汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法

2023-10-08 05:37:49

專利名稱：汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法
技術領域：
本發明屬於旋轉機械振動狀態監測與故障診斷領域，特別涉及大型汽輪發電機組 振動狀態實時在線自動監測的一種汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法。
背景技術：
汽輪發電機組振動狀態是機組安全運行的一項重要指標。機組運行中振動穩定性 是涉及機組安全可靠運行的首要問題之一。對振動狀態的監測分析不及時，可能導致機組 發生局部或整體的嚴重故障。由於機組振動情況惡化，經常發生減負荷運行，或停機處理， 或緊急強迫停機。汽輪發電機組在工作轉速下長期運行，對振動穩定性要求較高。如果汽輪發電機 組轉子二階臨界轉速振動過大，會對工作轉速下的振動狀態造成較大的影響，在工作轉速 下存在較大的振動反相矢量。現有的汽輪發電機組軸系轉子振動反相矢量穩態性判別工作需要由具有一定現 場振動故障診斷經驗的專家完成，客觀性較差，對專家的主觀性依賴程度較高，並且無法做 到振動反相矢量穩態性實時自動在線監測、分析及判別。因此，提出一種汽輪發電機組轉子 振動反相矢量穩態性實時辨識方法就顯得十分重要。

發明內容
為解決上述技術問題，本發明提供了一種汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性 實時辨識方法。該方法基於汽輪機運行中轉子的軸相對振動幅值及相位數據，結合電腦程式計 算自動實現。本發明採用的技術方案是一種汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識 方法，其特徵是，它包括(1)數據採集，實時採集機組轉子兩側支持軸承附近測得的軸相對振動數據、轉子 的轉速信號以及鍵相信號；(2)反相矢量實時運算及存儲，針對機組轉子兩側的軸相對振動數據，利用FFT 頻譜分析方法，實時同步計算轉子A、B兩側軸相對振動工頻振動幅值aM、arb(幅值單位為 μ m)和相位pM、pA數據(相位單位為° )。根據轉子A、B兩側軸相對振動工頻振動幅值aM、arb和相位pra、prb數據，計算轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量$其中》瑪，K ,1A, 5分別為轉子A、B兩側軸振工頻振動矢量。存儲轉子兩側軸相對振動反相矢量雲的實 部Rlreal、虛部Rimagi，其中FFT為快速傅立葉變換；(3)反相矢量統計量值實時計算，根據已存儲的當前時刻T1前的轉子A、B兩側軸 振工頻振動反相矢量天的幅值Samp數據，從T1時刻向前截取至Ttl時刻的轉子A、B兩側軸振 工頻振動的反相矢量及的實部Rreal、虛部Rimagi數據，按照數據存儲時間先後順序，分別地將反相矢量及的實部Rrea1、虛部Rimagi數據，分為m組，每組η個數據，計算反相矢量及實部Rlreal 的組內均值(/ = 1,2,3，…,m )、組內標準偏差<"(Ζ = 1,2，3,…，m )及虛部Rimagi的組內均 值//,— (/ = 1,2,3，_"，爪)、組內標準偏差<^(/ = 1，2，3，".，附),將上述數據分別地按照組號排成序列。分別計算反相矢量靈實部ITal的組內均值//廣(丨=1，2，3,···,W)序列的逆序 數^Γ"、組內標準偏差Of^i = I,2，3，…，m)序列的逆序數及虛部Rimagi的組內均值 μΓι0 = 12,3,-,m )序列的逆序數、組內標準偏差…，0· = 1，2，3,…,m )序列的逆序數 5T°g『。其中，逆序是指在一個數據序列中，一對數的前後位置與大小順序相反，即前面的數 大於後面的數；逆序數是指一個數據序列中逆序的總數。(4)反相矢量穩態參數實時計算，根據反相矢量及實部ITal的組內均值 ^^二！，^，…，岣序列的逆序數巧^組內標準偏差^^+…，^，…，/^序列的逆序 數冗「及虛部Rimagi的組內均值//,』0 = 1，2，3，_-,一序列的逆序數^胃'_、組內標準偏差 <—(/ = 1，2,3^, 0序列的逆序數1^胃',計算反相矢量及的實部ITal的穩態參數、C 以及虛部Rimagi的穩態參數<^'、Cm。(5)軸系轉子振動反相矢量穩態性判定，依據上述計算，如果反相矢量及的實部 Rreal數據滿足條件Kl <凡 /2(0,1)及f I < ^_α/2(0,1)，並且反相矢量j的虛部Rimagi數據 滿足條件CAZ1-^OJ及14-1(1^0,:0,那麼可以判定反相矢量雲具備穩態性；否則，反相矢量及不具備穩態性。N1^a72(Oa)是概率為(l-a/2)的標準正態分布變量值，設定 a/2 = 2. 5%，可知 N。975 (0，1) = 1.9604。。本發明汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法利用機組運行中轉 子的軸相對振動幅值及相位數據，經過計算分析判斷得到故障診斷結論，具有方法科學，結 論可靠，能夠實現自動實時在線監測、分析判別等優點。


下面結合附圖對本發明作詳細說明圖1為轉子振動反相矢量穩態性實時辨識功能流程圖；圖2為反相矢量統計量值實時計算流程圖；圖3為反相矢量穩態性判定流程圖；圖4為汽輪機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識示意圖。
具體實施例方式本發明提出的汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法主要由數據 採集、反相矢量實時運算及存儲、反相矢量統計量值實時計算、反相矢量穩態參數實時計算 及軸系轉子振動反相矢量穩態性判定等環節組成，其功能流程圖如圖1所示。在實時辨識 過程中，實時同步計算反相矢量實部ITal的穩態參數以及虛部Rimagi的穩態參數，並在軸系 轉子振動反相矢量穩態性判定中，同時依據反相矢量實部Rreal的穩態參數以及虛部Rimagi的 穩態參數進行判別，由此保證了機組軸系轉子振動反相矢量穩態性實時辨識過程的可靠性以及診斷結果的準確性。下面結合附圖進一步說明具體實施步驟及診斷方法。利用該方法可以實現對汽輪機組轉子振動反相矢量穩態性的實時辨識。實時辨識 方法需要的汽輪發電機組軸相對振動信號及振動信號分析處理需要的鍵相信號可以從配 置汽輪發電機組的監視儀表(TSI)獲得或者可以從專業振動數據採集調理設備獲得。本實 施例中，汽輪發電機組軸相對振動信號及振動信號分析處理需要的鍵相信號從與振動傳感 器相連的專業振動數據採集調理設備獲得。汽輪發電機組軸系轉子振動反相矢量穩態性實 時辨識示意圖如下圖4所示，高速數據採集卡插入工業用微型計算機(IPC)提供的插槽內。 根據高速數據採集卡的要求，專業振動數據採集調理設備處理汽輪發電機組軸相對振動信 號及振動信號分析處理需要的鍵相信號，經過處理後的汽輪發電機組軸相對振動信號及振 動信號分析處理需要的鍵相信號輸入IPC內的高速數據採集卡。根據該方法設計具體的機 組軸系轉子振動反相矢量穩態性計算機實時辨識程序，將實時辨識程序安裝在工業用微型 計算機(IPC)內。機組軸系轉子振動反相矢量穩態性實時辨識程序中的一次診斷循環過 程，包括診斷方法中涉及的數據採集、反相矢量實時運算及存儲、反相矢量統計量值實時計 算、反相矢量穩態參數實時計算及軸系轉子振動反相矢量穩態性判定等一系列計算分析驗 證環節。首先，工業用微型計算機(IPC)通過高速數據採集卡實時採集汽輪發電機組軸相 對振動信號及振動信號分析處理需要的鍵相信號。利用轉子不平衡故障實時辨識程序監測識別低壓轉子是否發生不平衡故障。採用 FFT(快速傅立葉變換)頻譜分析方法，對機組低壓轉子A、B兩側的軸相對振動數據，實時 同步計算轉子A、B兩側軸相對振動工頻振動幅值ara、arb (幅值單位為μ m)和相位pM、prb 數據(相位單位為° )。軸振工頻是指轉子運轉時工作轉速對應的頻率。根據轉子A、B兩側軸相對振動工頻振動幅值aM、aA和相位pM、pA數據，計算轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量$其中i = 旬、5分別為轉子A、B兩側軸振工K jZA、 β頻振動矢量。根據下列步驟，計算轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量雲的實部ITal、虛部 RiMgi。計算A側軸振工頻振動矢量^的實部A"a1、虛部Aimagi以及B側軸振工頻振動矢量 5的實部B—、虛部Bimagi,分別採用公式(1)「2)、(3)「4)計算。Areal = araX cos (pra) (1)Aimagi = araX sin (pra) (2)Breal = arb X cos (prb)(3)Bimagi = arb X sin (prb) (4)計算反相矢量雲的實部Rra1、虛部Rimagi，分別採用公式(5)、(6)計算。Rreal = 1/2X (Areal-Brea1) (5)Rimagi = 1/2 X (Aimagi-Bimagi) (6)存儲轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量雲的實部Rrea1、虛部Rimagi，數據是每隔 0. 1秒存儲一次。圖2所示為反相矢量統計量值實時計算流程圖，實時辨識程序的反相矢量統計量 值實時計算環節，根據已存儲的當前時刻T1前的轉子A、B兩側軸振工頻振動反相矢量靈的幅值Samp數據，從T1時刻向前截取至Ttl時刻的轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量雲的 實部Rra1、虛部Rimagi數據(振動幅值單位為μ m)，I TfTtl I = PT01, Ptoi為預設時間段長度， Ptoi = 1200秒。針對Ttl時刻至T1時刻的轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量天的實部 Rrea1、虛部Rimagi數據，振動數據是每隔0. 1秒存儲一次，並且預設時間段長度Ptoi = 1200秒， 因此反相矢量靈的實部ITal、虛部Rimagi的數據量各為12000個。按照數據存儲時間先後順序，分別地將反相矢量天的實部Rreal、虛部Rimagi數據，分 為m組，每組η個數據，其中m= 100，η = 120。即反相矢量孫勺實部Rreal (或虛部Rimagi)數 據中，第1至第η個元素為第1組，第121至第240個元素為第2組，第241至第360個元 素為第3組，...，依次地第(k-1) X 120+1至第kX 120個元素為第k組，...，第11881至第 12000個元素為第100組。反相矢量天實部ITal、虛部Rimagi數據的組號以下標i表示，組內 數據的序號以下標j表示，因此代Γ"』Γ^'的下標i = 1，2，3，···，100，j = 1，2，3，···，120。 軸振工頻是指轉子正常工作運行時工作轉速對應的頻率。計算反相矢量及實部ITal的組內均值- O = W,-σΓ' ( 二 1,2，3,…，100)及虛部 Rimagi 的組內均值μ廠! (' = 1,2,3,-σΠ = 1,2,3，.··，100),分別採用公式(7)、(8)、(9)、(10)計算。120；/廣=1/120|>廣，其中 i = ^2,3,...,^0 ⑵M 120從一=1/120^>廣,其中 i = 1，2，3，...，100 (8)7=1I 120σΓ! = Μ/120Σ(^Γ' -//Γ')2，其中 i = 1，2，3，· · ·，100I 120σ，= ll/120￡(i ag/ -f)2 』其中 i = 1，2，3，· · ·，100 (10)
將反相矢量丟實部Rreal的組內均值μ，( = 1，2,3，…,100 )、組內標準偏差 σ廣(/ = 1,2,3，···,100)及虛部Rimagi的組內均值//丨胃『(/ = 1,2,3，…，100)、組內標準偏差 OTagi (/ = 1,2,3,-.,100)，分別地按照組號排成序列。分別計算反相矢量天實部ITal的組內均值ΖΓ = 1，2，3，···，100)序列的逆序 數^^組內標準偏差^^/…，^，…，^^序列的逆序數^^及虛部圮―的組內均值 /^胃'0_ = 1，2，3，~，100)序列的逆序數5；^、組內標準偏差￡7丨"^(；/ = 1,2，3，一，100)序列的逆序數兄「^'。其中，逆序是指在一個數據序列中，一對數的前後位置與大小順序相反，即前面的 數大於後面的數；逆序數是指一個數據序列中逆序的總數。實時辨識程序的反相矢量穩態參數實時計算環節，計算反相矢量及的實部ITal的 穩態參數、以及虛部Rimagi的穩態參數、ε,，分別採用公式(11)、(12)、(13)、 (14)計算。sr;al=(Sr;al+0.5-MA)/aA(11)C =(Ξ:α'+0.5-μΑ)/σΑ(12) ，100)、組內標準偏差 ,100)、組內標準偏差
s';agi ={Si;agl +0.5-μΑ)/σΑ(13)= (STg' + 0.5 - μΑ)ΙσΑ(14)公式(11)、(12)、(13)、(14)中，μΑ是序列(數據項數為η)的逆序數理論 均值，yA = m(m-l)/4，m= 100 ； ο A是序列(數據項數為η)的逆序數理論標準偏差， σΑ = yjm(2m2 + 3m - 5) / 72， w = 100o假設低壓轉子A、B兩側軸振工頻振動T1時刻至Ttl時刻的反相矢量丟 實部Rreal的組內均值μΓ' (/ = 1,2,3,--,100 )序列的逆序數S了' = 2213、組內標準 偏差σ，( / = 1,2,3,---,100 )序列的逆序數S，=2321及虛部Rimagi的組內均值 //廠'0 = 1,2,3，.··,100).序列的逆序=2479、組內標準偏差 cr,— (/ = 1,2,3, ...,100)序 列的逆序數兄胃'=2356。根據公式(11)、(12)、(13)、(14)，可以計算得到反相矢量鬱勺實 部Rreal的穩態參數C" =-1.5576 =-0.9143以及虛部Rimagi的穩態參數0.0268、 Si^agi = -0.7058。最後，實時辨識程序依據反相矢量實部ITal的穩態參數以及虛部Rimagi的穩態參 數進行判別，判定機組軸系轉子振動反相矢量是否具備穩態性，如圖3所示。如果反相矢 量$的實部Rreal數據滿足條件|<| < Λ^/2(0，1)及-ΓΙ < ^_a/2(0,l)，並且反相矢量$的虛部Rimagi數據滿足條件I <代_ /2(0，1)及Id < ^_α/2(0,1)，那麼可以判定反相矢量χ具備穩態性；否則，反相矢量天不具備穩態性。其中，N1^z2(Oa)是概率為(Ι-α/2)的標準正態分 布變量值，設定 α/2 = 2. 5%，可知 Nq.975 (0，1) = 1.9604。根據當前的假設情況，低壓轉子振動反相矢量天的實部ITal數據滿足條 件|《a/1 < Νλ_α!2 (0,1)及μ，I < Νλ_αη (0，1)，並且反相矢量g的虛部Ri-數據滿足條件Id < M- /2(0，l)及|4胃'| < ^_α/2(0,1)，因此可以判斷低壓轉子在工作轉速下振動反相矢量 天具備穩態性。
權利要求
1.汽輪發電機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法，其特徵在於，包括以下步驟-數據採集，實時採集機組轉子兩側支持軸承附近測得的的軸相對振動數據、轉子的轉 速信號以及鍵相信號；-反相矢量實時運算及存儲，針對所述軸相對振動數據，利用FFT頻譜分析方法，實時 同步計算轉子A、B兩側軸相對振動工頻振動幅值aM、arb和相位pra、prb數據；根據轉子A、 B兩側軸相對振動工頻振動幅值aM、aA和相位pM、pA數據，計算轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量$其中$ = 旬，ι 5分別為轉子A、B兩側軸振工頻振動矢量；存儲轉K 5λA、β子A、B兩側軸相對振動反相矢量雲的實部Rreal、虛部Rimagi ；-反相矢量統計量值實時計算，根據已存儲的當前時刻T1前的轉子A、B兩側軸振工頻 振動反相矢量雲的幅值Samp數據，從T1時刻向前截取至Ttl時刻的轉子A、B兩側軸振工頻 振動的反相矢量及的實部ITal、虛部Rimagi數據，按照數據存儲時間先後順序，分別地將反相 矢量雲的實部Rrea1、虛部Rimagi數據，分為m組，每組η個數據；計算反相矢量及實部ITal的 組內均值O' = 1，2,3,…,m )、組內標準偏差(7廣(/ = 1,2，3，…，m )及虛部Rimagi的組內均值 /^胃'(/ = 1，2,3,".,附)、組內標準偏差<^(/ = 1，2,3,".,附),將上述數據分別地按照組號排 成序列；分別計算反相矢量丟實部Rreal的組內均值Mrea/G' = l,2,3,···^)序列的逆序數 S了'、組內標準偏差σ，1 G = 1,2,3，…,W 序列的逆序數&&及虛部Rimagi的組內均值 μΓ' {i = W,-,m )序列的逆序數、組內標準偏差(= 1,2，3,…,m )序列的逆序數^imagl .-反相矢量穩態參數實時計算，根據反相矢量天實部Rreal的組內均值 //廣力^^，…，岣序列的逆序數^；^組內標準偏差^^…！，^…，…序列的逆序 數冗「及虛部Rimagi的組內均值/Π = 1,2,3,…，一序列的逆序數&胃'、組內標準偏差 = 1,2,3，…，m)序列的逆序數，計算反相矢量雲的實部ITal的穩態參數、 以及虛部Rimagi的穩態參數、ε'Γ ；-軸系轉子振動反相矢量穩態性判定，依據上述計算，如果反相矢量雲的實部ITal數據 滿足條件|<；1 <代- /2(0，1)及|<1< ^_α/2(0,1)，並且反相矢量丨的虛部Rimagi數據滿足條件 \s';agi\< 乂_ /2(0,1)及|<胃'| < ^_α/2(0,1)，則判定反相矢量;^具備穩態性；否則，反相矢量；^不 具備穩態性。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，計算A側軸振工頻振動矢量^的實部A"a1、虛 部Aimagi以及B側軸振工頻振動矢量5的實部B"a1、虛部Bimagi，分別採用公式⑴、(2)、(3)、 (4)計算；Areal = ara X cos (pra)(1)Aimagi = araX sin (pra) (2) Breal = arbXcos (prb)(3)Bimagi = arbX sin (prb) (4)計算反相矢量及的實部Rrea1、虛部Rimagi，分別採用公式(5)、(6)計算，Rreal = 1/2 X (Areal-Rrea1) (5)Rimagi = 1/2X ^imagi.gimagi)⑶存儲轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量及的實部Rreal、虛部Rimagi，數據是每隔0. 1 秒存儲一次。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述反相矢量統計量值實時計算是根據已 存儲的當前時刻T1前的轉子A、B兩側軸振工頻振動反相矢量及的幅值Samp數據，從T1時刻 向前截取至Ttl時刻的轉子A、B兩側軸振工頻振動的反相矢量天的實部Rreal、虛部Rimagi數 據，T1-T0 = PtoijPtoi為預設時間段長度，Ptoi = 1200秒，針對T0時刻至T1時刻的轉子A、 B兩側軸振工頻振動的反相矢量天的實部Rrea1、虛部Rimagi數據，振動數據是每隔0. 1秒存儲 一次，並且預設時間段長度Ptoi = 1200秒，因此反相矢量及的實部R"a1、虛部Rimagi的數據量 各為12000個；按照數據存儲時間先後順序，分別地將反相矢量及的實部Rreal、虛部Rimagi數 據，分為m組，每組η個數據，其中m= 100,η = 120，即反相矢量天的實部ITal或虛部Rimagi 數據中，第1至第η個元素為第1組，第η+1至第2η個元素為第2組，第2Χη+1至第3Χη 個元素為第3組，...，依次地第(k-l)Xn+l至第kXn個元素為第k組，...，第(m_l) Xn+1 至第mXn個元素為第m組，其中m= 100,η = 120，反相矢量及實部lTa1、虛部Rimagi數據的 組號以下標i表示，組內數據的序號以下標j表示，因此代廣、的下標i = 1，2，3，…， m, j = 1,2,3,…，n，軸振工頻是指轉子正常工作運行時工作轉速對應的頻率；計算反相矢量丟實部ITal的組內均值//Γ"(ζ_ = 1,2，3，···,^ )、組內標準偏差 σΓ' ( = 1,2,3，…,m )及虛部Rimagi的組內均值^; ( / = 1，2,3,…，W )、組內標準偏差 σ廠'( = 1，2,3,…，m),分別採用公式(7)、(8)、(9)、(10)計算；
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述反相矢量穩態參數實時計算是計算反相矢量雲的實部Rreal的穩態參數<^、C"以及虛部Rimagi的穩態參數、Kmag'，分別採 用公式(11)、(12)、(13)、(14)計算，
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述Niw2(Oa)是概率為(Ι-α/2)的標準 正態分布變量值，設定α/2 = 2.5%，則Nq.975 (0，1) = 1.9604。
全文摘要
本發明公開了屬於機械振動狀態監測與故障診斷領域的一種汽輪機組轉子振動反相矢量穩態性實時辨識方法。通過採集汽輪機組轉子軸振動信號、轉速信號以及鍵相信號，對振動數據進行實時的計算分析。實時計算並存儲轉子兩側軸相對振動反相矢量實部、虛部，結合反相矢量實部、虛部的均值、標準偏差等統計量值實時計算，並對反相矢量實部、虛部的均值序列、標準偏差序列進行排序，計算其逆序數。在此基礎上，計算反相矢量實部的穩態參數以及虛部的穩態參數。在實時定量計算分析基礎上，結合各項驗證結果，自動實時在線判別機組軸系轉子振動反相矢量是否具備穩態性。本發明具有方法科學，結論可靠，能夠實現自動實時在線監測、分析等優點。
文檔編號G01H17/00GK102052964SQ20101055113
公開日2011年5月11日 申請日期2010年11月18日 優先權日2010年11月18日
發明者宋光雄 申請人:華北電力大學