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汽轮发电机组振动故障的多征兆诊断方法

发布时间：2011/4/16 阅读次数：1648 字体大小: 【小】【中】【大】

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汽轮发电机组振动故障的多征兆诊断方法

　李勇　孙海波　曹祖庆

摘　要：提出一种考虑多征兆的汽轮发电机组振动故障诊断方法。同时，针对采用水平与垂直方向的振动信号往往得出不同诊断结果的问题，提出一种结合水平与垂直方向振动信号的综合诊断方法。
关键词：汽轮发电机组；振动；故障诊断
中图分类号：TK268.1

Vibration Failure Multiple-symptom Diagnosis Method for Turbogenerator Sets

Li Yong
(Northeast China Institute of Electrical Power Engineering), Sun Haibo (Beijing Electrical Power Engineering College), Ca Zuqing (Southeastern China University) //Journal of Engineering for Thermal Energy & Power.
-1999, 14(6).-484～486

Presented in this paper is a multiple-symptom diagnosis method for assessing vibration failures of turbogenertor sets. Moreover, to solve the problem of recurring different diagnosis results when vertical and horizontal vibration signals are used, a comprehensive diagnosis method is proposed, which can integrate vertical and horizontal vibration signals.
Key words: turbogenerator set, vibration, failure diagnosis

1　前言

　　振动信号的频谱分析在汽轮发电机组的故障诊断中占有很重要的地位，但由于汽轮发电机组振动情况的复杂性，有时单靠振动信号难以对机组存在的故障进行准确地诊断。如果在诊断中能考虑到其它运行参数如负荷、温度、蒸汽压力、轴向振动、机组转速等对机组振动的影响，将会对提高诊断结果的准确性有很大的好处。
　　另外，虽然目前已有大量文献报道基于机组振动频谱值的故障诊断方法，但对究竟应该采用哪个方向的振动信号作为诊断用的信号这个问题，人们还很少提及。实际上，不同的故障对水平与垂直方向的振动信号有不同的灵敏度。
　　为此，本文提出一种考虑多征兆的汽轮发电机组振动故障诊断方法，同时，提出一种结合水平与垂直方向振动信号的综合诊断方法。

2　多征兆诊断故障集的划分

　　虽然引起机组振动故障的原因很多，但有些故障只能发生在汽轮发电机组的某一特定的转子上，例如，“转子刚度不对称”故障一般多数发生在发电机转子上，引起发电机转子振动变大；而“新汽压力脉动”多引起高压转子的振动加大。同时，有些故障只会发生在特定类型的轴承上，例如，“油膜振荡”一般只发生在圆筒形、椭圆形或三油楔轴承上，而可倾瓦型轴承发生“油膜振荡”的可能性则比较小。此外，根据运行中出现的不同征兆，也可以排除一些引起轴系振动故障的原因。例如，运行中轴承乌金温度升高，则可以初步排除“不平衡”、“转子不对中”等故障。根据运行中出现的不同征兆或具体的振动部位及轴承形式，初步排除一些故障的措施，有利于缩小可能的故障范围，为最终确诊提供方便条件。
　　考虑到机组带负荷运行和启停时对机组诊断所依据的症状有所不同，因此，在研究对机组振动故障进行诊断时，将机组的运行分为正常运行和启停两种状态分别进行研究。
2.1　机组启停时的振动故障征兆
　　机组的启停状态属于严重的热不稳定状态，由于各部件膨胀程度的不均匀性，机组往往在启停时出现振动故障。此外，新机组或维修后机组所出现的问题也往往在初次启动过程中以振动的形式体现出来。因此，开展对机组启停运行状态下的振动故障诊断研究，不仅有利于减少机组的启停次数，而且有利于将故障消灭在萌芽状态，为机组以后的运行打下良好的基础。
　　在机组的启停状态下，对机组振动故障的诊断，除依据其振动的频谱值外，还可采用机组启停过程中不同转速下的三维频谱图(瀑布图)以及振动振幅随转速的变化情况作为诊断用的征兆。本文中采用频谱值及振动振幅随转速的变化情况作为诊断用的征兆。
　　在通常情况下，利用BP网络进行故障诊断时，应将所有征兆作为网络的输入。但是，由于汽轮发电机组结构的复杂性及运行条件的多样性，机组的故障征兆有时具有不确定性，主要表现在振动振幅随转速或负荷的变化上，即，同一种故障，有时可能随转速的增加而增加，有时还可能随转速的增加而减小或不变。而BP网络是一种基于数据的推理方法，其输入要求应该是一组确定的数值。这就决定了在应用BP网络进行故障诊断时，有时并不能将所有征兆都作为网络的输入。另外，在机组的实际运行中，并不是所有的参数都对机组的振动产生影响。因此，也没有必要将各种因素都作为网络的输入。而且，输入征兆数过多将导致输入层节点数过多，增加网络的训练时间。因此，本文采用分级诊断的方式对汽轮发电机组的振动故障进行诊断。其基本框架如图1所示。

图1　分级诊断模型框架图

　　在上述的多征兆分级诊断模型中，首先根据机组振动振幅随转速的变化情况将机组的故障划分为几个故障集，由于同一种故障随转速的变化情况可能不同，故这些故障集是相交的，即，同一故障可能被包括在这一个故障集，也可能被包括在另一个故障集。一旦确定机组故障属于某一故障集，则根据振动信号的频谱值即可在这个故障集诊断出机组存在的故障种类。

　　在诊断过程中，根据机组振动随转速的变化情况将机组故障集分为如下四类，即：
　　(1)机组振动振幅随转速的提高而增加；
　　(2)机组振动振幅随转速的提高而突然增大；
　　(3)机组振动振幅随转速的提高而保持不变；
　　(4)机组振动振幅随转速的情况未知。
　　值得指出的是，这里所说的机组振动振幅随转速的变化情况是指振动随转速总的变化趋势。例如，当机组通过临界转速前后，机组的振动总是先增加后减小，关键是机组在临界转速前后总的振动变化趋势。
2.2　机组带负荷运行过程中振动征兆
　　机组带负荷运行过程的特点是机组带负荷运行且转速基本保持不变。这样，在进行机组振动故障诊断时所依据的征兆就与机组在启停阶段所依据的征兆有所不同。这里，根据机组振动振幅随负荷的变化情况(机组真空等参数一定的条件下)将故障分为两类，即机组振动振幅与负荷有关和机组振动振幅与负荷无关。
　　实际诊断时，首先根据机组振动是否随负荷变化得到一个可能的故障集，然后借助于振动信号的频谱值进行下一步的诊断。例如，如果机组的振动与负荷有关，则首先可以排除一些故障原因，得到其可能的故障集为｛轴弯曲，转子不对中，轴裂纹，间隙振动，谐波共振，亚谐共振，蒸汽涡动，轴与轴承碰磨，汽封碰磨，箱体支撑松动，转子红套过盈不足，联轴节不精确或损坏｝，然后，借助于振动信号的频谱值进行下一个阶段的诊断。
　　通过上述的讨论可以发现，基于多征兆分级诊断方法，有利于逐步缩小可能的故障集，为故障的最后确诊奠定基础。另外，借助于分级诊断，有利于将振动频谱值相同或相近的故障区分开来(如不平衡和转子部件飞落及转子弯曲等)。
　　当然，在机组的运行中，除机组负荷可作为诊断征兆外，其它如主蒸汽及再热蒸汽温度、压力、排汽温度、真空、润滑油压、轴承的回油温度、胀差和发电机的励磁电流等都可以从一个侧面反映振动故障原因。而且，机组的振动还与机组及轴承的结构有关。上述相关量与机组振动各个故障间的关系需要在今后工作中逐渐积累和掌握，而且这是一个长期的过程。

3　利用不同方向振动信息诊断结果的综合

　　在汽轮机振动故障诊断中，除了将汽轮机运行其它相关参数作为故障征兆外，综合考虑采用水平和垂直方向振动信号的诊断结果，也是提高诊断准确性的一种途径。
3.1　水平与垂直方向的诊断结果分析及对比
　　为了说明问题并不失一般性，以某转子受到某种激励时的情况为例。从故障诊断的角度来说明转子水平和垂直方向的振动作为网络诊断用输入信号的诊断情况。

式中［m_x］、［m_y］、［c_x］、［c_y］、［k_x］、［k_y］分别为x、y方向系统的等效质量、等效阻尼、等效刚度。
　　通常，对于拉伐尔转子(单轮盘无重轴)，当刚性支撑或水平与垂直方向刚度、阻尼、等效质量相同或相差不大时，其轴在x、y方向振动振幅、频率是完全相同的^［1］。例如，对于不平衡故障，无论是水平方向还是垂直方向，其频谱值都表现为一倍频下的振幅值较大。对于轴系不对中故障，都表现为二倍频对应的振幅较大。所以，在上述的理想情况下，由水平和垂直方向的振动信号得到的诊断结果应该是相同的。
　　但实际运行中，当振动信号采用轴振动信号时，其支撑并不是刚性的，另外其水平与垂直方向刚度、阻尼、等效质量也不完全相同，甚至相差比较大，则其在x、y方向振动振幅、频率是不相同的。另外，对于轴承振动来说，其在x、y方向振动的振幅、频率不仅取决于该处轴的振动情况，而且还取决于该轴承座的刚度情况等因素。此外，由于机组结构及运行条件的复杂性，也使水平和垂直方向的振动信号有所不同，从而导致借助于水平和垂直方向振动信号的诊断结果也往往不同，或者由一个方向诊断的结论比较明显，而另一个方向的诊断结论不很明显。但作为机组振动故障的外在表现形式，其在x、y方向振动振幅、频率都可以从一个侧面反映机组的故障征兆。这里，取某机组2^＃轴承处轴的垂直和水平方向的频谱值，借助于BP网络分别进行诊断，其水平和垂直方向的诊断结果如表1所示。

表1　利用不同方向振动信号的诊断结果

诊断方向	不平衡	轴与轴承摩　擦	汽封碰摩	转子不对　中	轴承与轴颈偏心	轴裂纹
垂直方向	0.004	0.000	0.045	0.251	0.918	0.030
水平方向	0.000	0.000	0.000	0.999	0.008	0.010

　　由表1可见，采用垂直方向振动信号的诊断结果与水平方向的诊断结果不同，采用垂直方向振动信号的诊断结果为：最大可能故障为“轴承与轴颈偏心”，其次可能为“不对中”。按水平方向振动信号的诊断结果为“不对中”。而已知该机组的实际故障为“不对中”，所以，在本例问题中，采用垂直方向的振动信号诊断出的结论准确度稍差，但仍包含一定的故障信息。
　　因此，在进行转子振动故障诊断时，采用哪一个方向的振动信号作为诊断用信号，对于诊断的准确性有很大的影响。这里，考虑到网络的简单性及诊断信息的全面性，提出一种包含垂直和水平方向信息的综合诊断方法。
3.2　垂直与水平方向振动故障诊断结果的综合
　　分别拾取水平与垂直方向的振动信号，经频谱分析后进行归一化处理，得到水平与垂直方向的故障特征向量(网络的输入向量)，设其分别为x_jh、x_jv，其中j=1，2，…，N。然后输入已训练好的BP网络中，则对应各方向的故障特征向量网络的诊断结果(输出量)分别为：

水平方向

垂直方向

采用模糊数学中的模糊

的概念，则二者的综合诊断结果为

　　通过这样定义，不仅包含了水平而且还包含了垂直方向的诊断信息，有利于提高诊断精度。
　　为了检验上述综合诊断方法的可行性，仍以前述中的例子进行综合诊断，其综合诊断结果如表2所示。

表2　BP网络的综合诊断结果

诊断方向	不平衡	轴与轴承碰　　摩	汽封碰摩	转子不对　中	轴承与轴颈偏心	轴裂纹
综合诊断	0.0004	0.0000	0.045	0.9993	0.9187	0.0397

　　对比表2与表1可见，采用单方向振动信息诊断的结果往往带有片面性。采用综合诊断后，诊断信息得到加强，更有利于识别故障。同时还可以看出，采用综合诊断后，可以同时指出几种故障，这是因为导致这些故障的根源是多方面且互相影响的。由此亦说明采用综合诊断有利于更全面地诊断机组存在的各种故障。

4　小结

　　(1)　针对机组启停和带负荷运行中的不同特点，提出将二者分开考虑并进行诊断的观点。另外，根据机组振动随转速或负荷的不同变化情况，提出多征兆分级诊断方法，该方法有利于逐步缩小振动故障范围，最终对故障进行确诊。
　　(2)　分析了水平与垂直方向振动信号特点，指出单纯借助于单方向振动信号有时会使诊断结果具有片面性，提出了一种结合水平和垂直方向振动信息的综合诊断方法，该方法有利于对机组振动故障的全面诊断。

作者简介：李勇(1964-)，男，辽宁人，东北电力学院动力系副教授.邮编　132012　吉林市技术交流

作者单位：李勇　　东北电力学院　　　　　　孙海波　　　北京电力高等专科学校　
曹祖庆　　东南大学　

参考文献

［1］伽西R，菲茨耐H.转子动力学导论.北京：机械工业出版社，1986.

收稿日期：1998-11-18；修订日期：1999-04-29

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