（电力系统及其自动化专业论文）水电机组状态监测及振动摆度的研究.pdf

国电自动化研究院硕士学位论文 a b s t l t a c t i l a et l a e s i so ft h i sp 叩口i sa b o u ts t a l em o n i t o r i n gi nh y a r o p o w e rw i t he m p h a s i s0 1 1m e p r i n c i p l e o f v i b r a t i o ns w i n g m e a s m i n g a n d l l 蹦d i d o n o f d c v i e e n t i st h e s i sf e a t u r e sl a r g e l yi nt h r e ep o i n t s ：l r l r s t , 丘l e q 【1 1 日l c y 即嘶a n a l y s i si sf e a s i b l e t h ed e v i c el i k em 积：s e e o n d p r e s e n ta d v a n c e dd s p 蚍h , l o l o s y 缸u s e d ；t h i r d c o m m u n i c a t i o n w i t l ae l h e r n c tt e e l m o l o g yi sm a d el x m i b l ew i t ht h i ss y s t e m 1 8 0 - s y s t e m a t i cd e v e l o p m e n ti s d i v i d e di n t o 也r p a l l s ：r e s e a r c ho f 曲暗v i b r n t i o ns w i n gp r i n e i p l e d e s i g no f 曲峙h a f d w 眦a n d s o f t w a r ed e v e l o p m e n t f i r s t l y , c l u r e n td e v e l o p m e n t 觚da p p l i c a t i o ni nt h el a y d r o e l e e t r i ep o w e rp l a n to fc o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ( c 1 3 m ) i si n l r o d u e c d a n a l y s i sm a ds t u d yo fc t u r e n ts i t u a t i o na n dt h em i n do f c b mh a v en o t o n l yo f f e r e dt h eb a s i sf b fd e v e l o l n n e n to f t l a i st h e s i s b u ta l s om a d ep l 哪r a l j o n gf o r f u r t h e r d e v e l o p m e n to f t b e 蛐b j l s e c o n d l y , e m p h a s i si sm a i n l yp l a c e d t h et e m e l ao f v i b r a t i o t ls w i n g em e a s u r i n gp r i n c i p l e , s u c ha l l 蹦嵋o n sf o rv i b r a t i o n , t h ep r i n c i p l eo f 咖s 啊o fv i b r a t i o ns w i n g t h em e t h o d so fs i g l l a l d r a w i n ga n dc o m p l e t el , e t i o ds a m p l i n g t h ep r o e e 妇ga n da n a l y s i so ft h ev i b r a l i o l ls i g n a l 躺 a l s oi n v o l v e d o n 岫b a s i so ft h a t t h ec i r c u i tb 【do ft h ei l m l d w a l t ti s 出嫡掣i e d 柚dd e v e l o p e da c c o r d i n g 幻d l ev i b r a t i o ns w i n gm e a s t l a e m e n tw i t hi t sc p i ja p p l y i n gf l o a t i n g - p o i n to i g i t a ls i g a lp r o e e t m s 3 2 0 v c 3 3 ( r ic o r p o r a t i o n ) a n da d oo u t s i d e 曲b & i i c 也柚dw i 也i t sl o g i c dc o n t r o li i l * l j o i l a p p l y i n gc p l d ( a l t e r ac 暇p m m i t h eb o n r d 伽c 缸r yo ne o n 皿u n i c a l i o nt h r o u g hs e r i a lp o r t 锄de t h e m e t , a n dc b eu s e di nm a n o m a e h i n ei n t e r f a c ea n dd a t at r a n s m i s s i o n w r i t t e nw i t hb o t hcl a n g u a g ea n da s s e m b l e rl a n g u a g ei nc 3 xc o d ec c p o s 仃，n n da d o p t i n g t h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi i c o s - 1 1w i t ho p e n i n g8 胡搿c o d e t h es o f t w a r eh a s i m p r o v e d t h e r e l i a b i l i t y a n dr e a l - t i m e d l l i z l l c t 日o f t h e d e v i c e a n d t h e m a i n t a i n a b i l i t i o f c o d e t h e p r i e d u m o d u l ei sm a i n l yc o m l , o 鲥o ft h ef o l l o w i n gp a m ：a dc o n t r o l l i n g 。f i l t e r 。f f r r o t a t i o n a ls p e e dm e a s u r i n gn n dc o m m l m i 碰o l l k e y w o r d s - v i b r a t i o ns w i n g c o n d i t i o nb a s e dm a j l l t e n a n c os t a t e m o n i t o r i n g f a u l t 1 ) i a t g n o s i i s e n s o re l h e n l e t c o m p l e t ep e r i o ds a m p l i n g d s ppc o s i ih 叩 国电自动化研究院硕士学位论文 前言 随着电力体制改革不断深入，厂网分开、竞价上网的新格局即将形成，设备状态直接成 为发电企业经营决策的重要依据因此，客观、科学地评估设备状态，保证运行可靠性和维 修经济性已成为发电企业适应市场竞争的迫切需要 设备状态检修是目前国际上一种先进的检修管理方式，能有效地克服定期检修造成设备 过修或失修的问题，提高设备安全性和可用性针对“计划检修”的弊端，国家电力公司科 技工作会议提出。在2 0 0 5 年实现对水电机组的优化维修”，并将。大型水轮发电机组在线监 测与状态检修技术的开发研究”作为主要研究内容在水电厂开展状态检修已经得到了业内 人士较为一致的认识，得到了国家电力公司有关领导的重视及众多水电厂和科研单位的积极 响应，这为状态检修工作的开展创造有利的条件。实施状态检修是实现管理现代化，提高水 电厂整体实力有效途径之一，是管理创新、技术创新的具体体现 从理论上讲。状态检修是比计划检修层次更高的检修体制，但在发电设备上完全依靠和 实施状态检修，目前还难以实现究其原因有很多种，除了监测技术、评估方法和故障识别 等技术方面的原因外，还与管理部门的支持程度和运行人员素质有很大的关系 状态监测是获取设备状态信息的源泉，是机组进行状态检修的基本条件而其中水轮机 组轴系振动摆度的监测对机组的安全运行具有更重要的意义，振动信号不仅是判断机组运行 正常与否的关键参数，而且还在故障分析、故障处理等方面起着至关重要的作用 振动是水轮发电机组较为常见的问题，也是反映机组运行质量的一个重要指标。机组从 上到下、从固定部件到转动部件，都有可能发生振动根据华中电管局对华中网局内5 0 台 4 锄以上水轮发电机组6 年运行的统计指出，大约有3 3 8 的故障或事故在振动信息中有 所反映如果不在机组出现早期故障征兆时立即采取果断措施，防止事故扩大，则有可能 造成重大设备破坏和巨大经济损失因此对水轮发电机组振动摆度的监测和分析是研究水轮 发电机组运行状态的重要组成部分，同时也是开展水轮发电机组状态检修研究的关键和基 础。 根据目前的形势，结合现代科技的发展，在比较和总结以往振动摆度装置优缺点的基础 上，我们提出以d s p 技术为基础，能快速实现频谱分析等数据处理和大数据量传输的多通道 装置的思想。 国电自动化研究院硕士学位论文 第一章状态检修 设备状态检修( 又称为预知维修) 是利用监测设备和诊断技术收集和累积设备众多的状 态信息，进行系统趋势分析和科学判断设备有无异常和预知故障，根据设备状态信息分析设 备的健康状况，据此安捧检修计划和检修内容的一种检修方式，在故障发生前及时进行处理 实行状态检修，通过减少设备运行故障及由此产生的费用，以及通过减少例行的预防性 维修和推迟主要设备大修时闻，可以获得成本效益，采用状态检修的目标是使维修成本最小 化。使实际故障和相应的设备损坏最小。提高设备可用率，便电厂利润损失最小，并减少备 用设备。 1 1 状态检修的现状 国外从2 0 世纪年代初加强了对状态检修技术的研究，开发了许多在线监测和故障诊 断设备，同时在理论研究方面也取得了较大进展，状态监测应用比较普遍并有了经济效益 1 9 8 6 年美国国家电力研究院维修诊断中心在艾迪斯通电厂采用4 0 多套各种在线监测诊断系 统，大修期由原来3 5 年提高到6 8 年。检修时间由原来的8 周减少到4 周，延长设备寿 命1 0 1 5 ，提高运行能力1 0 3 0 。堋 我国随着电厂自动化水平的提高。特别是计算机监控系统在各水电厂的成功应用，为设 备状态检修提供了一个高效、智能化的自动决策环境状态检修是一个长期的、将要融入日 常运行维护的工作，因此有必要采取先由部分设备和项目的实施，继而进行扩大推广的、逐 步实施的工作计划。在部分水电厂。如水口水电厂，葛洲坝水电厂等正在有计划、有针对性 地开展设备状态监测和故障诊断工作，不断积累经验，逐步由计划检修向状态检修过渡 目前，国外开发的水电机组监测分析系统有；德国申克公司用于水轮机组振动监测和分 析的v i b r o c o n t r o l4 0 0 0 系统，加拿大v i b r o s y s t l 公司用于监测发电机气隙和机组振动的 z o o b t2 0 0 0 系统，以及美国本特利内华达公司的h y d r ov 系统，瑞士v i b r o - - 旺t e r 系统 等。国内有清华大学的p s t a 系统，北京英华达公司的e n s 0 0 0 ，华中理工大学研制的h s j 等 由于现有的技术手段还不足以应付发电机组所有设备的状态监测要求，单纯地以状态检 修这一概念来表述对检修技术和检修计划的改革要求尚不够完善。经过研究和实践，电力行 业普遍认可的、包含预知维修成分在内的发电设备状态检修应是一种综合或复合的检修方 2 第一章状态检修 式，是根据不同设备的状况，分别采取预知维修、计划维修、事后维修、主动维修方式为一 体的优化检修方式。 从功能上说，状态检修系统是集设备状态监测、设备状态评估、检修策划决策、生产技 术资料及生产信息管理等为一体的综合管理系统，涉及到智能测试技术、数字信号分析技术、 系统模式识别与分析技术，故障诊断技术和计算机技术等多学科的内容其中状态监测是开 展状态检修的基础，故障诊断是核心 1 2 状态监测 机组状态监测的目的是判断机组运行状态是否正常，一旦出现异常可以报警或跳闸停 机对于水电厂的主要设备需要采用2 4 小时连续监测的办法，以确保设备安全。监测系统 的诊断功能十分有限，一般只能对机组运行正常与否作出判断，但可以进一步为故障诊断提 供必要的数据和信息 状态监测分为离线状态监测和在线状态监测两种。离线状态监测是通过定期对运行中的 设备或停止运行的设备进行规定项目的检查，发现设备的问题和隐患离线状态监测具有检 测设备简单、投资小，监测面宽、操作灵活等特点，但是存在设备状态不能连续掌握、对故 障反应速度慢、数据整理工作量大等特点 在线状态监测是通过各种传感器在线检测设备的性能参数，及时准确地掌握设备的性能 状态，当发现异常时可发出告警信号在线状态监测，能够对设备实时状态数据进行监控， 其掌握的设备信息较离线检测更准确，但成本过高。在线和离线的选择以所监测参量的性质 来定，对于如振动、摆度、气隙等快变信号采用在线监测的方法，而对于如温度、水位等慢 变参量可以采用离线检测的方法进行采集。 在状态监测中数据采集技术是设备诊断的前提，只有采集到反映设备实际状态的信息， 诊断的后续工作才有意义在机组的振动摆度测量中，目前广泛采用信号的同步整周期采样 方法，这在傅里叶频谱分析中可以消除或减少泄漏效应与栅栏效应。 状态监测分析网络系统需要传输大量数据，各数据库之间也有大容量数据流的传输，还 需要进行远程监测和诊断。在目前计算机网络发展十分迅速的条件下。可采用现有的较普遍 使用的现场总线网，如c a n 、p r o f i b u s 和基金会现场总线网等。这些网络具有实时安全可靠 的优点，但其传输量小、速度慢，而且这些总线都有自己专用的协议，协议问具用不开放性， 这也使它们的使用有很大的局限性。随着以太网和t c ：p i p 协议的互联网技术发展的突飞猛 3 屋电自动化研究院硬士学位论文 进，通过引进工业以太嘲技术，可以提供一种廉价、高速、兼容好的解决方法，便于集成 监测装置通过软件接口接入状态检修分析系统，并把可靠的在线监测装置逐步扩大应用 和集成，同时对集成的在线监测装置全部通过计算机进行远程管理采用计算机和网络技术 的状态监测系统的典型结构如图卜1 所示 图1 - 1状态监测系统典型结构 传感器将各种物理化学信号转换为电信号。传送到相应的采集及预处理单元，得到反映 机组运行状态的各种特征参数曲线，图表等，统一存储到状态数据服务器；w e b 服务器负责 发布数据服务器中的数据和分析、诊断结果；用户终端可通过浏览器查询状态数据服务器和 w e b 服务器上的状态数据及报告；状态监测系统与监控系统的数据传递通过一台独立的数据 转换器实现；工程师工作站用于完成状态监测与诊断系统的配置和维护工作 1 3 故障诊断 故障诊断就是通过分析、利用设备监测信息，及时捕捉设备将发生故障前由于各种物理 和化学参数的变化而发出的各种信息依据诊断知识，对设备故障的类别、部位、程度及其 发展趋势进行判断，给出相关指导信息，指导运行操作，以使故障不发生或使其影响最小， 4 第一章状态检修 并为维护决策提供依据，使维修工作目的明确，方法科学，经济合理 故障诊断可以分为静态诊断和在线诊断两种。静态诊断是通过常规和离线探查掌握设备 的健康状态，具有投资小，灵活方便的特点，但实时性差，容易遗漏故障。在线诊断是在机 组运行过程中通过在线监测手段，连续监测设备有关过程参数，对照设备的设计，标准特征 参数进行设备状态的分析，然后由故障诊断系统根据设备运行状态进行设备故障诊断，从而 掌握设备健康状况的变化，及时对设备状态进行诊断，具有实时性好，漏诊率低的特点，但 投资较大 故障诊断的核心问题是建立一个合适而有效的诊断模型，对故障的预测或预报也必须建 模和仿真但每种设备都有许多类型故障模式，如机组产生振动的主要故障模式有：主轴弯 曲、机组中心不正、转动部件不平衡、活动导叶开度不均、定子铁芯拉力不等、定子铁心合 缝处松动等。这就需要对故障的机理进行分析和研究，不能仅仅依靠信号处理的方法，只分 析故障的外在表现。因而存在较大的难度，全系统的故障建模和仿真更难。 对于比较复杂的问题，简单的判断是不能满足要求的，特别是主设备，如电厂的发电机、 变电站的变压器出现故障时，故障关系比较复杂，需要大量的规则、知识，甚至还伴随着许 多模糊关系，这样常规的推理判断就很难达到预期的目的，专家系统、人工神经网络理论在 处理这些问题上可以得到很好的应用。 特别是对于水轮发电机组这样的复杂系统，基于专家系统的方法更为实用它是根据长 期实践经验和大量故障信息、综合各种诊断方法而设计的一种软件程序。用于诊断设备故障 及预测故障发展。专家诊断系统最重要的是知识库的建立，包含实时数据库和诊断知识库。 但是现有的专家诊断系统对于发电机组等大型设备的某些故障机理研究尚不够透彻，还存在 着信息量少、缺乏系统性和综合性、故障模型不准确等问题，在故障的诊断率和诊断的正确 率、系统的稳定性等方面还存在问题。专家知识库的建立需要长期的大量现场数据的积累、 分析，并与专家知识相结合是一个稳步推行的、较长时间积累的过程 神经网络具有并行分布、自组织、自联想、容错性等特性，比较适合于形象思维，直觉、 经验，联想和类比的模拟，与基于规则的专家系统不同，它的主要特征是自学习，通过对实 例样本的学习，能将获得的知识隐式分布在整个神经网络模型中，同时具有较好的收敛性， 从而具备了极强的复合诊断能力。因而与专家系统具有较强的互补性，把两者结合起来以克 服它们自身的缺点、充分发挥它们的优点将是状态检修和人工智能技术发展的必然趋势。 5 国电自动化研究院硕士学位论文 1 4 状态评估与检修计划辅助决策 状态评估用于判断机组目前是否能正常运行，机组目前是否可能存在隐含故障，其发展 趋势和后果如何，并由检修计划辅助决策系统提出相应检查和维护措施等 对设备状态进行评估需对具体设备建立面向设备状态评估的数学模型，以具体的设备数 学模型为基础，根据状态监测和分析结果给出运行状态报告，通过综合设备状态量值变化趋 势和从历史记录中认识并掌握的长期运行规律可预测设备状态的发展、预测机组运行状态和 在存在隐含故障情况下能安全运行多长时间等因此，状态评估与检修计划辅助决策较之故 障诊断难度更高，它要求寻找微弱信号和微弱特征与设备状态之间的关联 在将故障诊断结论作为主要依据的同时还要考虑企业的长期发展规划，人力、物力、财 力的安捧，电力市场与负荷预测，设备调度等因素，充分进行风险分析，最终做出检修决定 和计划检修计划中至少应包括：检修时间、检修项目、检修方案、组织措施和技术措旌， 检修验证等内容 很多情况计算机只能对少数故障进行分析和决策，在确定设备是否存在故障，存在何种 故障，故障部位和程度，以及确定是否进行检查和维修时，还需要人工处理辅助以运行人员 的经验。因为涉及设备的具体问题，准确结论完全依据对设备故障机理的了解和经验的积累， 这是一个复杂的过程，一般很难通过建模或仿真来解决 1 5 本章小结 本章对状态检修作了简单的概述，重点讲述了状态监测和故障诊断要设计一套性能优 良的振动摆度装置，除了要能实现状态监测的功能外，即使目前没有对故障诊断的需求，仍 必须考虑将来状态检修的需要，为后续故障诊断和状态评估与检修计划辅助决策提供充足的 信息量和一定精度的数据。只有充分考虑将来产品发展的需要。以及与第三方产品的兼容性， 研发的产品才具有生命力 6 第二章振动摆度监测现状和本课题的任务 第二章振动摆度监测现状和本课题的任务 2 1 振动监测装置类型 国内外已开发出的一些振动、摆度监测装置，主要分两种。仪表式装置和诊断分析系统。 一，仪表式装置 仪表式装置比较简单，仅对振动或速度进行简单的测 量和显示。价格较便宜，使用的也较广泛如深圳帝佑的 b z j - - x x 型摆度振动监测仪，西安江河z j s 振动摆度监测 仪( 图2 - 1 ) 等都是这种模式的装置。有的为了临时测量 的方便，设计为便携式，如东南大学的z x p - c 6 3 型手持式 测振仪( 图2 - 2 ) 这类产品很少带有振动分析功能，仅是对振动峰峰值的 测量与显示以及对振动超限值告警输出，通道数量和功能都 比较单一为了充分利用测量数据。这些产品一般都留有与 图2 - 1 仪衰式监测仪 圈2 - 2 手持式测振仪 外部进行数据交换的通讯接口，如k s - 4 8 5 通讯和g o d e ) i 通讯，以便在p c 机或笔记本电脑上 对这些数据进行分析，确定故障类型。 二、诊断分析系统 这类装置大都采用积木式、模块化的结构，配置灵活，组态方便，一般体积较大，为柜 式或盘式，能根据用户需求灵活增加通道数量和种 类除了配有振动模块、摆度模块、键相模块、转 速测量模块、继电器输出模块、通信模块外，有的 还能测量其它各种表征工况的参量，如压力脉动、 空气间隙、磁场强度和过程量信号( 上下游水位、 负荷、温度、流量等) ；能进行频谱分析和各种复杂 的多维图形显示，如b e n t l y 的3 3 0 0 系列、s c h e n c k 圈2 - 3 振动监测故障诊断专家系统 的v i b r o c o n t r o l4 0 0 0 振动监测分析系统等 有些产品正在向水轮机组状态检修方向发展，能自动形成各种数据库，能够自动识别设 备的运行状态，预测和诊断设备的故障，如北京华科同安的1 n 8 0 0 0 水轮发电机组状态监测 7 国电自动化研究院硕士学位论文 与故障诊断系统、北京英华达的e n 8 0 0 0 旋转机械振动监测故障诊断专家系统等( 图2 - 3 ) 2 2 国内外发展及装置使用情况 目前在国际上，以美国为主的西方发达国家在发电机组在线监测与诊断技术的综合研究 方面处于领先地位一方面，美国的信号处理与数据分析技术发展较快，而这些处理机、分 析仪和数据采集系统是机械设备状态监测的基础和核心。是发展后续技术( 故障诊断) 所不 可分割的部分 另一方面，美国的几家专业公司，如b e n t l y ，i r d ，b e i 。从事对大型电站 机组的运行和监控的研究，以及对机组可靠性、安全性、维修性与经济管理技术方面的研究， 已有了4 0 多年的历史，建立了庞大的数据库管理系统，并开展了专家系统的研究，具有雄 厚的数据与软件实力。此外，国际上还有许多著名的诊断仪器公司。如丹麦的b & k 、德国 的申克等，生产有多种用于设备诊断的分析仪器及软件系统然而国外的在线监测系统、现 场诊断仪器及诊断管理软件一般价格十分昂贵，振动模块一般仅有两个通道，且存在维护不 便、因缺少汉化而使用不便、系统调试复杂、数据不能共享等问题，因此还难以在我国基层 电厂普及 在国内，西安交通大学、哈尔滨工业大学、清华大学等一些高校及一些研究单位在大型 汽轮发电机组故障机理及其诊断技术研究方面总体上处于国内领先水平但是，对大型机组 许多常见故障的机理、故障特征及现场诊断方法的研究还有待进一步的深入此外，在现场 信号采集与故障诊断仪器及数据管理软件的研制方面，国内虽有一些大学及研究所推出了自 己的产品，但随着计算机技术尤其是微处理器及软件技术的飞速发展，上述装置及软件系统 在性能指标、可靠性、软件对不同公司数据采集装置的适应性等方面均存在一定的局限性 2 3 目前振动摆度装置的不足 基于水轮发电机组振动摆度信号的低频或超低频特点，必须使用低频或超低频的振动位 移传感器和电涡流传感器。从八十年代起也引进了大量的国外产品，但进口的太贵，难以普 及。国产的低频或超低频的振动位移传感器和非接触式电涡流传感器做到性能与进口的相 当，而价格较便宜且得以普及，也是近l o 年的事除了以上原因，振动摆度监测，在技术 上有许多难点，首先仪器使用的现场环境差、电磁干扰大、温度变化大、湿度也大，若要长 期在线工作就必须比一般的便携式测量仪表具有更高的可靠性和可用率；其次，大多数的传 感器的安装环境与在实验室内相比截然不同，支架本身长期颤动增加了测量的误差，如长时 矗 第二章振动摆度监测现状和本课题的任务 间地用螺距为i m 的螺母固定量程为1 2 n 的电涡流传感器探头，由于支架本身就处于颤 动的状态，久而久之，螺丝易松动，探头会移位，传感器将不知会测出什么参数值。 目前市面上已经出现了不少对水轮发电机组的振动摆度测量装置或者状态监测系统，但 都存在一定的局限性： 1 )当前的水电机组振动摆度监测系统大多是从石化、汽轮发电机组等高速旋转机械的 检测设备演变而来，并直接运用到水电机组上，对低转速机组的低频信号处理和分 析能力明显不足； 2 )以单片机处理器为主，振动测量通道数量较少，能保存和处理的数据量小； 3 ) 数据量的传输主要以串行通信为主，若用于故障分析，明显的数据传输速度不够； 4 ) 装置显示方式单一，不方便，且数据共享困难 2 4 本课题的任务 国内外主要振动摆度厂商的产品大多以单片机为处理器，单片机适用于控制系统，若需 要对振动信号进行滤波和频谱分析，如此大的运算量一般单片机难以胜任，因此很难在仪表 式装置上实现，丽使用诊断分析系统虽然能很好地达到此目的，但也花费巨大 d s p 在处理数字信号过程时，具有快速实时、处理数据量大，精度高等特点以1 0 2 4 点计算为例，f f t 计算一般单片机需时约4 0 u s 。t h s 3 2 0d s p 需时3 u s ；一次卷积计算，单片 机需时约8 0 n s ，t i l s 3 2 0d s p 仅需时钿s 目前，在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的发 展日新月异，功能日益强大，性能价格比不断上升，开发手段也不断改进，因此与单片机相 比，i ) s p 更适用于振动摆度装置的研究与开发 当采样速率提高，通道数量增加时，需处理，存储和传输的数据量都非常大，若用串行 通信进行数据传输会使整个系统速度下降，用工业以太网技术可以解决此问题，工业以太网 不仅廉价、高速，还具有更好的兼容性。 因此本课题的任务就是在分析水轮机组振动原理的基础上，为了弥补以往装置的某些不 足之处，利用现代科学技术，研制出一种功能更加齐全、更经济实用的水轮机组振动摆度状 态监测智能分析仪 9 国电自动化研究院硕士学位论文 第三章振动摆度监测原理与方法 水轮发电机组的振动故障与一般旋转机械相比有其特殊性第一，它是水力、机械、电 磁三者的耦合，具有复杂多样性，必须根据三者振源所导致的不同类型的振动进行分析研究； 第二，水轮发电机组的额定转速较低( 特别是与火电机组相比较) ，尤其是水轮机水力因素造 成的振动领率，更是超低领( 可达0 5 i i z ) ，因此突发恶性事故较少，其发展有一个从量变 到质变的渐进过程，早期预警和故障防范变得相对容易；第三。由于受地理位置、地质状况 以及电网，水文、气候等诸多因素的影响，使得水轮机组振动故障具有极大的不规则性 振动是旋转机械不可避免的现象，若能将其振幅限制在允许范围内，就能确保机组安全 正常运行但较大振动对机组安全是不利的，会造成如下危害： 1 )使机组各连接部件松动，使各转动部件与静止部件之间产生摩擦而损坏； 2 )引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂； 3 ) 尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝； 4 )当振动频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，会发生共振，引起机组出力大 橱度波动，可能会造成机组从电力系统中解列，甚至危及厂房及水工建筑物 3 1 振动产生的原因分析 水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有一定差异，除了机器本身转动或固定 部分引起的振动外，尚需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统 及其部件振动的影响。在机组运转的状态下，流体一机械一电磁三部分是相互影响的。例如， 当水流流动激起机组转动部分振动时，在发电机转子与定子之问会导致气隙不对称变化，由 此产生的磁拉力不平衡也会造成机组转动部分的振动，而转动部分的运动状态出现某些变化 后，又会对水轮机的水流流场及发电机的磁场产生影响。因此，水轮机的振动是电气、机械、 流体等多种原因引起的，三个方面中的任一个方面出现不平衡，都会产生不平衡的作用力， 作用在机组的转动部分上，最终会传递到发电机和水轮机导轴承上 其中机械因素引起的振动主要来自机械部分的惯性力、摩擦力及其它力，其特征是振动 频率等于机组的转动频率或机组转动频率的整倍数。引起振动的机械因素主要有：转子质量 不平衡、机组轴线不正等 1o 第三章振动摆度监测原理与方法 1 发电机转子不平街 由于转子质量不平衡，转子重心s 对轴 心o i ，产生一个偏心距p 如图3 - 1 ( a ) 所示 当轴以一定角速度旋转时，由于失衡质量离 心惯性力的作用，轴将产生弓状回旋。其中 心0 - 获得挠度茗。如图3 - 1 ( b ) 所示o 绕0 作圆周轴运动，回转半径x 就是振幅，这种 振动也叫振摆，其特征是：振幅是随转速度 变化而变化的转子不平衡将导致上机架和 下机架的振动。 2 机组轴线不正 在旋转机械中，机组中心， 旋转中心及轴线最理想情况是 三者重合如图3 - 2 ( a ) ；由于种 种原因可能使三者都不重合，如 图3 - 2 ( c ) 。这是最严重的情况； 介于二者之间的是旋转中心与 机组中心重合，而轴线却存在弯 曲，如图3 2 ( b ) 围争1 转子质量不平衡 巧裱眨 盖 卑 刍 篓 0 机组轴线不正的主要表现为轴线与推力头底平 面不垂直以及轴线在法兰结合面处曲折，由于轴线 心与 心重 缔 围3 - 2 机组轴线不正 倾斜和曲折，使机组转子的总轴向力不通过推力轴承中心，就产生一个偏心力矩。随着转子 的旋转，偏心力矩也同时旋转，至使各支柱螺栓受到脉动力，其脉动频率与转速频率相同， 从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动，转子也就随之产生振摆。轴线不正，同时也是引 起机组径向振动的原因之一 3 2 振动的基本概念和表示法 在大多数情况下，水轮发电机组振动的激振力来自于周期旋转的轴，因而，机组振动多 数是周期振动。它们一般可以被分解为若干简谐振动。个别情况下也会呈现出单一的简谐振 国电自动化研究院硕士学位论文 动的形式” 对于位移、速度、加速度等运动量随时间按谐和函数变化的简谐振动，它的标准的数学 表达式为： 工= a 如懈= a s i n ( 2 , 毋= a 咖夸h 妒) ( 3 哪 式中： a 位移幅值，它是指傲简谐振动的物体离开平衡位置的最大距离，量值是单峰值， 即振动测量中经常用到的峰峰振幅值的一半，单位为u 或p 毗 国一圆频率，每秒钟转过的弧度，单位为r a d s l ，一振动频率，每秒钟振动次数，单位为i i z ； r 一振动周期。运动重复一次所需要的时间，单位为s 毋一初始相位角 这几个量值之间存在这样的关系：频率与周期互为倒数，频率的2n 倍是圆频率，即 r 。= 1 脚：2 矿 f 式( 3 - - 1 ) 在以x 轴为时间，y 轴为位移的直角坐标系中表示为曲线若将( 3 - - 1 ) 式 看着是振动位移工随时间t 的变化关系，将( 3 - - 1 ) 式对时间f 求导得振动速度y ，即 v = 鲁= a c o s ( 甜删= ，c o s ( o x 删= y s i n ( o x + 妒+ 争( 3 - - 2 ) 式中的v = a 国，是最大振动速度 再将式( 3 - - 2 ) 对时间，求导，得到振动加速度a ，即 口= 老= - a 国2 s i n ( o x 删一b s i n ( e x = b s i n ( e x + 妒+ 万) ( 3 _ 3 ) 式中的口- - a 矿。是最大振动加速度 式( 3 - - 1 ) 、式( 3 - - 2 ) 和式( 3 - - 3 ) 表明简谐振动的位移、速度、加速度都随时间以 同样的频率按谐和函数变化。三个量的最大幅值不相同，幅值之间依次之比均为国，相位 之间的关系固定，依次超前三，即速度超前位移三，加速度超前速度三由位移传感器， 速度型传感器和加速度型传感器所测量到的数据，它们之间数据的相互转换就遵循上述三式 关系 以上简单介绍了振动的一般概念和表示方式为下文进行数字信号分析与处理提供方便， l2 第三章振动摆度监测原理与方法 然而转子振动是相当复杂的，要明白其振动机理还必须了解自由振动、强迫振动、简支粱振 动和单圆盘转子模型振动等理论 3 3 监测点的选择 监测点的选择与布置是否合理将直接影响信号采集的真实性以及数据分析和故障诊断 的可信度。从经济的角度考虑，测点应尽可能的少，但同时也必须充分考虑状态监测、分析 以及故障诊断的需要。在进行测点的选择时，应在满足状态监测，分析和故障诊断的基础上， 选择最有代表性、最能准确捕捉运行设备状态的监测点 常见的水轮机组振动摆度测点配置如下，具体实施时可以根据功能与经济因素进行必要 的取舍： 1 ) 摆度测点：一般水轮发电机组都有上导、下导、水导3 部导轴承，每部导轴承截面 布置x 、y 两个方向各一个测点，有的机组只有2 部导轴承。晟特殊的情况是机组 盘车，测量摆度的截面就更多 2 )振动测点：水电机组一般都有上机架、下机架、定子基座、顶盖等量测截面，每一 个截面布置2 个径向测点和1 个( 或2 个) 轴向测点，有些机组还要监测推力瓦架 截面、厂房基础截面，轴流机组一般有支持盖截面而无项盖截面。 3 ) 转速键相测点：键相测点布置位置取决于现场安装方便和可靠与否，没有统一规定， 一般在上导或水导处 4 )压力脉动测点：一般在蜗壳进口，尾水管、顶盖处，特殊情况下还要测量转轮与顶 盖问、顶盖与导叶问等的水压脉动。 3 4 传感器 为了运行的安全性和经济性，旋转机械需要应用各种各样的传感器没有传感器提供必 要的信息，就发现不了机器所处的危险和不经济运行状态。为了增加机组运行的安全性和经 济性，传感器的选择在监测工作中是最重要的一步，应根据测量所要求的频率范围、幅值量 级、测量参数( 振动位移、速度、加速度) 及测量环境和条件选择合适的传感器测量系统。 传感器的可靠、准确与否，将直接影响到整个系统的正确与否所以，在选择传感器时 在充分考虑水电机组特点的基础上选择可靠的产品，使得传感器具有针对性和适用性。根据 水电站机组运行设备信号输出的特点，即低频随机信号的特点，选择高精度、高输出、性能 l3 国电自动化研究院硕士学位论文 优的低频传感器 3 4 1 传感器的分类 振动传感器按其接收原理不同通常分为相对式和绝对式。相对式传感器所测得的振动是 以传感器外壳为参考坐标的相对振动，以分为顶杆式和非接触式；绝对式传感器所测得的是 相对予惯性坐标系的绝对振动，因此也称为惯性式传感器 相对式传感器适用于测量结构上两部件间的相对振动，这种相对振动直接反映了结构本 身的弹性变形。相对式传感器只有在作为参考坐标的外壳为静止时才能测得绝对振动因此， 当需要测量结构上某点的绝对振动而周围又不能建立静止参考坐标时。则只能选用绝对式传 感器比如测量发电机轴承座绝对振动时。周围的部件包括基础在内都参与了振动。因此。 我们只能用绝对式传感器测量轴承的绝对振动 振动测量按传感器的安装方式可分为接触式和非接触式。接触式测量是将传感器直接安 装到被测物体上，它测得的是被测物体的绝对振动值，如速度型和加速度型传感器。非接触 式溅量一般选用电涡流传感罂，将传感器安装于一个特制支架上，由于测量时支架本身也在 振动，传感器测得的是被测物体相对于支架的相对振动值 3 4 2 几种常用传感器介绍嘲 在旋转机械测试装置中，常用的传感器有三种类型：电涡流非接触式传感器，惯性式速 度传感器，压电式加速度传感器 一、电涡流传感器 涡流传感器是一种利用电涡流原理测量转子表面相对于传感器头部距离变化的非接触 式传感器，目前在转轴振动测量中被广泛应用。电涡流传感器主要由探头、延伸屯缆和前置 器三部分组成。 电涡流传感器的工作原理：当传感器探头中线圈有高频电流通过时，即产生高频电磁场。 这个磁场在探头邻近的被测金属导体表面产生感应电流可以把金属导体也视为一个线圈， 它与平行传感器中线圈之间的阻抗、电感和品质因子都是它们之问距离的函数。这样。只要 能够将线圈的品质因数、等效阻抗和等效电感测到并显示出来，即可折算出传感器线圈与被 测金属导体间的距离。这个距离是由这些电参数的变化转化成电压表示出来的。 14 第三章振动摆度监测原理与方法 涡流传感器与接触式传感器的比较：由于转子轴表面具有很大的切线速度，因此用接触 式传感器是难以实现振动信号的接收，而涡流传感器则是利用转予轴表面与传感器探头端部 间的间隙变化来接收振动信号的，这样就避免了探头与转子轴表面的直接接触另外，涡流 式传感器还具有零频率响应的特点，故此它不仅可以测出转子轴的振动位移，而且还可以测 出转于轴心的静态位置，这在判断运转过程中轴心是否处于正常的离心位置是有用处的 二、速度传感器 速度传感器属于接触式传感器，用来测量轴承座、机壳或者基础的振动从原理上讲速 度传感器是利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电势输出传感器吸附在被 测物的表面且两者一起振动时，内中由弹簧支撑的动线圈相对于与传感器一体的磁铁做相对 振动，动圈的感应电动势与线圈相对磁场的运动速度成正比，由此便可测得被测物的振动速 度，积分一次得到振动位移这种传感器有时也称为惯性式传感器或地震式传感器 速度传感器的频响范围一般在l 伽z l 髓z ，可测得晟低转速为6 0 0 f s i n 左右，低频性 能更好的速度传感器频率下限可以到4 5 h z ，对应的转速为2 7 0 r m i n 左右，极低频率的测 量需要特殊类型的速度传感器，但低于2h z 时振动无法用速度传感器测量 测量轴承振动时，速度传感器的安装比较简单，属无源器件，使用时不用外接电源，需 将信号电缆直接引至表计即可，目前在现场采用的有手扶、橡皮泥粘接、永磁吸盘固定、螺 栓固定4 种方式。但其体积、质量较大，活动部件易损坏，低频响应不好，一般测量1 5 h z 以下的振动时，将产生较大的振幅和相位误差 三、加速度传感器 压电式加速度传感器应用较广，它是利用压电晶体作为振动感受元件进行加速度测量。 振动过程中由于加速度作用，使得压电晶体受到压力或张力，产生与加速度成正比的电荷， 经积分放大器将电荷转换成电压。所有加速度传感器输出都采用了有一定阻抗而长度较短的 高频电缆。为满足远距离传送振动信号的需要，将其输出信号先送到前置放大器，然后才能 输送到振动仪或别处 这种传感器频响性能好，动态范围宽。对于转速高的旋转机械。振动量通常已不再用位 移和速度，而采用加速度，这类振动测试的一次元件一般选用加速度传感器。加速度传感器 体积小质量轻、结构牢靠，但对水轮机组来说，其工作频率范围显得太高。 l5 国电自动化研究院硕士学位论文 采用加速度传感器，要获得振动速度信号，必须经一次积分；要获得振动位移信号，必 须经两次积分由此使原来的振动信号衰减9 跣以上，灵敏度显得不足，而且受外界干扰影 响较大，所以加速度传感器虽然结构简单且特别牢靠，但在水轮发电机组振动测试中一直 没有得到广泛应用 3 5 电涡流传感器在振动摆度测量上的应用 涡流传感器是一种利用电涡流原理测量转子表面相对于传感器头部距离变化的非接触 式传感器，具有结构简单、不受介质影响，测量的动态范围大，抗干扰能力强等特点。目前 几乎所有机组都安装了电涡流传感器来检测机组的位移或振动 3 5 1 电涡流传感器输出特性 当被测体材料和传感器参数一定时，电涡流传感器回路阻抗 。 为传感器探头与被测体间距离占的单值函数电涡流传感器的输 m 出电压v 与位移艿的特性曲线如图从图中可知，在小位移和大 位移时输出特性呈非线性性质，测量时应使用线性工作区如图 v 3 - 3 所示的艿- 以范围内，这个线性工作区域的大小同传感器的 外径有关，随着线圈直径的增大，线性区范围也相应扩大。一般， v z 线性工作区约为线圈外径的1 3 l 5 但线圈外径增大传感器的 灵敏度就会相对地降低图中j 点称为工作点。r 为工作点相应的 电压，通常称为传感器的间隙电压，也即传感器的初始安装位置， 最佳工作点一般选在( 以一艿- ) 2 处，这样能保证最大的线性测 量范围。 3 5 2 电涡流传感器输出信号中的状态信息与意义 图3 - 3 电涡流传摩器输出特性 用电涡流传感器测量轴振动摆度的输出信号，从传感器的前置放大器可以得到如图 3 - 4 ( a ) 所示的曲线从曲线中可以看出，传感器输出信号有两部分组成：一是与振动频率五 和振幅a 有关的交流电压信号以l 二是与位移成正比的直流电压信号u 直流信号以，通常称为问隙电压，是反映传感器初始安装位置和机组运行中传感器端 l6 第三章振动摆度监测原理与方法 面与轴表面距离的一个参量，它是一个绝对量， 也是反映传感器安装位置即工作点选择是否正 确和传感器是否工作在线性区域的重要参数在 传感器安装正确的条件下，玑的大小表示了转 子在轴承中的状态，在极端的情况下，有时探头 会因碰磨而损坏，因此在这种情况下。间隙电压 也可以用来判断传感器是否失效 轴心位置也与直流电压信号玑有关。轴心 位置表示轴在运转过程中