CN102087140B - 汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了旋转机械振动状态监测与故障诊断技术领域中的汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法。包括设定时长和步进长度；实时采集轴相对振动数据；计算得到每一采集时刻从低频到高频的振动频率序列以及从低频到高频的振动频率所对应的振动幅值序列；截取所有小于机组工作转速频率的振动频率以及振动频率所对应的振动幅值；找到振动幅值最大值对应的频率，存储该最大值和其对应的频率；当达到设定时长时，按照存储时间的先后顺序，将振动幅值最大值对应的频率排成序列；计算低频振动主峰频率平稳性参数以及该序列的最大值、最小值；判定低频振动主峰频率是否具备平稳性。本发明实现了发电机组低频振动主峰频率平稳性实时在线监测和分析。

Description

汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法

技术领域

本发明属于旋转机械振动状态监测与故障诊断技术领域，尤其涉及一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法。

背景技术

汽轮发电机组轴系转子的低频振动是一种非同步振动，其故障机理复杂，主要表现在形成快，振动剧增，且事先无明显征兆，这对发电机组的安全运行产生了极大地威胁。由于机组振动情况恶化，经常发生减负荷运行，或停机处理，或紧急强迫停机。剧烈的低频振动可导致转子与定子在密封、轴瓦、叶顶等部位发生动静碰摩、轴瓦乌金脱胎，并产生大幅交变应力所形成的力学疲劳环境，这种环境有可能诱发转子裂纹，对机组安全性以及可靠性有潜在危害。因此，如果对机组低频振动状态的监测分析不及时，则有可能导致机组发生局部或整体的严重故障。

由机组轴系产生自激振动而引起的低频振动，其显著的特点就是低频振动表现为某频率的峰值显著，即汽轮发电机组低频振动主峰频率不稳定，该频率与转子的临界频率接近或与某一固定频率接近。因此，对于机组低频振动实时辨识，实现快速、自动、定量地汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析具有重要的工程意义和价值。

目前，常用的汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析工作，需要由具有一定现场振动故障诊断经验的专家通过观察三维频谱图来完成，客观性较差，对专家的主观性依赖程度较高，并且无法做到机组低频振动主峰频率平稳性实时自动在线监测、分析及判别。因此，提出一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法就显得十分重要。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，对机组轴系转子低频振动情况进行实时自动在线监测、分析及判别，提高机组转子低频振动主峰频率平稳性辨识效率和准确度，保证汽轮发电机组的安全运行。

技术方案是，一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：设定时长T和步进的长度t；

步骤2：实时采集机组转子一侧支持轴承的轴相对振动信号、转子的转速信号以及键相信号；

步骤3：利用快速傅立叶变换频谱分析方法，计算得到每一采集时刻从低频到高频的振动频率序列以及从低频到高频的振动频率所对应的振动幅值序列；

步骤4：从所述振动频率序列中截取所有小于机组工作转速频率的振动频率，形成低频振动频率序列；并从所述振动幅值序列中截取所有小于机组工作转速频率的振动频率所对应的振动幅值，形成低频振动幅值序列；

步骤5：计算低频振动幅值序列中的振动幅值最大值，并在低频振动频率序列中找到所述振动幅值最大值对应的频率，存储振动幅值最大值和其对应的频率；

步骤6：判断是否达到设定时长T，如果是，则执行步骤7；否则，步进一个长度t，并返回步骤2；

步骤7：按照存储时间的先后顺序，将振动幅值最大值对应的频率排成序列，记为低频振动幅值最大值频率序列；

步骤8：计算低频振动主峰频率平稳性参数以及低频振动幅值最大值频率序列的最大值、最小值；

步骤9：判断低频振动主峰频率平稳性参数的绝对值是否小于第一设定阈值，或者低频振动幅值最大值频率序列的最大值与最小值的差值的绝对值是否小于第二设定阈值；如果是，则判定低频振动主峰频率具备平稳性；否则，判定低频振动主峰频率不具备平稳性。

所述计算低频振动主峰频率平稳性参数具体包括：

步骤101：计算低频振动幅值最大值频率序列的逆序数；

步骤102：利用公式ε^fmp＝(S^fmp+0.5-μ_A)/σ_A计算低频振动主峰频率平稳性参数；其中，S^fmp是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数，μ_A是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数理论均值，μ_A＝m(m-1)/4，σ_A是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数理论标准偏差，

m是低频振动幅值最大值频率序列中的数据个数。

所述设定时长T＝10秒。

所述步进的长度t＝0.1秒。

所述第一设定阈值为N_1-α/2(0，1)，N_1-α/2(0，1)是概率为(1-α/2)的标准正态分布变量值，设定α/2＝2.5％。

所述第二设定阈值为1.5。

本发明的效果在于，利用机组运行中转子的轴相对振动数据，经过计算分析，实现汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性自动实时在线监测和分析，确保汽轮发电机组的安全运行。

附图说明

图1是汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法示意图；

图2是汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法示意图。图1中，汽轮发电机组轴相对振动数据及振动数据分析处理需要的轴相对振动信号、转子的转速信号、键相信号从与振动传感器相连的专业振动数据采集调理设备获得。高速数据采集卡插入工业用微型计算机(IPC)提供的插槽内。根据高速数据采集卡的要求，专业振动数据采集调理设备处理汽轮发电机组轴相对振动信号、转子的转速信号和键相信号，经过处理后的汽轮发电机组轴相对振动信号及振动信号分析处理需要的键相信号输入IPC内的高速数据采集卡。根据本发明提供的方法设计具体的机组轴系转子低频振动主峰频率平稳性计算机实时分析程序，并将该程序安装在工业用微型计算机(IPC)内。

图2是汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法流程图。在本发明实施前，先设定本发明提供的方法要用到的阈值。其中，设定第一设定阈值D₁为N_1-α/2(0，1)，N_1-α/2(0，1)是概率为(1-α/2)的标准正态分布变量值，设定α/2＝2.5％，即D₁＝N_0.975(0，1)＝1.9604。设定第二设定阈值为D₂＝1.5。图2中，汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，包括下列步骤：

步骤1：设定时长T＝10秒，设定步进的长度t＝0.1秒。

步骤2：实时采集机组转子一侧支持轴承的轴相对振动信号、转子的转速信号以及键相信号。

如图1所示，工业用微型计算机(IPC)采用高速振动数据采集卡实时采集机组高压转子A侧支持轴承附近测得的轴相对振动信号、转子的转速信号以及键相信号。振动数据采集卡每一通道技术参数为50ks/s，24bit。

步骤3：利用快速傅立叶变换频谱分析方法，计算得到每一采集时刻从低频到高频的振动频率序列以及从低频到高频的振动频率所对应的振动幅值序列。

上述振动频率序列与振动幅值序列中的数据，在顺序上是一一对应的，即每一采集时刻的频率应当与该时刻的幅值对应。

步骤4：从所述振动频率序列中截取所有小于机组工作转速频率的振动频率，形成低频振动频率序列；并从所述振动幅值序列中截取所有小于机组工作转速频率的振动频率所对应的振动幅值，形成低频振动幅值序列。

一般机组工作转速频率为50Hz，因此截取过程是将所有小于50Hz频率的振动频率截取出来，形成新的序列，记为低频振动频率序列

(i＝1，2，...，n)。同时，将所有小于50Hz频率的振动频率所对应的所有振动幅值截取出来，形成新的序列，记为低频振动幅值序列

(i＝1，2，...，n)。在实施过程中，可以设定振动数据采集频率及采集数据量，使得形成的低频振动频率序列和振动幅值序列

中的数据个数n＝498个。

步骤5：计算低频振动幅值序列

中的振动幅值最大值A^mp，并在低频振动频率序列

中找到所述振动幅值最大值A^mp对应的频率f^mp，存储振动幅值最大值A^mp和其对应的频率f^mp。上述i＝1，2，...，498。

步骤6：判断是否达到设定时长T＝10秒，如果是，则执行步骤7；否则，步进一个长度t＝0.1秒，并返回步骤2。

步骤7：按照存储时间的先后顺序，将振动幅值最大值

对应的频率

排成序列，记为低频振动幅值最大值频率序列。

由于设定时长T＝10秒，步进的长度t＝0.1秒，则有j＝1，2，...，

即j＝1，2，...，100。即低频振动幅值最大值频率序列的数据个数为100。

步骤8：计算低频振动主峰频率平稳性参数以及低频振动幅值最大值频率序列的最大值最小值

其中，低频振动主峰频率平稳性参数的计算过程具体包括：

步骤101：计算低频振动幅值最大值频率序列的逆序数S^fmp。

其中，逆序对是指在一个数据序列中，一对数的前后位置与大小顺序相反，即前面的数大于后面的数；逆序数是指一个数据序列中逆序对的总数。

步骤102：利用公式ε^fmp＝(S^fmp+0.5-μ_A)/σ_A计算低频振动主峰频率平稳性参数。其中，S^fmp是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数，μ_A是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数理论均值，μ_A＝m(m-1)/4，σ_A是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数理论标准偏差，

m是低频振动幅值最大值频率序列中的数据个数，m＝100。

步骤9：判断是否低频振动主峰频率平稳性参数的绝对值|ε^fmp|＜D₁，即|ε^fmp|＜D₁＝N_0.975(0，1)＝1.9604或者是否低频振动幅值最大值频率序列的最大值

与最小值

的差值的绝对值

上述两个条件只要满足其中的一个，就可判定低频振动主峰频率具备平稳性。两个条件都不满足，则判定低频振动主峰频率不具备平稳性。

在判定低频振动主峰频率不具备平稳性时，应当及时采取措施，减轻或者消除造成机组轴系转子一侧的低频振动主峰频率不平稳的因素，从而确保汽轮发电机组的安全运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，其特征是所述方法包括下列步骤：

步骤1：设定时长T和步进的长度t；

步骤2：实时采集机组转子一侧支持轴承的轴相对振动信号、转子的转速信号以及键相信号；

步骤3：利用快速傅立叶变换频谱分析方法，计算得到每一采集时刻从低频到高频的振动频率序列以及从低频到高频的振动频率所对应的振动幅值序列；

步骤4：从所述振动频率序列中截取所有小于机组工作转速频率的振动频率，形成低频振动频率序列；并从所述振动幅值序列中截取所有小于机组工作转速频率的振动频率所对应的振动幅值，形成低频振动幅值序列；

步骤5：计算低频振动幅值序列中的振动幅值最大值，并在低频振动频率序列中找到所述振动幅值最大值对应的频率，存储振动幅值最大值和其对应的频率；

步骤6：判断是否达到设定时长T，如果是，则执行步骤7；否则，步进一个长度t，并返回步骤2；

步骤7：按照存储时间的先后顺序，将振动幅值最大值对应的频率排成序列，记为低频振动幅值最大值频率序列；

步骤8：计算低频振动主峰频率平稳性参数以及低频振动幅值最大值频率序列的最大值、最小值；

所述计算低频振动主峰频率平稳性参数具体包括：

步骤101：计算低频振动幅值最大值频率序列的逆序数；

步骤102：利用公式ε^fmp＝(S^fmp+0.5-μ_A)/σ_A计算低频振动主峰频率平稳性参数；其中，S^fmp是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数，μ_A是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数理论均值，μ_A＝m(m-1)/4，σ_A是低频振动幅值最大值频率序列的逆序数理论标准偏差，

m是低频振动幅值最大值频率序列中的数据个数；

所述逆序数是指一个数据序列中逆序对的总数；逆序对是指在一个数据序列中，一对数的前后位置与大小顺序相反，即前面的数大于后面的数；

步骤9：判断低频振动主峰频率平稳性参数的绝对值是否小于第一设定阈值，或者低频振动幅值最大值频率序列的最大值与最小值的差值的绝对值是否小于第二设定阈值；如果是，则判定低频振动主峰频率具备平稳性；否则，判定低频振动主峰频率不具备平稳性。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，其特征是所述设定时长T＝10秒。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，其特征是所述步进的长度t＝0.1秒。

4.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，其特征是所述第一设定阈值为N_1-α/2(0，1)，N_1-α/2(0，1)是概率为(1-α/2)的标准正态分布变量值，设定α/2＝2.5％。

5.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组低频振动主峰频率平稳性分析方法，其特征是所述第二设定阈值为1.5。

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