汽轮机轴振动监测中的数据采集与处理

【摘要】本文详细地说明了轴心轨迹振动信号的预处理过程，对振动信号采样和滤波简单的分析了轴心轨迹信号频谱。通过对轴心轨迹特征的识别为轴心轨迹的稳定性及机组的在线监测系统提供依据，对现场汽轮机发电机组的安全平稳运行有重大的意义。

【关键词】汽轮机组；轨迹识别；滤波；故障诊断

近年来，状态监测和故障诊断技术与系统的研究得到了高速发展。随着电力工业的发展，汽轮发电机组的总装机容量和单机容量都得到了迅速提高，机组轴系也越来越复杂，诱发机组振动的潜在因素也相应增加。振动问题在机组安全运行中的影响越来越大，人们也越来越关注机组振动对于生产安全稳定经济运行的影响。

1.研究意义

结合兰州石化公司动力厂背压发电装置，发电装置的各监控仪器仪表中，没有对整个机组在运行中的振动进行直接的监控。操作人员只能通过机组在运行过程中，对轴瓦的温度监控或是通过机组运行时所产生的声音进行经验性判断。因此，针对汽轮发电机组振动监测的数据采集和预处理做出大胆的设计。

本设计的实施对发电装置的生产运行的意义：

（1）避免汽轮机转子发生重大安全事故而造成的巨大经济损失，保证转子在规定的期间内无故障安全可靠运行。

（2）振动监测诊断系统可及时判断转子是否有故障，并能够迅速查明故障原因、部位、预测故障影响，提高汽轮机转子的维修管理水平，而本文所做的汽轮机发电机组振动监测的数据采集和预处理工作正是振动监测诊断系统的基础。它将对今后的汽轮发电机组进行全面远程监控及自动化改造提供可靠的数据来源。

2.振动信号采集

旋转机械轴系振动信号是以转速为基频的周期信号。在转子系统的振动检测中，需要对振动信号进行整周期采样来避免由于泄露、栅栏等不良效应带来的相位严重失真。传统振动分析方法通过硬件电路锁相倍频法来实现整周期采样，该方法的核心是锁相倍频电路的应用。键相信号经锁相电路倍频后，产生采样脉冲序列，控制采样电路的触发与关闭。该方法的优点在于同步性能好，结合并行采样/保持电路，可自动实现对各个通道振动信号的实时同步采样。但这种方法需要专用的数据采集卡，因此系统硬件成本比较高，开发周期长，且适应能力及硬件升级能力较差。

伪同步采样法充分发挥了通用数据采集卡中数据采集通道资源多的特点，将键相信号与振动信号进行同步采样，对振动信号的整周期截取则在采集后通过数据处理来实现。结合对柔性转子实验系统进行动平衡的实验结果表明：这种伪同步采样方法可有效满足转子振动信号处理对信号采样的要求。

3.振动信号的处理

在机械设备状态监测和故障诊断过程中，传感器的输出信号经采样和 A/D 转换为数字信号送入计算机，这些信号往往要经过预处理才能交付给后面的应用程序。信号的预处理就是除掉原始数据中的无意义而有害的噪声(干扰)，同时加工成便于进行精密分析的信号。信号的预处理方法有：滤波、包络线处理、平均法以及其它很多方法。

3.1汽轮机组振动的滤波

在实际数据采集过程中，由于现场生产车间各种因素的影响，采集的数据不可避免的混有噪声，有时，噪声甚至可以把有用的信息完全淹没。此外，采集的信号经传感器、放大器、A/D 转换板等一系列板卡电路和通道后，又会增加大量的噪声信号。虽然在数据采集电路中都加入了滤波电路，但在最终采集到的数据中仍会残存一些噪声信号。这些噪声的存在将使后续诊断工作出现错误，如造成误报警和误诊断。

3.2数字滤波

一个数字滤波器可以用系数函数表示为：

H(z)=

直接由此式可得出表示输入输出关系的常系数现行差分方程为：

y(n)=aky(n-k)+bkx(n-k)

可以看出，数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列，从而达到改变输入信号中所含频率分量的相对比例或滤除某些频率分量。通常有两种方法实现数字滤波器：一种方法是把滤波器所完成的运算变成程序并让计算机执行，即用计算机软件来实现：另一种方法是设计专用的数字硬件、专用的数字信号处理器或采用通用的数字信号处理器来实现。

3.3轴心轨迹信号频谱分析

在轴心轨迹的测试中，由于轴心轨迹一般都比较复杂，难以分析识别，因此在实际应用中常常需要对轴心轨迹进行提纯。本文采用的方法是让转子的两路振动信号分别通过低通滤波器，然后再进行合成，从而得到提纯的轴心轨迹。在一般情况下，转子振动信号中除包含由不平衡引起的同步振动分量外，还存在亚同步（其频率低于转子转速）分量和高次谐波振动（其振动频率是转子转速的整数倍）分量，使得轴心轨迹形状比较复杂，甚至非常混乱，很难分析。为了克服轴心轨迹分析的这个缺点，采用了频谱分析的原理。频谱分析是将一个振动信号分解为一系列的简谐振动分量，使我们对复杂振动信号的组成情况一目了然，极大地提高了分析转子振动的能力。

3.4轴心轨迹进动方向的识别

轴心轨迹是汽轮发电机组振动状态检测与诊断系统中的一个重要特征，轴心轨迹的自动识别包括形状、进动方向和稳定性 3 个方面。首先整周期采集转子两个相互垂直方向振动位移信号，经拟合得到轴心轨迹图，然后截取某一旋转周期内的采样点，形成平面复杂多边形，利用平面图形的平移旋转变换判断得到轴心轨迹的进动方向。

轴心轨迹进动方向分正进动和反进动，当轴心轨迹的进动方向与旋转方向相同时，就称为正进动；反之称为反进动。轴心轨迹的进动方向即为轴心轨迹上采样点构成的复杂多边形的旋转方向，可利用上述判断各点凹凸性原理的逆向过程来判断此复杂多边形的旋转方向。

由于本论文研究的中心是对汽轮机轴振动信号的采集过程，而要结合汽轮机的振动信号完成频谱分析从而判断振动原因和调节解决振动故障是比较复杂的过程，所以在这对频谱的分析只做简单的轴心轨迹信号频谱分析。

4.总结

本文结合汽轮机情况对振动信号的采集过程做了详细分析研究。

（1）对信号采集过程中常用的伪同步采样过程做了介绍和说明，证明其方法的有效性和可用性。

（2）对振动信号的滤波方法做了介绍和说明，滤波过程在信号分析中有极其重要的意义。

（3）简单的分析了轴心轨迹信号频谱。　[科]

【参考文献】

［１］（波）巴尔卡.J．汽轮发电机组振动分析．华北电力设计院．

［２］张延峰．汽轮机改造技术．中国电力出版社．

［３］张学延．汽轮机轴系振动故障诊断技术．西安热工院．

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