CN106017936A - 一种水轮机组运行状态监测诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水轮机组运行状态监测诊断方法，包括碰摩故障监测的步骤：1）采集被检测水轮机组顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号；2）根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量；3）将多组碰摩特征向量采用加权向量法生成加权碰摩特征向量；4）计算加权碰摩特征向量、预设的典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障。本发明能够精确检测诊断被检测水轮机组发生碰摩故障，使水电厂状态监测系统的功能得到完善，为专家的远程分析诊断提供更多有用的信息，从而对出现的故障问题进行有针对性的处理。

Description

一种水轮机组运行状态监测诊断方法

技术领域

本发明涉及旋转机械状态监测分析及诊断技术，具体涉及一种水轮机组运行状态监测诊断方法。

背景技术

随着水电机组单机容量的提高以及在电力系统中所占的比重越来越大，其重要性越来越突出。由于部分老电厂的设备运行多年后机组设备、金属结构均出现了老化，部分缺陷已影响到电厂安全运行。尤其是机组稳定性、空化、裂纹、能量指标等远程监控技术仍不完善，远程实时诊断决策技术及方法欠缺。因此研究以水电机组工作运行状态为基础的监控和实时决策技术，进行针对性的检修或维修处理，能够有效确保设备的安全运行。目前，针对水电机组的监测诊断研究主要集中在运行参数的监测方面，而缺乏有效的决策诊断技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有水电机组状态监测系统存在的不足，提供一种能够精确检测诊断被检测水轮机组发生碰摩故障，使水电厂状态监测系统的功能得到完善，为专家的远程分析诊断提供更多有用的信息，从而对出现的故障问题进行有针对性的处理的水轮机组运行状态监测诊断方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种水轮机组运行状态监测诊断方法，包括碰摩故障监测的步骤：

1）采集被检测水轮机组顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号；

2）根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，碰摩特征向量由水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号三种标量构成；

3）将多组碰摩特征向量采用加权向量法生成加权碰摩特征向量；

4）计算加权碰摩特征向量、预设的典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障。

优选地，所述步骤4）的详细步骤包括：

4.1）预先采集被检测水轮机组在不同碰摩程度下顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号，根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量；

4.2）分别计算加权碰摩特征向量、各个典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果加权碰摩特征向量某一个典型碰摩特征向量之间的向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障，且碰摩程度为该典型碰摩特征向量所对应的碰摩程度。

优选地，所述根据顶盖的碰摩检测信号提取碰摩特征向量的详细步骤包括：分别对各个碰摩检测信号进行模态分解提取1阶模态信号和2阶模态信号，对1阶模态信号和2阶模态信号进行快速傅里叶变换从时域变换到频域，提取变换到频域的各个碰摩检测信号的1阶模态信号和2阶模态信号的频域幅值及频谱包络线，将得到的频域幅值及频谱包络线构建生成碰摩特征向量。

优选地，本发明还包括进行运行趋势预警的步骤：

A1）采集水轮机组实时运行工况参数，所述实时运行工况参数包括机架振动、导轴承摆度及温度，判断水轮机组的各个实时运行工况参数是否稳定在给定的限值范围内，如果各个实时运行工况参数均在给定的限值范围内，则通过对导轴承摆度的时域波形及对导轴承摆度的时域波形进行傅里叶变换计算导轴承摆度的振动摆度测点特征参数，跳转执行步骤A2）；否则，判定运行异常并退出；

A2）根据水轮机组的水头及有功功率选定约束工况进行网格化分段处理，使得生成的每一个确定的网格中水轮机组的机架振动、导轴承摆度的变化量小于给定的阈值；

A3）在所有网格内对机架振动、导轴承摆度的进行时间序列的趋势检测，分别得到机架振动、导轴承摆度的趋势变化量；

A4）判断机架振动、导轴承摆度的趋势变化量是否超过给定阈值，如果机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量两者任一超过给定阈值，则记录并输出预警事件。

优选地，步骤A1）中的振动摆度测点特征参数包括峰峰值、频谱幅值、相位。

优选地，本发明还包括进行运行机组瓦温决策的步骤：

B1）在水轮机组开机、运行、停机过程中采集机组轴瓦温度通道数据，生成机组轴瓦温度的实际温度曲线；

B2）将机组轴瓦温度的实际温度曲线和预设的理论温度曲线载入图形用户界面，逐点对比计算机组轴瓦温度的实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差，并在图形用户界面中标注出所有温差超过预设阈值的超限温度特征点；

B3）获取所述实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差最大值，判断温差最大值是否超过给定阈值，如超过给定阈值则判定水轮机组轴瓦温度变化过高并退出，否则跳转执行步骤B4）；

B4）从预设的决策规则库中读取轴瓦温度异常诊断规则，所述轴瓦温度异常诊断规则为预设的根据实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差判断轴瓦温度是否异常的轴瓦温度异常判定条件，如果读取轴瓦温度异常诊断规则成功且实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差满足轴瓦温度异常判定条件，则判定水轮机组轴瓦温度异常。

本发明水轮机组运行状态监测诊断方法具有下述优点：

1、本发明立足水轮机组的碰摩故障监测实现水轮机组运行状态监测诊断，采集被检测水轮机组顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号，根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，将多组碰摩特征向量采用加权向量法生成加权碰摩特征向量，计算加权碰摩特征向量、预设的典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障，通过构建的碰摩特征向量进行检测，对混流式水轮机顶盖与转轮碰摩具有预警能力，能够精确检测诊断被检测水轮机组发生碰摩故障，能有效避免混流式水轮机顶盖与转轮碰摩导致的重大安全事故发生，使水电厂状态监测系统的功能得到完善，为专家的远程分析诊断提供更多有用的信息，从而对出现的故障问题进行有针对性的处理。

2、本发明进一步通过预先采集被检测水轮机组在不同碰摩程度下顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号，根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量，能够监测混流式水轮机顶盖与转轮碰摩程度。

3、本发明进一步还包括进行运行趋势预警的步骤，通过采集水轮机组实时运行工况参数运行趋势预警，判定机组是否稳态运行并不简单依赖发电机出口开关是否闭合，而是对机架振动、导轴承摆度的进行时间序列的趋势检测，分别得到机架振动、导轴承摆度的趋势变化量；）判断机架振动、导轴承摆度的趋势变化量是否超过给定阈值，如果机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量两者任一超过给定阈值，只有机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量在较长时间（一般设定在3分钟）一直稳定在设定的范围内是才认为是稳态工况，然后才启动稳态趋势检测预警，否则如果两者任一超过给定阈值则记录并输出预警事件。

4、本发明进一步还包括进行运行机组瓦温决策的步骤，通过多模式识别方法对机组运行状态进行识别和分类，包括机组开机、运行和停机三类模式。对机组出现的某一故障或异常现象的分析决策中，对最基本的轴瓦温度监控量进行分析，获取实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的差值，根据实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差最大值是否超过给定阈值、预设的决策规则库中读取轴瓦温度异常诊断规则进行综合分析，预设的决策规则库中根据需要选择设置各种轴瓦温度异常诊断规则，而其规则的结论和故障原因可以根据需要由专家通过远程客户端进行设置以进行综合判断，能够从运行机组瓦温角度进行诊断决策。

附图说明

图1为本发明实施例中进行碰摩故障监测的流程示意图。

图2为本发明实施例中进行运行趋势预警的流程示意图。

图3为本发明实施例中进行运行机组瓦温决策的流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例水轮机组运行状态监测诊断方法，包括碰摩故障监测的步骤：

1）采集被检测水轮机组顶盖的碰摩检测信号，碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号，水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号等参数通过安装传感器进行现地采集；

2）根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，碰摩特征向量（典型向量）由水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号三种标量构成，；

3）将多组碰摩特征向量采用加权向量法生成加权碰摩特征向量；

4）计算加权碰摩特征向量、预设的典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障。

本实施例中，步骤4）的详细步骤包括：

4.1）预先采集被检测水轮机组在不同碰摩程度下顶盖的碰摩检测信号，根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量；

4.2）分别计算加权碰摩特征向量、各个典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果加权碰摩特征向量某一个典型碰摩特征向量之间的向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障，且碰摩程度为该典型碰摩特征向量所对应的碰摩程度。

通过上述步骤4.1）和4.2），能够基于碰摩检测信号实现碰摩的量化检测。本实施例中，根据顶盖的碰摩检测信号提取碰摩特征向量的详细步骤包括：分别对各个碰摩检测信号进行模态分解提取1阶模态信号和2阶模态信号，对1阶模态信号和2阶模态信号进行快速傅里叶变换从时域变换到频域，提取变换到频域的各个碰摩检测信号的1阶模态信号和2阶模态信号的频域幅值及频谱包络线，将得到的频域幅值及频谱包络线构建生成碰摩特征向量。通过上述方式，能有效地从频域角度提炼出碰摩的特征信号，具有碰摩检测准确度高的优点。

为了实现全面的水轮机组运行状态监测诊断，如图2所示，本实施例还包括进行运行趋势预警的步骤：

A1）采集水轮机组实时运行工况参数，实时运行工况参数包括机架振动、导轴承摆度及温度，实时运行工况参数既可以通过安装传感器进行采集（例如机架振动、导轴承摆度），此外也可以通过数据通讯方式从水电厂计算机监控系统获取（例如温度）；判断水轮机组的各个实时运行工况参数是否稳定在给定的限值范围内，如果各个实时运行工况参数均在给定的限值范围内，则通过对导轴承摆度的时域波形及对导轴承摆度的时域波形进行傅里叶变换计算导轴承摆度的振动摆度测点特征参数，跳转执行步骤A2）；否则，判定运行异常并退出；本实施例中，步骤A1）中的振动摆度测点特征参数包括峰峰值、频谱幅值、相位。

A2）根据水轮机组的水头及有功功率选定约束工况进行网格化分段处理，使得生成的每一个确定的网格中水轮机组的机架振动、导轴承摆度的变化量小于给定的阈值；

A3）在所有网格内对机架振动、导轴承摆度的进行时间序列的趋势检测，分别得到机架振动、导轴承摆度的趋势变化量；

A4）判断机架振动、导轴承摆度的趋势变化量是否超过给定阈值，如果机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量两者任一超过给定阈值，则记录并输出预警事件。

本实施例进行运行趋势预警时，通过采集水轮机组实时运行工况参数进行趋势预警，判定机组是否稳态运行并不简单依赖发电机出口开关是否闭合，而是对机架振动、导轴承摆度的进行时间序列的趋势检测，分别得到机架振动、导轴承摆度的趋势变化量；判断机架振动、导轴承摆度的趋势变化量是否超过给定阈值，如果机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量两者任一超过给定阈值，只有机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量在较长时间（一般设定在3分钟）一直稳定在设定的范围内是才认为是稳态工况，然后才启动稳态趋势检测预警，否则如果两者任一超过给定阈值则记录并输出预警事件。

为了实现全面的水轮机组运行状态监测诊断，如图3所示，本实施例还包括进行运行机组瓦温决策的步骤：

B1）在水轮机组开机、运行、停机过程中采集机组轴瓦温度通道数据，机组轴瓦温度通道数据通过数据通讯方式从水电厂计算机监控系统获取，生成机组轴瓦温度的实际温度曲线；

B2）将机组轴瓦温度的实际温度曲线和预设的理论温度曲线载入图形用户界面，逐点对比计算机组轴瓦温度的实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差，并在图形用户界面中标注出所有温差超过预设阈值的超限温度特征点；

B3）获取实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差最大值，判断温差最大值是否超过给定阈值，如超过给定阈值则判定水轮机组轴瓦温度变化过高并退出，否则跳转执行步骤B4）；

B4）从预设的决策规则库中读取轴瓦温度异常诊断规则，轴瓦温度异常诊断规则为预设的根据实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差判断轴瓦温度是否异常的轴瓦温度异常判定条件，如果读取轴瓦温度异常诊断规则成功且实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差满足轴瓦温度异常判定条件，则判定水轮机组轴瓦温度异常。

本实施例进行运行机组瓦温决策时，通过多模式识别方法对机组运行状态进行识别和分类，包括机组开机、运行和停机三类模式。对机组出现的某一故障或异常现象的分析决策中，对最基本的轴瓦温度监控量进行分析，获取实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的差值，根据实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差最大值是否超过给定阈值、预设的决策规则库中读取轴瓦温度异常诊断规则进行综合分析，预设的决策规则库中根据实现选择设置各种轴瓦温度异常诊断规则，而其规则的结论和故障原因可以根据需要由专家通过远程客户端进行设置以进行综合判断，能够从运行机组瓦温角度进行诊断决策。

综上所述，本实施例涵盖了水电机组稳定性参数监测诊断功能、机组碰磨故障远程监测诊断功能、机组瓦温监测及趋势分析功能等。应用本实施例方法的系统包括厂站侧子系统和分析中心子系统，监测数据通过厂站侧子系统采集后，由电力专用网络传输到远程监测分析中心系统，分析中心数据服务器负责接收厂站侧传送来的实时数据和经过基本预处理后的状态参数，并根据存储规则进行数据存储，再由自动(决策)诊断及应用服务器完成自动化趋势检测和自动化决策诊断。为保证各个网段之间数据交互的连通性及流畅性，底层采用开放式通讯协议，应用层协议采用有针对性的通讯规约实现从厂站侧向远程中心服务器的数据传送。连入远程网络的每一台计算机，可以通过访问分析中心应用服务器，进行交互式的决策诊断。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水轮机组运行状态监测诊断方法，其特征在于，包括碰摩故障监测的步骤：

1）采集被检测水轮机组顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号；

2）根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，碰摩特征向量由水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号三种标量构成；

3）将多组碰摩特征向量采用加权向量法生成加权碰摩特征向量；

4）计算加权碰摩特征向量、预设的典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障。

2.根据权利要求1所述的水轮机组运行状态监测诊断方法，其特征在于，所述步骤4）的详细步骤包括：

4.1）预先采集被检测水轮机组在不同碰摩程度下顶盖的碰摩检测信号，所述碰摩检测信号包括水轮机组顶盖的水平振动信号、垂直振动信号和水导摆度信号，根据顶盖的碰摩检测信号构建碰摩特征向量，得到不同碰摩程度下的典型碰摩特征向量；

4.2）分别计算加权碰摩特征向量、各个典型碰摩特征向量之间的向量距离，如果加权碰摩特征向量某一个典型碰摩特征向量之间的向量距离小于给定阈值，则判定被检测水轮机组发生碰摩故障，且碰摩程度为该典型碰摩特征向量所对应的碰摩程度。

3.根据权利要求1或2所述的水轮机组运行状态监测诊断方法，其特征在于，所述根据顶盖的碰摩检测信号提取碰摩特征向量的详细步骤包括：分别对各个碰摩检测信号进行模态分解提取1阶模态信号和2阶模态信号，对1阶模态信号和2阶模态信号进行快速傅里叶变换从时域变换到频域，提取变换到频域的各个碰摩检测信号的1阶模态信号和2阶模态信号的频域幅值及频谱包络线，将得到的频域幅值及频谱包络线构建生成碰摩特征向量。

4.根据权利要求1所述的水轮机组运行状态监测诊断方法，其特征在于，还包括进行运行趋势预警的步骤：

A1）采集水轮机组实时运行工况参数，所述实时运行工况参数包括机架振动、导轴承摆度及温度，判断水轮机组的各个实时运行工况参数是否稳定在给定的限值范围内，如果各个实时运行工况参数均在给定的限值范围内，则通过对导轴承摆度的时域波形及对导轴承摆度的时域波形进行傅里叶变换计算导轴承摆度的振动摆度测点特征参数，跳转执行步骤A2）；否则，判定运行异常并退出；

A2）根据水轮机组的水头及有功功率选定约束工况进行网格化分段处理，使得生成的每一个确定的网格中水轮机组的机架振动、导轴承摆度的变化量小于给定的阈值；

A3）在所有网格内对机架振动、导轴承摆度的进行时间序列的趋势检测，分别得到机架振动、导轴承摆度的趋势变化量；

A4）判断机架振动、导轴承摆度的趋势变化量是否超过给定阈值，如果机架振动的趋势变化量、导轴承摆度的趋势变化量两者任一超过给定阈值，则记录并输出预警事件。

5.根据权利要求4所述的水轮机组运行状态监测诊断方法，其特征在于，所述步骤A1）中的振动摆度测点特征参数包括峰峰值、频谱幅值、相位。

6.根据权利要求1所述的水轮机组运行状态监测诊断方法，其特征在于，还包括进行运行机组瓦温决策的步骤：

B1）在水轮机组开机、运行、停机过程中采集机组轴瓦温度通道数据，生成机组轴瓦温度的实际温度曲线；

B2）将机组轴瓦温度的实际温度曲线和预设的理论温度曲线载入图形用户界面，逐点对比计算机组轴瓦温度的实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差，并在图形用户界面中标注出所有温差超过预设阈值的超限温度特征点；

B3）获取所述实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差最大值，判断温差最大值是否超过给定阈值，如超过给定阈值则判定水轮机组轴瓦温度变化过高并退出，否则跳转执行步骤B4）；

B4）从预设的决策规则库中读取轴瓦温度异常诊断规则，所述轴瓦温度异常诊断规则为预设的根据实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差判断轴瓦温度是否异常的轴瓦温度异常判定条件，如果读取轴瓦温度异常诊断规则成功且实际温度曲线和预设的理论温度曲线之间的温差满足轴瓦温度异常判定条件，则判定水轮机组轴瓦温度异常。