CZ310018B6 - Způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny - Google Patents

Abstract

Při způsobu automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny se změří rotorové vibrace turbíny pomocí nejméně jednoho snímače rotorových vibrací umístěného na nejméně jednom ložisku turbíny. Získaný signál se předzpracuje tak, že se převede z časové do frekvenční oblasti, s výhodou diskrétní Fourierovou transformací, provede se potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu, s výhodou liftrací kepstra signálu, a potlačení variance širokospektrálního šumu signálu, s výhodou průměrováním liftrovaných spekter signálu. Následně se provede identifikace složek lopatkových vibrací v předzpracovaném signálu. Identifikace zahrnuje proces prahování předzpracovaného signálu a shlukování komponent z prahování. V identifikovaných složkách lopatkových vibrací se následně sleduje velikost odchylky frekvence a/nebo amplitudy nejméně jedné identifikované složky od jejího nominálního stavu. Jako prahovací úroveň se použije medián hodnot analyzovaného liftrovaného spektra a jako amplituda se použije hodnota původního neliftrovaného spektra signálu na identifikované lopatkové frekvenci.

Description

Způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny

Oblast techniky

Navrhovaný vynález spadá do oblasti měření a vyhodnocení mechanických kmitů a rezonancí lopatek turbíny.

Dosavadní stav techniky

Monitorování vibrací oběžných lopatek je důležitou úlohou v diagnostice lopatkových strojů, především parních a plynových turbín. Tlak ze strany provozovatele parní turbíny je minimalizovat náklady na provoz turbíny a současně zajistit její bezporuchovost. Toho lze docílit mimo jiné dlouhodobým monitorováním a včasnou detekcí případné poruchy. Nicméně je častou praxí, že se vibrace lopatek turbín dlouhodobě vůbec nesledují. Důvodem jsou relativně vysoké pořizovací a provozní náklady diagnostického systému. Dosavadní přístupy monitorování lopatkových vibrací jsou založeny na především dvou způsobech měření, na kontaktním a bezkontaktním.

Kontaktní způsob je založen na tenzometrickém měření. Tenzometrické měření poskytuje informaci o mechanickém napětí na povrchu lopatky. Jedná se o kontaktní měření, kdy je snímač s lopatkou pevně spojen, což umožňuje získat velmi přesné hodnoty mechanického namáhání. Tento přístup umožnuje měřit s vysokou vzorkovací frekvencí, čehož lze využít v pozdější analýze signálu a jeho zpracování. Nejčastěji využívanými snímači jsou odporové tenzometry, které pracují na principu změny elektrického odporu vodiče v důsledku jeho deformace. Monitorování mechanického napětí oběžných lopatek však přináší nutnost vyvést měřenou veličinu ve formě elektrického signálu mimo rotující systém. Zároveň je tenzometrické měření vlivem extrémních vlastností pracovního média interagujícího v průtočné části s instalovanými snímači a kanály dlouhodobě nepoužitelné. Limitujícím faktorem tenzometrického měření v případě monitorování vibrací oběžných lopatek je nutnost instalace snímačů do průtočné části turbíny, a tedy odolnost vůči panujícím podmínkám a způsob vyvedení měřených signálů z rotujícího systému. Pro dlouhodobé monitorování je tak použití tenzometrů nevhodné a lze jej využít především pro krátkodobá měření a experimenty.

Pro dlouhodobé monitorování lopatkových vibrací lze využít metodu označovanou jako Blade Tip-Timing (BTT). Metoda využívá sadu senzorů zabudovaných ve statorové části nad monitorovanými lopatkami (nad lopatkovým kolem). Z naměřeného signálu se identifikuje čas průletu lopatky pod senzorem. Ze znalosti geometrického rozložení lopatek po obvodu lopatkového kola, tedy z jejich počtu a obvodu lopatkového kola, lze určit očekávané časy průletu lopatek pod senzorem. Odchylky očekávaných časů průletu a skutečně měřených časů průletu ze snímačů systému BTT jsou dále zpracovávány a umožňují určit frekvenční a amplitudové vlastnosti kmitání jednotlivých lopatek kola (např. využití frekvenční analýzy aplikací Fourierovy transformace).

Úkolem vynálezu, jehož podstata je popsána v následující kapitole, je eliminovat nutnost instalace nových snímačů do tělesa turbíny, případně do průtočné části, a využít stávajících (standardně instalovaných) snímačů. To umožní významně zlevnit instalaci monitorovacího systému lopatek a zvýšit dostupnost dlouhodobého monitoringu lopatek nejen pro nově instalované turbíny, ale i pro již provozované stroje (není nutnost odstavení stroje při instalaci monitorovacího zařízení).

- 1 CZ 310018 B6

Podstata vynálezu

Podstatou vynálezu je způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny z rotorového chvění, například parní nebo plynové turbíny. Způsob spočívá v tom, že se změří rotorové vibrace turbíny pomocí nejméně jednoho snímače rotorových vibrací umístěného na nejméně jednom ložisku turbíny. S výhodou se využije snímače relativních rotorových vibrací. To znamená, že snímač je situován na pevné části zařízení a snímá relativní vzdálenost mezi pevnou částí zařízení a případně vibrující hřídelí turbíny. Nejčastěji se jedná o snímač založený na principu měření vířivých proudů.

Signál získaný ze snímače rotorových vibrací se předzpracuje tak, že se převede z časové do frekvenční oblasti. Výsledkem je spektrum signálu, které je patrné na obr. 1. Účelem převodu do frekvenční oblasti je identifikace frekvenčních složek obsažených v měřeném signálu. Pro převod z časové do frekvenční oblasti se s výhodou použije metoda diskrétní Fourierovy transformace. Existuje však několik dalších použitelných metod. Jedná se například o metodu nejmenších čtverců nebo o metody provádějící spektrální odhad na základě autoregresních modelů, jako je Burgova metoda nebo Yule-Walkerova metoda.

Dále se provede potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu a potlačení variance širokospektrálního šumu signálu. To má za následek zvýšení odstupu mezi složkami signálu, které jsou buzeny kmitáním lopatek (užitečný signál) a šumem.

Ve výhodném provedení se potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu provede liftrací kepstra signálu. To se provede tak, že je vypočteno kepstrum signálu rotorového chvění a toto kepstrum je liftrováno - jsou potlačeny nežádoucí složky pomocí vážení jednotlivých kepstrálních koeficientů c váhovou funkcí označovanou jako liftr w. Princip je patrný na obr. 2. Tím se dosáhne potlačení nežádoucích spektrálních složek pomocí vhodně zvoleného liftru, viz obr. 3. Liftrace kepstra je zde použita k výpočtu tzv. spektrální obálky, která charakterizuje úroveň šumu pozadí. S výhodou je využíván liftr ve tvaru Gaussovy funkce. Použití liftru a výpočet spektrální obálky následně umožňuje odečíst tuto spektrální obálku od amplitudového spektra a tím potlačit širokospektrální šumy. Výsledky tohoto principu jsou patrné na obr. 4 a obr. 5.

V dalším kroku se provede potlačení variance širokospektrálního šumu signálu. Tento krok vychází z poznatku, že každá spektrální složka signálu, resp. amplituda, je aditivně zatížena šumem. Potlačení střední hodnoty širokospektrálního šumu bylo provedeno v předchozím kroku. Potlačení variance širokospektrálního šumu signálu lze s výhodou provést průměrováním liftrováných spekter signálu. Průměrování probíhá tak, že je několik v čase po sobě vypočítaných spekter signálu sečteno a vyděleno počtem sčítaných spekter. Princip potlačení variance širokospektrálního šumu signálu průměrováním je patrný na obr. 6. Potlačení variance širokospektrálního šumu signálu lze provést i metodami spektrálního odhadu.

Po uvedeném předzpracování signálu se provede identifikace složek lopatkových vibrací v předzpracovaném signálu. Identifikace zahrnuje proces prahování spektra předzpracovaného signálu a shlukování komponent z prahování. Identifikace dále může zahrnovat proces filtrace shluknutých komponent. Filtraci lze využít pro odstranění některých nevýznamných shluků, což vede k přesnějším výsledkům.

Prahování předzpracovaného signálu znamená, že jsou identifikovány právě takové amplitudy spektra předzpracovaného signálu mající potlačenou varianci širokospektrálního šumu, které svojí hodnotou převyšují hodnotu předem zvoleného prahu (amplitudové úrovně). Princip prahování je patrný na obr. 7. Pro stanovení prahovací úrovně se použije medián hodnot analyzovaného liftrovaného spektra. Jako amplituda identifikované frekvenční složky se použije hodnota původního neliftrovaného spektra signálu na identifikované lopatkové frekvenci.

-2CZ 310018 B6

Každou z lopatkových spektrálních složek je žádoucí reprezentovat jednou frekvenční a jednou amplitudovou hodnotou, namísto všech identifikovaných komponent. Za tím účelem se provede shlukování komponent. Shlukování komponent z prahování znamená seskupení komponent do skupin podle definované míry podobnosti. Míra podobnosti dvou složek je v této úloze založena na jejich frekvenční vzdálenosti. Frekvenční vzdálenost je v tomto případě porovnávána s předem definovaným shlukovacím prahem, jehož překročení určuje vznik nového shluku.

Frekvenční vzdálenost lze s výhodou definovat, např. pomocí Eukleidovské vzdálenosti. Díky shlukování je možné rozhodnout o počtu identifikovaných lopatkových frekvencí a konkrétních vlastnostech (hodnota frekvence a amplitudy). Příklad výstupu shlukování je uveden na obr. 8. Z obrázku je zřejmé, že algoritmus dobře sleduje obě lopatkové složky, které jsou v signálu rotorového chvění přítomny.

V identifikovaných složkách lopatkových vibrací se následně sleduje velikost odchylky frekvence a/nebo amplitudy nejméně jedné identifikované složky od jejího nominálního stavu. Získané hodnoty lze využít například pro odhalení zvýšeného kmitání lopatek v případě zvýšení amplitudy identifikované složky oproti nominálnímu stavu. Další možností využití může být identifikace změny frekvence lopatkové komponenty, která indikuje frekvenční přeladění jedné nebo více lopatek. To může poukázat na jejich možnou mechanickou změnu (poškození prasklina, odlomení části materiálu atp.).

Objasnění výkresů

Příkladné provedení navrhovaného řešení je popsáno s odkazem na výkresy, ve kterých je znázorněno na:

obr. 1 spektrum rotorových vibrací X;

obr. 2 kepstrum rotorových vibrací c a liftr v podobě Gaussovy funkce w;

obr. 3 liftrované kepstrum rotorových vibrací;

obr. 4 potlačení úrovně šumu signálu pomocí liftrace kepstra, kde amplitudové spektrum X je uvedené plnou čarou a liftrované spektrum XW přerušovanou čarou;

obr. 5 amplitudové spektrum z obr. 4 po odečtení spektrální obálky a nulová střední hodnota spektrálního šumu;

obr. 6 průměrované spektrum zpracované v krocích na obr. 4 a obr. 5;

obr. 7 prahování předzpracovaného signálu zpracovaného v krocích na obr. 4 až obr. 6, kde jsou identifikovány takové amplitudy průměrovaného spektra, které svojí hodnotou převyšují hodnotu předem zvoleného prahu T (amplitudové úrovně) - viz amplitudy označené čtverci C; a obr. 8 výstup shlukování komponent, kde křivka složená z hodnot μ reprezentuje střed každého ze shluků, je na obrázku plnou čarou, zatímco černé body X jsou jednotlivé komponenty (identifikované složky lopatkových vibrací).

- 3 CZ 310018 B6

Příklad uskutečnění vynálezu

V tomto příkladu je popsán způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny z rotorového chvění. Při tomto způsobu se změří rotorové vibrace turbíny pomocí nejméně jednoho snímače rotorových vibrací umístěného na nejméně jednom ložisku turbíny.

Získaný signál se předzpracuje tak, že se převede z časové do frekvenční oblasti. Převod se v tomto příkladu provede pomocí diskrétní Fourierovy transformace. Dále se provede potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu a potlačení variance širokospektrálního šumu signálu. Potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu se v tomto příkladu provede liftrací kepstra. Potlačení variance širokospektrálního šumu signálu se v tomto příkladu provede průměrováním liftrovaných spekter signálu.

Po tomto předzpracování signálu se provede identifikace složek lopatkových vibrací v předzpracovaném signálu. Tato identifikace složek zahrnuje proces prahování spektra předzpracovaného signálu a shlukování komponent z prahování.

Jako prahovací úroveň se použije medián hodnot analyzovaného liftrovaného spektra a jako amplituda identifikované frekvenční složky se použije hodnota původního neliftrovaného spektra signálu na identifikované lopatkové frekvenci.

V identifikovaných složkách lopatkových vibrací se následně sleduje velikost odchylky frekvence a/nebo amplitudy nejméně jedné identifikované složky od jejího nominálního stavu.

Claims (4)

1. Způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny, při kterém se změří rotorové vibrace turbíny pomocí nejméně jednoho snímače rotorových vibrací umístěného na nejméně jednom ložisku turbíny a získaný signál se předzpracuje tak, že se převede z časové do frekvenční oblasti, vyznačující se tím, že dále se provede potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu a potlačení variance širokospektrálního šumu signálu, po předzpracování signálu se provede identifikace složek lopatkových vibrací v předzpracovaném signálu, kde identifikace zahrnuje proces prahování spektra předzpracovaného signálu a shlukování komponent z prahování, přičemž jako prahovací úroveň se použije medián hodnot analyzovaného liftrovaného spektra a jako amplituda identifikované frekvenční složky se použije hodnota původního neliftrovaného spektra signálu na identifikované lopatkové frekvenci, a v identifikovaných složkách lopatkových vibrací se následně sleduje velikost odchylky frekvence a/nebo amplitudy nejméně jedné identifikované složky od jejího nominálního stavu.

2. Způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny podle nároku 1, vyznačující se tím, že potlačení úrovně širokospektrálního šumu signálu se provede liftrací kepstra signálu.

3. Způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že potlačení variance širokospektrálního šumu signálu se provede průměrováním liftrovaných spekter signálu.

4. Způsob automatického monitorování lopatkových vibrací turbíny podle kteréhokoliv z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že získaný signál se převede z časové do frekvenční oblasti pomocí diskrétní Fourierovy transformace.