CN1862242A - 基于ccd摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法 - Google Patents

Abstract

基于CCD摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法，本发明涉及一种汽轮发电机组轴系扭振的测量方法。本发明解决了非接触测量法动态特性差和测量位置非常有限的缺点，提供一种多测点，动态特性良好的测试方法。它通过下述步骤实现：一、用若干个CCD摄像机分别拍照位于其镜头前的粘贴于汽轮发电机轴长度上不同位置处具有图案的纸带，各CCD摄像机同步进行拍照工作；二、把每个CCD摄像机摄取的图像分别送入计算机中，分别计算出每个CCD摄像机对应位置处纸带的瞬时线位移；三、根据每个CCD摄像机对应位置处纸带的瞬时线位移，计算出瞬时变化的汽轮发电机轴转速增量或扭角增量。本发明的测量方法能够用在汽轮发电机组轴系的扭振监测与控制系统中。

Description

基于CCD摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法

技术领域

本发明涉及一种汽轮发电机组轴系扭振的测量方法。

背景技术

随着电力工业的发展，汽轮发电机组单机容量日益大型化。在我国，目前600MW火电机组和900MW核电机组已经投入运行。为提高单机容量，大型汽轮机采用多级汽缸串列布置的结构，轴系由多个转子组成，长达三四十余米，是一个极其复杂的柔性体。当发生机电扰动使得汽轮机驱动转矩和发电机电磁制动转矩之间的平衡关系被破坏时，柔性轴系将产生叠加于平均转速整体旋转趋势上的相对扭转振动；尤其是当某些条件下受到频率与轴系扭振固有频率接近或“合拍”的交变转矩作用时，轴系将出现强烈的扭转共振现象。汽轮发电机组发生扭振时，轴系因反复承受较大的扭矩而造成疲劳寿命损耗，甚至导致轴系被直接损坏。轴系扭振问题已被公认是影响大机组和大电网安全经济运行的一个重要因素，成为发展大电网和大机组所急需解决的关键技术问题。

汽轮发电机组轴系扭振测量是扭振控制和监测系统的重要环节，是扭振控制和监测手段付诸实践的基础。汽轮发电机组轴系扭振是轴系在以一个整体(即刚性转子)旋转的过程中，同时发生的各轴段微元相对扭转震荡现象。当出现扭振时，轴系转速或扭角增量因包含交变的扭振分量而瞬时变化。轴系扭振测量就是在轴系旋转过程中，通过一定的测量方法测取瞬时变化的轴系转速或扭角增量。

目前的轴系扭振测量方法按信号拾取方式可分为两大类，即接触测量法和非接触测量法。接触测量法是把传感器装在轴系上直接感知扭振，可以用应变片测扭转变形，也可以用压电传感器测角加速度。接触测量法的信号传递有一定困难，可靠性差，不适合长期监测扭振的要求。非接触测量法是利用装在轴系上的码盘、齿轮或其它等分齿形结构，在非接触的传感器(磁电式或光电式)中产生包含扭振的信息。现行的非接触式测量主要是在轴系上安装测速齿轮，利用磁电式传感器进行瞬时转速的测量。齿轮测速法可分为测周期和测频率两种。测周期法的实时性更好，因此常用这种方法测量扭振。在先技术[1](参见张恒涛.汽轮发电机组轴系扭转振动的实测技术.动力工程.1992，12(3)：1～7)，测周期法的基本原理是测量齿轮转过一定分度角的时间。当被测机组转速一定时，齿轮的齿数越少，测量的动态特性越差。然而，由于数字电路分辨率与加工精度的限制，齿轮的齿数不可能太大。另外，汽轮机主轴上可以安装齿轮的位置非常有限，一般只能安装3个测点，分别位于轴系前后两端，低压缸与发电机之间。齿轮法动态特性差的缺点使其不适用于快速的控制系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述非接触测量法动态特性差和测量位置非常有限的缺点，提供一种多测点，动态特性良好的测试方法。基于CCD摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法，它通过下述步骤实现：一、用若干个CCD摄像机分别拍照位于其镜头前的粘贴于汽轮发电机轴长度上不同位置处具有图案的纸带，各CCD摄像机同步进行拍照工作；二、把每个CCD摄像机摄取的图像分别送入计算机中，分别计算出每个CCD摄像机对应位置处纸带的瞬时线位移；三、根据每个CCD摄像机对应位置处纸带的瞬时线位移，计算出瞬时变化的汽轮发电机轴转速增量或扭角增量。

本发明的基本原理：轴系扭振测量就是在轴系旋转过程中，通过一定的测量方法测取瞬时变化的轴系转速或扭角增量，再经过傅利叶变换等分析方法，即可获得扭振的频率和各阶振幅等振动特征。

设扭振偏移角为θ，线位移l，扭振频率为f(Hz)，扭振振幅峰值为

时间为t，轴表面某点的半径为R，角速度为Ω，该点的扭振角速度为ω₁，平均角速度为ω₂，则这些参数有如下关系：

$\mathrm{\θ}=\widehat{\mathrm{\θ}}\sin 2\mathrm{\πft}$ (弧度)，

${\mathrm{\ω}}_1=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}=\frac{d}{\mathrm{dt}}\left(\widehat{\mathrm{\θ}}\sin 2\mathrm{\πft}\right)$ (弧度/秒)

              ω₁＝Ω-ω₂

              l＝Rθ

所以只要测出轴系的瞬时线位移l，就可以得到扭振的信息。所谓瞬时实际上是Δt时间内的，Δt越小，测量系统的动态特性就越好。利用高速CCD摄像机可以捕获处于高速运动中的物体图像。本发明只需在轴上贴上印有特定图案的纸带，再通过CCD摄像机对转动中的轴进行拍照，对比相邻的两幅图像信号，就可以得到轴的瞬时线位移。Δt为摄像机的电子快门时间。

本发明的技术效果是：在先技术[1]，齿轮法的测量动态特性与被测机组的工作平均转速和齿轮齿数有关，CCD测量法的动态特性和摄像机的快门时间有关。两者都可以用获得一个转速(位移)数据的时间T₀来衡量，T₀越小，动态特性越好。在先技术[1]的动态特性T₀最小可到1/7200秒，一般为1/3600秒，本发明的动态特性T₀可达1/65000秒。在先技术[1]的测点只能布置在机头、机尾以及低压缸与发电机之间。本发明的测点可以布置在任何裸露在外的轴段处，例如联轴节和轴承的附近。本发明的测量方法能够用在汽轮发电机组轴系的扭振监测与控制系统中。本发明也可用于其它旋转机械的轴系扭振测量。

附图说明

图1为本发明具有图案的纸带2粘贴在汽轮发电机轴1上的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。它通过下述步骤实现：

一、用若干个CCD摄像机分别拍照位于其镜头前的粘贴于汽轮发电机轴1长度上不同位置处具有图案的纸带2，各CCD摄像机同步进行拍照工作；二、把每个CCD摄像机摄取的图像分别送入计算机中，分别计算出每个CCD摄像机对应位置处纸带2的瞬时线位移；三、根据每个CCD摄像机对应位置处纸带2的瞬时线位移，计算出瞬时变化的汽轮发电机轴1转速增量或扭角增量。

纸带2上的图案为若干条具有一定间隔距离的黑色条纹2-1，每条黑色条纹(2-1)的宽度和每条黑色条纹(2-1)之间的间隔距离都有差别，黑色条纹2-1与汽轮发电机轴1的轴线有一个夹角α。纸带2的图案作为信号源也是测量中的重要环节，本实施方式纸带2上的图案具有以下优点：1)黑白相间的条纹图案，比较容易识别；2)条纹宽度是随机的，使整个信号具有较好的随机性，以适应延迟估计器对输入信号的要求；3)不同的条纹倾斜角α，可以适应不同直径和转速的被测目标，获得不同的测量分辨力。

本发明的摄像机使用512像素的黑白线阵CCD摄像机，最高行频65k，像元尺寸14μm。CCD摄像机有线阵与面阵，黑白与彩色之分。面阵摄像机虽然实现图像的识别，但由于像素太多致使速度较慢，无法捕获高速转动的轴表面图像；由于被摄图案是自行设计得，所以彩色摄像机的意义不大，因此选用黑白线阵CCD摄像机。摄像机的电子快门时间(采样间隔Δt)是选择摄像机的关键参数。Δt越小，测量的动态特性就越好，测量范围越大。CCD摄像机的光学镜头的主要参数是光学放大倍数β，β的大小直接影响测量的分辨力，其值越大，位移分辨力越高。但通常光学镜头的放大倍数越大，焦距就越大，镜头与被测物的距离越短。当镜头与轴的距离过近时，轴的径向振动所产生的位移，就会影响聚焦，使图像变模糊。由于CCD摄像机的分辨力已经达到10μm，所以β不必很大，取1就可以。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同点是：在步骤二中使用基于自适应技术的广义相关延迟估计器来计算瞬时位移。位移可以看成位置坐标轴上的延迟，所以位移的计算方法采用基于自适应技术的广义相关延迟估计器。广义相关延迟估计器，是利用图像信号的整体信息进行计算，这样可以获得较高的信噪比，对图像的清晰度，聚焦的要求都比较低。加入自适应技术后，使估计器更是可以适应时变的测量环境。这种估计器的计算过程是一个迭代过程，迭代算法如下：

                    ε(k)＝x₂(k)-y(k)

$y\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1(k-i)W_i\left(k\right)$

                     W_i(k+1)＝W_i(k)+με(k)x₁(k-i)

                     0＜μ＜1/λ_max

式中，x₁(k)，x₂(k)为两幅相邻的一维图像数据，W(k)为权系数矢量，μ为收敛因子，N为阶数。迭代结束后，W(k)的最大值所对应的序号i，就是在CCD像面上产生的位移对应的像元数，线位移l＝i×像元尺寸。

Claims (3)

1、基于CCD摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法，其特征在于它通过下述步骤实现：一、用若干个CCD摄像机分别拍照位于其镜头前的粘贴于汽轮发电机轴(1)长度上不同位置处具有图案的纸带(2)，各CCD摄像机同步进行拍照工作；二、把每个CCD摄像机摄取的图像分别送入计算机中，分别计算出每个CCD摄像机对应位置处纸带(2)的瞬时线位移；三、根据每个CCD摄像机对应位置处纸带(2)的瞬时线位移，计算出瞬时变化的汽轮发电机轴(1)转速增量或扭角增量。

2、根据权利要求1所述的基于CCD摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法，其特征在于纸带(2)上的图案为若干条具有一定间隔距离的黑色条纹(2-1)，每条黑色条纹(2-1)的宽度和每条黑色条纹(2-1)之间的间隔距离都有差别，黑色条纹(2-1)与汽轮发电机轴1的轴线有一个夹角(α)。

3、根据权利要求1所述的基于CCD摄像技术的汽轮发电机组扭振测量方法，其特征在于在步骤二中使用基于自适应技术的广义相关延迟估计器来计算瞬时位移。

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