专利名称：燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统及其使用方法
技术领域：
本发明涉及状态监测和故障诊断系统及其使用方法，特别是关于海洋平台所用的燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统及其使用方法。
背景技术：
燃气透平发电机组是燃气轮机带动电机的发电机组，燃气轮机以其功率大、体积小、效率高、排放气体污染小等优势在航空、航海、发电等领域得到了越来越多的应用，但是，恶劣的工作条件和复杂结构使燃气轮机成为整个发电系统中故障的敏感多发部位，因此，对燃气轮机进行状态监测和故障诊断就显得尤为必要。振动参数常用作燃气轮机报警和紧急停车的指标之一，它包含了燃气轮机大量的运行信息，通过对振动信号的频域变换和分析，可以得到机壳、转子或其它零部件的振幅、频率和相位信息，通过进一步分析处理·与识别，可以了解到燃气轮机的振动机理、故障部位和故障原因。现有的状态监测控制系统一般是针对燃气轮机，而不是针对整个燃气透平发电机组，而且进行故障诊断时一般仅是根据状态性能信号或振动信号，而没有充分利用振动信号并将状态性能信号和振动信号进行融合，导致诊断精度和诊断效率不高。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够充分利用振动信号并将状态性能信号和振动信号进行融合的，诊断精度和诊断效率高的燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统及其使用方法。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统，它包括机组自身配备的控制系统，所述控制系统内设置有振动监测�？楹屯缒？椋稣穸嗖饽？樵ち粲惺涑龌檎穸藕诺耐岬缋驴冢鐾缒？樵ち粲惺涑龌樽刺阅苄藕诺耐冢涮卣髟谟谒拱ㄐ藕挪杉？楹桶沧坝蠰abVIEW平台的计算机；所述网络�？橥ü呓鲎刺阅苄藕糯涓黾扑慊凰鲂藕挪杉？樯柚糜行藕挪杉缏泛托藕糯淼缏罚鲂藕挪杉缏吠ü岬缋虏杉稣穸嗖饽？槭涑龅恼穸藕牛鲂藕糯淼缏纷晃中藕牛⒋涓黾扑慊凰鯨abVIEW平台安装在所述计算机内，通过所述LabVIEW平台对所述信号采集电路的采集通道进行设置后，进行所述振动信号和所述状态性能信号的采集；所述LabVIEW平台包括实时分析�？�、离线分析�？楹凸收险锒夏？椋凰鍪凳狈治瞿？槎运鲎刺阅苄藕藕退稣穸藕沤性谙呒嗖夂驮谙叻治觯隼胂叻治瞿？槎约锹嫉乃鲎刺阅苄藕藕驼穸藕沤欣胂叻治觯龉收险锒夏？槎匀计钙椒⒌缁榻泄收险锒�。所述实时分析模块设置有信号采集设置�？楹妥刺嗖饽？椋凰鲂藕挪杉柚媚？榘ㄓ卸运稣穸嗖饽？榈牟杉ǖ澜猩柚玫牟杉ǖ赖ピ圆裳德式猩柚玫牟裳德实ピ投匀计只幼俨问猩柚玫淖俨问ピ凰鲎刺嗖饽？槭凳奔嗖馑稣穸藕藕退鲎刺阅苄藕牛凰鍪凳狈治瞿？榛股柚糜卸运稣穸藕沤惺奔洳ㄐ畏治龅氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析的频谱分析�？�、阶次分析的阶次谱图模块、趋势分析的趋势分析�？椤⒉ǖ峦挤治龅牟ǖ峦寄？�、轴心轨迹分析的轴心轨迹模块和瀑布图分析的瀑布图�？椋凰隼胂叻治瞿？樯柚糜卸运锹嫉恼穸藕沤惺奔洳ㄐ畏治龅氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析的频谱分析�？�、阶次分析的阶次谱图�？�、趋势分析的趋势分析�？�、波德图分析的波德图�？�、轴心轨迹分析的轴心轨迹�？楹推俨纪挤治龅钠俨纪寄？椋凰龉收险锒夏？榘ü收咸卣魇侗鹧≡竦ピ⒄锒辖峁约按矸椒ǖピ凰龉收咸卣魇侗鹧≡竦ピ腔袢∷鲎刺嗖饽？樘峁┑淖刺阅苄藕藕驼穸藕牛约八鲎刺嗖饽？榛蛩隼胂叻治瞿？橹械氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析�？�、阶次谱图�？�、趋势分析�？�、波德图�？�、轴心轨迹�？楹推俨纪寄？槎哉穸藕沤蟹治龅墓收咸卣鳎凰龉收咸卣魇侗鹧≡竦ピ袢〉墓收咸卣靼ㄕ穸鞯计德�、常伴频率、振动稳定性、相位特征、振动方向、转子轨迹、振动随转速变化、振动随油温变化、振动随出口压力变化；所述振动主导频率和常伴频率包括的参数有<0. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5)N、>5N，N代表燃气轮机转子的转速；所述振动稳定性和相位特征包括的参数稳定、不稳定、无、不明显；所述振动方向包括参数径向、径向和轴向、轴向、无；所述转子轨迹包 括的参数圆或椭圆、椭圆、紊乱无规律、双环椭圆、“8”字型、杂乱且发散；所述振动随转速变化、振动随油温变化、振动随出口压力变化包括的参数不明显、不变、突变、无；所述诊断结果以及处理方法单元是根据特征参数获取单元提供的特征参数与故障诊断库进行比较，进而对故障进行诊断，得出故障概率、可能故障原因、与类似振动故障判别方法和防治方法。所述状态监测�？樯柚糜屑嗖飧琶材？�、温度模块、振动�？楹托阅懿问？椋凰黾嗖飧琶材？椋ㄓ形露鹊ピ�、发电机单元、压力单元、转速单元和燃料流量单元；所述温度单元显示的温度包括压缩机入口温度、压缩机出口温度、燃烧室平均温度、透平机出口温度、压缩机前端轴承油温、压缩机后端轴承油温、透平机前端轴承油温和发电机推力轴承油温；所述发电机单元显示的量包括发电机的A相、B相、C相电流和平均电流，A相、B相、C相电压和平均电压以及功率；所述压力单元显示的压力包括压缩机入口压力、压缩机出口压力、燃料压力、燃烧室出口压力和透平机出口压力；所述转速单元设置有对燃气轮机转速和发电机转子转速的显示；所述功率单元设置有对发电机功率的显示；所述转速单元对燃气轮机转子的转速和发电机转子的转速进行显示；所述燃料流量单元对燃料流量进行显示；所述振动�？榧嗖庹穸嗖饽？镮输出的振动信号，显示的振动信号包括压缩机前端轴承、压缩机后端轴承、透平机前端轴承、发电机驱动端轴承和发电机非驱动端轴承的X、Y方向的振动位移，以及显示齿轮箱外壳和齿轮箱轴承的振动位移；所述温度�？椋嗖馑鐾缒？槭涑龅奈露龋ǘ酝钙交隹谖露龋忌帐襂号 12号火焰筒的温度，燃烧室的平均温度，冷却系统温度，压缩机入口、内部、出口和平均温度，发电机轴承温度，润滑系统前端和箱体的温度，环境温差，发电机的A、B、C段温度，发电机推力轴承温度、驱动端温度、非驱动端温度的显示；所述性能参数�？椋嗖馑鐾缒？槭涑龅淖刺阅苄藕牛ǘ匝顾趸肟诘难沽�、温度和空气相对湿度，压缩机出口的压力和温度，废气出口的压力和温度，发电机的转速和功率，环境空气的温度、大气压力和相对湿度，燃料的流量和成分的显
/Jn ο所述的燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统的使用方法，其特征在于1)连接振动监测�？�、网络�？�、信号采集�？楹图扑慊舳疞abVIEW平台；2)打开实时分析�？榈男藕挪杉柚媚？椋诓杉ǖ郎柚玫ピ哉穸藕诺牟饬坷嘈�、物理通道、通道名称、单位、灵敏度、灵敏度单位进行设置，在采样设置单元对采样频率、每通道采样点数和测试名称进行设置，在转速参数设置单元对转速的阈值、脉冲识别、每转脉冲数进行设置；
3)在状态监测模块的监测概貌�？榛蛭露饶？橹校范ㄍ钙交隹谖露仁欠癯湎嘤Φ你兄担蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�4);否则，流程进入步骤5) ;4)确定可能存在的故障有冷却空气通道阻塞、温度调节阀故障、热电偶故障 、透平叶片变形、透平叶片结垢不均、透平密封磨损、过渡段密封片磨损，流程结束；5)在状态监测�？榈募嗖飧琶材？橹校范ㄑ顾趸肟谘沽κ欠癯湎嘤Φ你兄担蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�6);否则，流程进入步骤7) ;6)确定可能存在的故障有压缩机入口通道污染、压缩机入口密封故障、压缩机入口可变导叶故障，流程结束；7)在状态监测�？榈募嗖飧琶材？橹腥范ǚ⒌缁β驶蛉剂涎沽κ欠癯湎嘤Φ你兄担蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�8);否则，流程进入步骤9) ；8)确定可能存在的故障有燃料喷嘴阻塞、燃油流量分配器卡涩、燃油泵电磁离合器故障、燃油滤网阻塞、燃机控制系统故障、燃油母管压力泄露，流程结束；若判断结果为肯定，流程进入步骤8);否则，流程进入步骤9) ;9)在状态监测模块确定燃气轮机的转子转速是否超过其相应的阈值；若判断结果为肯定，流程进入步骤10);否则，流程进入步骤11)；
10)确定可能存在的故障有调速控制系统故障、燃机截止安全阀故障、燃油截止阀故障、燃油分配器异常，流程结束；11)在状态监测�？榈募嗖飧琶材？橹腥范ㄈ忌帐椅露仁欠癯湎嘤Φ你兄担蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�12);否则，流程进入步骤13);12)确定可能存在的故障有火焰筒故障、过渡段破损、燃料喷嘴故障、单向阀故障、冷却系统故障，流程结束；13)在趋势分析�？橹卸愿髡穸藕沤星魇品治觯范ǜ髡穸藕攀欠癯湎嘤Φ你兄担⒓锹汲溷兄档恼穸藕牛蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�14);否则，流程回到步骤3) ；14)在振动�？橹信卸先计只幼偈欠窈愣ǎ蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�15);否则，流程进入步骤16);15)在频谱分析�？橹卸猿兄邓降恼穸藕沤衅灯追治觯范ㄕ穸鞯计德屎统０槠德剩�16)在阶次分析�？槎猿兄邓降恼穸藕沤薪状畏治觯范ㄕ穸鞯计德屎统０槠德剩�17)根据步骤15)和步骤16)将振动主导频率划分在〈O. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，这七个频段之一上；18)根据步骤15)和步骤16)将常伴频率划分在〈O. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99)N、1N、2N、(3 5)N、>5N，这七个频段上；19)在时间波形�？榛蚯魇品治瞿？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治銎湔穸榷ㄐ裕穸榷ㄐ怨槔辔榷�、不稳定、无、不明显这四类当中的一种；20)在波德图�？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治銎湎辔惶卣鳎辔惶卣鞴槔辔榷�、不稳定、无、不明显这四类当中的一种；21)在轴心轨迹�？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治鲎庸旒＃庸旒９槔辔不蛲衷�、椭圆、紊乱无规律、双环椭圆、“8字型”、杂乱且发散这六类当中的一种；22)在轴心轨迹模块对超过阈值水平的振动信号分析其振动方向，将振动方向归结为径向、径或轴向、轴向、无这四类当中的一种；23 )在瀑布图�？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治稣穸孀俦浠涔槔辔幻飨�、不变、突变、无这四类当中的一种；24)在时间波形模块或趋势分析�？楹妥刺嗖饽？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治稣穸嬗臀卤浠涔槔辔幻飨浴⒉槐�、突变和无这四类当中的一种；25)在时间波形�？榛蚯魇品治瞿？楹妥刺嗖饽？槎猿兄邓降恼穸藕欧治稣穸娉隹谘沽Ρ浠涔槔辔幻飨浴⒉槐�、突变、无这四类当中的一种；26)在故障诊断模块的故障特征识别选择单元分别选择故障特征的相应参数；在所述诊断结果以及处理方法单元进行故障诊断，得出故障概率、可能故障原因、与类似振动故障判别方法和防治方法；27)流程结束。本发明由于采取以下技术方案，其具有以下优点1、本发明由于是在NILabVIEW实验室虚拟仪器工程平台，通过设置的实时分析�？槎匀计钙椒⒌缁榈恼穸藕藕妥刺阅苄藕沤性谙呒嗖猓虼耍痉⒚骺梢允迪质凳狈治龊屠胂叻治觯哂谐杀镜汀⒓啥雀�、维护方便优点。2、本发明由于在实时分析�？楹屠胂叻治瞿？榫柚昧苏穸藕沤惺奔洳ㄐ畏治龅氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析的频谱分析�？�、阶次分析的阶次谱图�？�、趋势分析的趋势分析�？椤⒉ǖ峦挤治龅牟ǖ峦寄？椤⒅嵝墓旒７治龅闹嵝墓旒Ｄ？楹推俨纪挤治龅钠俨纪寄？椋虼耍痉⒚骺梢酝ü哉穸藕沤薪衔娴姆治觯玫浇衔既返墓收险锒辖峁�。3、本发明由于在状态监测�？槭迪至硕匝顾趸肟�、燃烧室和火焰筒、透平排烟口等关键部位的状态性能参数的实时监测，并可以在故障诊断�？榻� 故障诊断，进行多项故障特征对比核对，因此，本发明可以快速地明确故障位置和解读故障，提供可靠的解决方案。4、本发明由于设置了离线分析�？椋梢杂糜诘笔凳狈治鍪芟奘被蛘哂糜诙允莸闹匦路治觯腋媚？榫哂杏胧凳狈治瞿？槎哉穸藕畔嗤拇砉δ埽虼吮痉⒚骶哂薪锨慷员确治黾白芙岱治龉δ�。5、本发明由于在故障诊断�？樯柚昧烁萦泄厝蓟墓收险锒涎芯拷斜嘀乒收险锒现犊猓恍枰淙胂喙匦畔⒕涂梢越泄收险锒希腋媚？樯柚玫墓收咸卣魇侗鹧≡�、诊断结果以及处理方法两个单元，可以综合考虑振动信号和状态性能信号，通过简单的故障特征输入，就可以根据故障诊断库系统化进行诊断，得出诊断结果以及处理方法，因此本发明具有操作简单、诊断精度和效率高的优点。本发明可以广泛的应用于各透平发电机组的状态监测和故障诊断。
图I是本发明的一种结构示意2是本发明的另外一种结构示意3是本发明的LabVIEW平台的结构示意4是本发明的信号采集设置�？榈氖疽�5是本发明的监测概貌�？榈氖疽�6是本发明的振动�？榈氖疽�7是本发明的温度�？榈氖疽�8是本发明的性能参数�？榈氖疽�9是本发明的短时间趋势分析�？榛虺な奔淝魇品治瞿？榈氖疽�10是本发明的时间波形�？榈氖疽�11是本发明的频谱分析�？榈氖疽�12是本发明的阶次谱图�？榈氖疽�13是本发明的波德图�？榈氖疽�14是本发明的轴心轨迹�？榈氖疽�15是本发明的瀑布图�？榈氖疽馔�
图16是本发明的振动故障分类17是本发明的故障诊断�？榈氖疽馔�
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本发明状态监测和故障诊断系统针对的设备是美国SOLAR公司生产的SolarTitanl30单轴燃气轮机和AB公司生产的电机组成的燃气透平发电机组。该机组配备有Turbotronic 4控制系统，该控制系统的结构基于罗克韦尔自动化公司的硬件和软件平台。如图I所示，原有Turbotixmic 4控制系统中设置有现场监控器振动监测模块I和网络�？�2 ;振动监测�？�1，预留有输出振动信号的BNC (同轴电缆)口 ；网络�？�2，预留有输出状态性能信号的网口。本发明设置了信号采集�？�3、安装有LabVIEW平台5的计算机4、和为振动监测�？镮、网络�？�2、信号采集�？�3和计算机4进行供电的电源�？椤�(图中未示出)，其中振动监测�？镮用于输出机组的振动信号，其包括压缩机前端轴承的X、Y方向振动信号，压缩机后端轴承的X、Y方向振动信号，透平机前端轴承的X、Y方向振动信号，发电机驱动端轴承X、Y方向振动信号，发电机非驱动端轴承X、Y方向振动信号，齿轮箱外壳的振动信号，发电机转子的转速信号，燃气轮机的转子转速信号和齿轮箱轴承的振动信号。网络�？�2用于输出机组的状态性能信号，包括温度、电压、电流、压力、功率和燃料流量等。信号采集模块3设置有信号采集电路31和信号处理电路32，信号采集电路31通过BNC信号线采集振动监测�？镮输出的振动信号，经过信号处理电路32将模拟的振动信号转换为数字的振动信号后，通过网线或者USB线传输给计算机4，LabVIEW平台5安装在计算机4中，LabVIEW平台5的可视化操作界面显示在计算机4的显示器上，通过LabVIEW平台5对信号采集�？�3的采集通道进行设置后，即可开始进行状态性能信号和振动信号的采集。如图2所示，本发明的信号采集�？�3可以采用四块四通道NI-9234电压信号采集卡33和NI-CDAQ9174四插槽机箱34来实现。连接时，首先将信号采集卡33插入四插槽机箱34内，将信号采集卡33的输入端通过BNC信号线与振动监测�？镮相连，将信号采集卡33的输出端通过网线或者USB线与计算机4连接，并将四插槽机箱34连接电源线，将计算机4通过网线与网络�？�2相连。在连接中，可以把USB线或网线，以及电源线在四插槽机箱34自带的磁铁砸中绕几圈，以起到抗干扰作用。另外信号采集�？�3还可以在现有技术中进行选择，或由普通技术人员采用常规方法进行设计。计算机4可以是个人计算机、工控机或者服务器等计算设备，最佳选择为工控机。如图3所示，本发明的LabVIEW平台5上设置有实时分析模块6、离线分析模块7和故障诊断�？�8，其中实时分析�？�6包括信号采集设置�？�61、状态监测�？�62、趋势分析模块63、时间波形�？�64、频谱分析�？�65、阶次谱图�？�66、波德图�？�67、轴心轨迹�？�68和瀑布图�？�69，以及实时监测燃气轮机转子转速的转速单元70、实时监测原始波形数据文件存储盘的内存大小的磁盘剩余空间单元71和显示系统是否在进行数据采集任务的实时分析开启指示单元72 (又如图4等图所示)。如图4所示，信号采集设置�？�61包括采集通道设置单元611、采样设置单元612和转速通道设置单元613。采集通道设置单元611可以实现对测量类型、物理通道、通道名称、单位、灵敏度和灵敏度单位等的设置；其中关于测量类型的设置，一般默认情况下为关闭项；通过对物理通道的设置可以实现软件通道与硬件通道的关联。采样设置单元612包括采样频率、每通道采样点数和测试名称的设置。转速通道设置单元613包括燃气轮机转子转速的阀值、脉冲识别和每转脉冲数的设置。状态监测�？�62可以对振动监测�？镮输出的振动信号和网络�？�2输出的性能状态信号进行实时监测。如图3所示，状态监测�？�62包括监测概貌模块621、振动�？�622、温度�？�623和性能参数�？�624。其中如图5所示，监测概貌�？�621用于对重要的温度、压力、转速、电流、电压、功率和燃料流量等信息进行监测，其包括温度单元6211、发电机单元6212、压力单元6213、转速单元6214和燃料流量单元6215。其中温度单元6211可以显示的温度包括压缩机入口温度、压缩机出口温度、燃烧室平均温度、透平机出口温度、压缩机前端轴承油温、压缩机后端轴 承油温、透平机前端轴承油温和发电机推力轴承油温。发电机单元6212可以显示的量包括发电机的A相、B相、C相电流和平均电流，A相、B相、C相电压和平均电压以及功率。压力单元6213可以显示的量包括压缩机入口压力、压缩机出口压力、燃料压力、燃烧室出口压力和透平机出口压力。转速单元6214可以对燃气轮机转子的转速和发电机转子的转速进行显示。燃料流量单元6215可以对燃料流量进行显示。如图6所示，振动模块622可以监测振动监测�？镮输出的振动信号，显示的振动信号包括压缩机前端轴承、压缩机后端轴承、透平机前端轴承、发电机驱动端轴承和发电机非驱动端轴承的X、Y方向的振动位移，以及显示齿轮箱外壳和齿轮箱轴承的振动位移。如图7所示，温度�？�623可以全面监测网络�？�2输出的温度，包括透平机出口温度，燃烧室I号 12号火焰筒的温度，燃烧室的平均温度，冷却系统温度，压缩机入口、内部、出口和平均温度，发电机轴承温度，润滑系统前端和箱体的温度，环境温差，发电机的A、B、C段温度，发电机推力轴承温度、驱动端温度和非驱动端温度。如图8所示，性能参数�？�624可以监测网络�？�2输出的状态性能信号，包括对压缩机入口的压力、温度和空气相对湿度，压缩机出口的压力和温度，废气出口的压力和温度，发电机的转速和功率，环境空气的温度、大气压力和相对湿度，燃料的流量和成分的显
/Jn ο趋势分析�？�63包括短时间趋势分析�？�631和长时间趋势分析�？�632 (如图3所示)。趋势分析模块63可以显示采集时间段内，除发电机转子的转速信号以外的振动信号的峰值与时间的关系。短时间趋势分析�？�631用于每次采集数据的时间比较短；长时间趋势分析�？�632用于采集数据时间可能是不间断的以小时为单位的。如图9所示，短时间趋势分析�？�631和长时间趋势分析�？�632都设置有趋势分析单元633和波形名称与颜色显示单元634 ;趋势分析单元633，用于实现对振动监测�？镮输出的振动信号的趋势分析；波形名称与颜色单元634，除了可以显示振动信号波形的通道名称与其对应的颜色，而且可以对波形显示的颜色进行设置。如图10所示，时间波形�？�64可以对振动信号的时间波形进行分析，一般锁定“毛刺”、“削波”、“正弦波”等异常时间波形，作为故障诊断的故障特征征兆。其包括通道选择单元641、单一通道时间波形单元642、波形名称与颜色显示单元643和所有通道时间波形单元644。通道选择单元641用于实现对振动监测�？镮输出振动信号的通道选择。单一通道时间波形单元642通过在通道选择单元641上的对通道进行选择，可以显示用户需要观察的单一振动信号的时间波形。所有通道时间波形单元644用于显示振动监测模块I输出的所有的振动信号的时间波形。如图11所示，频谱分析�？�65包括通道选择单元651、积分设置单元652、游标设置单元653、单一通道频谱显示单元654。积分设置单元652对加速度信号进行积分得到速度和位移信号；游标设置单元653可以对游标进行设置；单一通道频谱显示单元654通过在通道选择单元651对通道进行选择，可以对所选的单一通道的振动信号进行FFT分析。如图12所示，阶次谱图�？�66可以观察一段振动信号的所有阶次成分，找出其最重要的阶次成分，并且通过对比不同阶次成分，进行初步故障诊断。阶次谱图�？�66包括开启指示单元661、通道选择单元662、主导频率单元663和重要频率单元664、游标设置单元665和阶次谱图分析单元666。开启指示单元661用于显示当前模块是否运行；主导频率单元663用于显示振动信号中能量最大的阶次，即故障最可能引起的故障频率成分；重 要频率单元664用于显示振动信号中能量相对较大的阶次，即一般故障可能引起的相关故障频率成分；阶次谱图分析单元666，通过在通道选择单元662对通道进行选择，可以对所选通道的振动信号进行阶次分析。如图13所示，波德图�？�67可以对一个振动信号进行波德图分析，波德图�？�67包括开启指示单元671、通道选择单元672、X轴选择单元673、启停设置单元674和游标设置单元675、幅值-转速图单元676、相位-转速图单元677和转速-时间图单元678。X轴选择单元672可以对幅值-转速图单元676和相位-转速图单元677中的X轴进行调整。在启停设置单元674中可以指定输入信号的起始位置。幅值-转速图单元676显示了幅值随转速的变化；相位-转速图单元677显示了相位随转速的变化；转速-时间图单元678显示了转速随时间的变化。如图14所示，轴心轨迹�？�68可以对振动信号的轴心轨迹进行分析，一般锁定为“椭圆”、“双环椭圆”、“8字型”、“紊乱且发散”的异常轴心轨迹，作为故障诊断的故障特征征兆。轴心轨迹�？�68包括开启指示单元681、过滤阶次选择单元682和轴心轨迹分析单元683。在过滤阶次选择单元682中，可以指定过滤轴心轨迹的阶次，同时设置任意两个阶次成分的轴心轨迹显示。轴心轨迹分析单元683，通过转轴上某个截面上X、Y两个垂直方向振动位移信号与转速脉冲信号，可以显示整体轴心轨�：腿我饨状纬煞种嵝墓旒＃收险锒咸峁┮欢ǖ囊谰�。如图15所示,瀑布图模块69设置有开启指示单元691、通道选择单元692、频谱设置单元693、平面类型单元694、时间轴设置单元695、幅值设置单元696和显示振动信号的瀑布图分析单元697。其中频谱设置单元693可以对信号频谱计算的相关参数进行设置。平面类型单元694可以控制X与Z轴的坐标选择。时间轴设置单元695可以对时间轴的起始值、终点值和时间间隔进行设置。幅值设置单元696可以对瀑布图中Y坐标的形式进行设置。在通道选择单元692、频谱设置单元693、平面类型单元694、时间轴设置单元695和幅值设置单元696进行相关设置后，可以在瀑布图分析单元697对所选的单一通道的振动信号显示其幅值-频率-时间关系图。如图3所示，离线分析�？�7，用于对记录的振动信号的离线分析，包括与实时分析�？�6功能相同的趋势分析�？�63、时间波形�？�64、频谱分析�？�65、阶次谱图模块66、波德图模块67、轴心轨迹�？�68和瀑布图模块69，另外还包括离线数据文件路径单元73、每次读取数据量单元74、播放速度单元75和读完指示单元76。离线数据文件路径单元73可以查找需要分析的原始数据文件，文件名的后缀为.tdms。每次读取数据量单元74 :默认值为2048，若与实时分析模块中的通道采样数一致，则该后处理过程可以与实时振动分析时完全一致。播放速度单元75 :以毫秒计，设置数值越大播放速度越慢，一般可以取500或者1000。读完指示单元76 :用于显示原始数据文件是否读完，当读完时灯亮。离线分析�？�7运行时，包括以下步骤I)在离线数据文件路径单元73中查找读取需要分析的数据文件，并进行加载；2)在每次读取数据量单元74中设置每次读取数据量；3)在播放速度单元75中调节播放速度； 4)根据需要在离线分析�？�7中的相应的�？橹薪邢喙氐姆治�。故障诊断模块8中设置有根据有关燃机的故障诊断研究编制的故障诊断知识库，故障诊断知识库包括基于状态性能信号的故障诊断知识库和基于振动信号的故障诊断知识库。其中状态性能信号故障诊断知识库(如表I所示)是基于状态性能信号进行故障诊断的方法，主要是通过状态性能信号是否在规定的阈值水平内对机组的运行状态进行故障与否的初判断，然后通过模式识别技术进行故障诊断。表I状态性能信号的故障诊断知识库状态监测的故障特征故障/故障原因
1、冷却空气通道阻塞
2、温度调节阀故障
3、热电偶故障
透平机温度过高4、透平机叶片变形
5、透平机叶片结垢不均
6、透平机密封磨损 __7、过渡段密封片磨损_
I、压缩机入U通道污染 压缩机入口压力过高 2、压缩机入U密封故障 __3、压缩机入口可变导叶故障
1、燃料喷嘴阻塞
2、燃油流量分配器卡涩 发电机功率过高或燃料压力过大 3、燃油泵电磁离合器故障
(由燃料系统故障引起)4、燃油滤网阻塞
5、燃机控制系统故障 _ 6、燃油母管压力泄露_
1、调速控制系统故障
2、然及截止安全闽故障 燃飞轮机的转子超速。_ , mi,
3、燃油截止_故障
__4、燃油分配器兄常_
1、火焰筒故障
2、过渡段破损 燃烧室温度过高3、燃料喷嘴故障
4、单向阀故障
__5、冷却系统故障_振动信号故障诊断知识库是基于美国透平机械故障诊断专家John Sohre归纳出的九类三十七种的涡轮机械故障，我国旋转设备诊断专家高金吉院士归纳出的十类五十八种的润轮机械故障，和Meherwan P. Boyce的燃气轮机工程手册中对燃气轮机的故障总结，然后依据故障征兆相似度(故障振动频谱信息)，将相似度一致的故障归为一类，归纳出燃气轮机组常见振动故障类型为十一类(如图16所示)。如图17所示，故障诊断�？�8还设置有故障特征识别选择单元81和诊断结果以及处理方法单元82 ;其中，故障特征识别选择单元81可以获取状态监测�？�62、趋势分析�？�63、时间波形�？�64、频谱分析�？�65、阶次谱图�？�66、波德图�？�67、轴心轨迹�？�68和瀑布图�？�69对振动信号进行分析的故障特征；该故障特征包括振动主导频率、常伴频率、振动稳定性、相位特征、振动方向、转子轨迹、振动随转速变化、振动随油温变化、振动随出口压力变化，其中振动主导频率和常伴频率包括的参数有〈0. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，其中N为燃气轮机转子的转速；振动稳定性和相位特征包括的参数有稳定、不稳定、无、不明显；振动方向包括的参数有径向、径向和轴向、轴向、无；转子轨迹包括的参数有圆或椭圆、椭圆、紊乱无规律、双环椭圆、"8"字型、杂乱且发散；振动随转速变化、振动随油温变化、振动随出口压力变化包括的参数有不明显、不变、突变、无；诊断结果以及处理方法单元82是根据故障特征识别选择单元81提供的特征参数与故障诊断知识库进行比较，得出故障概率、可能故障原因、与类似振动故障判别方法和防治方法。基于振动信号进行故障诊断的方法包括以下步骤I)确定故障的振动信号对机组的振动信号进行趋势分析，确定各振动信号是否超过其相应的阈值水平；·2)频谱分析对超过阈值水平的振动信号进行频谱分析，得到振动信号的频域结构信息，即振动信号在〈O. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，这七个频段的幅值，将频谱信息作为机组的故障征兆集；3)依据故障征兆相似度(故障振动频谱信息)，将相似度一致的故障归为一类，归纳出机组常见振动故障类型为十一类(如图16所示)，分别为初始不平衡或转子弯曲，不对中或管道力，燃气轮机压缩机喘振，轴径和轴承偏心，轴承在水平和垂直方向刚度不等，谐波共振或临界转速，联轴节不精确或损坏，库伦或者干摩擦涡动(转子轴承系统)，共振涡动，气动耦连涡动和叶片共振频率；4)隶属度计算根据机组的振动故障类型，运用升半哥西分布函数，计算所获得振动信号七个频段的隶属度，并进行归一化处理；升半哥西分布函数的公式如下
0,0<χ<αμ{χ) = ^ k(x-ay
--■-~-,a < X < oo
I +k(x-a)"式中，参数k和a是由故障诊断系统制定的阀值XO决定；一般a=X0/10，并且取μ (XO)=O. 5进行计算得到k的值。注意，振动信号的各个谐波要采用的不一样的隶属度函数，一倍频取μ (XO) ;二分之一倍频取[μ (XO)] 1/4 ;其他各倍频振动取[μ (XO)] 1/2。5)�：叵稻卣笥善吒銎刀握穸档牧ナ舳裙乖煺穸收系哪：叵稻卣驲，并做归一化处理，见表2 6)�：劾喾治鲅∮迷窠蚧蚰：酆掀琅性颍玫降墓收险髡子氩街�5)中的模糊关系矩阵R进行对比分析，查找机组故障原因得到诊断结论。表2振动故障的�：叵稻卣驲
权利要求
1.燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统，它包括机组自身配备的控制系统，所述控制系统内设置有振动监测�？楹屯缒？椋稣穸嗖饽？樵ち粲惺涑龌檎穸藕诺耐岬缋驴冢鐾缒？樵ち粲惺涑龌樽刺阅苄藕诺耐冢涮卣髟谟谒拱ㄐ藕挪杉？楹桶沧坝蠰abVIEW平台的计算机； 所述网络�？橥ü呓鲎刺阅苄藕糯涓黾扑慊凰鲂藕挪杉？樯柚糜行藕挪杉缏泛托藕糯淼缏罚鲂藕挪杉缏吠ü岬缋虏杉稣穸嗖饽？槭涑龅恼穸藕牛鲂藕糯淼缏纷晃中藕牛⒋涓黾扑慊� 所述LabVIEW平台安装在所述计算机内，通过所述LabVIEW平台对所述信号采集电路的采集通道进行设置后，进行所述振动信号和所述状态性能信号的采集；所述LabVIEW平台包括实时分析�？�、离线分析�？楹凸收险锒夏？椋凰鍪凳狈治瞿？槎运鲎刺阅苄藕藕退稣穸藕沤性谙呒嗖夂驮谙叻治觯隼胂叻治瞿？槎约锹嫉乃鲎刺阅苄藕藕驼穸藕沤欣胂叻治觯龉收险锒夏？槎匀计钙椒⒌缁榻泄收险锒�。
2.如权利要求I所述的燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统，其特征在于 所述实时分析�？樯柚糜行藕挪杉柚媚？楹妥刺嗖饽？椋凰鲂藕挪杉柚媚？榘ㄓ卸运稣穸嗖饽？榈牟杉ǖ澜猩柚玫牟杉ǖ赖ピ圆裳德式猩柚玫牟裳德实ピ投匀计只幼俨问猩柚玫淖俨问ピ凰鲎刺嗖饽？槭凳奔嗖馑稣穸藕藕退鲎刺阅苄藕牛� 所述实时分析�？榛股柚糜卸运稣穸藕沤惺奔洳ㄐ畏治龅氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析的频谱分析�？�、阶次分析的阶次谱图模块、趋势分析的趋势分析�？�、波德图分析的波德图模块、轴心轨迹分析的轴心轨迹�？楹推俨纪挤治龅钠俨纪寄？椋� 所述离线分析�？樯柚糜卸运锹嫉恼穸藕沤惺奔洳ㄐ畏治龅氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析的频谱分析�？�、阶次分析的阶次谱图�？�、趋势分析的趋势分析�？�、波德图分析的波德图�？�、轴心轨迹分析的轴心轨迹�？楹推俨纪挤治龅钠俨纪寄？椋� 所述故障诊断�？榘ü收咸卣魇侗鹧≡竦ピ�、诊断结果以及处理方法单元；所述故障特征识别选择单元是获取所述状态监测�？樘峁┑淖刺阅苄藕藕驼穸藕牛约八鲎刺嗖饽？榛蛩隼胂叻治瞿？橹械氖奔洳ㄐ文？�、频谱分析�？�、阶次谱图�？�、趋势分析�？�、波德图�？�、轴心轨迹�？楹推俨纪寄？槎哉穸藕沤蟹治龅墓收咸卣鳎凰龉收咸卣魇侗鹧≡竦ピ袢〉墓收咸卣靼ㄕ穸鞯计德�、常伴频率、振动稳定性、相位特征、振动方向、转子轨迹、振动随转速变化、振动随油温变化、振动随出口压力变化； 所述振动主导频率和常伴频率包括的参数有〈0. 4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99)N、1N、2N、(3 5) N、>5N, N代表燃气轮机转子的转速；所述振动稳定性和相位特征包括的参数稳定、不稳定、无、不明显；所述振动方向包括参数径向、径向和轴向、轴向、无；所述转子轨迹包括的参数圆或椭圆、椭圆、紊乱无规律、双环椭圆、“8”字型、杂乱且发散；所述振动随转速变化、振动随油温变化、振动随出口压力变化包括的参数不明显、不变、突变、无； 所述诊断结果以及处理方法单元是根据特征参数获取单元提供的特征参数与故障诊断库进行比较，进而对故障进行诊断，得出故障概率、可能故障原因、与类似振动故障判别方法和防治方法。
3.如权利要求2所述的燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统，其特征在于所述状态监测�？樯柚糜屑嗖飧琶材？�、温度模块、振动�？楹托阅懿问？椋� 所述监测概貌�？椋ㄓ形露鹊ピ�、发电机单元、压力单元、转速单元和燃料流量单元；所述温度单元显示的温度包括压缩机入口温度、压缩机出口温度、燃烧室平均温度、透平机出口温度、压缩机前端轴承油温、压缩机后端轴承油温、透平机前端轴承油温和发电机推力轴承油温；所述发电机单元显示的量包括发电机的A相、B相、C相电流和平均电流，A相、B相、C相电压和平均电压以及功率；所述压力单元显示的压力包括压缩机入口压力、压缩机出口压力、燃料压力、燃烧室出口压力和透平机出口压力；所述转速单元设置有对燃气轮机转速和发电机转子转速的显示；所述功率单元设置有对发电机功率的显示；所述转速单元对燃气轮机转子的转速和发电机转子的转速进行显示；所述燃料流量 单元对燃料流量进行显示； 所述振动�？榧嗖庹穸嗖饽？镮输出的振动信号，显示的振动信号包括压缩机前端轴承、压缩机后端轴承、透平机前端轴承、发电机驱动端轴承和发电机非驱动端轴承的X、Y方向的振动位移，以及显示齿轮箱外壳和齿轮箱轴承的振动位移； 所述温度�？椋嗖馑鐾缒？槭涑龅奈露龋ǘ酝钙交隹谖露龋忌帐襂号 12号火焰筒的温度，燃烧室的平均温度，冷却系统温度，压缩机入口、内部、出口和平均温度，发电机轴承温度，润滑系统前端和箱体的温度，环境温差，发电机的A、B、C段温度，发电机推力轴承温度、驱动端温度、非驱动端温度的显示； 所述性能参数�？椋嗖馑鐾缒？槭涑龅淖刺阅苄藕牛ǘ匝顾趸肟诘难沽�、温度和空气相对湿度，压缩机出口的压力和温度，废气出口的压力和温度，发电机的转速和功率，环境空气的温度、大气压力和相对湿度，燃料的流量和成分的显示。
4.利用权利要求3所述的燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统的使用方法，其特征在于 1)连接振动监测�？椤⑼缒？�、信号采集模块和计算机，启动LabVIEW平台； 2)打开实时分析�？榈男藕挪杉柚媚？椋诓杉ǖ郎柚玫ピ哉穸藕诺牟饬坷嘈�、物理通道、通道名称、单位、灵敏度、灵敏度单位进行设置，在采样设置单元对采样频率、每通道采样点数和测试名称进行设置，在转速参数设置单元对转速的阈值、脉冲识别、每转脉冲数进行设置； 3)在状态监测模块的监测概貌�？榛蛭露饶？橹校范ㄍ钙交隹谖露仁欠癯湎嘤Φ你兄担� 若判断结果为肯定，流程进入步骤4);否则，流程进入步骤5)； 4)确定可能存在的故障有冷却空气通道阻塞、温度调节阀故障、热电偶故障、透平叶片变形、透平叶片结垢不均、透平密封磨损、过渡段密封片磨损，流程结束； 5)在状态监测�？榈募嗖飧琶材？橹校范ㄑ顾趸肟谘沽κ欠癯湎嘤Φ你兄担� 若判断结果为肯定，流程进入步骤6);否则，流程进入步骤7)； 6)确定可能存在的故障有压缩机入口通道污染、压缩机入口密封故障、压缩机入口可变导叶故障，流程结束； 7)在状态监测�？榈募嗖飧琶材？橹腥范ǚ⒌缁β驶蛉剂涎沽κ欠癯湎嘤Φ你兄担� 若判断结果为肯定，流程进入步骤8);否则，流程进入步骤9)；8)确定可能存在的故障有燃料喷嘴阻塞、燃油流量分配器卡涩、燃油泵电磁离合器故障、燃油滤网阻塞、燃机控制系统故障、燃油母管压力泄露，流程结束； 若判断结果为肯定，流程进入步骤8);否则，流程进入步骤9)； 9)在状态监测�？槿范ㄈ计只淖幼偈欠癯湎嘤Φ你兄担� 若判断结果为肯定，流程进入步骤10);否则，流程进入步骤11)； 10)确定可能存在的故障有调速控制系统故障、燃机截止安全阀故障、燃油截止阀故障、燃油分配器异常，流程结束； 11)在状态监测模块的监测概貌�？橹腥范ㄈ忌帐椅露仁欠癯湎嘤Φ你兄担� 若判断结果为肯定，流程进入步骤12);否则，流程进入步骤13)； 12)确定可能存在的故障有火焰筒故障、过渡段破损、燃料喷嘴故障、单向阀故障、冷却系统故障，流程结束； 13)在趋势分析�？橹卸愿髡穸藕沤星魇品治觯范ǜ髡穸藕攀欠癯湎嘤Φ你兄担⒓锹汲溷兄档恼穸藕牛� 若判断结果为肯定，流程进入步骤14);否则，流程回到步骤3)； 14)在振动�？橹信卸先计只幼偈欠窈愣ǎ蝗襞卸辖峁隙ǎ鞒探氩街�15);否则，流程进入步骤16); 15)在频谱分析�？橹卸猿兄邓降恼穸藕沤衅灯追治觯范ㄕ穸鞯计德屎统０槠德剩� 16)在阶次分析模块对超过阈值水平的振动信号进行阶次分析，确定振动主导频率和常伴频率； 17)根据步骤15)和步骤16)将振动主导频率划分在〈O.4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99) N、1N、2N、(3 5) N、>5N，这七个频段之一上； 18)根据步骤15)和步骤16)将常伴频率划分在〈O.4N、(O. 4 O. 5) N、(O. 5 O. 99)N、IN、2N、( 3 5 ) N、>5N,这七个频段上； 19)在时间波形�？榛蚯魇品治瞿？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治銎湔穸榷ㄐ裕穸榷ㄐ怨槔辔榷�、不稳定、无、不明显这四类当中的一种； 20)在波德图�？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治銎湎辔惶卣鳎辔惶卣鞴槔辔榷ā⒉晃榷�、无、不明显这四类当中的一种； 21)在轴心轨迹�？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治鲎庸旒＃庸旒９槔辔不蛲衷�、椭圆、紊乱无规律、双环椭圆、“8字型”、杂乱且发散这六类当中的一种； 22)在轴心轨迹�？槎猿兄邓降恼穸藕欧治銎湔穸较颍穸较蚬榻嵛断�、径或轴向、轴向、无这四类当中的一种； 23)在瀑布图�？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治稣穸孀俦浠涔槔辔幻飨�、不变、突变、无这四类当中的一种； 24)在时间波形�？榛蚯魇品治瞿？楹妥刺嗖饽？橹卸猿兄邓降恼穸藕欧治稣穸嬗臀卤浠涔槔辔幻飨�、不变、突变和无这四类当中的一种； 25)在时间波形�？榛蚯魇品治瞿？楹妥刺嗖饽？槎猿兄邓降恼穸藕欧治稣穸娉隹谘沽Ρ浠涔槔辔幻飨�、不变、突变、无这四类当中的一种； 26)在故障诊断�？榈墓收咸卣魇侗鹧≡竦ピ直鹧≡窆收咸卣鞯南嘤Σ问辉谒稣锒辖峁约按矸椒ǖピ泄收险锒希贸龉收细怕�、可能故障原因、与类似振动故障判别方法和防治 方法； 27)流程结束。
全文摘要
燃气透平发电机组状态监测和故障诊断系统及其使用方法，它包括机组自身的控制系统的振动监测�？楹屯缒？椋拱ㄐ藕挪杉？楹桶沧坝蠰abVIEW平台的计算机；网络模块将状态性能信号传输给计算机；信号采集�？樯柚糜行藕挪杉缏泛托藕糯淼缏罚藕挪杉缏凡杉穸嗖饽？槭涑龅恼穸藕牛藕糯淼缏泛蟠涓扑慊煌ü齃abVIEW平台对信号采集电路的采集通道进行设置后，进行数据采集；LabVIEW平台包括实时分析�？�、离线分析�？楹凸收险锒夏？椋皇凳狈治瞿？槎宰刺阅苄藕藕驼穸藕沤性谙呒嗖夂头治觯胂叻治瞿？槎约锹嫉氖萁欣胂叻治觯收险锒夏？槎曰榻泄收险锒�。本发明操作简单、诊断精度和效率高，能应用于各透平发电机组的状态监测和诊断。
文档编号G01D21/02GK102840882SQ201210323640
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者王文祥, 安维峥, 王维民, 李毅, 金丹, 侯广信, 吴尧增, 徐海波 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油研究总院
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