发电机组在线检测与故障诊断系统
1　概述
　　异常振动是汽轮发电机组非计划停机的主要原因之一，连续监测机组振动情况，掌握机组振动变化趋势，在机组发生破坏性损坏之前及时检修，对大型汽轮发电机组具有特殊重要的意义。汽轮发电机组振动监测系统是集信号获取、显示、记录、分析于一体的计算机系统。在机组正常运行期间，系统连续不断地采集各点振动值及机组相应参数，及时捕捉异常信息，并给出机组振动状态的发展变化趋势，为运行维护人员掌握机组健康状况、事故预测及维修提供依据；机组起停期间，振动监测系统记录振动量随转速的变化规律，帮助机组人员深入了解机组振动特性；事故状态，振动监测系统保留记忆事故前后的机组状态，协助事故分析，缩短维修时间。
　　汽轮发电机组需要在线检测的参数很多，它们对机组状态的识别起不同的作用，若按常规的数据采集系统结构，工作量是相当大的，特别是对于改造机组，还存在空间限制，实现难度很大。
　　本文在汽轮发电机组在线检测与故障诊断系统的研制及工程实践中，充分利用机组已安装投运的智能巡测仪所具有的联网通讯能力，将大量常规信号用通讯的方法传输到上位机，实现分布式数据采集，既节约了一次元件及传输电缆，还减少了工作量，提高了系统可靠性。
　　本文的思路可广泛的应用到一般机组，并进一步地将汽轮发电机组安全监视系统与全厂计算机系统联网，可有效地缓解集控室空间紧张的现状，并提高现有同类系统利用率。
2　系统配置
　　天津第一热电厂11号汽轮发电机组安装了N(C)100-90/535型双缸冲动供暖(打洞抽汽)冷凝式汽轮机及QFS-100-2型双水冷式发电机，由蒸汽母管提供新汽。机组设计有较完备的信号检测设备，其中主要包括：
　　(1) 本特利3300系列轴系检测装置。可以指示#1-#6瓦轴振、瓦振，设置报警值及危险值；测量机组转速、高低压缸胀差、轴向位移等，并具有保护功能。
　　(2) 5台温度巡测仪。用于检测机组各点温度值，如蒸汽温度、金属壁温、轴承及回油温度、水风系统温度、发电机定子铁芯线圈温度等。
　　(3) 压流类信号指示记录仪。用于检测主汽、抽汽、油系统、水系统等的压力与流量。
　　完善的汽轮发电机组在线检测与故障诊系统(TMD)需要上述多达300点的机组状态信号，如将这些信号按常规方式引入计算机系统，存在以下几方面的困难：
　　*大量的信号电缆引入控制室机柜，造成空间紧张，布局混乱，甚至不可能将全部信号引入；
　　*温度信号已送到温度巡测仪，为不影响巡测仪的正常工作，需将所有热电偶及热电阻由单只改为双只，造价高且工程量巨大；
　　*所有通道均采用集中式采集，主机负担加重，影响对机组状态分析与故障诊断的响应速度；
　　*采集板的部分故障将有可能造成系统瘫痪，且故障查找与故障排除困难。
　　本系统利用原有巡测仪具有数据通讯与联网能力的特点，将大量常规信号(温度、压力、流量等)通过网络传送至TMD系统主机，形成分布式数采系统，节约了投资，减少了工作量。系统结构合理，可靠性提高，扩充方便。且大大减少了主机负担，使其有可能完成大量复杂的分析运算工作。
　　分布式采集系统如图1所示。
　　上位机与下位机采用串行通讯协议，规定如下：
　　波特率：9600 bit/s
　　祯格式　　
数据位：　　8bit
校验位：　　1bit
奇校位：　　1bit
停止位：　　1bit
所用通道数n(1 byte)第一通道数值 HIGH( 1byte)第一通道数值 LOW( 1byte)第二通道数值 HIGH( 1byte)第二通道数值 LOW( 1byte)　第n通道数值 HIGH( 1byte)第n通道数值 LOW( 1byte)校验和
3　分布式汽轮发电机在线检测与故障诊断系
统(TMD)功能
　　1) 动、静态信号的采集。动态信号是指轴振、瓦振等快变信号，静态信号是指压力、流量、温度等慢变信号。当出现下列情况之一时，将开始一次动态信号采集：a.时间每过20秒；b.转速每变化20转/分；c.出现新的故障。静态信号中的电流类信号每2秒检测一次，温度类信号每5秒检测一点。
　　2) 动、静态信号的存储。采用压缩存储技术，使机组历史能长期保留。
　　3) 动态信号的整周期同相位采样。设计有整周期同相位采样控制电路，保证动态信号分析精度与相位计算精度。
　　4) 参数一览　分页显示所有参数实测值、工程单位、报警值及报警状态。
　　5) 系统图显示　分页显示系统流程图及各点参数值。
　　6) 趋势图显示　显示动、静态信号随时间变化规律。
　　7) 波形图显示　显示动态信号波形及轴心轨迹。
　　8) 启停图显示　显示机组启停时的参数变化。
　　9) 信号分析　包括频谱图、波德图、奈氏图、瀑布图等。
　　10) 故障诊断　给出可能性故障的排列。
　　11) 历史数据的显示与分析。
　　12) 打印与报表。
　　13) 报警显示及打印。
4　提高系统精度及可靠性的措施
4.1　整周期采样信号的局部频谱细化技术
　　旋转机械轴系振动信号由同步分量、倍频分量及次同步分量组成。当采用整周期采样技术进行振动信号采集时，可以精确的表征同步及倍频分量，但由于次同步分量对应频率与同步频率并没有固定的关系(如滑动轴承的油膜涡动频率为同步频率的0.46～0.48倍)，不能保证次同步分量也采集到完整周期，致使引起泄漏误差，这时可用加窗的办法减弱。栅栏误差是由离散付里叶变换的有限频率分辨率造成的，由于误差实际峰值频率不与谱线重合，以相邻谱线频率作为实际频率将产生栅栏误差。其中频率误差可达0.5Δf，幅值误差与相位误差与频率误差有关，幅值误差可达34%，相位误差可达90度[1]。
　　减小栅栏效应最直接的方法是增加采样点数，但往往受采样时实性、计算机内存、分析时间等的约束，改善效果有限。在不增加采样点数的前提下减小栅栏效应，广泛采用频谱细化(ZOOM)技术，但ZOOM的各种算法往往要消耗更多的时间。TMD中使用在某频段内估计频谱峰值的算法，取得了满意的效果。算法原理如下：
　　设要分析的频率分量为：
x（t）＝acos（k＋p）Ωt
其中k为谱线数，Ω为采样频率，-0.5≤p≤0.5，当p=0时峰值频率与谱线重合，无栅栏效应。
p＝（s－q）／（r4－2q－2s）
其中q＝A（k－1）0.25，r＝A（k）0.25，s＝A（k＋1）0.25
因此可得峰值频率为
f＝（k＋p）Ω
峰值估计值为
A＝｛［A（k－1）2＋2（k）2＋A（k＋1）2／1.5｝0.5
4.2　抗混滤波的相位失真及补偿[2]
　　为了减少混叠误差，要对振动信号进行抗混滤波。理想的抗混滤波器具有矩形的幅频特性与线性相频特性，但实际电路只能在两个方面加以折中。常用的模拟低通滤波器为巴特沃斯滤波器，它具有最平“幅频特性”。但从相位特性来看，巴特沃斯滤波器在通带范围内存在非线性，特别在较高频段上尤为严重，因此不管对时域分析(波形图、轴心轨迹图)还是频域分析(各阶频谱幅值与相位)都会产生失真。
　　弥补巴特沃斯滤波器这一缺陷的办法是使其工作频带在相频特性的近似线性段内。近似程度由频带内实际相位与理想相位的误差来表示。
　　模拟抗混滤波器的截止频率是固定不变的，但汽轮发电机等旋转机械振动信号，有效频谱随机组旋转频率而变化，因此理论上讲抗混滤波器截止频率也应随其变化。利用数字滤波器参数可变的特点，可以方便地实现截止频率随工作频率而变的数字低通滤波器。另外，由于信号处理及转换通道上不可避免的干扰，使采得的数据叠加有噪声，数字滤波器还具有抑制干扰、减小信号失真的作用。
　　模拟抗混滤波器与数字抗混滤波器都使信号相位发生变化，对于线性相位系统，相位补偿可以用消除时间迟延的办法来解决。根据实际系统构成，可计算出经模拟与数字低通滤波器后造成的总迟延为D步，则对滤波器输出信号的补偿算法如下：
yd（n）＝y（n＋D）u（n）　　n＝0，1，…
其中　yd（n）为补偿后信号；
y(n)为补偿前信号；
u(n)为单位信号。
4.3　部分症状下的分层诊断技术[3]
　　汽轮发电机组振动故障诊断问题具有目标状态矛盾性、初始状态不完整性及故障症状模糊性，决定其为模糊的病态结构系统。常规逻辑思维方法不适合解病态结构系统，而人类思维方式在解决此类问题时显出其独有的优越性。人类专家的工作过程，实际上是一个诊断-验证过程。在这个过程中，专家不断有选择地使用观测或分析数据，不断证实或否决某些故障原因，最终找到问题的目标解。这种从部分症状开始，在诊断过程中不断添加新的症状逐步缩小搜索范围的方法，使得诊断过程层次分明，求解算法简单有效，为复杂系统故障的机器自动诊断提供了一条途径。
　　事实上，从诊断对象中仅能得到部分症状，这是因为：
　　(1) 对诊断对象故障发生发展的机理研究还有待深入，一些能表征故障特性的参数还未被认识，当前使用的症状只是全部症状的一部分。
　　(2) 由于现场条件所限，某些参数无法检测，或发生故障时某些传感器损坏，此时只能在现有数据基础上进行诊断。
　　(3) 某些症状与机组的运行状态有关，当机组未达到相应状态时，所使用的仅为部分症状。
　　因此，部分症状下的故障诊断更具普遍性与实用性。部分症状下的故障诊断理论指出，症状子空间所对应的故障集包含症状空间所对应的故障集，部分症状下的诊断结果包含真正的故障原因，也就是说用部分症状进行诊断并不会漏掉真正故障，且随着症状的不断增加，诊断结果也将逐步逼近目标。为我们进行异步的分层诊断奠定了基础。
　　对复杂系统按一定规则分解为若干较简单的子系统，从而有利于问题的求解，这已被许多领域证实为一种行之有效的方法。汽轮发电机振动故障诊断表明，按照概念的大小以“树”型结构进行分解，形成一分层诊断模型，沿诊断模型由上至下的诊断过程，也就是逐步接近诊断目标的过程。
　　汽轮发电机组振动故障诊断对象的一种分解方法如图2所示。
4.4　工控系统可靠性设计
　　PC机虽然不是为工业生产而设计的，但由于其普及率高，软硬件资源丰富，已广泛为工业界所接受。特别是今年来迅速发展的工控机，经过不断改进，主机MTBF可达到17万小时(Intel)。
　　工控系统的可靠性应由软硬件双方来保证。工控软件设计应满足实时性、可靠性、简洁性、可维护性。TMD系统软件设计时采取了下列措施：充分利用DOS资源来管理定时任务以保证实时性；自诊断及巡回检测功能提高了系统可靠性，避免系统瘫痪；简洁的按键操作及高质量画图显示技术方便了运行人员的操作使用。
5　结论
　　汽轮发电机组容量的增大对其安全运行提出了更高的要求，单靠运行人员的现场观测与分析已远远不够。汽轮发电机组在线检测与故障诊断系统依靠计算机技术及现代分析与诊断技术，自动完成对众多机组参数的检测、分析、诊断，具有测点多、准确可靠、长期记忆等特点，将使机组安全运行达到新的水平。
　　分布式汽轮发电机组在线检测与故障诊断系统充分利用数字检测仪表的通讯能力，实现分布式数据采集与处理，避免了测点的重复设置，安装简单，故障几率小，系统组成方便灵活。本文所述100MW汽轮发电机组在线检测与故障诊断系统利用WXF-Ⅳ型智能巡测仪将300点常规信号通过网络传送，实践证明是可行的。
　　更进一步，汽轮发电机组在线检测与故障诊断系统可与电站数据管理系统相连，如数据采集系统(DAS)、分布式控制系统(DCS)或管理信息(MIS)等，更大范围地实现数据共享。作者认为，这也是解决目前同类系统利用率低的有效途径。

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