CN112283002A - 一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于应急柴油发电机组状态监测技术领域，具体公开一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，该方法包括：步骤1、采集应急柴油发电机组启动过程的信号数据；步骤2、对步骤1采集的应急柴油发电机组启动过程的信号数据进行特征提取；步骤3、根据步骤2提取的特征，对应急柴油发电机组进行启动性能评估。本发明的评估方法能够保证其良好的应急启动性能及其稳定运行状态，确保应急柴油发电机组定期试验结果的准确性，用于核电应急柴油发电机组的整机性能监测与评估，提高机组的应急能力及核电安全可靠性。

Description

一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法

技术领域

本发明属于应急柴油发电机组状态监测技术领域，具体涉及一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法。

背景技术

应急柴油发电机组作为核电站最后一道安全应急设备，在紧急情况下需为核反应堆专设安全设施提供电源，以保障核电站和居民生命安全。国内或国际上多次因振动问题出现应急柴油发电机故障如某核电厂曾发生过齿轮轴断裂、凸轮轴轴瓦烧毁等事件，但由于监测手段有限，在故障发生前未发现任何故障征兆，导致出现重大设备损坏问题，造成严重的经济损失和社会安稳事故。

根据核电站应急柴油机的核安全准则，要求应急柴油机在紧急情况下，能够在很短时间(10秒至15秒)内启动达到额定转速并具备加载条件。但随着应急柴油发电机组的服役时间延长，其运行寿命及可靠性也在慢慢降低，故障率增加，机组存在应急能力不达标的可能。由于缺乏相关的在线振动监测手段和故障排查系统，其运行状态很大程度上依赖现场人员的实地测量和技术经验，很难实时在线监测并评估机组健康状态。据可查资料和现场考察情况显示，针对应急柴油机启动性能主要判断依据仍是启动时间和热工参数，即在定期试验中，根据检查记录机组启动过程所需的时间和介质的温度、压力等参数是否在规定的范围内，来判断机组的健康状态。但由于应急柴油机属于高度复杂机械系统，一旦启动时间达不到要求或出现参数异常，难以通过常规热工参数有效反映机组的出现的问题，不利于问题的迅速排查。

基于此，亟待开发一种能够保证应急柴油发电机组良好的应急启动性能及稳定运行状态的启动性能的评估方法，确保急柴油发电机组定期试验结果的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，该评估方法能够保证其良好的应急启动性能及其稳定运行状态，确保应急柴油发电机组定期试验结果的准确性，用于核电应急柴油发电机组的整机性能监测与评估，提高机组的应急能力及核电安全可靠性。

实现本发明目的的技术方案：一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，所述方法包括：

步骤1、采集应急柴油发电机组启动过程的信号数据；

步骤2、对步骤1采集的应急柴油发电机组启动过程的信号数据进行特征提取；

步骤3、根据步骤2提取的特征，对应急柴油发电机组进行启动性能评估。

所述步骤1中的信号数据包括振动加速度信号、键相信号和瞬时转速信号。

所述振动加速度信号通过高采样率密集连续采集方式进行采集。

所述键相信号用于将振动加速度信号转换为整周期角域振动信号。

所述步骤2中提取的特征包括瞬时转速波动量、发火燃烧冲击峰值及起始冲击相位、高压空气充气冲击峰值及起始冲击相位和包络能量。

所述步骤3采用灰色评价法进行启动性能评估。

所述灰色评价法包括如下步骤：

步骤a、确定特征最优值集合；

步骤b、构造特征集矩阵，进行规范化处理，获得规范化矩阵；

步骤c、计算综合评价监测结果。

所述步骤b中规范化处理的公式为：

式中，

为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的规范化矩阵，D_k ⁱ为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的特征集矩阵。

所述步骤c中综合评价监测结果的计算公式为：

式中，

为参考数列，ρ∈[0,1]，通常可取ρ＝0.5，ξ_i(k)为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的关联系数。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，在核电站应急柴油机进行带负荷至100％定期试验和逐级带载实验时，通过数据采集器获取应急柴油机缸盖、键相和瞬时转速信号，并通过特征提取和启动性能评估方法对应急柴油机启动性能进行实时在线监测，在保证不侵入现有完整结构的前提下，实现应急柴油机启动性能评价，方法简单、可靠，操作性较强；

(2)本发明的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法提出核电应急柴油发电机组的状态监测点布局方案，在应急柴油机缸盖上安装有多个加速度振动传感器，用于采集多个测点的状态信号，形成多个振动加速度信号，实现高采样率密集连续采集，克服了常规离线监测方式的一系列振动监测的不足，如离线测点表征能力不足、测量针对性较弱、诊断指标较为单一等问题。

附图说明

图1为本发明所提供的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法的原理示意图；

图2为本发明所提供的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法中数据采集中测点分布示意图；

图3为本发明所提供的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法中瞬时转速传感器测量瞬时转速的工作原理示意图；

图4为本发明所提供的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法中键相传感器测量键相的工作原理示意图。

图中：图2：A1-A10：A列缸盖振动测点；B1-B10：B列缸盖振动测点；C1：齿轮箱径向测点；C2：齿轮箱轴向测点；V1-V6：曲轴箱振动测点；F1、F2：发电机轴承振动测点；K1：键相测点；Rev1：瞬时转速测点；

图3：1-飞轮启动齿圈；2-瞬时转速传感器；3-飞轮；

图4：4-曲轴；5-键相传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、采集应急柴油发电机组启动过程的信号数据(信号采集)

信号数据包括振动加速度信号、键相信号和瞬时转速信号。

振动加速度信号：振动加速度信号通过加速度振动传感器采集，本实施方式选用耐冲击的加速度振动传感器，该加速度振动传感器稳定性好、可靠性高且具有较宽的量程范围。

由于应急柴油机启动过程主要包括高压空气充气阶段和发火燃烧做功阶段，高压空气充气阶段是指高压空气经过空气分配器分配后按照机组的正时规律输送到各缸，高压空气推动活塞做功，开始启机；发火燃烧做功阶段是指转速达到设定转速时切断气源，靠机组自身发火带动曲轴继续升速，直到达到额定转速。而高压空气充气和发火燃烧过程均在缸内发生，相应的冲击会在缸盖上有所体现，因此将加速度振动传感器径向安装在应急柴油机缸盖上，加速度振动传感器通过粘块螺纹安装在应急柴油机缸盖上。

由于应急柴油机启动要求较高，启机时间很短，低速度采样无法捕捉高压充气和发火燃烧冲击信息，为防止故障信息缺失，及时捕捉应急柴油机启机状态信息，需通过高采样率密集连续采集方式进行振动加速度信号的采集。因此，在应急柴油机缸盖上安装有多个加速度振动传感器，用于采集多个测点的状态信号，形成多个振动加速度信号，实现高采样率密集连续采集。如图2所示，测点包括A列缸盖振动测点A1-A10、B列缸盖振动测点B1-B10、齿轮箱径向测点C1、齿轮箱轴向测点C2、曲轴箱振动测点V1-V6和发电机轴承振动测点F1、F2。

键相信号：键相信号根据自由端飞轮上的键相槽，通过键相传感器5采集，本实施方式选用电涡流传感器作为键相传感器5，对键相槽的旋转进行监测，形成键相信号。如图4所示，键相传感器5安装在柴油机自由端的飞轮上。

如图4所示，键相传感器测量键相的工作原理如下：

键相传感器5实时采集加速度振动传感器探头到曲轴表面的距离，当距离改变时，输出电压信号也随之改变，曲轴4被测表面带有凹槽，每当曲轴4旋转一周，键相传感器5便会相应采集到一个键相脉冲信号。

由于应急柴油机工作过程具有周期性，即旋转两周720°为一个完整周期或一个工作循环，而应急柴油机属于旋转和往复相结合的复杂机械，振动信号属于非平稳信号，因此需要将上述加速度振动传感器采集的大量信号进行整周期截取，转换为整周期角域振动信号。此时，利用键相信号对上述采集的振动加速度信号进行整周期(即应急柴油机旋转两周720°)截取，将振动加速度信号转换为整周期角域振动信号。

启机前期，一个完整的整周期角域振动信号至少包括发火燃烧冲击和高压空气充气冲击。

瞬时转速信号：瞬时转速信号根据自由端飞轮上的齿轮，通过瞬时转速传感器2采集，本实施方式选用电涡流传感器作为瞬时转速传感器2，对曲轴旋转的瞬时速度进行监测，形成瞬时转速信号。如图3所示，瞬时转速传感器2安装在柴油机自由端飞轮3的齿盘上。

如图3所示，瞬时转速传感器测量瞬时转速的工作原理如下：瞬时转速传感器2实时采集加速度振动传感器探头到曲轴表面的距离，当距离改变时，输出电压信号也随之改变，假设飞轮齿盘上有n个齿，则每当曲轴旋转一周，瞬时转速传感器2便会相应采集到n个键相脉冲信号，通过计算每两个脉冲信号间的时间间隔，便可计算出该时刻的瞬时转速。

步骤2、对步骤1采集的应急柴油发电机组启动过程的信号数据进行特征提取(特征提取)

应急柴油机缸盖的振动加速度信号属于典型的准周期非平稳振动信号，其中包含多个局部冲击，直接对信号进行时域分析、频域分析甚至时频分析等复杂度较大，且难以获取直观有效的规律特征，但振动加速度信号整周期包络线具有清晰直观的波形特征，便于对各局部特征进行监测和识别。因此，在特征提取之前，需要利用可调尺度参数包络方法提取变尺度包络。

在特征提取过程中，结合步骤1中的由采集的振动加速度信号转换的整周期角域振动信号和提取的变尺度包络确定发火燃烧和高压充气冲击。

变尺度包络提取、发火燃烧和高压空气充气确定后，利用角域统计方法提取瞬时转速波动量、发火燃烧冲击峰值及起始冲击相位、高压空气充气冲击峰值及起始冲击相位、包络能量等特征。

步骤3、根据步骤2提取的特征，对应急柴油发电机组进行启动性能评估(启动性能评估)

启动性能评估主要包括发火做功状态评估和高压空气充气状态评估。

鉴于A列和B列共20个缸中各缸做功能力的强弱并无明确的界限，每个特征参数的合理范围难以明确给出，因此采用灰色评价法对各缸的启动做功能力进行综合监测评估。灰色评价法是一种综合加权评估方法，即给已知有价值的信息分配权重，并通过加权求和对分析对象进行评估。

本实施方式利用基于灰色关联度分析的灰色综合评价方法，进行多个气缸做功能力的监测评价排序，主要步骤如下：

步骤a、确定特征最优值集合。因各缸特征参数之间存在一定差异，且难以确定各特征的最优值，一般首先分析特征与评价目标之间的定性关系，然后从监测数据中选择最优值组成特征最优值集合。在本实施方式中，发火燃烧越充分，则发火冲击峰值和包络能量均会趋于增大；高压空气进气阀开启越顺利，则进气阀开启冲击峰值和包络能量也将增大，同时高压空气进气阀开启相位越提前，则高压空气做功时间越长，做功能力增加。因此，将发火燃烧冲击和高压充气冲击的峰值和包络能量特征参数的最大值和相位特征参数的最小值组成最优指标集合。

步骤b、构造特征集矩阵，进行规范化处理，获得规范化矩阵。矩阵的第一行是特征最优值集合，以后各行是周期内高压充气冲击和发火冲击的特征参数，由于各特征参数量纲和数量级不同，需进行指标值的规范化处理，公式如下所示：

式中，

为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的规范化矩阵，

为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的特征集矩阵。

步骤c、计算综合评价监测结果，公式如下所示：

式中，

为参考数列，ρ∈[0,1]，通常可取ρ＝0.5，ξi(k)为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的关联系数。

依据上述实施例的应急柴油机启动性能监测系统，由于将采集的状态信号转化为整周期角域信号，启动过程中发火做功状态和高压充气工作状态与整周期角域信号的相位相对应，可实现启动过程各状态识别的目的，并采用灰色评价法对应急柴油机的做功能力进行状态监测评估，从而本系统可及时发现应急柴油机启动过程中的潜在故障，保证机组安全运行。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

Claims (9)

1.一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述方法包括：

步骤1、采集应急柴油发电机组启动过程的信号数据；

步骤2、对步骤1采集的应急柴油发电机组启动过程的信号数据进行特征提取；

步骤3、根据步骤2提取的特征，对应急柴油发电机组进行启动性能评估。

2.根据权利要求1所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述步骤1中的信号数据包括振动加速度信号、键相信号和瞬时转速信号。

3.根据权利要求2所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述振动加速度信号通过高采样率密集连续采集方式进行采集。

4.根据权利要求2所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述键相信号用于将振动加速度信号转换为整周期角域振动信号。

5.根据权利要求1所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述步骤2中提取的特征包括瞬时转速波动量、发火燃烧冲击峰值及起始冲击相位、高压空气充气冲击峰值及起始冲击相位和包络能量。

6.根据权利要求1所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述步骤3采用灰色评价法进行启动性能评估。

7.根据权利要求6所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述灰色评价法包括如下步骤：

步骤a、确定特征最优值集合；

步骤b、构造特征集矩阵，进行规范化处理，获得规范化矩阵；

步骤c、计算综合评价监测结果。

8.根据权利要求7所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述步骤b中规范化处理的公式为：

式中，

为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的规范化矩阵，

为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的特征集矩阵。

9.根据权利要求7所述的一种应急柴油发电机组启动性能的评估方法，其特征在于：所述步骤c中综合评价监测结果的计算公式为：

式中，

为参考数列，ρ∈[0,1]，通常可取ρ＝0.5，ξ_i(k)为第i个对象的第k个指标与该指标的最优值之间的关联系数。

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