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

Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

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。