前i 置在同一水平面上，并且在同一 测点布置径向和轴向( 又称水平和垂直) 两个测点，以反映不同的故障在不同测点 方向上的表现。如下机架振动测点分别设在x 、y 方向上，在x 、y 处又设水平和 垂直两个传感器。 3 2 2 传感器的选择 ( 一) 传感器的重要的指标： ( 1 ) 动态范围：指传感器输出与输入之间的维持线性比例关系的测量范围。 一般动态范围越大越好。 ( 2 ) 灵敏度：指传感器输出量与输入量之比。 ( 3 ) 动态特性：指传感器响应的幅频特性、相频特性等，一般要求在所测信号 的频率范围内幅频特性是平直的，相频特洼是线性的，响应时延越小越好，否则转 换后的信号是失真的。要求传感器的响应频率范围大于被测量可能出现的虽大频率 范围。 ( 4 ) 稳定性：指传感器长时间使用后灵敏度、动态范围、动态特性的变化小， 重复精度高，否则要经常进行标定工作。 ( 5 ) 抗干扰能力强。 ( 二) 常用的传感器的种类 在振动钡0 试中，传感器按测量参数数据类型可分为位移传感器、速度传感器和 华中科技大学硕士学位论文 加速度传感器。 3 2 3 信号处理和特征提取 在设备状态监测中，下列规则可推荐用来选择不同的信号处理技术和特征提取 技术： ( 1 ) 如果传感器信号是平稳的，可使用p d f 和时域指数，如均值、方差、均方 根值、偏斜度、峭度、波峰因子等； ( 2 ) 如果传感器信号是平稳的并想要研究过程的动态特性，使用谱分析、倒谱 分析、序列交换、动态模型等方法； ( 3 ) 如果传感器信号是非平稳的，采用时频分布分析、高阶谱分析、小波 分析技术等： ( 4 ) 如果所监测的对象具有复杂的非线性特性，可采用分性和混沌特征量作为 特征： ( 5 ) 在某些实际应用中，可能要综合是用上述各类状态监测特征“3 。 3 3 水轮发电机组振动故障分类 3 3 1 水轮发电机组的振动故障分类 水轮发电机组的振动问题与一般旋转机械相比有其特殊性，除需考虑机械振动 方面的问题外，尚需考虑流体动压力及发电机部分的电磁力的影响。机组运行时流 体力、机械力及电磁力三者是相互影响的。囡此，水轮机组的振动是流体、机械、 电磁三者的耦合振动。但要根据三者的耦合关系来研究机组的振动是非常复杂的， 很难同时考虑三者的相互影响。为了研究方便，将引起水轮发电机组振动的原因大 致归纳为：机械、水力和电气三个方面的原因。并由此将机组振动分为以下三类： ( 1 ) 机械方面的振动主要有以下几个方面： 机组转子部分困不平衡、弯曲或部件脱落等造成的振动； 1 4 华中科技大学硕士学位论文 机组对中不良、法兰连接不紧或固定件松动； 机组固定部分与旋转部分相碰擦； 轴承间隙过大或推力轴承调整不良等原因而引起转子的不稳定运动。 ( 2 ) 水力作用的振动水轮机组在某些工况下运行，因水流力作用而引起转 轮、叶片、尾水管、管道等振动和噪音，这方面主要有： 因脱流漩涡引起的机组振动，这种振动会导致叶片根部产生裂纹乃至断裂： 当转轮叶片发生颤动时，机组会产生强烈振动，这是由于流体作用于转轮或叶 片中的能量超过转轮结构阻尼所消耗的能量的缘故； 尾水管中水流的低频压力脉动，这是由于在尾水管内出现大涡带后以一定频率 在管内转动所致。这种压力脉动会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、钢管等 振动，严重时会导致系统解体； 气蚀引起的振动，多发生在低尾水位或高负荷工况，此时尾水管压力脉动大， 顶盖振动大，振频为高频。 ( 3 ) 电磁力引起的机组振动其振源主要是发电机部分变化的电磁力，如发 电机气隙不均匀、转子及磁极线圈匝问短路、发电机在不对称工况下运行等原因引 起的。这些作用力不但引起发电机转动部分的振动，也将激起发电机定子及支承等 固定部件振动“，。 华中科技大学硕士学位论文 4 三峡电厂髑、# 1 0 机组“状态监测与故障诊断系统” 4 1 引言 长江三峡工程，是当今世界上最大的水利枢纽工程，其功能包括防洪、 发电和航运等。在发电方面，三峡电厂总装机容量达到1 8 2 0 0 m w 。随着三峡 电站的投产发电，我国将以三峡电站为核心，形成以北、中、南三大送电通 道为主体，南北网间多点互联、纵向通道联系较为紧密的全国电网互联的基 本格局。在这样的互联电网格局中，三峡电站的安全稳定运行对于电力系统 运行的稳定性无疑将起着至关重要的作用。这就使得供电可靠性的高要求与不 尽人意的设备故障率之间的矛盾愈加突出。所以加强水电机组的监测，对重要参数 进行分析，对有关性能指标进行评估，以便及时发现设备的隐患，从而能够防范于 未然就显得格外必要了。 三峡水力发电厂左岸电站# 8 、9 1 0 机组“状态监测与故障诊断系统”由 北京华科同安监控技术有限公司和三峡电厂联合开发。利用状态监测数据和处理结 果，综合计算机监控系统信息和专家知识，进行故障分析及诊断( 包括数据共享和 远方诊断) ，实时掌握水轮发电机组的健康状况，为状态检修提供辅助决策并实现 与其他系统的信息共享，同时利用该系统方便实现机组的稳定性试验、过渡性试验、 效率试验、动平衡试验及其它相关试验。经过一年多的共同努力，进展顺利，取得 了显著的成果。 4 2 机组概况 三峡左岸电站# 8 机组为v g s 机组，水轮机结构型式为立轴混流式，发电机结 构型式为半伞式，水轮机的额定功率7 1 0 m w ，额定转速7 5 r p m ，飞逸转速1 5 0 r p m 。 水轮机叶片数为1 3 ，固定导叶为2 3 ，活动导叶为2 4 ，上导瓦8 块，下导瓦4 2 块， 推力瓦2 8 块，水导瓦2 4 块。 三峡左岸电站# l o 机组为a l s t o m 机组，水轮机结构型式为立轴混流式，发电 华中科技大学硕士学位论文 机结构型式为半伞式，发电机额定容量7 7 7 8 m v a ，最大容量8 4 0 m v a ，额定功率 7 0 0 m w ，额定转速7 5 r p m ，飞逸转速1 5 0 r p m 。水轮机叶片数为1 5 ，活动导叶和固定 导叶均为2 4 ，上导瓦l o 块，下导瓦1 6 块，推力瓦2 4 块，水导瓦1 2 块。 4 3 硬件系统构成 三峡左岸电站# 8 、# 1 0 机组t n 8 0 0 0 “状态监测与故障诊断系统”由就地 数据采集站、上位机设备和相关网络设备组成。就地数据采集站硬件为单独 组建的一面屏柜，放置在# 8 和# 1 0 机组单元控制室内，上位机设备放置在主 控室内。 三皖左岸电站1 8 ，l 啦盟 珀8 o 在笺盎捌与性靛试验幕统罔结图 叛拦m 山 动 瞳驶动 图4 1 三峡左岸电站状态监测与故障诊断系统网络图 莆 鼬腑 尹一 姒上|攫鹰 肆 搓动 华中科技大学硕士学位论文 4 3 1 测点选择 三峡左岸电站# 8 、g l o 机组t n 8 0 0 0 “状态监测与故障诊断系统”主要测 点包括机组的振动、摆度、压力脉动及相关过程量参数。测点清单如下 表4 - 1主要测点清单 序号 测点名称数量 传感器类型 备注 l 键相信号 1 涡流传感器 2 上导轴承x 、y 向摆度 2 涡流传感器 3 f 导轴承x 、y 向摆度 2 涡流传感器 4 水导轴承x 、y 向摆度 2 涡流传感器 5 上机架水平振动 1 速度传感器 6 上机架垂直振动 1 速度传感器 7 定子铁芯水平振动 1 加速度传感器 8 定子铁芯垂直振动 1 加速度传感器 9 下机架水平振动 l 速度传感器 1 0 r 机架垂直振动 l 速度传感器 1 1 顶盖水平振动 l 速度传感器 1 2 顶盖垂直振动 1 速度传感器 1 3 顶盖f 压力脉动 2 压力变送器 1 4 尾水管压力脉动 2 压力变送器 1 5 蜗壳进口压力脉动 1 乐力变送器 1 6 接力器行程 1 位移传感器 17 蜗壳