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一种汽轮发电机组转子质量不平衡故障的定量诊断方法
【专利摘要】本发明属于旋转机械状态监测与故障诊断【技术领域】，尤其是涉及一种汽轮发电机组转子质量不平衡故障的定量诊断方法。首先，对机组轴系转速、振动等数据进行采集、分析和存储，计算得到故障发生前后相同运行工况下各轴承测量方向上的绝对振动位移工频分量的差值时间序列；其次，计算质量不平衡引起的等效载荷，确定故障的位置及不平衡量的下限；最后，采用优化的最小二乘支持向量机代理模型和基于模拟退火的粒子群算法，确定转子不平衡量的大小和相角。本发明可准确、快速的定量诊断出汽轮发电机组转子质量不平衡故障的位置和大小，为现场的转子动平衡提供依据，提高动平衡效率。
【专利说明】一种汽轮发电机组转子质量不平衡故障的定量诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明属于旋转机械状态监测与故障诊断【技术领域】，尤其是涉及一种汽轮发电机组转子质量不平衡故障的定量诊断方法。
【背景技术】
[0002]汽轮发电机组是电力生产的重要设备，它将高温、高压蒸汽所具有的内能转换为机组转子旋转的动能，从而带动发电机发出电能。一般地，大型机组工作转速达到3000r/min，轴系跨度为30?50m，具有尺度、重量和载荷巨大、工况复杂多变、价格昂贵的特点。由于机、电、网、热等多场的耦合作用，使得机组的运行情况十分复杂，导致机组轴系振动等各类故障时有发生，影响机组连续、稳定运行。因此，能否准确诊断出各类故障的发生、并采取有效的措施消除故障，对于保证机组安全、经济运行具有重要意义。
[0003]转子质量不平衡是机组较为常见的一种故障，不平衡可能来自转子制造阶段，也可以在机组投运后由于运行或检修原因产生。在现场常通过转子动平衡来降低振动，从而保证机组安全、可靠运行。由于事先并不知道质量不平衡故障的位置和大小，在进行现场动平衡时，大多需要通过多次启停机才能达到最终平衡效果。准确、快速的定量诊断出机组转子质量不平衡故障，识别出不平衡量的位置和大小，可以为动平衡提供依据，提高动平衡的效率。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于，针对目前汽轮发电机组转子动平衡效率不高的现状，提供一种汽轮发电机组转子质量不平衡故障的定量诊断方法，其特征在于，所述方法包括:
[0005]步骤1、数据采集，以键相信号作为采集的时间基准和高速采集卡的外部触发源，实时、同步采集机组转子的转速信号、各轴承处的相对轴振信号和绝对瓦振信号以及机组负荷、各汽缸的进汽和排汽温度；
[0006]步骤2、数据分析与存储，对各轴承处同一方向上的相对轴振信号和绝对瓦振信号矢量求和，得到转子绝对振动位移的时间序列，采用比值校正的快速傅里叶算法(FFT)计算绝对振动位移工频分量的幅值和相位，将其与转速、负荷、各汽缸的进汽和排汽温度一并存储；
[0007]步骤3、确定机组出现转子质量不平衡故障后，计算得到故障发生前后相同运行工况下各轴承测量方向上的绝对振动位移工频分量的差值时间序列；
[0008]步骤4、计算质量不平衡引起的等效载荷，确定故障的位置及不平衡量的下限；
[0009]步骤5、采用优化的最小二乘支持向量机(LS-SVM)代理模型和基于模拟退火的粒子群算法(SimuAPSO)，计算转子不平衡量的大小和相角。
[0010]所述步骤4包括:
[0011]步骤401、根据转子材料在几个不同温度下的拉伸弹性模量，采用最小二乘法拟合出拉伸弹性模量随温度变化的表达式；[0012]步骤402、根据各汽缸的进汽和排汽温度，并近似考虑发电机转子绕组的温升，确定机组转子的轴向温度分布，考虑弹性模量随温度的变化，建立起转子的有限元模型，计算得到转子前几个低阶振动固有频率和相应的振型；
[0013]步骤403、根据转子前几阶振型和各轴承测量方向处的绝对振动位移工频分量差值，采用模态扩展的方法得到转子有限元模型中所有自由度方向在故障前后的绝对振动位移工频分量的差值时间序列；
[0014]步骤404、计算故障在所有节点上引起的等效载荷时间序列，采用比值校正傅里叶算法分析得到各节点载荷时间序列的工频幅值，工频幅值最大的节点位置即为故障的轴向位置；
[0015]步骤405、由公式& =AFfViyH十算得到不平衡量的下限qL ;其中Δ^ 为故障点
等效载荷的工频幅值，ω为轴系转速。
[0016]所述步骤5包括:
[0017]步骤501、采用拉丁超立方抽样技术，在轴系有限元模型中的故障节点施加几组不同量值和相角的不平衡激励，得到各轴承测量方向上的振动位移响应，不平衡量的大小q和相角Ψ的取值区间分别为[qu 3qJ和[0，2 Ji ];
[0018]步骤502、以不平衡量的大小和相角为输入,相应的各轴承测量方向上的振动位移响应为输出，基于K折交叉验证(K-CV)和基于模拟退火的粒子群算法(SimuAPSO)优化的最小二乘支持向量机算法( LS-SVM)，构造有限元振动响应计算模型的代理模型；
[0019]步骤503、构造目标函数f(q，Ψ)，通过改变q、Ψ的值，采用模拟退火的粒子群算法找到使f(q，Ψ)尽量小的最优解，从而确定不平衡量的大小和相角。
[0020]所述步骤2中的数据分析与存储每秒进行一次，转子转速信号、机组负荷、各汽缸的进汽和排汽温度、各轴承处绝对振动的工频幅值和相位每秒各存储I个值，并且按照时、日、月、年进行分级循环存储。
[0021]所述步骤3中的故障发生前后相同运行工况指的是转子转速、机组负荷、各汽缸的进汽和排汽温度趋于相同。
[0022]所述步骤3中的某轴承测量方向上绝对振动位移工频分量差值Aulx(t)的计算公式为 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 为采样频
率，4\、<1和4^、(64分别为故障前后绝对振动位移工频分量的幅值和相位，ω为转速。
[0023]所述步骤4中的拉伸弹性模量E随温度变化的表达式为E=E0[a(T-T0)2+b (T-T0)+c];其中，Etl为常温下的转子钢材料的拉伸弹性模量，T为转子温度，T0为常温，a、b、c为需要采用最小二乘法拟合的参数。
[0024]所述步骤4中的故障在所有节点上引起的等效载荷时间序列AF(t)的计算公式为 ++其中，Ulx(t) > U[x(t),「χ(0 为故障前后有限元模型所有自由度方向上轴系绝对振动位移差值、速度差值和加速度差值时间序列矩阵，Μ、C、K为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。
[0025]所述步骤5中的的目标函数的表达式为/(仏;其中，
【权利要求】
1.一种汽轮发电机组转子质量不平衡故障的定量诊断方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤: 步骤1、数据采集，以键相信号作为采集的时间基准和高速采集卡的外部触发源，实时、同步采集机组转子的转速信号、各轴承处的相对轴振信号和绝对瓦振信号以及机组负荷、各汽缸的进汽和排汽温度； 步骤2、数据分析与存储，对各轴承处同一方向上的相对轴振信号和绝对瓦振信号矢量求和，得到转子绝对振动位移的时间序列，采用比值校正的快速傅里叶算法计算绝对振动位移工频分量的幅值和相位，将其与转速、负荷、各汽缸的进汽和排汽温度一并存储； 步骤3、确定机组出现转子质量不平衡故障后，计算得到故障发生前后相同运行工况下各轴承测量方向上的绝对振动位移工频分量的差值时间序列； 步骤4、计算质量不平衡引起的等效载荷，确定故障的位置及不平衡量的下限； 步骤5、采用优化的最小二乘支持向量机代理模型和基于模拟退火的粒子群算法，计算转子不平衡量的大小和相角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4包括: 步骤401、根据转子材料在几个不同温度下的拉伸弹性模量，采用最小二乘法拟合出拉伸弹性模量随温度变化的表达式； 步骤402、根据各汽 缸的进汽和排汽温度，并近似考虑发电机转子绕组的温升，确定机组转子的轴向温度分布，考虑弹性模量随温度的变化，建立起转子的有限元模型，计算得到转子前几个低阶振动固有频率和相应的振型； 步骤403、根据转子前几阶振型和各轴承测量方向处的绝对振动位移工频分量差值，采用模态扩展的方法得到转子有限元模型中所有自由度方向在故障前后的绝对振动位移工频分量的差值时间序列； 步骤404、计算故障在所有节点上引起的等效载荷时间序列，采用比值校正傅里叶算法分析得到各节点载荷时间序列的工频幅值，工频幅值最大的节点位置即为故障的轴向位置； 步骤405、由公式y = AF1Tx/?2计算得到不平衡量的下限％，其中为故障点等效载荷的工频幅值，ω为轴系转速。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5包括: 步骤501、采用拉丁超立方抽样技术，在轴系有限元模型中的故障节点施加几组不同量值和相角的不平衡激励，得到各轴承测量方向上的振动位移响应，不平衡量的大小q和相角Ψ的取值区间分别为[qu 3qJ和[0，2 Ji ]; 步骤502、以不平衡量的大小和相角为输入，相应的各轴承测量方向上的振动位移响应为输出，基于K折交叉验证和基于模拟退火的粒子群算法优化的最小二乘支持向量机算法，构造有限元振动响应计算模型的代理模型； 步骤503、构造目标函数f(q，Ψ)，通过改变q、Ψ的值，采用模拟退火的粒子群算法找到使f(q, Ψ)尽量小的最优解,从而确定不平衡量的大小和相角。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的数据分析与存储每秒进行一次，转子转速信号、机组负荷、各汽缸的进汽和排汽温度、各轴承处绝对振动的工频幅值和相位每秒各存储I个值，并且按照时、日、月、年进行分级循环存储。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的故障发生前后相同运行工况指的是转子转速、机组负荷、各汽缸的进汽和排汽温度趋于相同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的某轴承测量方向上绝对振动位移工频分量差值Δ ulx (t)的计算公式为
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中的拉伸弹性模量E随温度变化的表达式为E=Etl [a (T-T0) 2+b (T-T0) +c];其中，Etl为常温下的转子钢材料的拉伸弹性模量，T为转子温度，T0为常温，a、b、c为需要采用最小二乘法拟合的参数。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中的故障在所有节点上引起的等效载荷时间序列AF(t)的计算公式为
9.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述步骤5中的的目标函数的表达式
为
【文档编号】G01M1/16GK103913272SQ201410134402
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月3日 优先权日:2014年4月3日
【发明者】顾煜烔, 陈东超, 徐婧, 赵鹏程, 任朝旭, 洪瑞新, 张钟镭 申请人:华北电力大学