汽轮机转子在线故障诊断系统谢诞梅1,阚伟民2,朱洪波3,朱定伟4,刘先斐1,王建梅1,胡念苏1(1.武汉大学动力机械学院,湖北武汉430072;2.广东省电力试验研究所,广东广州510600;3.广东省电力集团公司,广东广州510600;4.韶关发电厂检修公司,广东韶关512132)摘要:汽轮机转子在线故障诊断是关系到发电厂安全运行的重要课题之一。为此,开发了基于Windows,采用DELPHI语言编程的汽轮机在线故障诊断系统(TRFDS)。其硬件包括传感器、振动数据采集卡和计算机设备;系统软件包括数据采集、振动信号的监测及分析、模糊故障诊断、数据库管理功能模块及其它辅助软件。TRFDS具有操作简单、采集分析速度快、精度高、故障诊断和预测功能较强等特点。模拟实验表明,该系统能满足现场在线监测和故障诊断的要求。关键词:汽轮机;在线;故障诊断;自动化系统汽轮机是火电厂的核心设备之一。在长期连续高速旋转过程中,汽轮机转子在某些情况下可能出现故障,而汽轮机故障程度不同将引起机组振动。异常振动对安全生产构成了重大隐患,并已经造成了一些严重的设备事故。如1988年我国秦岭发电厂200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机事故,就造成了巨大的经济损失。由此可见,汽轮机转子在线故障诊断是关系到发电厂安全运行的重要课题之一。为此,我们开发了基于Windows操作系统、采用Delphi语言编程的汽轮机转子在线故障诊断系统(TRFDS)。1系统的特点TRFDS的主要任务是实现对汽轮发电机组转子的状态监测、报警处理、数据采集、数据管理、数据分析、故障诊断和维护咨询等。TRFDS的特点是:a)能适应大型汽轮机转子在线监测的要求,即精度高,采样、分析速度快,可以满足机组启停监测的要求;b)能满足变转速下整周期采样的要求;c)具有较强的分析、诊断和预报功能;d)操作简便,自动化程度高,同时能直观地显示各种图像和数据,反映振动参数的变化趋势。2硬件配置TRFDS由硬件和软件两大部分组成,硬件部分包括传感器、数据采集卡和计算机等。2.1传感器传感器是实现振动测量的首要环节。传感器的种类很多,TRFDS系统采用电涡流传感器和光电传感器分别测量振动的振幅、相位和转速。汽轮机转子在运行过程中可能发生各种故障,如质量不平衡、摩擦、油膜振荡、气流激振和参数激振等。当汽轮发电机组的转速为3000r/min时,还可能激发分频振动和高次谐波振动。也就是说可能激发1/4基频至8倍频(即12.5~400Hz)的频率振动。通常电涡流传感器的频率响应范围为0~10kHz(1~2dB),能够满足汽轮机发电机的这种频率要求。2.2振动数据采集卡汽轮机转子在运行时,其转速高达3000r/min,因此需要采用高性能的数据采集卡。本系统采用的高速数据采集卡具有高速、高分辨率、实时采样,采样数据可以实时读入PC内存,采样容量仅受PC限制等特点。2.3计算机TRFDS选用Pentium200及以上计算机,并配以高速数据采集卡,其速度快,抗干扰能力强,容量大。此外,还设有打印机和其它外围设备。3软件设计TRFDS的软件包括操作环境(Windows95或Windows98)和分析、诊断软件等。具体分为如下几个模块:数据采集、信号监测分析、故障诊断、数据库管理和其它辅助软件。系统软件的功能框图如图1所示。3.1语言的选用目前常用的基于Windows的程序开发语言有VisualBASIC,Delphi,VisualC++和C-SDK等,由于在线监测与故障诊断系统需要进行大量的计算和逻辑处理,因此必须具有较快的处理速度。为此,我们分别用以上几种语言编写了循环程序以测定其执行速度,若以Delphi为标准(100%),则各种语言的执行速度如表1所示。由表1可以看出,C-SDK的执行速度最快,随后依次是VisualC++、Delphi和VisualBASIC。显然,对于VisualBASIC,由于其运算速度较慢,不宜用于现场实时使用。而其他三种语言运算速度相差不大,均可以作为开发语言。TRFDS采用Delphi语言。事实证明,该语言功能非常强大。它不仅继承了PASCAL语言中的ObjectPascal的OOP技术,而且吸收了多种编程语言的精华,如:VisualBASIC,PowerBuilder,VisualC++等。因此,它既具有VisualBASIC的快速开发能力,又具有PowerBuilder的强大数据库能力,而且其程序执行速度几乎与VisualC++不相上下。Delphi提供的VCL控件库是在Delphi上开发应用的基石。VCL提供了用于界面设计、数据库、列表框、菜单等的一般控件,还有诸如栅格、表、记事本等实用控件,恰好满足应用程序的需要。Delphi的DATAACCESS向Delphi提供了用于访问数据库的对象,包括建立连接、访问数据、查询等。使用ODBC标准接口,Delphi也可以访问dBASE和Paradox的文件。而且可以在Delphi的集成环境中进行直接数据库操作,增强了数据操作的直观性。Delphi强大的数据库开发功能使得本系统具有强大的数据库管理功能,保证了各种数据的存贮及调用。3.2振动信号的采集振动信号的采集选用整周期采样方式。根据Shannon采样定理,要想不丢失信息,最低的采样频率为fs≥2fm或ωs≥2ωm.工程实际应用时,往往还要把采样频率取高一些,一般取fs≥2.56fm,式中fm——最高分析频率,即经过抗混滤波后分析信号的最高频率;ωm——最高分析角频率;fs——最低采样频率;ωs——最低采样角频率。如果采样频率低于2倍频率中的最高分析频率,离散信号经傅立叶变换(FFT)后,在频域内将发生信号混淆。由于汽轮机转子的振动信号是一种多频率成分的信号,在机组升降转速的过程中,最高采样频率随着转速而变化。如果采用固定的采样频率,其值小于最高转速下的2倍最高频率分量时,频谱分析误差很大。而如果采用跟踪转速变换的采样频率方式,就保证了在不同的转速下有相同的采样点数,消除了频谱的混淆现象,使频谱分析具有相同的精度。整周期采样时,系统的采样频率动态地跟踪转速信号频率的变化。即转速信号频率高,则采样间隔变短;反之采样间隔加长。确保在采样点数不变的情况下,采样间隔均匀,所采信号周期完整。3.3振动信号的监测及分析软件的监测分析部分负责数据分析、监测报警和大部分的日常事务性工作。本系统可以在时域、频域、幅值域等对振动信号进行分析,以便从不同的角度对振动信号进行观测和分析。3.4模糊诊断软件的实现模糊诊断过程为:a)采集数据,分别计算各通道每转动一周振动信号最大值的平均值,输入振动的预警门限值,然后对二者进行比较来判断机组振动是否异常。如果机组所有通道的振幅的最大平均值均没有超过预警门限值,则表示机组运行正常;如果有一个以上通道振动值超过预警门限值,则自动进入诊断状态。此外,运行人员还可以根据机组的实际情况,手动进入诊断状态。b)对超限通道轮流进行FFT变换,计算出10种频率的特征量,即(0.01~0.39)f1,(0.4~0.49)f1,0.5f1,(0.51~0.59)f1,f1,2f1,(3~5)f1,奇数f1,高频f1,电网f1。(f1为工作频率)c)利用频率特征分量与故障之间的数学模型、模糊关系矩阵和模糊向量,计算出各种故障类型的隶属度。d)建立模糊向量的多因子综合判断,根据隶属度最大值原则,对出现预警的通道进行统计分析,综合判断,最后给出隶属度最大的三种故障。3.5数据库管理数据库管理模块是整个系统软件的重要组成部分,本数据库系统的主要功能有两个方面:一是数据的输入和存储;二是数据的查询和输出。本系统数据库利用Delphi中提供的功能强大的数据库应用开发工具创建。本系统能够自动组织采集到的数据生成两种不同类型的数据库,分别从不同侧面反映机组的运行情况。3.5.1危险数据库当采集到的转子振动数据超过其上、下限时,每2s记录一组所有信号通道的采集数据,可连续记录机组运行一天的数据。3.5.2历史数据每30min记录一组所有信号通道当时的平均数据,连续记录机组一年的运行数据。上述两个数据库的记录数据项结构相同,其中含有振幅、相位、记录时间等项目。当数据库达到所规定的容量时,数据库将自动翻滚刷新,即记录新数据,而最初的记录数据将被冲掉。本系统设计了十分友好的人机界面,以方便用户对数据库的查询,查询主要以报表的形式进行。报表包括危险数据报表和日报表两种。危险数据报表查询针对振幅超限的数据;日报表查询针对历史数据库。以上报表均可打印输出和通过屏幕预览。3.6其它辅助软件本系统软件除了包括上述内容外,还包括一些辅助软件:转子动平衡程序和机组临界转速计算程序。4结束语基于Windows操作环境、采用Delphi语言编程的汽轮机转子在线故障诊断系统具有操作简单、采集分析速度快、精度高、开发周期短等特点,并具有较强的故障诊断和预测功能,能满足汽轮机转子在线监测和故障诊断的要求。在实验室转子实验台上对某200MW汽轮机转子的连续模拟实验结果表明,该系统运行正常,诊断结果正确,能满足现场的在线要求。参考文献:[1]谢诞梅.汽轮发电机组转子机械故障模糊诊断系统的开发与研究[J].武汉水利电力大学学报,1999(6).[2]李录平,徐煜兵,贺国强,等.旋转机械常见故障的实验研究[J].汽轮机技术,1998(1).作者简介:谢诞梅(1962—),女,湖北黄冈人,副教授,武汉大学动力机械学院在读博士生,研究方向为汽轮机故障诊断与寿命管理。