CN116624234A - 一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，属于汽轮机扭振状态监测技术领域。解决了现有技术中汽轮发电机组扭振状态难以实时监测的问题；本发明包括以下步骤：S1.采用非接触式测量，绘制基准信号，计算轴系扭振信号；具体的：S11.安装电涡流传感器，采取措施限制弯振干扰；S12.根据扭振信息提取原理，绘制基准信号；S13.计算轴系实时转速；S14.绘制轴系扭角信号；S2.采集机组状态参数；S3.根据轴系扭振信号和机组状态参数设计扭振故障监测系统。本发明实现了汽轮机扭振的实时监测和危险部位预警分析，避免了轴系的冲击性或疲劳累积性损坏，可以应用于汽轮机扭振状态监测。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机扭振异常监测，尤其涉及一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，属于汽轮机扭振状态监测技术领域。
背景技术
汽轮发电机在电力系统起供电主导作用，其能否安全运行，将直接关系到电力系统的稳定和电能的质量，汽轮发电机的绝缘材料长期处在高温和潮湿的恶劣环境下，并且承受着巨大的机械应力，极易发生绝缘故障，除了电气绝缘故障外，还存在各种机械故障，同时，汽轮发电机本身机械结构复杂，还有庞大的辅机设备，使得汽轮发电机的任一部件发生故障都可能导致整个系统停止运行。
汽轮发电机轴系的多个转子，如汽轮机的高、中、低压转子，发电机转子、励磁机转子等，均为汽轮发电机上重要部件，汽轮发电机组轴系扭振是指因机电扰动或非正常运行方式产生的轴系扭转振动，严重时可使轴系的某些截面或联轴节处产生过大的交变扭应力，导致轴系的冲击性或疲劳累积性损坏，直接威胁机组的安全运行。
目前部分电厂对汽轮发电机组扭振状态监测还不够重视，虽然一些电厂安装有扭振保护装置，但该设备功能相对简单，并不能为扭振的安全计算提供详细的数据，因此，现有技术中存在汽轮发电机组扭振状态难以实时监测的问题，需要一种汽轮机扭振监测数据分析方法，利用故障数据和分析计算的结果，提供扭振在线的和事后的扭振状态分析、历史趋势分析以及故障诊断等功能。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在汽轮发电机组扭振状态难以实时监测的问题，本发明提供一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法。
技术方案如下：一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，包括以下步骤：
S1.采用非接触式测量，绘制基准信号，计算轴系扭振信号；
具体的：
S11.安装电涡流传感器，采取措施限制弯振干扰；
S12.根据扭振信息提取原理，绘制基准信号；
S13.计算轴系实时转速；
S14.绘制轴系扭角信号；
S2.采集机组状态参数；
S3.根据轴系扭振信号和机组状态参数设计扭振故障监测系统。
进一步地，所述S11中，利用第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，以测试齿轮垂直中心轴为参考，采取180度对称安装的方法限制弯振干扰，对测试齿轮的实时转速进行监测。
进一步地，所述S12中，根据扭振信息提取原理：当轴系未发生扭振振动，传感器输出的脉冲信号为等周期脉冲；设基准信号为无扭振脉冲信号，基准信号的脉冲编号为i，i＝1,2,3……n，n为测试齿轮齿数，基准信号的第i个脉冲周期的时间宽度为ti。
进一步地，所述S13中，根据测试齿轮相邻两个齿之间的角度和轴系旋转角速度ωi，计算出轴系实时转速f；
测试齿轮相邻两个齿之间的角度表示为：
轴系旋转角速度ωi表示为：
轴系实时转速f表示为：
进一步地，所述S14中，当转轴发生扭振时，设测试齿轮第i个齿位置处扭振角位移为扭振角位移/>使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间为Δti；
扭振角位移使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间Δti表示为：
弯振速度分量Vy使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间为Δt′；
弯振速度分量Vy使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间Δt′表示为：
其中，ω为角速度，R为测试齿轮半径；
设第i个齿经过第一电涡流传感器的时间间隔为Ti 1、第i个齿经过第二电涡流传感器的时间间隔为Ti 2；
第i个齿经过第一电涡流传感器的时间间隔Ti 1和第i个齿经过第二电涡流传感器的时间间隔Ti 2表示为：
扭振角位移为表示为：
综合测试齿轮各齿基准值和各齿瞬时时刻实测值，得到扭振角位移序列
结合时间宽度序列ti和扭振角位移序列绘制轴系扭角信号。
进一步地，所述S3中，扭振故障监测系统包括主监视图实时界面、转速和扭角实时界面、汽轮机寿命评估界面和历史数据界面；主监视图实时界面显示的数据包括转速一分钟最大值、扭角一分钟最大值、功率一分钟最大值、三相电机的实时电流、三相电机的实时电压和汽轮机外观图，实时显示以上数据参数的变化情况，并在扭角参数过大时进行报警提示；转速和扭角实时界面显示的数据包括转速实时数据、扭角实时数据、功率实时数据、转速一分钟最大值、扭角一分钟最大值、功率一分钟最大值和功率、转速、扭角的累计出现频率；汽轮机寿命评估界面突出显示判定的危险部位，并对其进行寿命评估，显示危险部位的剩余寿命；历史数据界面记录扭振故障数据，并提供安全性分析。
本发明的有益效果如下：本发明采用非接触式测量布置传感器获取扭振监测信息，利用汽轮机测试齿轮的脉冲信号，提取轴系扭振信息；扭振故障监测系统中，主监视图实时界面实时显示转速、扭角、功率、三相电机的实时电流、三相电机的实时电压和汽轮机外观图，并在汽轮机寿命评估界面对危险部位进行突出显示和评估，预测其剩余寿命，历史数据界面记录扭振故障数据，并进行安全性分析；本发明实现了扭振的实时监测和危险部位预警分析，避免了轴系的冲击性或疲劳累积性损坏，发生扭振故障时可以根据实时监测数据分析故障原因，明确了电厂和电网的责任界限，并为机组其他故障，如振动故障，提供辅助的诊断信息。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法流程示意图；
图2为电涡流传感器安装位置示意图；
图3为扭振信息提取原理示意图；其中，(a)为脉宽调制信号与扭角的关系示意图，(b)为无扭振脉冲信号示意图，(c)为扭振脉冲信号与扭角信号示意图；
图4为传感器信号和基准信号示意图；
图5为扭振故障监测系统数据获取及处理过程原理；
图6为主监视图实时界面；
图7为转速和扭角实时界面；
图8为寿命评估界面。
附图标号：1、第一电涡流传感器；2、第二电涡流传感器；3、测试齿轮；4、支架。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1-图8详细说明本实施例，一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，具体包括以下步骤：
S1.采用非接触式测量，绘制基准信号，计算轴系扭振信号；
具体的：
S11.安装电涡流传感器，采取措施限制弯振干扰；
S12.根据扭振信息提取原理，绘制基准信号；
S13.计算轴系实时转速；
S14.绘制轴系扭角信号；
S2.采集机组状态参数；
S3.根据轴系扭振信号和机组状态参数设计扭振故障监测系统。
进一步地，所述S11中，利用第一电涡流传感器1和第二电涡流传感器2，以测试齿轮3垂直中心轴为参考，采取180度对称安装的方法限制弯振干扰，对测试齿轮3的实时转速进行监测；
具体的，轴的横向振动将对轴系扭振信号产生直接影响，且该影响不可忽略，为达到较高的测量精度，应当采取措施最大限制弯振的干扰，抑制弯振干扰可以采用两个电涡流传感器以180度对称安装的方法对测试齿轮3各齿处瞬时转速进行监测，弯振的垂直分量会使两个传感器的测量结果发生大小相同、方向相反的改变，随后将两个传感器所测量的数据取平均值便可消除弯振对扭振监测的影响。
进一步地，所述S12中，根据扭振信息提取原理：当轴系未发生扭振振动，传感器输出的脉冲信号为等周期脉冲；设基准信号为无扭振脉冲信号，基准信号的脉冲编号为i，i＝1,2,3……n，n为测试齿轮3齿数，基准信号的第i个脉冲周期的时间宽度为ti；
具体的，当轴系处于恒定转速下，即轴系未发生扭振振动，传感器输出的脉冲信号是等周期脉冲，如果轴系发生扭振振动，则脉冲信号会呈现不同的脉宽，即脉宽调制现象；轴系旋转过程中，脉冲信号除了包含转频分量还包含扭转振动的频率分量，因此，可以采用非接触式测量提取轴系扭振信息。
进一步地，所述S13中，根据测试齿轮3相邻两个齿之间的角度和轴系旋转角速度ωi，计算出轴系实时转速f；
测试齿轮3相邻两个齿之间的角度表示为：
轴系旋转角速度ωi表示为：
轴系实时转速f表示为：
进一步地，所述S14中，当转轴发生扭振时，设测试齿轮3第i个齿位置处扭振角位移为扭振角位移/>使得第i个齿经过第一电涡流传感器1和第二电涡流传感器2的时刻提前或滞后时间为Δti；
扭振角位移使得第i个齿经过第一电涡流传感器1和第二电涡流传感器2的时刻提前或滞后时间Δti表示为：
弯振速度分量Vy使得第i个齿经过第一电涡流传感器1和第二电涡流传感器2的时刻提前或滞后时间为Δt′；
弯振速度分量Vy使得第i个齿经过第一电涡流传感器1和第二电涡流传感器2的时刻提前或滞后时间Δt′表示为：
其中，ω为角速度，R为测试齿轮3半径；
设第i个齿经过第一电涡流传感器1的时间间隔为Ti 1、第i个齿经过第二电涡流传感器2的时间间隔为Ti 2；
第i个齿经过第一电涡流传感器1的时间间隔Ti 1和第i个齿经过第二电涡流传感器2的时间间隔Ti 2表示为：
扭振角位移为表示为：
综合测试齿轮3各齿基准值和各齿瞬时时刻实测值，得到扭振角位移序列
结合时间宽度序列ti和扭振角位移序列绘制轴系扭角信号；
具体的，当轴系扭转振动时，测速齿轮每个齿峰和齿谷交替转过的时间不再是常数，当某一时间内扭振的方向与轴转动的方向一致时，轴系在工作转速下与扭转振动的速度叠加，此时齿峰或齿谷通过测量区的时间会小于无扭振状态下的通过时间，脉冲的宽度会减小；当轴系扭转振动的方向与轴转动方向相反时，轴系在工作转速下需要减去扭转振动的速度，此时齿峰或齿谷通过测量区的时间会大于无扭振状态下的通过时间，脉冲的宽度会增大；参考图3，TH(t)为无扭振状态高电平时间函数，TL(t)为无扭振状态低电平时间函数，αTH(t)为扭振状态高电平时间函数，αTL(t)为扭振状态低电平时间函数；由此建立脉宽调制信号与扭角的关系，通过时序脉冲提取传感器监测得到的相邻两个齿的时间间隔αTH(ti)和传感器监测得到的一个齿宽的时间αTL(ti)，即可得到轴系扭角信号。
进一步地，所述S3中，扭振故障监测系统包括主监视图实时界面、转速和扭角实时界面、汽轮机寿命评估界面和历史数据界面；主监视图实时界面显示的数据包括转速一分钟最大值、扭角一分钟最大值、功率一分钟最大值、三相电机的实时电流、三相电机的实时电压和汽轮机外观图，实时显示以上数据参数的变化情况，并在扭角参数过大时进行报警提示；转速和扭角实时界面显示的数据包括转速实时数据、扭角实时数据、功率实时数据、转速一分钟最大值、扭角一分钟最大值、功率一分钟最大值和功率、转速、扭角的累计出现频率；汽轮机寿命评估界面突出显示判定的危险部位，并对其进行寿命评估，显示危险部位的剩余寿命；历史数据界面记录扭振故障数据，并提供安全性分析；
具体的，判定的危险部位为扭角扭角一分钟最大值超过标准额定值的部位；安全性分析包括故障形式的判断分析、轴系状态的确定分析、扭振响应分析、电磁力矩的合成分析、扭振模型仿真分析和疲劳损耗分析。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (6)
1.一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采用非接触式测量，绘制基准信号，计算轴系扭振信号；
具体的：
S11.安装电涡流传感器，采取措施限制弯振干扰；
S12.根据扭振信息提取原理，绘制基准信号；
S13.计算轴系实时转速；
S14.绘制轴系扭角信号；
S2.采集机组状态参数；
S3.根据轴系扭振信号和机组状态参数设计扭振故障监测系统。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，其特征在于，所述S11中，利用第一电涡流传感器和第二电涡流传感器，以测试齿轮垂直中心轴为参考，采取180度对称安装的方法限制弯振干扰，对测试齿轮的实时转速进行监测。
3.根据权利要求2所述的一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，其特征在于，所述S12中，根据扭振信息提取原理：当轴系未发生扭振振动，传感器输出的脉冲信号为等周期脉冲；设基准信号为无扭振脉冲信号，基准信号的脉冲编号为i，i＝1,2,3……n，n为测试齿轮齿数，基准信号的第i个脉冲周期的时间宽度为ti。
4.根据权利要求3所述的一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，其特征在于，所述S13中，根据测试齿轮相邻两个齿之间的角度和轴系旋转角速度ωi，计算出轴系实时转速f；
测试齿轮相邻两个齿之间的角度表示为：
轴系旋转角速度ωi表示为：
轴系实时转速f表示为：
5.根据权利要求4所述的一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，其特征在于，所述S14中，当转轴发生扭振时，设测试齿轮第i个齿位置处扭振角位移为扭振角位移/>使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间为Δti；
扭振角位移使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间Δti表示为：
弯振速度分量Vy使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间为Δt′；
弯振速度分量Vy使得第i个齿经过第一电涡流传感器和第二电涡流传感器的时刻提前或滞后时间Δt′表示为：
其中，ω为角速度，R为测试齿轮半径；
设第i个齿经过第一电涡流传感器的时间间隔为Ti 1、第i个齿经过第二电涡流传感器的时间间隔为Ti 2；
第i个齿经过第一电涡流传感器的时间间隔Ti 1和第i个齿经过第二电涡流传感器的时间间隔Ti 2表示为：
扭振角位移为表示为：
综合测试齿轮各齿基准值和各齿瞬时时刻实测值，得到扭振角位移序列
结合时间宽度序列ti和扭振角位移序列绘制轴系扭角信号。
6.根据权利要求5所述的一种汽轮机扭振异常可视化的分析方法，其特征在于，所述S4中，扭振故障监测系统包括主监视图实时界面、转速和扭角实时界面、汽轮机寿命评估界面和历史数据界面；主监视图实时界面显示的数据包括转速一分钟最大值、扭角一分钟最大值、功率一分钟最大值、三相电机的实时电流、三相电机的实时电压和汽轮机外观图，实时显示以上数据参数的变化情况，并在扭角参数过大时进行报警提示；转速和扭角实时界面显示的数据包括转速实时数据、扭角实时数据、功率实时数据、转速一分钟最大值、扭角一分钟最大值、功率一分钟最大值和功率、转速、扭角的累计出现频率；汽轮机寿命评估界面突出显示判定的危险部位，并对其进行寿命评估，显示危险部位的剩余寿命；历史数据界面记录扭振故障数据，并提供安全性分析。
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