CN103032626A - 调节阀故障诊断系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种调节阀故障诊断系统及其方法，包括调节阀系统、数据采集装置、故障诊断系统和显示装置，所述的调节阀系统与数据采集装置相连，所述的数据采集装置和显示装置分别与故障诊断系统相连。本发明的有益效果是：通过质量流作为故障诊断的基础信号，其与压力信号相比抗扰动强，可消除因调节阀开启、关闭或上、下压力波动对信号的影响，提高故障诊断的可靠性。通过数据处理可实现压力数据转换为质量流数据，由压力采集传感器代替质量流采集传感器，降低故障诊断系统的成本。

Description

调节阀故障诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及一种调节阀故障诊断系统，尤其涉及一种通过分析调节阀入、出口处的质量流及质量流梯度来实现调节阀的故障检测及定位，属于调节阀故障诊断技术领域。

背景技术

随着工业需求的进一步发展，流体管道输送向着更大流量、更高压力的方向发展。流体(如蒸汽、煤气等)在输送过程中，通常需要经过机械压缩、增压等措施后才能进行，这就必然导致管道内流体压力和速度的不稳定，引起压力和速度脉动。压力脉动和速度脉动统称流体脉动。调节阀作为工业生产过程最常用的终端流体控制元件，用来控制系统的压力，减小流体脉动，广泛应用在冶金、核电、石油、化工等重要行业。

调节阀系统长时间的运行磨损、设备的自然老化、地理和气候环境的变化以及人为损坏等原因，故障时有发生，给人们的生命、财产和生存环境造成了巨大的潜在威胁，同时也造成贵重资源的浪费。为减少对环境及经济造成巨大损失，需对调节阀的运行状况时刻监测。

现如今对调节阀系统的故障诊断，主要集中在管道系统是否出现故障，并出现了类如压力波法、实时模型法等诸多故障诊断方法。但由于调节阀在管道系统中的特殊性及内部流场的复杂性，出现了调节阀的故障不易检测、类型识别难及无法定位等问题。针对调节阀系统的诊断及定位难问题，可结合调节阀的故障动态特征，并采用新的方法提取调节阀的故障信号，设计适合调节阀系统的故障诊断系统及方法，以便对故障能及时、准确的诊断及定位。

发明内容

本发明针对现有调节阀存在的故障不易检测、类型识别难及无法定位等问题，提供一种可有效检测并识别故障类型，进而精确定位的调节阀故障诊断系统及方法。

本发明的调节阀故障诊断系统及方法采用以下技术方案：

调节阀故障诊断系统，包括调节阀系统、数据采集装置、故障诊断系统和显示装置，所述的调节阀系统与数据采集装置相连，所述的数据采集装置和显示装置分别与故障诊断系统相连。

所述的故障诊断系统包括数据处理模块、故障检测及类型识别模块和故障定位模块，所述的数据处理模块、故障检测及类型识别模块和故障定位模块依次相连。

所述数据采集装置为六个压力传感器，其中的三个压力传感器设于在调节阀的入口，另外三个压力传感器设于调节阀的出口。六个压力传感器采集数据并得到六个压力数据模块。

故障诊断系统的诊断方法，包括如下步骤：

（1）通过数据采集装置采集调节阀进口与出口的信号；

（2）通过数据处理模块对采集的信号进行处理，转换成质量流信号；

（3）故障检测及类型识别模块对生成的质量流信号进行判别；

（4）故障定位模块对故障信号进行定位处理，给出故障结果。

所述的步骤（1）中是通过六个压力传感器采集数据，形成6个压力模块，这六个压力模块分别是：压力模块a、压力模块b、压力模块c、压力模块d、压力模块e、压力模块f。

所述的步骤（2）通过数据处理模块对所述的6个压力模块进行分组处理，压力模块a和压力模块b形成质量流模块A、压力模块b和压力模块c形成质量流模块B、压力模块d和压力模块e形成质量流模块C、压力模块e和压力模块f形成质量流模块D；

所述的步骤（3）对故障信号进行判别的步骤如下：

（3-1）故障检测及类型识别模块对质量流模块A和质量流模块D进行判别，若质量流模块A和质量流模块D相等，则跳到步骤（3-2）；若质量流模块A大于质量流模块D，则跳到步骤（3-3）；

（3-2）说明无故障或者堵塞；若是堵塞，则跳到步骤（4），若无故障停止判别；

（3-3）说明有泄漏，跳到步骤（4）。

所述的步骤（4）对故障信号进行判别的方法如下：

（1）若质量流模块A小于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则入口堵塞；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C大于质量流模块D,则出口堵塞；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则阀体堵塞；

（2）若质量流模块A小于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则入口泄漏；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则出口泄漏；若质量流模块A大于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则阀盖泄漏；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则阀杆泄漏。

所述的步骤（2）压力模块与质量流之间的转化公式为：

$q_m=\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\sqrt{\frac{p_1^2-p_2^2}{\mathrm{RT}\{\frac{8}{{\left[n^{-1}{(D/4)}^{-1/6}\right]}^2}\frac{l}{D}+2\ln \frac{p_1}{p_2}\}}}---(1-1)$

式中，q_m为检测处的质量流量，D为管道的直径，l为测点间距离，p₁为测点一的压力，p₂为测点二的压力，R为气体常数，T为热力学温度，λ为沿程摩擦阻力系数；n为管壁粗糙率。

所述故障诊断系统中的数据处理采用建立的质量流模型分别对由压力传感器采集的压力信号进行计算，如其中压力数据a和压力数据b为一组数据，压力数据b和压力数据c为一组数据，在此基础上建立4个质量流数据模块。

所述故障诊断中的故障检测及类型识别采用建立的质量流数据A和质量流数据D进行故障的初步检测及类型识别。

所述故障诊断中的故障定位采用在初步故障类型的基础上，以质量流数据A和质量流数据B为一组，以质量流数据C和质量流数据D为一组，进行计算分析并故障定位。

本发明的有益效果是：通过质量流作为故障诊断的基础信号，其与压力信号相比抗扰动强，可消除因调节阀开启、关闭或上、下压力波动对信号的影响，提高故障诊断的可靠性。通过数据处理可实现压力数据转换为质量流数据，由压力采集传感器代替质量流采集传感器，降低故障诊断系统的成本。通过故障检测及类型识别，实现调节阀的故障检测并识别故障类型，为调节阀的故障定位提供基础。通过故障定位，实现调节阀不同故障类型的故障定位。该调节阀故障诊断系统具有精确、可靠检测故障并识别类型以及定位的优点，而且具有成本低、操作简单的特点。

附图说明

图1是本发明调节阀故障诊断系统结构示意图；

图2是本发明中的数据采集点示意图；

图3是本发明故障诊断系统的流程图；

图中：1、调节阀系统，2、数据采集装置，3、故障诊断系统，4、显示装置，5、数据处理模块，6、故障检测及类型识别模块，7、故障定位模块，8、第一压力传感器，9、第二压力传感器，10、第三压力传感器，11、管道，12、调节阀，13、第四压力传感器，14、第五压力传感器，15、第六压力传感器，16、数据采集流程，17、数据处理流程，18、故障检测及类型识别流程，19、故障定位流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明的故障诊断系统主要由调节阀系统1、数据采集装置2、故障诊断系统3及和显示装置4组成，其中故障诊断系统3又包括数据处理模块5、故障检测及类型识别模块6、故障定位模块7。

如图2所示，本发明的数据采集装置2通过在管道11的进口上安装第一压力传感器8、第二压力传感器9、第三压力传感器10采集调节阀12前的压力信号；通过在管道11的出口上安装第四压力传感器13；第五压力传感器14和第六压力传感器15，来采集调节阀12后的压力信号。6个传感器可实现调节阀入、出口4个管段的流体动态监测，与传统的调节阀前、后4个传感器相比，该发明通过前、后多出的2个传感器实现分别增加1个管段的监测，通过增加管段的监测，既可减小流体波动对监测数据的影响，又为后续的故障定位模块7提供可靠的数据。

如图3所示，本发明中将采集的压力信号通过数据采集流程16进行处理，然后传送到数据处理流程17并将压力数据转换为质量流数据，故障诊断及类型识别流程18中对质量流数据进行计算分析并对故障进行检测和类型识别，最后通过故障定位流程19对调节阀进行故障的定位。

本发明的调节阀故障诊断系统的诊断方法如下：

（1）通过六个压力传感器采集数据，形成6个压力模块，这六个压力模块分别是：压力模块a、压力模块b、压力模块c、压力模块d、压力模块e、压力模块f；

（2）通过数据处理模块5对上面的6个压力模块进行处理，将压力传感器采集的压力信号转换成质量流信号；将压力模块a和压力模块b分为一组，形成质量流模块A、压力模块b和压力模块c形成质量流模块B、压力模块d和压力模块e形成质量流模块C、压力模块e和压力模块f形成质量流模块D；

（3）故障检测及类型识别模块6对质量流模块A和质量流模块D进行判别，若质量流模块A和质量流模块D相等，则跳到步骤（4）；若质量流模块A大于质量流模块D，则跳到步骤（5）；

（4）说明无故障或者堵塞；若是堵塞，则跳到步骤（6），若无故障停止判别；

（5）说明有泄漏，跳到步骤（7）

（6）故障定位模块7进行判断：若质量流模块A小于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则入口堵塞；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C大于质量流模块D,则出口堵塞；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则阀体堵塞；

（7）故障定位模块7进行判断：若质量流模块A小于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则入口泄漏；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则出口泄漏；若质量流模块A大于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则阀盖泄漏；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则阀杆泄漏。

本发明通过使用数据处理模块5来实现压力信号向质量流信号的转换。将传感器两点间采集的压力信号带入质量流数学模型，如式（1-1）所示。通过计算，将采集到的6组压力数据转换4组质量流数据，分别记为A、B、C和D。

$q_m=\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\sqrt{\frac{p_1^2-p_2^2}{\mathrm{RT}\{\frac{8}{{\left[n^{-1}{(D/4)}^{-1/6}\right]}^2}\frac{l}{D}+2\ln \frac{p_1}{p_2}\}}}---(1-1)$

式中，q_m为检测处的质量流量，D为管道的直径，l为测点间距离，p₁为测点一的压力，p₂为测点二的压力，R为气体常数，T为热力学温度，λ为沿程摩擦阻力系数；n为管壁粗糙率。

本发明通过故障诊断及类型识别模块6来实现调节阀12的故障检测及故障类型的识别。当调节阀12出现堵塞故障时，其进、出口的质量流量不会发生变化，但由于堵塞物的存在，造成局部的质量流增大；而当调节阀12与管道11系统中出现泄漏故障时，泄漏点前流量会增大，泄漏点后流量会减小。通过这些现象，可实现调节阀12系统堵塞或泄漏的初步检测。为减小堵塞或泄漏处波动对数据的影响，选取离调节阀12最远处的两组质量流数据A和D进行分析。首先通过分析质量流A和质量流D是否相等来初步判断故障是否发生，当A>D，说明有泄漏故障，当A=D，由前面说明的堵塞故障特征，其进、出口质量流不发生变化，只在局部质量流变化，因此，可结合故障定位模块7来进一步分析是否发生堵塞及堵塞部位。

本发明通过故障定位模块7来实现调节阀12泄漏或堵塞故障的定位。当调节阀12出现泄漏故障时，泄漏点处同外界大气相通，则泄漏点处的相对压力为零，在泄漏处形成压差，使该区域流体高速流动，引起其它部位流速的改变，进而引起质量流的变化；当调节阀12出现堵塞故障时，在堵塞处由于流体受到阻挡而停滞，流速降低，压力升高，与堵塞物后的流场形成高压差，引起局部质量流的剧烈变化。而不同的泄漏或堵塞部位对调节阀12系统的影响不同，因此，可通过分析不同监测区域质量流的变化情况来对调节阀12系统进行泄漏或堵塞定位，可在前面故障诊断及类型识别模块6的基础上，通过分别分析质量流A、质量流B和质量流C、质量流D来实现调节阀12故障的定位。具体故障定位如图3中的故障定位流程19所示。

Claims (8)

1.调节阀故障诊断系统，其特征在于：包括调节阀系统、数据采集装置、故障诊断系统和显示装置，所述的调节阀系统与数据采集装置相连，所述的数据采集装置和显示装置分别与故障诊断系统相连。

2.如权利要求1所述的调节阀故障诊断系统，其特征在于：所述的故障诊断系统包括数据处理模块、故障检测及类型识别模块和故障定位模块，所述的数据处理模块、故障检测及类型识别模块和故障定位模块依次相连。

3.如权利要求2所述的调节阀故障诊断系统，其特征在于：所述数据采集装置包括六个压力传感器，其中的三个压力传感器设于在调节阀的入口，另外三个压力传感器设于调节阀的出口。

4.如权利要求3所述的故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）通过数据采集装置采集调节阀进口与出口的信号；

（2）通过数据处理模块对采集的信号进行处理，转换成质量流信号；

（3）故障检测及类型识别模块对生成的质量流信号进行判别；

（4）故障定位模块对故障信号进行定位处理，给出故障结果。

5.如权利要求4所述的调节阀故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，所述的步骤（1）中是通过六个压力传感器采集数据，形成6个压力模块，这六个压力模块分别是：压力模块a、压力模块b、压力模块c、压力模块d、压力模块e、压力模块f；所述步骤（2）的数据处理模块是对所述的6个压力模块进行分组处理，压力模块a和压力模块b形成质量流模块A、压力模块b和压力模块c形成质量流模块B、压力模块d和压力模块e形成质量流模块C、压力模块e和压力模块f形成质量流模块D。

6.如权利要求4所述的调节阀故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，所述的步骤（3）对故障信号进行判别的步骤如下：

（3-1）故障检测及类型识别模块对质量流模块A和质量流模块D进行判别，若质量流模块A和质量流模块D相等，则跳到步骤（3-2）；若质量流模块A大于质量流模块D，则跳到步骤（3-3）；

（3-2）说明无故障或者堵塞；若是堵塞，则跳到步骤（4），若无故障停止判别；

（3-3）说明有泄漏，跳到步骤（4）。

7.如权利要求4所述的调节阀故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，所述的步骤（4）对故障信号进行判别的方法如下：

（4-1）若质量流模块A小于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则入口堵塞；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C大于质量流模块D,则出口堵塞；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则阀体堵塞；

（4-2）若质量流模块A小于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则入口泄漏；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C小于质量流模块D,则出口泄漏；若质量流模块A大于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则阀盖泄漏；若质量流模块A等于质量流模块B，且质量流模块C等于质量流模块D,则阀杆泄漏。

8.如权利要求4所述的调节阀故障诊断系统的诊断方法，其特征在于，所述的步骤（2）压力模块与质量流之间的转化公式为：

$q_m=\frac{{\mathrm{\πD}}^2}{4}\sqrt{\frac{p_1^2-p_2^2}{\mathrm{RT}\{\frac{8}{{\left[n^{-1}{(D/4)}^{-1/6}\right]}^2}\frac{l}{D}+2\ln \frac{p_1}{p_2}\}}}---(1-1)$

式中，q_m为检测处的质量流量，D为管道的直径，l为测点间距离，p₁为测点一的压力，p₂为测点二的压力，R为气体常数，T为热力学温度，λ为沿程摩擦阻力系数；n为管壁粗糙率。

Images