第十讲 汽轮机组的状态监测.ppt

1、第十讲 汽轮机组的状态监测 与故障诊断系统,第一节 汽轮机组状态监测与故障诊断的任务特点 汽轮机组属于大型设备，由于工作环境的复杂性、特殊性，决定了其故障的复杂性和多态性，从而决定了监测与诊断任务的特殊性，具体表现在以下几个方面： (1)信号监测多元化。其含意是：信号种类多样化，不仅对振动信号(快变信号)进行采集，而且还对另外两类重要信号工艺量(慢变信号)和开关量信号进行采集；同一类信号测点分布化，即对重要参量在机组的不同部位布置测点，并在数据采集板上留出足够的通道数，以保证全面地了解该类信号所反映的机组运行状况；不仅对机组的稳态工况进行信号采集，而且还对非稳态工况(瞬态)，比如对启停过程、过

2、临界点过程以及异常工况的信号进行采集。 (2)信号监测连续化。汽轮机组的工作过程是一个动态过程，为了确保机组安全、可靠地运行，提高其生产效率，必须进行连续监测，使机组存在的隐患及早地发现、处理。 (3)采样方式多样化。系统应提供等时间间隔和等空间间隔的采样方式，以满足不同信号的采集与处理的需要。 (4)数据采集与处理的实时化。为保证实时地跟踪、监测机组的运行变化，数据采集与处理要满足一定的时间限制。这不仅需要采用高速数据采集部件和微处理器，而且还需要有合适的数据采集策略和系统的总体结构，以协调外围采集部件的高速可靠运行，完成数据采集与传输，提高整个系统的处理速度。 (5)数据记录历史化。在进行

3、机组故障诊断时不仅需要当前数据，同时也需要历史数据，从机组的状态变化趋势中，确认机组所处的状态，并对当前数据和历史数据进行记录。由于系统每一次获得的数据量较大，若全部记录，经过一段时间后，其数据量将是巨大的，因此必须对数据进行压缩处理，并采用滚动方式进行记录。 (6)监测和诊断的并行与协作。为了提高系统的实时性和模块性，必须使监测功能和诊断功能并行执行，二者既要相互联系，又要相对独立，不能因为诊断而中断了监测。,第二节 系统的总体结构、功能及特点 一、系统的总体结构 汽轮机组状态监测与故障诊断系统，采用了多级子系统形式的分布式结构，以满足机组在线实时性的要求。上图是200MW和300MW汽轮发

4、电机组故障诊断系统的总体结构。该系统由传感器子系统、监测子系统、数据采集子系统、局域网络、故障诊断子系统及系统管理子系统等六大部分组成。 1传感器子系统 传感器子系统是状态监测与诊断系统的主要信息来源，属于一次仪表，关系到整个监测、分析和诊断结果的可靠性和准确性。传感器主要包括：测量振动的电涡流位移传感器、速度传感器、加速度传感器以及汽缸膨胀、胀差、阀位、温度、压力、流量等传感器。,本质上所有的故障特征信号都可以用传 感器来监测但由于对故障的机理了解不够和现场实际条件所限，目前还仅仅局限于部分工艺参数信号和有限的振动信号，主要包括：转于相对轴承座的径向振动、轴向振动；轴位移；转速及鉴相信号；机

5、组的热工参数，如温度、压力、流量等；各类开关量信号。 2教据采集子系统 数据采集子系统的任务是采集机组运行状态数据(包括稳态数据和瞬态数据)。另外，数据采集子系统对采得的原始数据还进行预处理，比如FFT谱分析与校正、数字滤波等，同时对采集的数据进行了二次处理，抽取其中的主要特征。执行数据压缩。 3数据库子系统 数据库子系统中存有机组的历史数据和当前数据。这些数据中，既有原始数据，又有经过二次处理后抽取的故障特征数据。还有诊断结论数据。 4局域网络 局域网络为数据采集子系统、数据库子系统、监测子系统、故障诊断子系统以及管理子系统之间提供了一个数据传递的媒体，并为分布式监测与诊断机制提供了有效的途

6、径。通过这个局域网络，使得各个子系统之间能够互相访问，并可以与电厂的其他局域网络相接，实现资源共享。 5监测子系统 监测子系统的任务是了解和掌握设备的运行状态，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判断方法，向用户及时报告设备当前的状态参数。并对设备的状态参数进行显示和记录，对异常状态做出报警。,6故障诊断子系统 故障诊断子系统是整个系统的核心部分，其任务是根据状态监铡所获得的信息，结合已知的结构特性和参数、环境条件和设备的运行历史(包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等)，对设备可能发生的或已发生的故障进行分析、判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位。 7系统管理子系统 该子系统的任务

7、是对整个系统进行管理和维护。用户和有关专家通过该子系统实现与整个系统的交互，如对系统进行扩充、修改以及数据的查询、数据的人工输人和输出等。 二、系统的主要功能 1数据采集、存储与显示 系统有数据的采集和存储等功能，并建立机组的各种数据库文件。数据的采集方式可由数据采集子系统控制，可实现等时间或等空间采样，采集好的数据可在监测及诊断子系统上显示，并且每间隔一定时间刷新一次。显示方式可采用模拟监视仪表和数字显示相结合的形式，并通过绿、黄、红三种颜色给出了正常、异常和危险三级指示。,2信号分析与处理 信号分析是对汽轮机组进行状态监测与故障诊断的重要手段，可以对采集的实时数据进行分析与处理，并以数据或

8、图形的方式给出分析的结果，主要包括： (1)动态数据分析。对机组稳定运行状态的动态信号分析和显示，包括时域波形图、轴心轨迹图和幅值频谱图等； (2)启停过程信息分析。对机组启停机过程中的信号分析和显示，包括转速时间曲线、Bode图、三维频谱图以及各种参数随转速的变化图等； (3)趋势分析。对机组长期运行的各种状态参数和经过分析处理后的参数进行趋势分析，做出趋势图。可显示当前趋势(30min内)或历史趋势的所有监测参数及频率特性参数，包括振动峰峰值、基频、各倍频振动的幅值和相位以及慢变过程信号和开关量信号等，能迅速读出趋势图上任一点所对应的日期、时间及特征参量值。它不仅可以反映特征值的变化过程，

9、确定故障的初发时刻、发展速度和趋向，判断缺陷发展的程度。而且还可预测早期故障的发生。 3征兆获取 采集的数据经过信号分析与处理后。形成了大量的数据文件系统可利用征兆获取程序自动获取机组运行状态的有关征兆。能够自动获取的征兆主要有：参数型征兆、波形征兆、轨迹型征兆、振动频谱型征兆等，并将征兆自动转化为模糊语义形式。,4故障诊断 对于汽轮机组来说，故障诊断是一个十分复杂的任务，也是整个系统的核心内容。它主要采用基于知识的诊断方法，根据传感器子系统和数据采集子系统采集到的机组的各种状态信息和报警信息来识别汽轮发电机组的工作状态，并完成对机组各种常见故障的诊断。诊断过程中利用了多方面的知识，包括诊断对

10、象汽轮发电机组结构、功能、行为方面的知识，监测分析提供的各种信号处理方面的知识，人类领域专家多年积累的故障诊断方面的背景知识和经验知识等。 5故障处理对策及维修咨询 当系统完成诊断过程后，可通过对策咨询库或通过事例获得处理建议及维修建议。根据机组故障特点，针对常见故障分别提 供了维修和处理建议，供用户参考。此外，还提供了进一步充实完善功能，用户可不断输入专家及技术人员在这方面的经验，供以后使用。这样，咨询功能可不断得到完善。 6知识莸取与学习 知识获取与学习功能是获取知识(包括规则和事例)和知识库一致性的检验与精炼。获取知识可以由领域专家或知识工程师通过手工方式对规则库和事例库进行操作，完成规

11、则或事倒的显示、编辑、修改、存储及打印，也可以采用改进决策树的方法或神经网络的方法从大量的分类示例中自动地归纳出分类规则，或通过事例学习模块自动地完成诊断过程中事例的获取。 7教据及报表的打印 报表打印功能可以把机组各个测点振动的峰峰值、转速等以报表的形式输出，便于用户查看。,三、系统的主要技术特点 诊断系统具有以下技术特点： 1多任务信息处理 该系统是一个集信号采集、分析、状态监测、故障诊断、运行与维修指导、知识获取与学习为一体的多任务信息处理系统。将常规监测与诊断技术同基于知识的推理技术有机地结合在一起使数值处理与符号推理两方面的优势都得到了发挥。 2监测与诊断的分布式结构 该系统采用了分

12、布式结构，把复杂的监测及诊断任务分解到多个子系统中，由各子系统完成各自相应的任务，共同协作完成总的监测与诊断任务。由于充分利用了监测与诊断中的并行性，所以提高了系统的实时性和可靠性。 3网络结构 该系统具有两级网络结构，保证系统具有良好的扩充性。PC总线为微机模块间提供了标准的数据通路，可充分利用软硬件资源，局域网络使得系统今后的扩充(特别是在网上增加其他诊断系统)更加容易。 4多种推理机制集成 在故障诊断方法上，系统采用了基于框架、规则和事例的知识组织与表达，并提供了不确定性推理、人工神经网络诊断推理及基于事例的推理，从而增强了系统求解问题的能力。 5多用途的能力 系统备有功能丰富的工具库，

13、不仅可用于汽轮发电机组故障诊断，而且可直接作为一个开发工具来建立其他对象的诊断系统。,6功能易于扩充 系统的设计采用了面向对象的机制和模块化结构的方法，使系统的功能扩充更加容易、方便。在不需要更改程序结构的情况下，很容易增加新的功能。 7操作方便 系统具有良好的用户界面，采用全中文方式工作，通过采用多级菜单、图标选择等技术，操作变得十分方便，并具有较强的容错能力。另外，系统还提供了联机帮助功能。,第三节监测子系统的设计与实现 监测于系统的功能包括：完成数据分析、处理、状态监视、向诊断部分提供必要的信息等。监测部分的结构如图所示，主要由管理模块、系统组态模块、状态监测模块、动态分析模 块、瞬态分

14、析模块及趋势分析模块组成。,1系统组态模块 系统组态模块是对系统、机组和测点进行的初始设置，并形成组态文件，以便使系统能够适应不同的工作环境和不同配置的需要。它是在系统运行之前通过人机界面进行设置的，其内容主要包括： (1)传感器的类型、灵敏度、安装位置等； (2)监测参数的门限值(异常和危险)； (3)数据采集子系统的组态，比如数据采集通道数、状态、采样方式等； (4)监视仪表的标定系数等。 2状态监测模块 (1)数据管理。对采集到的数据根据机组的运行状态进行合理地分类、存储，建立一些数据库。如动态数据文件、瞬态数据文件、趋势数据文件、报警数据文件等。 (2)报警产生。根据各个状态参数的报警

15、值和机组运行状态的报警方法，确定机组的工作状态是正常还是异常，若异常则产生报警信息。 (3)实时监视。每隔5s读取一次原始数据文件，并通过屏幕在线实时地显示反映机组运行状态的全都参数，并且视用户需要可在打印机上作报表输出。 3动态分析与瞬态分析模块 动态分析模块和瞬态分析模块分别完成机组在稳态工作和启停工作的各种信号的分析与处理如可完成时域波形分析、轴心轨迹分析、频谱分析、启停过程的三维谱分析、Bode图分析等。,4趋势分析模块 趋势分析模块可对反映机组运行状态的重要参数作趋势分析，即根据其历史数据来推断缺陷的发展速度与趋势。确定设备的残存寿命，其目的是为早期判定故障提供一个有效的手段。趋势分

16、析可以对当前趋势(30min内)和历史趋势进行分析，如快变信号(振动蜂一峰值、基频、各倍频振动的幅值和相位)和慢变信号(热工参数)及开关量信号等。,第四节 故障诊断子系统的设计与实现 一、故障诊断子系统的结构 故障诊断子系统是一个智能诊断专家系统，它由任务管理模块、动态黑板、知识库、征兆提取模块、推理机、推理解释模块、知识获取知识库维护模块、诊断咨询模块和用户界面组成。专家系统的总体结构如图所示。下面简单介绍诊断子系统各模块的功能。,1任务管理 任务管理模块是诊断专家系统的总控制模块，用来管理与控制系统对不同任务的选择，协调各类模块之间数据与信息的传递。 2动态黑板 动态黑板是记录诊断系统当前

17、状态和存放中间结果、记录推理路径及诊断结论的内存块。 3知识库 知识库是存放专家知识的场所。知识库包括规则库、事实库和词典库。其中，事实库由征兆集和故障集组成。 4征兆提取 该模块的功能是根据机组的状态数据提取故障征兆。如根据振动信号的频谱分析数据来提取频谱特征。故障征兆提取是故障诊断的重要环节。 5推理机 推理机是整个诊断专家系统的核心，它模拟人的大脑的推理过程，是一个具有智能的软件。它依据从状态数据中提取的征兆信息和知识库中的知识进行推理，得到诊断问题的解。 6推理解释 推理解释模块可以对诊断结果和推理过程作出解释和说明。 7知识获取知识库维护 知识获取与知识库维护模块用于完成知识获取(包

18、括规则获取与事实获取)、知识库检验与精练、知识库的管理与维护(如浏览、修改、添加、删除、编辑等)。,8诊断咨询 为用户提供咨询建议。根据机组故障的特点，针对常见故障，分别提供了维修和处理建议，供用户参考。此外，该模块是开放的，用户可不断输入专家及技术人员在这方面的经验，供以后使用。使咨询功能不断得到完善。 9用户界面 这是实现专家系统与用户(或专家)交互的程序块。,二、故障管断子系统的诊断工作流程设计 下图是故障诊断子系统的故障诊断模块的工作了流程，它由两条主线贯穿，一条是系统诊断模块对机组当前的异常行为作出成功诊断后，所作出的响应方式；另一条是系统不能得出有意义的诊断结果时的响应方式。,第五节汽轮机组远程在线监测与诊断系统 一、远程诊断中心及其结构 汽轮机组远程诊断中心适用于各省级电力公司和网局级电力公司。各网(省)局级电力公司建立区域性在线监测与故障诊断中心后，可对本公司所属的火电机组集中进行在线监测和诊断，便于对各电厂甚至各机组的负荷进行优化