一種汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的定量診斷方法
【專利摘要】本發明屬于旋轉機械狀態監測與故障診斷【技術領域】，尤其是涉及一種汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的定量診斷方法。首先，對機組軸系轉速、振動等數據進行采集、分析和存儲，計算得到故障發生前后相同運行工況下各軸承測量方向上的絕對振動位移工頻分量的差值時間序列；其次，計算質量不平衡引起的等效載荷，確定故障的位置及不平衡量的下限；最后，采用優化的最小二乘支持向量機代理模型和基于模擬退火的粒子群算法，確定轉子不平衡量的大小和相角。本發明可準確、快速的定量診斷出汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的位置和大小，為現場的轉子動平衡提供依據，提高動平衡效率。
【專利說明】一種汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的定量診斷方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于旋轉機械狀態監測與故障診斷【技術領域】，尤其是涉及一種汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的定量診斷方法。
【背景技術】
[0002]汽輪發電機組是電力生產的重要設備，它將高溫、高壓蒸汽所具有的內能轉換為機組轉子旋轉的動能，從而帶動發電機發出電能。一般地，大型機組工作轉速達到3000r/min，軸系跨度為30?50m，具有尺度、重量和載荷巨大、工況復雜多變、價格昂貴的特點。由于機、電、網、熱等多場的耦合作用，使得機組的運行情況十分復雜，導致機組軸系振動等各類故障時有發生，影響機組連續、穩定運行。因此，能否準確診斷出各類故障的發生、并采取有效的措施消除故障，對于保證機組安全、經濟運行具有重要意義。
[0003]轉子質量不平衡是機組較為常見的一種故障，不平衡可能來自轉子制造階段，也可以在機組投運后由于運行或檢修原因產生。在現場常通過轉子動平衡來降低振動，從而保證機組安全、可靠運行。由于事先并不知道質量不平衡故障的位置和大小，在進行現場動平衡時，大多需要通過多次啟停機才能達到最終平衡效果。準確、快速的定量診斷出機組轉子質量不平衡故障，識別出不平衡量的位置和大小，可以為動平衡提供依據，提高動平衡的效率。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，針對目前汽輪發電機組轉子動平衡效率不高的現狀，提供一種汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的定量診斷方法，其特征在于，所述方法包括:
[0005]步驟1、數據采集，以鍵相信號作為采集的時間基準和高速采集卡的外部觸發源，實時、同步采集機組轉子的轉速信號、各軸承處的相對軸振信號和絕對瓦振信號以及機組負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度；
[0006]步驟2、數據分析與存儲，對各軸承處同一方向上的相對軸振信號和絕對瓦振信號矢量求和，得到轉子絕對振動位移的時間序列，采用比值校正的快速傅里葉算法(FFT)計算絕對振動位移工頻分量的幅值和相位，將其與轉速、負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度一并存儲；
[0007]步驟3、確定機組出現轉子質量不平衡故障后，計算得到故障發生前后相同運行工況下各軸承測量方向上的絕對振動位移工頻分量的差值時間序列；
[0008]步驟4、計算質量不平衡引起的等效載荷，確定故障的位置及不平衡量的下限；
[0009]步驟5、采用優化的最小二乘支持向量機(LS-SVM)代理模型和基于模擬退火的粒子群算法(SimuAPSO)，計算轉子不平衡量的大小和相角。
[0010]所述步驟4包括:
[0011]步驟401、根據轉子材料在幾個不同溫度下的拉伸彈性模量，采用最小二乘法擬合出拉伸彈性模量隨溫度變化的表達式；[0012]步驟402、根據各汽缸的進汽和排汽溫度，并近似考慮發電機轉子繞組的溫升，確定機組轉子的軸向溫度分布，考慮彈性模量隨溫度的變化，建立起轉子的有限元模型，計算得到轉子前幾個低階振動固有頻率和相應的振型；
[0013]步驟403、根據轉子前幾階振型和各軸承測量方向處的絕對振動位移工頻分量差值，采用模態擴展的方法得到轉子有限元模型中所有自由度方向在故障前后的絕對振動位移工頻分量的差值時間序列；
[0014]步驟404、計算故障在所有節點上引起的等效載荷時間序列，采用比值校正傅里葉算法分析得到各節點載荷時間序列的工頻幅值，工頻幅值最大的節點位置即為故障的軸向位置；
[0015]步驟405、由公式& =AFfViyH十算得到不平衡量的下限qL ;其中Δ^ 為故障點
等效載荷的工頻幅值，ω為軸系轉速。
[0016]所述步驟5包括:
[0017]步驟501、采用拉丁超立方抽樣技術，在軸系有限元模型中的故障節點施加幾組不同量值和相角的不平衡激勵，得到各軸承測量方向上的振動位移響應，不平衡量的大小q和相角Ψ的取值區間分別為[qu 3qJ和[0，2 Ji ];
[0018]步驟502、以不平衡量的大小和相角為輸入,相應的各軸承測量方向上的振動位移響應為輸出，基于K折交叉驗證(K-CV)和基于模擬退火的粒子群算法(SimuAPSO)優化的最小二乘支持向量機算法( LS-SVM)，構造有限元振動響應計算模型的代理模型；
[0019]步驟503、構造目標函數f(q，Ψ)，通過改變q、Ψ的值，采用模擬退火的粒子群算法找到使f(q，Ψ)盡量小的最優解，從而確定不平衡量的大小和相角。
[0020]所述步驟2中的數據分析與存儲每秒進行一次，轉子轉速信號、機組負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度、各軸承處絕對振動的工頻幅值和相位每秒各存儲I個值，并且按照時、日、月、年進行分級循環存儲。
[0021]所述步驟3中的故障發生前后相同運行工況指的是轉子轉速、機組負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度趨于相同。
[0022]所述步驟3中的某軸承測量方向上絕對振動位移工頻分量差值Aulx(t)的計算公式為 A"iA.(t) = A-x co>(cor + φ[χ ) - Α"χ cos(cot + φ"λ);其中，t=0, l/fs, 2/fs,..., I, fs 為采樣頻
率，4\、<1和4^、(64分別為故障前后絕對振動位移工頻分量的幅值和相位，ω為轉速。
[0023]所述步驟4中的拉伸彈性模量E隨溫度變化的表達式為E=E0[a(T-T0)2+b (T-T0)+c];其中，Etl為常溫下的轉子鋼材料的拉伸彈性模量，T為轉子溫度，T0為常溫，a、b、c為需要采用最小二乘法擬合的參數。
[0024]所述步驟4中的故障在所有節點上引起的等效載荷時間序列AF(t)的計算公式為 ++其中，Ulx(t) > U[x(t),「χ(0 為故障前后有限元模型所有自由度方向上軸系絕對振動位移差值、速度差值和加速度差值時間序列矩陣，Μ、C、K為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣。
[0025]所述步驟5中的的目標函數的表達式為/(仏;其中，
【權利要求】
1.一種汽輪發電機組轉子質量不平衡故障的定量診斷方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟: 步驟1、數據采集，以鍵相信號作為采集的時間基準和高速采集卡的外部觸發源，實時、同步采集機組轉子的轉速信號、各軸承處的相對軸振信號和絕對瓦振信號以及機組負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度； 步驟2、數據分析與存儲，對各軸承處同一方向上的相對軸振信號和絕對瓦振信號矢量求和，得到轉子絕對振動位移的時間序列，采用比值校正的快速傅里葉算法計算絕對振動位移工頻分量的幅值和相位，將其與轉速、負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度一并存儲； 步驟3、確定機組出現轉子質量不平衡故障后，計算得到故障發生前后相同運行工況下各軸承測量方向上的絕對振動位移工頻分量的差值時間序列； 步驟4、計算質量不平衡引起的等效載荷，確定故障的位置及不平衡量的下限； 步驟5、采用優化的最小二乘支持向量機代理模型和基于模擬退火的粒子群算法，計算轉子不平衡量的大小和相角。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟4包括: 步驟401、根據轉子材料在幾個不同溫度下的拉伸彈性模量，采用最小二乘法擬合出拉伸彈性模量隨溫度變化的表達式； 步驟402、根據各汽 缸的進汽和排汽溫度，并近似考慮發電機轉子繞組的溫升，確定機組轉子的軸向溫度分布，考慮彈性模量隨溫度的變化，建立起轉子的有限元模型，計算得到轉子前幾個低階振動固有頻率和相應的振型； 步驟403、根據轉子前幾階振型和各軸承測量方向處的絕對振動位移工頻分量差值，采用模態擴展的方法得到轉子有限元模型中所有自由度方向在故障前后的絕對振動位移工頻分量的差值時間序列； 步驟404、計算故障在所有節點上引起的等效載荷時間序列，采用比值校正傅里葉算法分析得到各節點載荷時間序列的工頻幅值，工頻幅值最大的節點位置即為故障的軸向位置； 步驟405、由公式y = AF1Tx/?2計算得到不平衡量的下限％，其中為故障點等效載荷的工頻幅值，ω為軸系轉速。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟5包括: 步驟501、采用拉丁超立方抽樣技術，在軸系有限元模型中的故障節點施加幾組不同量值和相角的不平衡激勵，得到各軸承測量方向上的振動位移響應，不平衡量的大小q和相角Ψ的取值區間分別為[qu 3qJ和[0，2 Ji ]; 步驟502、以不平衡量的大小和相角為輸入，相應的各軸承測量方向上的振動位移響應為輸出，基于K折交叉驗證和基于模擬退火的粒子群算法優化的最小二乘支持向量機算法，構造有限元振動響應計算模型的代理模型； 步驟503、構造目標函數f(q，Ψ)，通過改變q、Ψ的值，采用模擬退火的粒子群算法找到使f(q, Ψ)盡量小的最優解,從而確定不平衡量的大小和相角。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中的數據分析與存儲每秒進行一次，轉子轉速信號、機組負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度、各軸承處絕對振動的工頻幅值和相位每秒各存儲I個值，并且按照時、日、月、年進行分級循環存儲。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中的故障發生前后相同運行工況指的是轉子轉速、機組負荷、各汽缸的進汽和排汽溫度趨于相同。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中的某軸承測量方向上絕對振動位移工頻分量差值Δ ulx (t)的計算公式為
7.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟4中的拉伸彈性模量E隨溫度變化的表達式為E=Etl [a (T-T0) 2+b (T-T0) +c];其中，Etl為常溫下的轉子鋼材料的拉伸彈性模量，T為轉子溫度，T0為常溫，a、b、c為需要采用最小二乘法擬合的參數。
8.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步驟4中的故障在所有節點上引起的等效載荷時間序列AF(t)的計算公式為
9.根據權利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步驟5中的的目標函數的表達式
為
【文檔編號】G01M1/16GK103913272SQ201410134402
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月3日 優先權日:2014年4月3日
【發明者】顧煜烔, 陳東超, 徐婧, 趙鵬程, 任朝旭, 洪瑞新, 張鐘鐳 申請人:華北電力大學
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