CN115955499A - 一种燃气轮机非接触式声信号监控系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种燃气轮机非接触式声信号监控系统，包括布置在燃气轮机待测区域的外部的信号接收模块，用于获取待测区域的声信号；与所述信号接收模块通讯连接的处理模块，用于提取获取的声信号的波形数据，对声信号进行数学处理分解出细节特征，并实时输出波形数据和特征参数；用于存储燃气轮机正常运行和发生故障时的声信号及所述处理模块输出的波形数据和特征参数的数据存储模块；及数据与控制信号输出模块，用于将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行或发生故障时的声信号进行匹配比对，并根据匹配结果输出控制指令。本监控系统无需改造燃气轮机硬件，可灵活调整监控位置，能够辅助燃气轮机运行状态检测，监控燃气轮机运行状态。

Description

一种燃气轮机非接触式声信号监控系统

技术领域

本申请涉及燃气轮机监控技术领域，具体而言，涉及一种燃气轮机非接触式声信号监控系统。

背景技术

目前燃气轮机普遍采用压力和嗡鸣传感器等设备检测燃气轮机的运行状态。并在特征指标超过危险阈值时调节燃机运行参数维持运行稳定，或启动保护机制保障设备安全。

但是，压力和嗡鸣传感器均需要采用与燃气轮机的缸体内部连通的方式安装。这就需要事先在燃气轮机的缸体上加工孔洞结构，压力和嗡鸣传感器通过孔洞结构与缸体内部连通。该安装方式属于带有破坏性的接触式安装形式，加工有孔洞结构的缸体无法复原，传感器安装后也无法改变位置。在压力或嗡鸣传感器出现故障损坏，需要更换时，必须停机。另外，遇到产品升级或新的问题等需要改变测量需求时，增减压力或嗡鸣传感器或改变其安装位置都需要花费较长的硬件加工时间和较高的成本来改造缸体等设备。

因此，亟需提出一种灵活性高的、可以在燃气轮机不停机的情况下调整传感器的位置以满足不同的测量需求的燃气轮机监控系统。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种燃气轮机非接触式声信号监控系统，其无需对燃气轮机本体硬件进行改造，可灵活调整监控位置，能够辅助燃气轮机运行状态检测，监控包括燃烧状态、阀泵运行情况和旋转部件状态等多种燃气轮机运行相关参数，调节燃机运行状态维持运行稳定安全的特点。

本申请提供了一种燃气轮机非接触式声信号监控系统，包括：

信号接收模块，布置在燃气轮机待测区域的外部，用于获取待测区域的声信号；

处理模块，与所述信号接收模块通讯连接，用于提取获取的声信号的波形数据，对声信号进行数学处理分解出细节特征，并实时输出波形数据和特征参数；

数据存储模块，用于存储燃气轮机正常运行和发生故障时的声信号及所述处理模块输出的波形数据和特征参数；

数据与控制信号输出模块，用于将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行或发生故障时的声信号进行匹配比对，并根据匹配结果输出控制指令。

在一种实施方案中，所述提取获取的声信号的波形数据，并对声信号进行数学处理分解出细节特征包括：

提取获取的声信号的时域波形，对获取的声信号进行小波变换提取波形特征，并对声信号进行傅里叶变换分解出预设频率范围内的特征频率、特征频率的峰值和峰值幅值之间的数学关系。

在一种实施方案中，所述待测区域包括燃烧系统、旋转部件和阀泵系统。

在一种实施方案中，所述实时输出波形数据和特征参数包括：

当待测区域为燃烧系统时，实时输出预设频率范围内的特征频率、特征频率峰值和峰值幅值之间的数学关系；

当待测区域为旋转部件时，实时输出在时域波形上的形态特征和升转速区间。

在一种实施方案中，所述将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行和发生故障时的声信号进行匹配比对，并根据匹配结果输出控制指令包括：

将燃烧系统的峰值幅值之间的数学关系与其正常运行时的声信号进行匹配比对，判断是否超出预定范围，若超出，则进行控制调节；

将燃烧系统的特征频率的范围与其正常运行时的声信号进行匹配比对，判断预设频率范围之外是否出现其他特征频率，若出现，则判定出现燃烧器阻塞故障；

利用数学匹配算法实时分析旋转部件的升转速区间是否在正常的升转速区间，若波形偏离或与发生故障时的波形匹配，则重新点火避免发生其他故障。

在一种实施方案中，所述布置在燃气轮机待测区域的外部包括通过磁力吸附、粘贴或夹装中至少一种非接触式安装形式布置。

在一种实施方案中，所述信号接收模块包括声音传感器，所述声音传感器包括麦克风传感器。

在一种实施方案中，所述信号接收模块还包括温度传感器、压力传感器和加速度传感器。

在一种实施方案中，所述数据存储模块内还存储有所述数据与控制信号输出模块内的匹配结果。

本申请中的燃气轮机非接触式声信号监控系统具有的有益效果：

本申请设计一种基于非接触式声信号测量技术，传感器安装于燃机缸体外部，无需对燃机本体硬件进行改造，可灵活调整布置位置的燃气轮机声信号监控系统，以辅助燃气轮机运行状态检测，监控包括燃烧状态、阀泵运行情况、旋转部件状态等多种燃气轮机运行相关参数，调节燃机运行状态维持运行稳定安全，并可积累数据与人工智能技术结合以优化燃机控制调节策略。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为根据本申请实施例示出的一种燃气轮机非接触式声信号监控系统的结构框图；

图2为根据本申请实施例示出的一种处理模块的结构框图。

100、信号接收模块；200、处理模块；300、数据存储模块；400、数据与控制信号输出模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为根据本申请实施例示出的一种燃气轮机非接触式声信号监控系统的结构框图。参见图1，该监控系统包括信号接收模块100、处理模块200、数据存储模块300和数据与控制信号输出模块400。

其中，信号接收模块100布置在燃气轮机待测区域的外部，用于获取待测区域的声信号。

信号接收模块100可以声信号传感器，声信号传感器可以实现通过磁力吸附、粘贴或夹装等非接触式安装形式在燃气轮机缸体外布置，布置在燃气轮机附件合适位置进行测量，不需要燃气轮机停机或对燃汽轮机硬件进行改造。声信号传感器具体位置按目标燃气轮机机型、关注的重点参数和需解决的问题来确定。参见图2，具体的，待测区域可以包括燃烧系统、阀泵系统和旋转部件等燃气轮机子系统。获取的待测区域的声信号用于判断燃气轮机的燃烧系统的燃烧状态、阀泵系统的运行情况和旋转部件状态等多种燃气轮机运行相关参数。其中，旋转部件包括透平系统、压气机系统和轴系等。

处理模块200与信号接收模块100通讯连接，用于提取获取的声信号的波形数据，并对声信号进行数学处理分解出细节特征，并实时输出波形数据和特征参数。具体包括提取获取的声信号的时域波形，对获取的声信号进行小波变换提取波形特征，并对声信号进行傅里叶变换分解出预设频率范围内的特征频率、特征频率的峰值和峰值幅值之间的数学关系。

数据存储模块300用于存储燃气轮机正常运行和发生故障时的声信号及所述处理模块输出的波形数据和特征参数。该数据存储模块中已根据实际机组运行维护经验，记录了大量机型在正常运行或发生故障时的信号特征信息。数据存储模块包括并不限于数据归类、索引等功能的符合燃气轮机专业技术领域需求的数据库系统。

数据与控制信号输出模块400用于将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行或发生故障时的声信号进行匹配比对，根据实时信号分析与数据匹配，可以判别机组是否处于正常状态，及万一发生故障时的可能故障类型，并根据匹配结果输出控制指令。

在上述实施过程中，本发明设计一种基于非接触式声信号测量技术，传感器安装于燃机缸体外部，无需对燃机本体硬件进行改造，可灵活调整布置位置的燃气轮机声信号监控系统，以辅助燃气轮机运行状态检测，监控包括燃烧状态、阀泵运行情况、旋转部件状态等多种燃气轮机运行相关参数，调节燃机运行状态维持运行稳定安全。例如在发现疑似发生偏离设计工况的燃烧器、燃烧筒外部，或是需要进一步监控运行状态的阀门原件附件直接夹装新的声信号传感器，而不需要停机后在相应位置进行机械加工，开孔安装传统压力传感器。并可积累数据与人工智能技术结合以优化燃机控制调节策略。

通过采用本系统，在燃机电厂遭遇故障时可以作为传统解决方案的辅助手段，利用非接触测量的特性不停机不中断正常发电计划而在燃机原有传感器之外获取更多机组运行状态信息，辅助故障诊断，解决问题。本专利技术也可作为通用的数据采集、分析系统为燃机相关的技术研发工作提供支持。

在一种实施方案中，实时输出波形数据和特征参数包括：

当待测区域为燃烧系统时，实时输出预设频率范围内的特征频率、特征频率峰值和峰值幅值之间的数学关系；

当待测区域为旋转部件时，实时输出在时域波形上的形态特征和升转速区间。

在一种实施方案中，将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行和发生故障时的声信号进行匹配比对，并根据匹配结果输出控制指令包括：

将燃烧系统的峰值幅值之间的数学关系与其正常运行时的声信号进行匹配比对，判断是否超出预定范围，若超出，则进行控制调节；将燃烧系统的特征频率的范围与其正常运行时的声信号进行匹配比对，判断预设频率范围之外是否出现其他特征频率，若出现，则判定出现燃烧器阻塞故障。例如，某型号燃气轮机，在接近满负荷的运行区间，其燃烧室附近位置测得的声音信号在进行傅里叶变换后，在10Hz-1000Hz频率范围中的某几个确定的特征频率窗口，应当具有一定幅值的特征频率峰值，且这几个峰值的幅值相互之间应具有一个确定的数学关系。若这些峰值之间的数学关系发生变化并超出一定范围，则机组很可能发生燃烧不稳定现象，需控制系统介入调节。而如果在这些特征频率窗口之外额外出现了其他特征频率峰值，则机组可能出现了燃烧器阻塞类型的故障等。

利用数学匹配算法实时分析旋转部件的升转速区间是否在正常的升转速区间，若波形偏离或与发生故障时的波形匹配，则重新点火避免发生其他故障。例如，某型号燃气轮机，在升转速阶段，其压气机附件测得的声音信号在时域波形上具有确定的形态特征，利用数学匹配算法可以实时分析出机组是否在正常的升转速区间，若波形偏离较明显，或与数据记录中确定的故障波形匹配，则需介入重新点火避免发生其他故障。

在一种实施方案中，信号接收模块包括麦克风传感器，该声音传感器包含并不限于必要的放大电路、激励电路等功能。本专利可以匹配目前市场上常见的声信号传感器类型。声信号传感器接收的声信号可以表征燃机燃烧系统、旋转部件和阀泵系统等诸多重要分系统的运行状态。

在一种实施方案中，本专利还可以兼容行业通用的信号接收模块，具体的，信号接收模块还可以为温度传感器、压力传感器和加速度传感器。

在一种实施方案中，数据存储模块内还存储所述数据与控制信号输出模块内的匹配结果。存储下的数据后续可以通过更深入的专业分析或AI深度学习形成进一步优化的机组运行维护方案。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，包括：

信号接收模块，布置在燃气轮机待测区域的外部，用于获取待测区域的声信号；

处理模块，与所述信号接收模块通讯连接，用于提取获取的声信号的波形数据，对声信号进行数学处理分解出细节特征，并实时输出波形数据和特征参数；

数据存储模块，用于存储燃气轮机正常运行和发生故障时的声信号及所述处理模块输出的波形数据和特征参数；

数据与控制信号输出模块，用于将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行或发生故障时的声信号进行匹配比对，并根据匹配结果输出控制指令。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述提取获取的声信号的波形数据，并对声信号进行数学处理分解出细节特征包括：

提取获取的声信号的时域波形，对获取的声信号进行小波变换提取波形特征，并对声信号进行傅里叶变换分解出预设频率范围内的特征频率、特征频率的峰值和峰值幅值之间的数学关系。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述待测区域包括燃烧系统、旋转部件和阀泵系统。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述实时输出波形数据和特征参数包括：

当待测区域为燃烧系统时，实时输出预设频率范围内的特征频率、特征频率峰值和峰值幅值之间的数学关系；

当待测区域为旋转部件时，实时输出在时域波形上的形态特征和升转速区间。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述将待测区域的波形数据和特征参数与正常运行和发生故障时的声信号进行匹配比对，并根据匹配结果输出控制指令包括：

将燃烧系统的峰值幅值之间的数学关系与其正常运行时的声信号进行匹配比对，判断是否超出预定范围，若超出，则进行控制调节；

将燃烧系统的特征频率的范围与其正常运行时的声信号进行匹配比对，判断预设频率范围之外是否出现其他特征频率，若出现，则判定出现燃烧器阻塞故障；

利用数学匹配算法实时分析旋转部件的升转速区间是否在正常的升转速区间，若波形偏离或与发生故障时的波形匹配，则重新点火避免发生其他故障。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述布置在燃气轮机待测区域的外部包括通过磁力吸附、粘贴或夹装中至少一种非接触式安装形式布置。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述信号接收模块包括声音传感器，所述声音传感器包括麦克风传感器。

8.根据权利要求1所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述信号接收模块还包括温度传感器、压力传感器和加速度传感器。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机非接触式声信号监控系统，其特征在于，所述数据存储模块内还存储有所述数据与控制信号输出模块内的匹配结果。

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