汽轮机转子在线故障诊断系统

汽轮机转子在线故障诊断
系统
This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
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200 MW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。

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3 000 r/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～400 Hz）的频率振动。

通常电涡流传感器的频率响应范围为0～10 kHz （1～2 dB），能够满足汽轮机发电机的这种频率要求。

振动数据采集卡
汽轮机转子在运行时，其转速高达3 000 r/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。

计算机
TRFDS选用Pentium 200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（Windows 95或Windows 98）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。

语言的选用
目前常用的基于Windows的程序开发语言有Visual BASIC，Delphi，Visual C++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Visual C++、Delphi和Visual BASIC。

显然，对于Visual BASIC，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Object Pascal的OOP技术，而且吸收了多种编程语言的精华，如：Visual BASIC，Power Builder，Visual C++等。

因此，它既具有Visual BASIC的快速开发能
力，又具有Power Builder的强大数据库能力，而且其程序执行速度几乎与Visual C++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DATA ACCESS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。

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
f s ≥2f
m
或ω
s
≥2ω
m
.
工程实际应用时，往往还要把采样频率取高一些，一般取
f
s
≥，
式中f
m
——最高分析频率，即经过抗混滤波后分析信号的最高频率；
ω
m
——最高分析角频率；
f
s
——最低采样频率；
ω
s
——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。

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。

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（～） f
1
，
（～） f
1，，（～）f
1
， f
1
，2f
1
，（3～5）f
1
，奇数f
1
，高频f
1
，电网f
1。

（f
1
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。

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。

危险数据库
当采集到的转子振动数据超过其上、下限时，每2 s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。

历史数据
每30 min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。

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200 MW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。