专利名称：汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法
技术领域：
本发明属于旋转机械振动状态监测与故障诊断技术领域，尤其涉及一种汽轮机 组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法。
背景技术：
汽轮发电机组的安全可靠性是设备设计制造阶段和运行使用中的首要问题之 一。机组振动是机组安全可靠性的一项重要指标。振动情况恶化的机组，经常发生减负 荷运行，或停机处理，或紧急强迫停机。对振动的处理不当或出现突发性的振动，都可 能使机组发生局部或整体的严重故障。汽轮发电机组在工作转速下长期运行，对振动平稳性要求较高。汽轮发电机组 转子如果一阶临界转速振动过大，会对工作转速造成较大的影响，在工作转速下存在较 大的同相振动分量。汽轮发电机组轴系转子振动同相分量平稳性判别工作需要由具有一定现场振动 故障诊断经验的专家完成，对专家的主观性依赖程度较高，客观性较差。因此，提出一 种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法就显得十分重要。本发明提供的汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，对机组轴系转 子振动同相分量变化情况进行实时自动在线监测、分析、判别，提高转子振动同相分量 平稳性辨识效率和准确度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方 法，用于对机组轴系转子振动同相分量变化情况进行实时自动在线监测、分析、判别， 提高转子振动同相分量平稳性辨识效率和准确度。技术方案是，一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特征在 于包括下列步骤步骤1 设定时长T和步进的长度t ；步骤2:获取转子两侧支持轴承的轴相对振动数据、转子的转速信号以及键相 信号；步骤3:根据转子两侧支持轴承的轴相对振动数据，计算转子两侧支持轴相对 振动同相分量的幅值和相位并存储所述幅值和相位；步骤4:判断是否达到设定时长T，如果达到，则执行步骤5;否则，执行步骤 6 ；步骤5 步进一个长度t后，返回步骤2 ；步骤6 根据每次步进一个长度t时存储的转子两侧支持轴相对振动同相分量的 幅值及相位，验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值；步骤7:判断验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值是否都通过，如果是，则判定汽轮机组转子振动同相分量平稳；否则，判定汽轮机组转子振动同相分量 不平稳。所述步骤3具体包括步骤101:根据转子两侧支持轴承的轴相对振动数据，利用快速傅立叶变换频 谱分析方法，实时同步计算转子两侧支持轴承相对振动工频振动幅值和相位；将转子一 侧支持轴承相对振动工频振动幅值记为ara，相位记为pra;转子另一侧支持轴承相对振动 工频振动幅值记为aA，相位记为p'b ；步骤102 利用公式 Areal = araX cos (pra)和 AimagI = araX sin (pra)，计算转子一侧 支持轴承的轴振工频振动矢量2的实部Areal和虚部Aimagl ；利用公式Breal = arbXcos(prb) 和= arbXsin(prb)计算转子另一侧支持轴承的轴振工频振动矢量否的实部Breal和虚部
gimagi .步骤103 利用公式f = +旬计算出转子两侧支持轴承的轴振工频振动的同 相分量5 ；步骤104 利用 Sreal = 1/2 X (Areal+Breal)和 Simagl = 1/2 X (Aima8I+BimagI)，计算所述 同相分量f的实部sreal和虚部simag1，再利用公式= f+(s—'f计算转子两侧支
持轴相对振动同相分量的幅值，禾U用公式Sphase= (180/3i)Xarctan(Sre7SimagI)计算出转子 两侧支持轴相对振动同相分量的相位。所述验证同相分量幅值比熵均值具体是步骤201 计算每步进一个长度t时，同相分量灵的幅值5T〃与振幅合格量值Sstd
T
的比值芦 ，广=Samp J ytd 0<i<~-,步骤202 利用公式E_ =-ynYX{pTf ln((pD2)]，计算比值,的熵均值
(=iPi
、 T ,
E腿n，式中“=7，并且规定当…广.)2 = o时，ln( v)2) = 0 o所述验证同相分量相位差值具体是计算整个设定时长T中，每步进一个长度t时，存储的所有同相分量灵中的相位
T
最大值与相位最小值yto差值的绝对值，其中0 < / < y。所述判断验证同相分量幅值比熵均值是否通过具体是，判断Emean是否大于等于 0，如果是，则验证同相分量幅值比熵均值通过；否则，验证同相分量幅值比熵均值不通 过所述验证同相分量相位差值是否通过具体是，判断存储的所有同相分量灵中的相 位最大值与相位最小值差值的绝对值是否小于等于设定值d，如果是，则验证 同相分量相位差值通过；否则，验证同相分量相位差值不通过。所述设定时长T = 900秒。所述步进的长度为t = 0.1秒。所述振幅合格量值Sstd = 50um。
所述设定值D = 5°。本发明的效果在于，汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法利用机组 运行中转子的轴相对振动幅值及相位数据，经过计算分析判断得到故障诊断结论，为汽 轮机组转子安全运行提供了保障。
图1是汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识示意图；图2是汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法流程图；图3是转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值和相位计算流程图。
具体实施例方式下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示 例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。实施例实时辨识方法需要的汽轮发电机组轴相对振动数据、转子的转速信号以及键相 信号，可以从配置汽轮发电机组的监视仪表(TSI)获得或者可以从专业振动数据采集调 理设备获得。在本实施例中，汽轮发电机组轴相对振动信号及振动信号分析处理需要的 键相信号从与振动传感器相连的专业振动数据采集调理设备获得。图1是汽轮机组转子 振动同相分量平稳性实时辨识示意图，图1中，高速数据采集卡插入工业用微型计算机 (IPC)提供的插槽内，根据高速数据采集卡的要求，专业振动数据采集调理设备处理汽 轮发电机组轴相对振动信号及振动信号分析处理需要的键相信号，经过处理后的汽轮发 电机组轴相对振动信号及振动信号分析处理需要的键相信号输入IPC内的高速数据采集 卡。以上技术都是本领域技术人员的公知常识。之后，再根据本发明提供的方法设计具 体的机组轴系转子振动同相分量平稳性计算机实时辨识程序，将实时辨识程序安装在工 业用微型计算机(IPC)内。图2是汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法流程图。在实施本发明 的方法实施前，可以先设定振幅合格量值Sstd = 50um，设定值D = 5°。图2中，汽轮 机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法包括步骤1 设定时长T和步进的长度t。在本实施例中，设定时长T = 900秒，步进的长度为t = 0.1秒，则循环次数 = | = 9000次。步骤2:获取转子两侧支持轴承的轴相对振动数据、转子的转速信号以及键相信号。如前所述，转子两侧支持轴承的轴相对振动数据、转子的转速信号以及键相信 号通过振动数据采集调理设备获取并进行处理，并将处理后的汽轮发电机组轴相对振动 信号及振动信号分析处理需要的键相信号输入IPC内的高速数据采集卡。步骤3:根据转子两侧支持轴承的轴相对振动数据，计算转子两侧支持轴相对 振动同相分量的幅值和相位并存储所述幅值和相位。
图3是转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值和相位计算流程图。图3中， 计算转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值和相位的过程是步骤101 根据转子两侧支持轴承的轴相对振动数据，利用快速傅立叶变换频 谱分析方法，实时同步计算转子两侧支持轴承相对振动工频振动幅值和相位；将转子一 侧支持轴承相对振动工频振动幅值记为ara，相位记为pra;转子另一侧支持轴承相对振动 工频振动幅值记为aA，相位记为p'b。步骤102:计算转子一侧支持轴承的轴振工频振动矢量j的实部Area1、虚部 AimagI,计算时采用公式(1)、(2)计算。Areal = araXcos(pra)(1)AimagI = araXsin(pra)(2)而后，计算转子另一侧支持轴承的轴振工频振动矢量否的实部Breal和虚部Bimag1， 计算时采用公式(3)、(4)计算。Breal = arbXcos(prb)(3)BimagI = arbXsin(prb)(4)步骤103 计算出转子两侧支持轴承的轴振工频振动的同相分量g。计算时使用 公式5 二 +否)。步骤104 分别利用公式(5)、(6)计算同相分量及的实部Srea1、虚部Simag1。Sreal = 1/2 X (Areal+Breal) (5)SimagI = 1/2 X (Aima8I+BimagI) (6)再利用公式(7)、(8)计算转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值Samp(单位为 ym)和相位Sphase(单位为。，即角度单位)。Samp = yl(Srea!f+[S-”2(7)Sphase = (180/ ji ) X arctan (Sreal/SimagI) (8)计算之后，存储转子两侧轴振工频振动的同相分量左的幅值Samp及相位。步骤4:判断是否达到设定时长900秒，如果达到，则执行步骤6;否则，执行 步骤5。步骤5 步进一个长度t，即步进0.1秒。之后返回步骤2。步骤6 根据每次步进一个长度(0.1秒)时存储的转子两侧支持轴相对振动同相 分量的幅值及相位，验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值。验证同相分量幅值比熵(Shannon)均值具体是步骤201:计算每步进一个长度t = 0.1秒时，同相分量灵的幅值与振幅合格 量值Sstd的比值f，PT = Srp / Sstd ,0<i< 9000。本实施例中，设定的振幅合格量值Sstd =50um。步骤202 利用公式五m_ =-%Z[(Aav)2 ln((Aai)2)]，计算比值,的熵(Shannon)
/=1Pi
均值 Emean，式中 n = 9000，并且规定当0C)2 =0时，ln((^)2) = 0o验证同相分量相位差值具体是
计算整个设定时长T = 900秒中，每步进一个长度t = 0.1秒时，存储的所 有同相分量及,中的相位最大值丨与相位最小值％，差值的绝对值l^r-Mr'l，其中 0 sis 9000。步骤7 判断验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值是否都通过。判断验证同相分量幅值比熵(Shannon)均值是否通过具体是，判断E_n是否大 于等于0，如果是，则验证同相分量幅值比熵均值通过；否则，验证同相分量幅值比熵 均值不通过。判断验证同相分量相位差值是否通过具体是，判断存储的所有同相分量灵中的相 位最大值SClT与相位最小值■差值的绝对值是否小于等于设定值D = 5°，如果是， 则验证同相分量相位差值通过；否则，验证同相分量相位差值不通过。如果验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值是否都通过，则判定汽轮 机组转子振动同相分量平稳；否则，判定汽轮机组转子振动同相分量不平稳。本发明提供的汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，对机组轴系转 子振动同相分量变化情况进行实时自动在线监测、分析、判别，提高转子振动同相分量 平稳性辨识效率和准确度。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或 替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的 保护范围为准。
权利要求
1.一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特征在于包括下列步骤步骤1 设定时长T和步进的长度t ；步骤2:获取转子两侧支持轴承的轴相对振动数据、转子的转速信号以及键相信号；步骤3:根据转子两侧支持轴承的轴相对振动数据，计算转子两侧支持轴相对振动 同相分量的幅值和相位并存储所述幅值和相位；步骤4:判断是否达到设定时长T，如果达到，则执行步骤5;否则，执行步骤6; 步骤5:步进一个长度t后，返回步骤2;步骤6 根据每次步进一个长度t时存储的转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值 及相位，验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值；步骤7:判断验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值是否都通过，如果 是，则判定汽轮机组转子振动同相分量平稳；否则，判定汽轮机组转子振动同相分量不 平稳。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述步骤3具体包括步骤101:根据转子两侧支持轴承的轴相对振动数据，利用快速傅立叶变换频谱分 析方法，实时同步计算转子两侧支持轴承相对振动工频振动幅值和相位；将转子一侧支 持轴承相对振动工频振动幅值记为ara，相位记为pra;转子另一侧支持轴承相对振动工频 振动幅值记为aA，相位记为ρΛ ；步骤102 利用公式Areal = araX cos (pra)和Aimagl = araXsin(pra)，计算转子一侧支持 轴承的轴振工频振动矢量2的实部Areal和虚部Aimagl ；利用公式Breal = arbXcos(prb)和Bimagl =arbX sin (prb)计算转子另一侧支持轴承的轴振工频振动矢量万的实部Breal和虚部Bimagl ；步骤103 利用公式^ = +旬计算出转子两侧支持轴承的轴振工频振动的同相分mS ；步骤 104 利用 Sreal = 1/2 X (Areal+Breal)和 Simagl = 1/2 X (Aima8I+BimagI)，计算所述同相分量g的实部Sreal和虚部Simagl,再利用公式S— = ^(Sreal f + (Simagi f计算转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值，利用公式Sphase= (180/ji)Xarctan(Sre7Sima81)计算出转子两侧 支持轴相对振动同相分量的相位。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述验证同相分量幅值比熵均值具体是步骤201:计算每步进一个长度t时，同相分量灵的幅值ν—与振幅合格量值Sstd的比 值 ,pa; = S1Tp / Sstd ,0^1-Ji步骤202 利用公式= -YrtZKpTf HiPD2)]，计算比值的熵均值Ε·η，式中π =等，并且规定当=0时，Hiprf) = 0。
4.根据权利要求1所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述验证同相分量相位差值具体是计算整个设定时长T中，每步进一个长度t时，存储的所有同相分量灵中的相位最大值y/^与相位最小值^^/^差值的绝对值g=" -S^se\，其中0 ^幺^。
5.根据权利要求3所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其 特征在于所述判断验证同相分量幅值比熵均值是否通过具体是，判断Emean是否大于等于 0，如果是，则验证同相分量幅值比熵均值通过；否则，验证同相分量幅值比熵均值不通 过。
6.根据权利要求4所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述验证同相分量相位差值是否通过具体是，判断存储的所有同相分量尾中的相位 最大值与相位最小值S=’差值的绝对值是否小于等于设定值D，如果是，则验i正同 相分量相位差值通过；否则，验证同相分量相位差值不通过。
7.根据权利要求1所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述设定时长T = 900秒。
8.根据权利要求1所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述步进的长度为t = 0.1秒。
9.根据权利要求3所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其特 征在于所述振幅合格量值Sstd = 50um。
10.根据权利要求6所述的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，其 特征在于所述设定值D = 5°。
全文摘要
本发明公开了旋转机械振动状态监测与故障诊断技术领域中的一种汽轮机组转子振动同相分量平稳性实时辨识方法，用于对转子振动同相分量平稳性实时自动在线监测和分析。包括设定时长和步进的长度；在每步进一个长度时，获取转子两侧支持轴承的轴相对振动数据、转子的转速信号以及键相信号；计算转子两侧支持轴相对振动同相分量的幅值和相位并存储所述幅值和相位；当达到设定时长时，验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值；并通过判断验证同相分量幅值比熵均值和同相分量相位差值是否都通过，确定汽轮机组转子振动同相分量是否平稳。本发明利用轴相对振动幅值及相位数据进行分析并获得故障诊断结论，为汽轮机组转子安全运行提供了保障。
文档编号G01H17/00GK102012263SQ201010543268
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者宋光雄 申请人:华北电力大学