燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統及其使用方法

2023-05-31 18:43:41

專利名稱：燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及狀態監測和故障診斷系統及其使用方法，特別是關於海洋平臺所用的燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統及其使用方法。
背景技術：
燃氣透平發電機組是燃氣輪機帶動電機的發電機組，燃氣輪機以其功率大、體積小、效率高、排放氣體汙染小等優勢在航空、航海、發電等領域得到了越來越多的應用，但是，惡劣的工作條件和複雜結構使燃氣輪機成為整個發電系統中故障的敏感多發部位，因此，對燃氣輪機進行狀態監測和故障診斷就顯得尤為必要。振動參數常用作燃氣輪機報警和緊急停車的指標之一，它包含了燃氣輪機大量的運行信息，通過對振動信號的頻域變換和分析，可以得到機殼、轉子或其它零部件的振幅、頻率和相位信息，通過進一步分析處理·與識別，可以了解到燃氣輪機的振動機理、故障部位和故障原因。現有的狀態監測控制系統一般是針對燃氣輪機，而不是針對整個燃氣透平發電機組，而且進行故障診斷時一般僅是根據狀態性能信號或振動信號，而沒有充分利用振動信號並將狀態性能信號和振動信號進行融合，導致診斷精度和診斷效率不高。

發明內容
針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠充分利用振動信號並將狀態性能信號和振動信號進行融合的，診斷精度和診斷效率高的燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統及其使用方法。為實現上述目的，本發明採取以下技術方案燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統，它包括機組自身配備的控制系統，所述控制系統內設置有振動監測模塊和網絡模塊，所述振動監測模塊預留有輸出機組振動信號的同軸電纜口，所述網絡模塊預留有輸出機組狀態性能信號的網口，其特徵在於它還包括信號採集模塊和安裝有LabVIEW平臺的計算機；所述網絡模塊通過網線將所述狀態性能信號傳輸給所述計算機；所述信號採集模塊設置有信號採集電路和信號處理電路，所述信號採集電路通過同軸電纜採集所述振動監測模塊輸出的振動信號，經所述信號處理電路轉換為數位訊號，並傳輸給所述計算機；所述LabVIEW平臺安裝在所述計算機內，通過所述LabVIEW平臺對所述信號採集電路的採集通道進行設置後，進行所述振動信號和所述狀態性能信號的採集；所述LabVIEW平臺包括實時分析模塊、離線分析模塊和故障診斷模塊；所述實時分析模塊對所述狀態性能信號和所述振動信號進行在線監測和在線分析，所述離線分析模塊對記錄的所述狀態性能信號和振動信號進行離線分析，所述故障診斷模塊對燃氣透平發電機組進行故障診斷。所述實時分析模塊設置有信號採集設置模塊和狀態監測模塊；所述信號採集設置模塊包括有對所述振動監測模塊的採集通道進行設置的採集通道單元，對採樣頻率進行設置的採樣頻率單元和對燃氣輪機轉子轉速參數進行設置的轉速參數單元；所述狀態監測模塊實時監測所述振動信號和所述狀態性能信號；所述實時分析模塊還設置有對所述振動信號進行時間波形分析的時間波形模塊、頻譜分析的頻譜分析模塊、階次分析的階次譜圖模塊、趨勢分析的趨勢分析模塊、波德圖分析的波德圖模塊、軸心軌跡分析的軸心軌跡模塊和瀑布圖分析的瀑布圖模塊；所述離線分析模塊設置有對所記錄的振動信號進行時間波形分析的時間波形模塊、頻譜分析的頻譜分析模塊、階次分析的階次譜圖模塊、趨勢分析的趨勢分析模塊、波德圖分析的波德圖模塊、軸心軌跡分析的軸心軌跡模塊和瀑布圖分析的瀑布圖模塊；所述故障診斷模塊包括故障特徵識別選擇單元、診斷結果以及處理方法單元；所述故障特徵識別選擇單元是獲取所述狀態監測模塊提供的狀態性能信號和振動信號，以及所述狀態監測模塊或所述離線分析模塊中的時間波形模塊、頻譜分析模塊、階次譜圖模塊、趨勢分析模塊、波德圖模塊、軸心軌跡模塊和瀑布圖模塊對振動信號進行分析的故障特徵；所述故障特徵識別選擇單元獲取的故障特徵包括振動主導頻率、常伴頻率、振動穩定性、相位特徵、振動方向、轉子軌跡、振動隨轉速變化、振動隨油溫變化、振動隨出口壓力變化；所述振動主導頻率和常伴頻率包括的參數有5N，N代表燃氣輪機轉子的轉速；所述振動穩定性和相位特徵包括的參數穩定、不穩定、無、不明顯；所述振動方向包括參數徑向、徑向和軸向、軸向、無；所述轉子軌跡包 括的參數圓或橢圓、橢圓、紊亂無規律、雙環橢圓、「8」字型、雜亂且發散；所述振動隨轉速變化、振動隨油溫變化、振動隨出口壓力變化包括的參數不明顯、不變、突變、無；所述診斷結果以及處理方法單元是根據特徵參數獲取單元提供的特徵參數與故障診斷庫進行比較，進而對故障進行診斷，得出故障概率、可能故障原因、與類似振動故障判別方法和防治方法。所述狀態監測模塊設置有監測概貌模塊、溫度模塊、振動模塊和性能參數模塊；所述監測概貌模塊，包括有溫度單元、發電機單元、壓力單元、轉速單元和燃料流量單元；所述溫度單元顯示的溫度包括壓縮機入口溫度、壓縮機出口溫度、燃燒室平均溫度、透平機出口溫度、壓縮機前端軸承油溫、壓縮機後端軸承油溫、透平機前端軸承油溫和發電機推力軸承油溫；所述發電機單元顯示的量包括發電機的A相、B相、C相電流和平均電流，A相、B相、C相電壓和平均電壓以及功率；所述壓力單元顯示的壓力包括壓縮機入口壓力、壓縮機出口壓力、燃料壓力、燃燒室出口壓力和透平機出口壓力；所述轉速單元設置有對燃氣輪機轉速和發電機轉子轉速的顯示；所述功率單元設置有對發電機功率的顯示；所述轉速單元對燃氣輪機轉子的轉速和發電機轉子的轉速進行顯示；所述燃料流量單元對燃料流量進行顯示；所述振動模塊監測振動監測模塊I輸出的振動信號，顯示的振動信號包括壓縮機前端軸承、壓縮機後端軸承、透平機前端軸承、發電機驅動端軸承和發電機非驅動端軸承的X、Y方向的振動位移，以及顯示齒輪箱外殼和齒輪箱軸承的振動位移；所述溫度模塊，監測所述網絡模塊輸出的溫度，包括對透平機出口溫度，燃燒室I號 12號火焰筒的溫度，燃燒室的平均溫度，冷卻系統溫度，壓縮機入口、內部、出口和平均溫度，發電機軸承溫度，潤滑系統前端和箱體的溫度，環境溫差，發電機的A、B、C段溫度，發電機推力軸承溫度、驅動端溫度、非驅動端溫度的顯示；所述性能參數模塊，監測所述網絡模塊輸出的狀態性能信號，包括對壓縮機入口的壓力、溫度和空氣相對溼度，壓縮機出口的壓力和溫度，廢氣出口的壓力和溫度，發電機的轉速和功率，環境空氣的溫度、大氣壓力和相對溼度，燃料的流量和成分的顯
/Jn ο所述的燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統的使用方法，其特徵在於1)連接振動監測模塊、網絡模塊、信號採集模塊和計算機，啟動LabVIEW平臺；2)打開實時分析模塊的信號採集設置模塊，在採集通道設置單元對振動信號的測量類型、物理通道、通道名稱、單位、靈敏度、靈敏度單位進行設置，在採樣設置單元對採樣頻率、每通道採樣點數和測試名稱進行設置，在轉速參數設置單元對轉速的閾值、脈衝識別、每轉脈衝數進行設置；
3)在狀態監測模塊的監測概貌模塊或溫度模塊中，確定透平機出口溫度是否超過其相應的閾值；若判斷結果為肯定，流程進入步驟4);否則，流程進入步驟5) ;4)確定可能存在的故障有冷卻空氣通道阻塞、溫度調節閥故障、熱電偶故障 、透平葉片變形、透平葉片結垢不均、透平密封磨損、過渡段密封片磨損，流程結束；5)在狀態監測模塊的監測概貌模塊中，確定壓縮機入口壓力是否超過其相應的閾值；若判斷結果為肯定，流程進入步驟6);否則，流程進入步驟7) ;6)確定可能存在的故障有壓縮機入口通道汙染、壓縮機入口密封故障、壓縮機入口可變導葉故障，流程結束；7)在狀態監測模塊的監測概貌模塊中確定發電機功率或燃料壓力是否超過其相應的閾值；若判斷結果為肯定，流程進入步驟8);否則，流程進入步驟9) ；8)確定可能存在的故障有燃料噴嘴阻塞、燃油流量分配器卡澀、燃油泵電磁離合器故障、燃油濾網阻塞、燃機控制系統故障、燃油母管壓力洩露，流程結束；若判斷結果為肯定，流程進入步驟8);否則，流程進入步驟9) ;9)在狀態監測模塊確定燃氣輪機的轉子轉速是否超過其相應的閾值；若判斷結果為肯定，流程進入步驟10);否則，流程進入步驟11)；
10)確定可能存在的故障有調速控制系統故障、燃機截止安全閥故障、燃油截止閥故障、燃油分配器異常，流程結束；11)在狀態監測模塊的監測概貌模塊中確定燃燒室溫度是否超過其相應的閾值；若判斷結果為肯定，流程進入步驟12);否則，流程進入步驟13);12)確定可能存在的故障有火焰筒故障、過渡段破損、燃料噴嘴故障、單向閥故障、冷卻系統故障，流程結束；13)在趨勢分析模塊中對各振動信號進行趨勢分析，確定各振動信號是否超過其相應的閾值，並記錄超過其閾值的振動信號；若判斷結果為肯定，流程進入步驟14);否則，流程回到步驟3) ；14)在振動模塊中判斷燃氣輪機轉子轉速是否恆定；若判斷結果為肯定，流程進入步驟15);否則，流程進入步驟16);15)在頻譜分析模塊中對超過閾值水平的振動信號進行頻譜分析，確定振動主導頻率和常伴頻率；16)在階次分析模塊對超過閾值水平的振動信號進行階次分析，確定振動主導頻率和常伴頻率；17)根據步驟15)和步驟16)將振動主導頻率劃分在〈O. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，這七個頻段之一上；18)根據步驟15)和步驟16)將常伴頻率劃分在〈O. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99)N、1N、2N、(3 5)N、>5N，這七個頻段上；19)在時間波形模塊或趨勢分析模塊中對超過閾值水平的振動信號分析其振動穩定性，將振動穩定性歸類為穩定、不穩定、無、不明顯這四類當中的一種；20)在波德圖模塊中對超過閾值水平的振動信號分析其相位特徵，將相位特徵歸類為穩定、不穩定、無、不明顯這四類當中的一種；21)在軸心軌跡模塊中對超過閾值水平的振動信號分析轉子軌跡，將轉子軌跡歸類為圓或橢圓、橢圓、紊亂無規律、雙環橢圓、「8字型」、雜亂且發散這六類當中的一種；22)在軸心軌跡模塊對超過閾值水平的振動信號分析其振動方向，將振動方向歸結為徑向、徑或軸向、軸向、無這四類當中的一種；23 )在瀑布圖模塊中對超過閾值水平的振動信號分析振動隨轉速變化，將其歸類為不明顯、不變、突變、無這四類當中的一種；24)在時間波形模塊或趨勢分析模塊和狀態監測模塊中對超過閾值水平的振動信號分析振動隨油溫變化，將其歸類為不明顯、不變、突變和無這四類當中的一種；25)在時間波形模塊或趨勢分析模塊和狀態監測模塊對超過閾值水平的振動信號分析振動隨出口壓力變化，將其歸類為不明顯、不變、突變、無這四類當中的一種；26)在故障診斷模塊的故障特徵識別選擇單元分別選擇故障特徵的相應參數；在所述診斷結果以及處理方法單元進行故障診斷，得出故障概率、可能故障原因、與類似振動故障判別方法和防治方法；27)流程結束。本發明由於採取以下技術方案，其具有以下優點1、本發明由於是在NILabVIEW實驗室虛擬儀器工程平臺，通過設置的實時分析模塊對燃氣透平發電機組的振動信號和狀態性能信號進行在線監測，因此，本發明可以實現實時分析和離線分析，具有成本低、集成度高、維護方便優點。2、本發明由於在實時分析模塊和離線分析模塊均設置了振動信號進行時間波形分析的時間波形模塊、頻譜分析的頻譜分析模塊、階次分析的階次譜圖模塊、趨勢分析的趨勢分析模塊、波德圖分析的波德圖模塊、軸心軌跡分析的軸心軌跡模塊和瀑布圖分析的瀑布圖模塊，因此，本發明可以通過對振動信號進行較為全面的分析，進而得到較為準確的故障診斷結果。3、本發明由於在狀態監測模塊實現了對壓縮機入口、燃燒室和火焰筒、透平排煙口等關鍵部位的狀態性能參數的實時監測，並可以在故障診斷模塊進行 故障診斷，進行多項故障特徵對比核對，因此，本發明可以快速地明確故障位置和解讀故障，提供可靠的解決方案。4、本發明由於設置了離線分析模塊，可以用於當實時分析受限時或者用於對數據的重新分析，而且該模塊具有與實時分析模塊對振動信號相同的處理功能，因此本發明具有較強對比分析及總結分析功能。5、本發明由於在故障診斷模塊設置了根據有關燃機的故障診斷研究進行編制故障診斷知識庫，只需要輸入相關信息就可以進行故障診斷，而且該模塊設置的故障特徵識別選擇、診斷結果以及處理方法兩個單元，可以綜合考慮振動信號和狀態性能信號，通過簡單的故障特徵輸入，就可以根據故障診斷庫系統化進行診斷，得出診斷結果以及處理方法，因此本發明具有操作簡單、診斷精度和效率高的優點。本發明可以廣泛的應用於各透平發電機組的狀態監測和故障診斷。


圖I是本發明的一種結構示意2是本發明的另外一種結構示意3是本發明的LabVIEW平臺的結構示意4是本發明的信號採集設置模塊的示意5是本發明的監測概貌模塊的示意6是本發明的振動模塊的示意7是本發明的溫度模塊的示意8是本發明的性能參數模塊的示意9是本發明的短時間趨勢分析模塊或長時間趨勢分析模塊的示意10是本發明的時間波形模塊的示意11是本發明的頻譜分析模塊的示意12是本發明的階次譜圖模塊的示意13是本發明的波德圖模塊的示意14是本發明的軸心軌跡模塊的示意15是本發明的瀑布圖模塊的示意圖
圖16是本發明的振動故障分類17是本發明的故障診斷模塊的示意圖
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。本發明狀態監測和故障診斷系統針對的設備是美國SOLAR公司生產的SolarTitanl30單軸燃氣輪機和AB公司生產的電機組成的燃氣透平發電機組。該機組配備有Turbotronic 4控制系統，該控制系統的結構基於羅克韋爾自動化公司的硬體和軟體平臺。如圖I所示，原有Turbotixmic 4控制系統中設置有現場監控器振動監測模塊I和網絡模塊2 ;振動監測模塊1，預留有輸出振動信號的BNC (同軸電纜)口 ；網絡模塊2，預留有輸出狀態性能信號的網口。本發明設置了信號採集模塊3、安裝有LabVIEW平臺5的計算機4、和為振動監測模塊I、網絡模塊2、信號採集模塊3和計算機4進行供電的電源模塊·(圖中未示出)，其中振動監測模塊I用於輸出機組的振動信號，其包括壓縮機前端軸承的X、Y方向振動信號，壓縮機後端軸承的X、Y方向振動信號，透平機前端軸承的X、Y方向振動信號，發電機驅動端軸承X、Y方向振動信號，發電機非驅動端軸承X、Y方向振動信號，齒輪箱外殼的振動信號，發電機轉子的轉速信號，燃氣輪機的轉子轉速信號和齒輪箱軸承的振動信號。網絡模塊2用於輸出機組的狀態性能信號，包括溫度、電壓、電流、壓力、功率和燃料流量等。信號採集模塊3設置有信號採集電路31和信號處理電路32，信號採集電路31通過BNC信號線採集振動監測模塊I輸出的振動信號，經過信號處理電路32將模擬的振動信號轉換為數字的振動信號後，通過網線或者USB線傳輸給計算機4，LabVIEW平臺5安裝在計算機4中，LabVIEW平臺5的可視化操作界面顯示在計算機4的顯示器上，通過LabVIEW平臺5對信號採集模塊3的採集通道進行設置後，即可開始進行狀態性能信號和振動信號的採集。如圖2所示，本發明的信號採集模塊3可以採用四塊四通道NI-9234電壓信號採集卡33和NI-CDAQ9174四插槽機箱34來實現。連接時，首先將信號採集卡33插入四插槽機箱34內，將信號採集卡33的輸入端通過BNC信號線與振動監測模塊I相連，將信號採集卡33的輸出端通過網線或者USB線與計算機4連接，並將四插槽機箱34連接電源線，將計算機4通過網線與網絡模塊2相連。在連接中，可以把USB線或網線，以及電源線在四插槽機箱34自帶的磁鐵砸中繞幾圈，以起到抗幹擾作用。另外信號採集模塊3還可以在現有技術中進行選擇，或由普通技術人員採用常規方法進行設計。計算機4可以是個人計算機、工控機或者伺服器等計算設備，最佳選擇為工控機。如圖3所示，本發明的LabVIEW平臺5上設置有實時分析模塊6、離線分析模塊7和故障診斷模塊8，其中實時分析模塊6包括信號採集設置模塊61、狀態監測模塊62、趨勢分析模塊63、時間波形模塊64、頻譜分析模塊65、階次譜圖模塊66、波德圖模塊67、軸心軌跡模塊68和瀑布圖模塊69，以及實時監測燃氣輪機轉子轉速的轉速單元70、實時監測原始波形數據文件存儲盤的內存大小的磁碟剩餘空間單元71和顯示系統是否在進行數據採集任務的實時分析開啟指示單元72 (又如圖4等圖所示)。如圖4所示，信號採集設置模塊61包括採集通道設置單元611、採樣設置單元612和轉速通道設置單元613。採集通道設置單元611可以實現對測量類型、物理通道、通道名稱、單位、靈敏度和靈敏度單位等的設置；其中關於測量類型的設置，一般默認情況下為關閉項；通過對物理通道的設置可以實現軟體通道與硬體通道的關聯。採樣設置單元612包括採樣頻率、每通道採樣點數和測試名稱的設置。轉速通道設置單元613包括燃氣輪機轉子轉速的閥值、脈衝識別和每轉脈衝數的設置。狀態監測模塊62可以對振動監測模塊I輸出的振動信號和網絡模塊2輸出的性能狀態信號進行實時監測。如圖3所示，狀態監測模塊62包括監測概貌模塊621、振動模塊622、溫度模塊623和性能參數模塊624。其中如圖5所示，監測概貌模塊621用於對重要的溫度、壓力、轉速、電流、電壓、功率和燃料流量等信息進行監測，其包括溫度單元6211、發電機單元6212、壓力單元6213、轉速單元6214和燃料流量單元6215。其中溫度單元6211可以顯示的溫度包括壓縮機入口溫度、壓縮機出口溫度、燃燒室平均溫度、透平機出口溫度、壓縮機前端軸承油溫、壓縮機後端軸 承油溫、透平機前端軸承油溫和發電機推力軸承油溫。發電機單元6212可以顯示的量包括發電機的A相、B相、C相電流和平均電流，A相、B相、C相電壓和平均電壓以及功率。壓力單元6213可以顯示的量包括壓縮機入口壓力、壓縮機出口壓力、燃料壓力、燃燒室出口壓力和透平機出口壓力。轉速單元6214可以對燃氣輪機轉子的轉速和發電機轉子的轉速進行顯示。燃料流量單元6215可以對燃料流量進行顯示。如圖6所示，振動模塊622可以監測振動監測模塊I輸出的振動信號，顯示的振動信號包括壓縮機前端軸承、壓縮機後端軸承、透平機前端軸承、發電機驅動端軸承和發電機非驅動端軸承的X、Y方向的振動位移，以及顯示齒輪箱外殼和齒輪箱軸承的振動位移。如圖7所示，溫度模塊623可以全面監測網絡模塊2輸出的溫度，包括透平機出口溫度，燃燒室I號 12號火焰筒的溫度，燃燒室的平均溫度，冷卻系統溫度，壓縮機入口、內部、出口和平均溫度，發電機軸承溫度，潤滑系統前端和箱體的溫度，環境溫差，發電機的A、B、C段溫度，發電機推力軸承溫度、驅動端溫度和非驅動端溫度。如圖8所示，性能參數模塊624可以監測網絡模塊2輸出的狀態性能信號，包括對壓縮機入口的壓力、溫度和空氣相對溼度，壓縮機出口的壓力和溫度，廢氣出口的壓力和溫度，發電機的轉速和功率，環境空氣的溫度、大氣壓力和相對溼度，燃料的流量和成分的顯
/Jn ο趨勢分析模塊63包括短時間趨勢分析模塊631和長時間趨勢分析模塊632 (如圖3所示)。趨勢分析模塊63可以顯示採集時間段內，除發電機轉子的轉速信號以外的振動信號的峰值與時間的關係。短時間趨勢分析模塊631用於每次採集數據的時間比較短；長時間趨勢分析模塊632用於採集數據時間可能是不間斷的以小時為單位的。如圖9所示，短時間趨勢分析模塊631和長時間趨勢分析模塊632都設置有趨勢分析單元633和波形名稱與顏色顯示單元634 ;趨勢分析單元633，用於實現對振動監測模塊I輸出的振動信號的趨勢分析；波形名稱與顏色單元634，除了可以顯示振動信號波形的通道名稱與其對應的顏色，而且可以對波形顯示的顏色進行設置。如圖10所示，時間波形模塊64可以對振動信號的時間波形進行分析，一般鎖定「毛刺」、「削波」、「正弦波」等異常時間波形，作為故障診斷的故障特徵徵兆。其包括通道選擇單元641、單一通道時間波形單元642、波形名稱與顏色顯示單元643和所有通道時間波形單元644。通道選擇單元641用於實現對振動監測模塊I輸出振動信號的通道選擇。單一通道時間波形單元642通過在通道選擇單元641上的對通道進行選擇，可以顯示用戶需要觀察的單一振動信號的時間波形。所有通道時間波形單元644用於顯示振動監測模塊I輸出的所有的振動信號的時間波形。如圖11所示，頻譜分析模塊65包括通道選擇單元651、積分設置單元652、遊標設置單元653、單一通道頻譜顯示單元654。積分設置單元652對加速度信號進行積分得到速度和位移信號；遊標設置單元653可以對遊標進行設置；單一通道頻譜顯示單元654通過在通道選擇單元651對通道進行選擇，可以對所選的單一通道的振動信號進行FFT分析。如圖12所示，階次譜圖模塊66可以觀察一段振動信號的所有階次成分，找出其最重要的階次成分，並且通過對比不同階次成分，進行初步故障診斷。階次譜圖模塊66包括開啟指示單元661、通道選擇單元662、主導頻率單元663和重要頻率單元664、遊標設置單元665和階次譜圖分析單元666。開啟指示單元661用於顯示當前模塊是否運行；主導頻率單元663用於顯示振動信號中能量最大的階次，即故障最可能引起的故障頻率成分；重 要頻率單元664用於顯示振動信號中能量相對較大的階次，即一般故障可能引起的相關故障頻率成分；階次譜圖分析單元666，通過在通道選擇單元662對通道進行選擇，可以對所選通道的振動信號進行階次分析。如圖13所示，波德圖模塊67可以對一個振動信號進行波德圖分析，波德圖模塊67包括開啟指示單元671、通道選擇單元672、X軸選擇單元673、啟停設置單元674和遊標設置單元675、幅值-轉速圖單元676、相位-轉速圖單元677和轉速-時間圖單元678。X軸選擇單元672可以對幅值-轉速圖單元676和相位-轉速圖單元677中的X軸進行調整。在啟停設置單元674中可以指定輸入信號的起始位置。幅值-轉速圖單元676顯示了幅值隨轉速的變化；相位-轉速圖單元677顯示了相位隨轉速的變化；轉速-時間圖單元678顯示了轉速隨時間的變化。如圖14所示，軸心軌跡模塊68可以對振動信號的軸心軌跡進行分析，一般鎖定為「橢圓」、「雙環橢圓」、「8字型」、「紊亂且發散」的異常軸心軌跡，作為故障診斷的故障特徵徵兆。軸心軌跡模塊68包括開啟指示單元681、過濾階次選擇單元682和軸心軌跡分析單元683。在過濾階次選擇單元682中，可以指定過濾軸心軌跡的階次，同時設置任意兩個階次成分的軸心軌跡顯示。軸心軌跡分析單元683，通過轉軸上某個截面上X、Y兩個垂直方向振動位移信號與轉速脈衝信號，可以顯示整體軸心軌跡和任意階次成分軸心軌跡，為故障診斷提供一定的依據。如圖15所示,瀑布圖模塊69設置有開啟指示單元691、通道選擇單元692、頻譜設置單元693、平面類型單元694、時間軸設置單元695、幅值設置單元696和顯示振動信號的瀑布圖分析單元697。其中頻譜設置單元693可以對信號頻譜計算的相關參數進行設置。平面類型單元694可以控制X與Z軸的坐標選擇。時間軸設置單元695可以對時間軸的起始值、終點值和時間間隔進行設置。幅值設置單元696可以對瀑布圖中Y坐標的形式進行設置。在通道選擇單元692、頻譜設置單元693、平面類型單元694、時間軸設置單元695和幅值設置單元696進行相關設置後，可以在瀑布圖分析單元697對所選的單一通道的振動信號顯示其幅值-頻率-時間關係圖。如圖3所示，離線分析模塊7，用於對記錄的振動信號的離線分析，包括與實時分析模塊6功能相同的趨勢分析模塊63、時間波形模塊64、頻譜分析模塊65、階次譜圖模塊66、波德圖模塊67、軸心軌跡模塊68和瀑布圖模塊69，另外還包括離線數據文件路徑單元73、每次讀取數據量單元74、播放速度單元75和讀完指示單元76。離線數據文件路徑單元73可以查找需要分析的原始數據文件，文件名的後綴為.tdms。每次讀取數據量單元74 :默認值為2048，若與實時分析模塊中的通道採樣數一致，則該後處理過程可以與實時振動分析時完全一致。播放速度單元75 :以毫秒計，設置數值越大播放速度越慢，一般可以取500或者1000。讀完指示單元76 :用於顯示原始數據文件是否讀完，當讀完時燈亮。離線分析模塊7運行時，包括以下步驟I)在離線數據文件路徑單元73中查找讀取需要分析的數據文件，並進行加載；2)在每次讀取數據量單元74中設置每次讀取數據量；3)在播放速度單元75中調節播放速度； 4)根據需要在離線分析模塊7中的相應的模塊中進行相關的分析。故障診斷模塊8中設置有根據有關燃機的故障診斷研究編制的故障診斷知識庫，故障診斷知識庫包括基於狀態性能信號的故障診斷知識庫和基于振動信號的故障診斷知識庫。其中狀態性能信號故障診斷知識庫(如表I所示)是基於狀態性能信號進行故障診斷的方法，主要是通過狀態性能信號是否在規定的閾值水平內對機組的運行狀態進行故障與否的初判斷，然後通過模式識別技術進行故障診斷。表I狀態性能信號的故障診斷知識庫狀態監測的故障特徵故障/故障原因
1、冷卻空氣通道阻塞
2、溫度調節閥故障
3、熱電偶故障
透平機溫度過高4、透平機葉片變形
5、透平機葉片結垢不均
6、透平機密封磨損 __7、過渡段密封片磨損_
I、壓縮機入U通道汙染 壓縮機入口壓力過高 2、壓縮機入U密封故障 __3、壓縮機入口可變導葉故障
1、燃料噴嘴阻塞
2、燃油流量分配器卡澀 發電機功率過高或燃料壓力過大 3、燃油泵電磁離合器故障
(由燃料系統故障引起)4、燃油濾網阻塞
5、燃機控制系統故障 _ 6、燃油母管壓力洩露_
1、調速控制系統故障
2、然及截止安全閩故障 燃飛輪機的轉子超速。_ , mi,
3、燃油截止_故障
__4、燃油分配器兄常_
1、火焰筒故障
2、過渡段破損 燃燒室溫度過高3、燃料噴嘴故障
4、單向閥故障
__5、冷卻系統故障_振動信號故障診斷知識庫是基於美國透平機械故障診斷專家John Sohre歸納出的九類三十七種的渦輪機械故障，我國旋轉設備診斷專家高金吉院士歸納出的十類五十八種的潤輪機械故障，和Meherwan P. Boyce的燃氣輪機工程手冊中對燃氣輪機的故障總結，然後依據故障徵兆相似度(故障振動頻譜信息)，將相似度一致的故障歸為一類，歸納出燃氣輪機組常見振動故障類型為十一類(如圖16所示)。如圖17所示，故障診斷模塊8還設置有故障特徵識別選擇單元81和診斷結果以及處理方法單元82 ;其中，故障特徵識別選擇單元81可以獲取狀態監測模塊62、趨勢分析模塊63、時間波形模塊64、頻譜分析模塊65、階次譜圖模塊66、波德圖模塊67、軸心軌跡模塊68和瀑布圖模塊69對振動信號進行分析的故障特徵；該故障特徵包括振動主導頻率、常伴頻率、振動穩定性、相位特徵、振動方向、轉子軌跡、振動隨轉速變化、振動隨油溫變化、振動隨出口壓力變化，其中振動主導頻率和常伴頻率包括的參數有〈0. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，其中N為燃氣輪機轉子的轉速；振動穩定性和相位特徵包括的參數有穩定、不穩定、無、不明顯；振動方向包括的參數有徑向、徑向和軸向、軸向、無；轉子軌跡包括的參數有圓或橢圓、橢圓、紊亂無規律、雙環橢圓、"8"字型、雜亂且發散；振動隨轉速變化、振動隨油溫變化、振動隨出口壓力變化包括的參數有不明顯、不變、突變、無；診斷結果以及處理方法單元82是根據故障特徵識別選擇單元81提供的特徵參數與故障診斷知識庫進行比較，得出故障概率、可能故障原因、與類似振動故障判別方法和防治方法。基于振動信號進行故障診斷的方法包括以下步驟I)確定故障的振動信號對機組的振動信號進行趨勢分析，確定各振動信號是否超過其相應的閾值水平；·2)頻譜分析對超過閾值水平的振動信號進行頻譜分析，得到振動信號的頻域結構信息，即振動信號在〈O. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，這七個頻段的幅值，將頻譜信息作為機組的故障徵兆集；3)依據故障徵兆相似度(故障振動頻譜信息)，將相似度一致的故障歸為一類，歸納出機組常見振動故障類型為十一類(如圖16所示)，分別為初始不平衡或轉子彎曲，不對中或管道力，燃氣輪機壓縮機喘振，軸徑和軸承偏心，軸承在水平和垂直方向剛度不等，諧波共振或臨界轉速，聯軸節不精確或損壞，庫倫或者幹摩擦渦動(轉子軸承系統)，共振渦動，氣動耦連渦動和葉片共振頻率；4)隸屬度計算根據機組的振動故障類型，運用升半哥西分布函數，計算所獲得振動信號七個頻段的隸屬度，並進行歸一化處理；升半哥西分布函數的公式如下
0,0<χ<αμ{χ) = ^ k(x-ay
--■-~-,a < X < oo
I +k(x-a)"式中，參數k和a是由故障診斷系統制定的閥值XO決定；一般a=X0/10，並且取μ (XO)=O. 5進行計算得到k的值。注意，振動信號的各個諧波要採用的不一樣的隸屬度函數，一倍頻取μ (XO) ;二分之一倍頻取[μ (XO)] 1/4 ;其他各倍頻振動取[μ (XO)] 1/2。5)模糊關係矩陣由七個頻段振動幅值的隸屬度構造振動故障的模糊關係矩陣R，並做歸一化處理，見表2 6)模糊聚類分析選用擇近原則或模糊綜合評判原則，將所得到的故障徵兆與步驟5)中的模糊關係矩陣R進行對比分析，查找機組故障原因得到診斷結論。表2振動故障的模糊關係矩陣R
權利要求
1.燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統，它包括機組自身配備的控制系統，所述控制系統內設置有振動監測模塊和網絡模塊，所述振動監測模塊預留有輸出機組振動信號的同軸電纜口，所述網絡模塊預留有輸出機組狀態性能信號的網口，其特徵在於它還包括信號採集模塊和安裝有LabVIEW平臺的計算機； 所述網絡模塊通過網線將所述狀態性能信號傳輸給所述計算機；所述信號採集模塊設置有信號採集電路和信號處理電路，所述信號採集電路通過同軸電纜採集所述振動監測模塊輸出的振動信號，經所述信號處理電路轉換為數位訊號，並傳輸給所述計算機； 所述LabVIEW平臺安裝在所述計算機內，通過所述LabVIEW平臺對所述信號採集電路的採集通道進行設置後，進行所述振動信號和所述狀態性能信號的採集；所述LabVIEW平臺包括實時分析模塊、離線分析模塊和故障診斷模塊；所述實時分析模塊對所述狀態性能信號和所述振動信號進行在線監測和在線分析，所述離線分析模塊對記錄的所述狀態性能信號和振動信號進行離線分析，所述故障診斷模塊對燃氣透平發電機組進行故障診斷。
2.如權利要求I所述的燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統，其特徵在於 所述實時分析模塊設置有信號採集設置模塊和狀態監測模塊；所述信號採集設置模塊包括有對所述振動監測模塊的採集通道進行設置的採集通道單元，對採樣頻率進行設置的採樣頻率單元和對燃氣輪機轉子轉速參數進行設置的轉速參數單元；所述狀態監測模塊實時監測所述振動信號和所述狀態性能信號； 所述實時分析模塊還設置有對所述振動信號進行時間波形分析的時間波形模塊、頻譜分析的頻譜分析模塊、階次分析的階次譜圖模塊、趨勢分析的趨勢分析模塊、波德圖分析的波德圖模塊、軸心軌跡分析的軸心軌跡模塊和瀑布圖分析的瀑布圖模塊； 所述離線分析模塊設置有對所記錄的振動信號進行時間波形分析的時間波形模塊、頻譜分析的頻譜分析模塊、階次分析的階次譜圖模塊、趨勢分析的趨勢分析模塊、波德圖分析的波德圖模塊、軸心軌跡分析的軸心軌跡模塊和瀑布圖分析的瀑布圖模塊； 所述故障診斷模塊包括故障特徵識別選擇單元、診斷結果以及處理方法單元；所述故障特徵識別選擇單元是獲取所述狀態監測模塊提供的狀態性能信號和振動信號，以及所述狀態監測模塊或所述離線分析模塊中的時間波形模塊、頻譜分析模塊、階次譜圖模塊、趨勢分析模塊、波德圖模塊、軸心軌跡模塊和瀑布圖模塊對振動信號進行分析的故障特徵；所述故障特徵識別選擇單元獲取的故障特徵包括振動主導頻率、常伴頻率、振動穩定性、相位特徵、振動方向、轉子軌跡、振動隨轉速變化、振動隨油溫變化、振動隨出口壓力變化； 所述振動主導頻率和常伴頻率包括的參數有〈0. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99)N、1N、2N、(3 5) N、>5N, N代表燃氣輪機轉子的轉速；所述振動穩定性和相位特徵包括的參數穩定、不穩定、無、不明顯；所述振動方向包括參數徑向、徑向和軸向、軸向、無；所述轉子軌跡包括的參數圓或橢圓、橢圓、紊亂無規律、雙環橢圓、「8」字型、雜亂且發散；所述振動隨轉速變化、振動隨油溫變化、振動隨出口壓力變化包括的參數不明顯、不變、突變、無； 所述診斷結果以及處理方法單元是根據特徵參數獲取單元提供的特徵參數與故障診斷庫進行比較，進而對故障進行診斷，得出故障概率、可能故障原因、與類似振動故障判別方法和防治方法。
3.如權利要求2所述的燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統，其特徵在於所述狀態監測模塊設置有監測概貌模塊、溫度模塊、振動模塊和性能參數模塊； 所述監測概貌模塊，包括有溫度單元、發電機單元、壓力單元、轉速單元和燃料流量單元；所述溫度單元顯示的溫度包括壓縮機入口溫度、壓縮機出口溫度、燃燒室平均溫度、透平機出口溫度、壓縮機前端軸承油溫、壓縮機後端軸承油溫、透平機前端軸承油溫和發電機推力軸承油溫；所述發電機單元顯示的量包括發電機的A相、B相、C相電流和平均電流，A相、B相、C相電壓和平均電壓以及功率；所述壓力單元顯示的壓力包括壓縮機入口壓力、壓縮機出口壓力、燃料壓力、燃燒室出口壓力和透平機出口壓力；所述轉速單元設置有對燃氣輪機轉速和發電機轉子轉速的顯示；所述功率單元設置有對發電機功率的顯示；所述轉速單元對燃氣輪機轉子的轉速和發電機轉子的轉速進行顯示；所述燃料流量 單元對燃料流量進行顯示； 所述振動模塊監測振動監測模塊I輸出的振動信號，顯示的振動信號包括壓縮機前端軸承、壓縮機後端軸承、透平機前端軸承、發電機驅動端軸承和發電機非驅動端軸承的X、Y方向的振動位移，以及顯示齒輪箱外殼和齒輪箱軸承的振動位移； 所述溫度模塊，監測所述網絡模塊輸出的溫度，包括對透平機出口溫度，燃燒室I號 12號火焰筒的溫度，燃燒室的平均溫度，冷卻系統溫度，壓縮機入口、內部、出口和平均溫度，發電機軸承溫度，潤滑系統前端和箱體的溫度，環境溫差，發電機的A、B、C段溫度，發電機推力軸承溫度、驅動端溫度、非驅動端溫度的顯示； 所述性能參數模塊，監測所述網絡模塊輸出的狀態性能信號，包括對壓縮機入口的壓力、溫度和空氣相對溼度，壓縮機出口的壓力和溫度，廢氣出口的壓力和溫度，發電機的轉速和功率，環境空氣的溫度、大氣壓力和相對溼度，燃料的流量和成分的顯示。
4.利用權利要求3所述的燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統的使用方法，其特徵在於 1)連接振動監測模塊、網絡模塊、信號採集模塊和計算機，啟動LabVIEW平臺； 2)打開實時分析模塊的信號採集設置模塊，在採集通道設置單元對振動信號的測量類型、物理通道、通道名稱、單位、靈敏度、靈敏度單位進行設置，在採樣設置單元對採樣頻率、每通道採樣點數和測試名稱進行設置，在轉速參數設置單元對轉速的閾值、脈衝識別、每轉脈衝數進行設置； 3)在狀態監測模塊的監測概貌模塊或溫度模塊中，確定透平機出口溫度是否超過其相應的閾值； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟4);否則，流程進入步驟5)； 4)確定可能存在的故障有冷卻空氣通道阻塞、溫度調節閥故障、熱電偶故障、透平葉片變形、透平葉片結垢不均、透平密封磨損、過渡段密封片磨損，流程結束； 5)在狀態監測模塊的監測概貌模塊中，確定壓縮機入口壓力是否超過其相應的閾值； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟6);否則，流程進入步驟7)； 6)確定可能存在的故障有壓縮機入口通道汙染、壓縮機入口密封故障、壓縮機入口可變導葉故障，流程結束； 7)在狀態監測模塊的監測概貌模塊中確定發電機功率或燃料壓力是否超過其相應的閾值； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟8);否則，流程進入步驟9)；8)確定可能存在的故障有燃料噴嘴阻塞、燃油流量分配器卡澀、燃油泵電磁離合器故障、燃油濾網阻塞、燃機控制系統故障、燃油母管壓力洩露，流程結束； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟8);否則，流程進入步驟9)； 9)在狀態監測模塊確定燃氣輪機的轉子轉速是否超過其相應的閾值； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟10);否則，流程進入步驟11)； 10)確定可能存在的故障有調速控制系統故障、燃機截止安全閥故障、燃油截止閥故障、燃油分配器異常，流程結束； 11)在狀態監測模塊的監測概貌模塊中確定燃燒室溫度是否超過其相應的閾值； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟12);否則，流程進入步驟13)； 12)確定可能存在的故障有火焰筒故障、過渡段破損、燃料噴嘴故障、單向閥故障、冷卻系統故障，流程結束； 13)在趨勢分析模塊中對各振動信號進行趨勢分析，確定各振動信號是否超過其相應的閾值，並記錄超過其閾值的振動信號； 若判斷結果為肯定，流程進入步驟14);否則，流程回到步驟3)； 14)在振動模塊中判斷燃氣輪機轉子轉速是否恆定；若判斷結果為肯定，流程進入步驟15);否則，流程進入步驟16); 15)在頻譜分析模塊中對超過閾值水平的振動信號進行頻譜分析，確定振動主導頻率和常伴頻率； 16)在階次分析模塊對超過閾值水平的振動信號進行階次分析，確定振動主導頻率和常伴頻率； 17)根據步驟15)和步驟16)將振動主導頻率劃分在〈O.4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，這七個頻段之一上； 18)根據步驟15)和步驟16)將常伴頻率劃分在〈O.4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99)N、IN、2N、( 3 5 ) N、>5N,這七個頻段上； 19)在時間波形模塊或趨勢分析模塊中對超過閾值水平的振動信號分析其振動穩定性，將振動穩定性歸類為穩定、不穩定、無、不明顯這四類當中的一種； 20)在波德圖模塊中對超過閾值水平的振動信號分析其相位特徵，將相位特徵歸類為穩定、不穩定、無、不明顯這四類當中的一種； 21)在軸心軌跡模塊中對超過閾值水平的振動信號分析轉子軌跡，將轉子軌跡歸類為圓或橢圓、橢圓、紊亂無規律、雙環橢圓、「8字型」、雜亂且發散這六類當中的一種； 22)在軸心軌跡模塊對超過閾值水平的振動信號分析其振動方向，將振動方向歸結為徑向、徑或軸向、軸向、無這四類當中的一種； 23)在瀑布圖模塊中對超過閾值水平的振動信號分析振動隨轉速變化，將其歸類為不明顯、不變、突變、無這四類當中的一種； 24)在時間波形模塊或趨勢分析模塊和狀態監測模塊中對超過閾值水平的振動信號分析振動隨油溫變化，將其歸類為不明顯、不變、突變和無這四類當中的一種； 25)在時間波形模塊或趨勢分析模塊和狀態監測模塊對超過閾值水平的振動信號分析振動隨出口壓力變化，將其歸類為不明顯、不變、突變、無這四類當中的一種； 26)在故障診斷模塊的故障特徵識別選擇單元分別選擇故障特徵的相應參數；在所述診斷結果以及處理方法單元進行故障診斷，得出故障概率、可能故障原因、與類似振動故障判別方法和防治 方法； 27)流程結束。
全文摘要
燃氣透平發電機組狀態監測和故障診斷系統及其使用方法，它包括機組自身的控制系統的振動監測模塊和網絡模塊，它還包括信號採集模塊和安裝有LabVIEW平臺的計算機；網絡模塊將狀態性能信號傳輸給計算機；信號採集模塊設置有信號採集電路和信號處理電路，信號採集電路採集振動監測模塊輸出的振動信號，經信號處理電路後傳輸給計算機；通過LabVIEW平臺對信號採集電路的採集通道進行設置後，進行數據採集；LabVIEW平臺包括實時分析模塊、離線分析模塊和故障診斷模塊；實時分析模塊對狀態性能信號和振動信號進行在線監測和分析，離線分析模塊對記錄的數據進行離線分析，故障診斷模塊對機組進行故障診斷。本發明操作簡單、診斷精度和效率高，能應用於各透平發電機組的狀態監測和診斷。
文檔編號G01D21/02GK102840882SQ201210323640
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月4日 優先權日2012年9月4日
發明者王文祥, 安維崢, 王維民, 李毅, 金丹, 侯廣信, 吳堯增, 徐海波 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院