CN108593304A - 核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及百万级核电的柴油机控制系统的技术领域，公开了一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法，方法包括如下步骤：采集应急柴油机的状态信号；周期性的截取状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。由于将采集的状态信号转化为角域信号，可识别应急柴油机的运行和做功过程，并预先建立健康状态模型作为对比用的预警模型，从而本系统和方法可及时发现应急柴油机的潜在故障，可及时保存故障信息，保证了应急柴油机的安全运行，并利于应急柴油机的日常管理维护，节约了人力成本。

Description

核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法

技术领域

本发明涉及百万级核电的柴油机控制系统的技术领域，具体涉及一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法。

背景技术

核电站(nuclear power plant)又称核电厂，是利用核裂变(Nuclear Fission)或核聚变(Nuclear Fusion)反应所释放的能量产生电能的发电厂。目前商业运转中的核能发电厂都是利用核裂变反应而发电。核电站一般分为两部分：利用原子核裂变生产蒸汽的核岛(包括反应堆装置和一回路系统)和利用蒸汽发电的常规岛(包括汽轮发电机系统)，使用的燃料一般是放射性重金属：铀、钚。

核燃料裂变过程释放出来的能量，经过反应堆内循环的冷却剂，把能量带出并传输到锅炉产生蒸汽用以驱动涡轮机并带动发电机发电。核电站是一种高能量、少耗料的电站。以一座发电量为100万千瓦的电站为例，如果烧煤，每天需耗煤7000～8000吨左右，一年要消耗200多万吨。若改用核电站，每年只消耗1.5吨裂变铀或钚，一次换料可以满功率连续运行一年。可以大大减少电站燃料的运输和储存问题。此外，核燃料在反应堆内燃烧过程中，同时还能产生出新的核燃料。核电站基建投资高，但燃料费用较低，发电成本也较低，并可减少污染。截至1986年底，世界上已有28个国家和地区建成了397座核电站。据国际原子能机构的统计预计到21世纪初将有58个国家和地区建造核电站，电站总数将达到1000座，装机容量将达到8亿千瓦，核发电量将占总发电量的35％。由此可见，在今后相当长一段时期内，核电将成为电力工业的主要能源。

核电应急柴油机作为核电供电系统的最后一道屏障，保障其安全可靠性具有重要意义。目前，针对核电应急柴油机的监测手段主要是通过对压力、温度、液位等参数进行在线监测以及对柴油机本体、弯管、涡轮增压器采用离线检测的方式来评估柴油机在启机升速阶段以及在额定转速下变负荷运行时的健康状态。但是对于柴油机这种结构复杂、振动激励源较多大型机组来说，工艺参数不能有效反映机组的结构性故障，离线检测不能捕捉柴油机运行的周期性特点，不仅难以发现判断柴油机的潜在故障，而且容易丢失故障信息和有效评估柴油机的运行状态。

发明内容

本申请提供一种可有效检测柴油机潜在故障的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法。

根据第一方面，一种实施例中提供一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，包括如下步骤：

采集信号：采集应急柴油机的状态信号；

截取转化：周期性的截取状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；

分析评估：将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

进一步地，采集信号过程中，高频率的连续采集应急柴油机上多个采样点的状态信号。

进一步地，状态信号包括振动信号、键相信号和瞬间转速信号。

进一步地，振动信号在周期内对应的相位至少包括点火相位、冲气相位、进排气门开启和关闭相位。

进一步地，截取转化过程中，以应急柴油机曲轴转720°为一个周期。

进一步地，在分析评估前，根据应急柴油机的启机方式和负载大小不同，对各工况下的数据进行统计，建立不同工况下应急柴油机的健康状态模型。

进一步地，分析评估过程中，若对比发现异常数据，则发出异常报警。

根据第二方面，一种实施例中提供一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，包括：

采集器，用于采集应急柴油机的状态信号；

处理器，与采集器信号连接；用于获取状态信号；周期性的截取状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；及将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

进一步地，采集器具有多个采集端，与应急柴油机上的采样点一一对应。

进一步地，处理器包括截取转化单元和分析评估单元；截取转化单元用于周期性的截取状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；分析评估单元用于将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

进一步地，处理器还包括存储单元，存储单元用于存储预先生产的健康状态模型。

进一步地，本系统还包括报警器，报警器与控制器信号连接，控制器还用于若发现异常数据，则控制报警器发出异常报警。

进一步地，报警器通过声音或指示灯进行异常报警提示。

进一步地，本系统还包括显示器，显示器与处理器信号连接，用于显示监测分析结果。

依据上述实施例的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法，由于将采集的状态信号转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上，可识别应急柴油机的运行和做功过程，并预先建立应急柴油机的健康状态模型作为对比用的预警模型，从而本系统和方法可及时发现应急柴油机的潜在故障，可及时保存故障信息，保证了应急柴油机的安全运行，并利于应急柴油机的日常管理维护，节约了人力成本。

附图说明

图1为实施例一中核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法的流程图；

图2为实施例一中核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法的另一流程图；

图3为实施例二中核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统的结构框图；

图4为实施例二中采集器的结构示意图；

图5为实施例二中处理器的结构框图；

图6为实施例二中处理器的另一结构框图；

图7为实施例二中核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统的另一结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，本方法主要用于百万级核电厂中应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析，本方法也可用于其他柴油机或电动机的检测和诊断分析。

如图1所示，本实施例的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法包括如下步骤：

S001：采集信号；

预先在应急柴油机的主要部件上设置多个采样点，根据核电应急柴油机的结构和运行特点，通过高频连续采集技术采集应急柴油机上所有的采样点的状态信号。

状态信号包括振动信号、键相信号和瞬间转速信号，状态信号包含了应急柴油机主要零部件运动和做功信息。

S002：截取转化；

柴油机的异常振动多与其故障有着密切联系，准确掌握应急柴油机振动规律就可以有效评估应急柴油机的运行状态。而应急柴油机是一个既有旋转机构又有往复机构的复杂系统，振动源多，振动信号具有显著的非平稳性。

采集了大量状态信号后，由于核电应急柴油机的运行过程具有显著的周期性(曲轴转720°为一个周期，即一个工作循环)，故以应急柴油机曲轴转720°为一个周期，周期性的截取状态信号。

现有技术中离线检测无法按照做功的周期性进行数据采集，在线低速采样容易导致故障信息的缺失，因此，为了防止故障信息缺失，准确了解柴油机运行和做功过程中的状态，通过高采样频率、高采样点对信号高速连续采集，将所有振动信号、键相信号和瞬时转速信号锁定在柴油机每个工作循环上，并通过键相信号进行周期划分，准确捕捉柴油机振动信号的周期性特点，将各个测点的振动规律反映在柴油机运行的每个周期的工作循环上。

应急柴油机机械结构的相对运动、燃烧压力的变化、进排气压力的波动均会产生振动，而引起的振动对应着曲轴特定的相位，如柴油机点火相位、冲气相位、进排气门开启和关闭相位等，这些振动值的大小反映着柴油机各零部件的工作状态和气缸做功状态，即振动信号在周期内对应的相位至少包括点火相位、冲气相位、进排气门开启和关闭相位。而高速连续采集的信号虽然具有周期性，但仍然是时域信号，为便于分析了解柴油机在每个工作循环下各零部件的工作状态和气缸做功状态，结合应急柴油机的周期性和时序性特点，将时域信号进行角域转换，即将平均转速进行等间隔角度划分，将时域信号转换至角域，从而在系统监测界面可以实时显示各个测点每个周期不同相位的振动变化情况，直观反映出柴油机做功状态和各零部件的运动状态。

S003：分析评估；

在分析评估先，需预先建立涵盖应急柴油机不同工况、不同部位和不同参数特征的健康状态模型，健康状态模型作为预警模块与采集的数据信息进行对比，分析判断应急柴油机的运行状态。

应急柴油机不同工况、不同部位和不同参数的数据变化特点不同，比如应急柴油机负载越大，喷油量越大，油压会升高，同时气缸点火爆燃引起振动幅值会明显升高，瞬时转速波动也会明显比空载运行时大。为评估应急柴油机的运行状态，选择多个参数，从多个角度对柴油机的运行过程进行分析，和包括不同相位振动幅值的变化、瞬时转速的变化、振动烈度的变化、扭振的变化、启机时间以及工艺参数的变化等。另外，通过数据管理建立机组运行的日常历史资料，生成趋势图，因此，在诊断分析时，可对比历史数据，同类型测点多个对比，为柴油机的运行状态评估和故障排查提供可靠的数据支持。

结合核电应急柴油机月度实验和再鉴定实验内容，应急柴油机启机运行分为多种工况，包括快启动、慢启动、空载运行、负载40％运行、满载运行等，不同工况下，柴油机的振动特点、做功状态不同。为实现不同工况下的异常状态准确预警，通过机器统计学习技术建立核电应急柴油机不同工况下的健康状态模型，即建立柴油机的状态评估基础。在监测系统应用过程中，系统会自动对比采集数据与健康模型下的数据，实现对应急柴油机的监测和分析。

如图2所示，本实施例的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，还包括如下步骤：

S004：异常报警。

在分析评估过程中，采集数据与健康模型下的数据对比，若发现异常数据，则及时异常预警，避免故障恶化。

本实施例提供的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，由于将采集的状态信号转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上，可识别应急柴油机的运行和做功过程，并预先建立应急柴油机的健康状态模型作为对比用的预警模型，从而本系统和方法可及时发现应急柴油机的潜在故障，可及时保存故障信息，保证了应急柴油机的安全运行，并利于应急柴油机的日常管理维护，节约了人力成本。

实施例二：

本实施例提供了一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，本系统用于实现上述实施例一中的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法。

如图3所示，本实施例的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统主要包括采集器1和处理器2，采集器1与处理器2信号连接。

如图4所示采集器1具有多个采集端，采集端与应急柴油机的采样点一一对应，直接接触采集，也可通过其他过渡件采集。采集器1通过多个采集端实现对应急柴油机各部件进行高频采集状态信号，状态信号包括振动信号、键相信号和瞬间转速信号。

如图5所示，处理器2包括截取转化单元21和分析评估单元22，截取转化单元21分别与采集器1和分析评估单元22信号连接，截取转化单元21用于周期性的截取所述状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上。分析评估单元22用于将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

分析评估单元22还用于结合核电应急柴油机月度实验和再鉴定实验内容，应急柴油机启机运行分为多种工况，包括快启动、慢启动、空载运行、负载40％运行、满载运行等，不同工况下，柴油机的振动特点、做功状态不同。为实现不同工况下的异常状态准确预警，通过机器统计学习技术建立核电应急柴油机不同工况下的健康状态模型，即建立柴油机的状态评估基础。

如图6所示，处理器2还包括存储单元23，存储单元23用于存储预先生产的健康状态模型的数据，分析评估单元22在分析评估前先从存储单元23中获取应急柴油机的健康状态模型的数据。在其他实施例中，应急柴油机的健康状态模型的数据可放在云端服务器上，可通过在线下载获取。

如图7所示，本核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统还包括报警器3和显示器4，报警器3和显示器4分别与控制器2信号连接，控制器2监测分析过程中若发现异常数据，则控制报警器3发出异常报警，报警器3通过声音或指示灯进行异常报警提示。显示器4用于显示监测分析结果，可直观的呈现给操作人员，利于对应急柴油机的实时监控及维护。

目前核电应急柴油发电机组监测手段主要依靠工艺参数和离线检测的方式来评估柴油机的运行状态，可靠性不高，难以发现柴油机的潜在故障和准确评估柴油机的运行状态，尤其是在故障原因排查时，不能提供有效的数据支持。

本实施例的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统能够高速连续信号，准确捕捉柴油机运行的周期性特点，并通过角域转换将各个测点的振动规律反映在柴油机运行的每个周期的各个相位上。建立多个监测参数和评估指标，并通过智能学习方法建立不同工况下应急柴油机的健康状态模型，基于各工况下的健康状态对异常的运行状态及时预警，提高柴油机运行的可靠性。

实施例三：

本实施例提供了上述实施例一和实施例二的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统及方法在现实中的在核电厂中应用。

分别利用L213大修和L307大修窗口，本系统及方法应用L2LHQ(UD45型柴油机)和L3LHP(MTU956型柴油机)上，使用应用效果良好。后续将通过改造流程安装到现场。

本申请对核电厂生产率所作的贡献：

L213大修通过本系统对L2LHQ柴油机再鉴定过程进行监测，发现“第一次点动排气低转速阶段，001MO柴油机各缸未点火，转速波动较大”的异常，停机后调查确认更换调速器后，油路有气导致，系统监测数据与现场实际情况吻合。

L307大修继续通过本系统对L3LHP柴油机再鉴定过程进行状态监测，此次还重点对MTU柴油机快速(10S)和慢速(30S)两种启动过程的状态进行了对比，结果发现：“柴油机的慢启动过程工况好于快速启动，慢启动阶段各重要部件的振动水平比快启动低，振动变化趋势比快启动平缓。”上述结论为电站正在推进的另一个改造项目—“电站应急柴油机启动时间优化”提供了重要的支持依据。

本系统及方法有利于提高核电厂应急柴油机状态监测水平，提前发现设备运行的异常，有助于提前安排预防性检修工作，避免设备发生重大损坏，对于提高电站安全系统可靠性具有重要意义。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (14)

1.一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

采集信号：采集应急柴油机的状态信号；

截取转化：周期性的截取所述状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；

分析评估：将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

2.如权利要求1所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，所述采集信号过程中，高频率的连续采集应急柴油机上多个采样点的状态信号。

3.如权利要求1所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，所述状态信号包括振动信号、键相信号和瞬间转速信号。

4.如权利要求3所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，所述振动信号在周期内对应的相位至少包括点火相位、冲气相位、进排气门开启和关闭相位。

5.如权利要求1所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，所述截取转化过程中，以应急柴油机曲轴转720°为一个周期。

6.如权利要求1所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，在分析评估前，根据应急柴油机的启机方式和负载大小不同，对各工况下的数据进行统计，建立不同工况下应急柴油机的健康状态模型。

7.如权利要求1所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析方法，其特征在于，所述分析评估过程中，若对比发现异常数据，则发出异常报警。

8.一种核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，包括：

采集器，用于采集应急柴油机的状态信号；

处理器，与所述采集器信号连接；用于获取所述状态信号；周期性的截取所述状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；及将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

9.如权利要求8所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，所述采集器具有多个采集端，与应急柴油机上的采样点一一对应。

10.如权利要求8所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，所述处理器包括截取转化单元和分析评估单元；所述截取转化单元用于周期性的截取所述状态信号，并转化为角域信号，将应急柴油机的运行状态定义在一个周期内的不同相位上；所述分析评估单元用于将截取转化后的状态信号与健康状态模型进行对比，评价应急柴油机的运行状态。

11.如权利要求10所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，所述处理器还包括存储单元，所述存储单元用于存储预先生产的健康状态模型。

12.如权利要求8所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，还包括报警器，所述报警器与控制器信号连接，所述控制器还用于若发现异常数据，则控制所述报警器发出异常报警。

13.如权利要求12所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，所述报警器通过声音或指示灯进行异常报警提示。

14.如权利要求8所述的核电应急柴油机多工况预警状态监测和诊断分析系统，其特征在于，还包括显示器，所述显示器与处理器信号连接，用于显示监测分析结果。