超临界350 MW机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法.pdf

韶关学院学报自然科学Journal of Shaoguan UniversityNatural ScienceSep.2023Vol.44No.92023 年 9 月第 44 卷第 9 期超临界 350MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法曾娜，魏佳佳，余长军（安徽电气工程职业技术学院 动力工程系，安徽 合肥 230051）摘要：研究超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法，解决给水泵变频运行时容易发生结构共振，影响机组运行可靠性的问题.选取最大振动读数位置，在超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵电动机上部轴承位置布置振动传感器，采集水平方向与垂直方向的水泵振动信号.利用小波灰度矩方法从所采集振动信号中，提取汽轮机给水泵变频运行共振特征.将此共振特征作为径向基函数（RBF）神经网络的输入，RBF 神经网络的隐含层利用径向基函数处理共振特征样本，输出给水泵变频运行共振诊断结果.结果表明，该方法可以精准诊断不同工况下的超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振故障，为机组可靠运行提供依据.关键词：超临界；350 MW 机组；汽轮机；给水泵；变频运行；共振诊断方法中图分类号：TM621.3；TN830.2文献标识码：A 文章编号：1007-5348（2023）09-0056-07伴随我国能源结构的不断调整，我国的煤电机组更加趋于大容量以及高参数发展，通过煤电机组结构调整，降低发电行业能耗.常规容量为 350 MW 的超临界进汽参数，是我国目前应用较为普遍的参数.350 MW 等级的煤电机组，具有热电比高、运行灵活的特点，发展前景巨大1-3.超临界 350 MW 机组的运行灵活性、经济性和安全性是汽轮机制造领域的研究重点，是降低我国供电煤耗的重要途径.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵趋于自动化发展4.汽轮机给水泵长期处于高速、高压和高温的运行环境下，需要承担较大的流量变化，频繁出现热胀冷缩情况，极易造成给水泵共振故障，影响汽轮机正常运行.超临界350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振是造成给水泵结构振动和转子振动的主要原因5-7.为此，相关的共振诊断方法引起了学者的广泛关注.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行，存在共振故障时，对机组运行安全性以及可靠性造成直接影响8.为了提升汽轮机组的运行可靠性，增加机组的循环效率和整体热利用率，超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法的可靠性极为重要.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵通常采用离心式给水泵，一般设置刚性转子作为汽轮机给水泵的转子，刚性转子运行时，较难产生共振9.转子形成的激振力频率与转子固有频率接近时，汽轮机给水泵容易出现结构共振.汽轮机给水泵采用变频调节方式时，具有较高的节能降耗效果，超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵普遍采用变频方式作为频率调节方式.但变频调节方式，容易出现低频共振情况；共振过大时，对给水泵的变频器产生较大影响，严重者可能导致变频器无法正常运行，对超临界 350 MW 机组的运行经济性以及安全性存在严重影响.目前已有众多学者针对汽轮机组给水泵的共振诊断进行了研究.任韵君等利用自适应双稳态随机共振方法，诊断汽轮机组给水泵的共振故障，主要通过欠阻尼因子和参数调节，实现给水泵随机共振的有效诊断10.该方法虽然具有较高的滤波性能，共振诊断效果较好，但是存在运算过程过于复杂、共振诊断效收稿日期 2023-03-09基金项目 安徽电气工程职业技术学院科研项目“基于热电联产的背压式汽轮机组及有机朗肯循环方式的耦合系统分析”（2021kyxm05）作者简介 曾娜（1982-），女，河南浚县人，安徽电气工程职业技术学院动力工程系讲师，硕士；研究方向：火电厂集控运行及新能源发电技术.57第 9 期曾娜，等：超临界350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法果较差的缺陷.王捍忠等针对高效型超超临界 1000 MW 汽轮机振动故障诊断方法进行研究，通过分析汽轮机汽缸与主管道间的相关性，明确造成汽轮机振动的主要原因是高缸排气管道 Y 向限位支架失效11.该方法虽然可以诊断汽轮机振动故障，但是并未考虑汽轮机运行过程中，外界噪声对振动故障诊断结果的影响，导致诊断精度较低.针对以上研究在汽轮机共振诊断中存在的问题，研究超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法，能为超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵的变频可靠运行提供依据.1汽轮机给水泵变频运行共振诊断设计1.1汽轮机给水泵变频运行振动信号采集超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行时形成的结构共振，主要原因是给水泵中部分部件产生的激振力频率与固有频率较为接近.汽轮机给水泵运行时，其结构在水平方向、垂直方向以及轴向方向，均呈现不同的固有频率.给水泵变频运行时形成的激振力频率，与随意方向的固有频率为接近状态时，均可能造成给水泵变频运行的共振情况.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行时的结构共振，需要同时满足两个条件：（1）给水泵部件固有频率与激振力频率为接近或相同状态；（2）运行时，形成的激振力可以克服给水泵系统的阻尼.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行时形成的结构共振，并非造成给水泵系统振动的主要原因，而是在原有系统振动基础上，增强振动12.汽轮机给水泵系统变频运行时，所获取的力学增益又称为放大系数，其计算公式如下：P=1/=d1-bffnl2n2+b2ffnl2G.（1）公式（1）中，fn与 f 分别为给水泵变频运行时的固有频率与激振力频率；为给水泵系统的阻尼系数.分析公式（1）可知，当超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行时，给水泵系统的阻尼为固定值，系统结构的固有频率与激振力频率更为接近13.放大系数 P 越大，表示具有更强的振动增大效益.给水泵系统的结构固有频率 fn与激振力频率 f 相等时，存在关系式（2）：P=1/2.（2）可以看出，给水泵系统部件的固有频率与激振力频率相同时，给水泵系统的弹性力与系统变频运行时的惯性力为抵消状态，此时系统变频运行时的响应，仅受到阻尼力影响.汽轮机给水泵的转子系统故障是形成系统激振力的主要原因，转子系统的叶片扰动、不平衡以及轴承故障等，均是给水泵激振力的主要来源.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行时，其转速变化频繁，造成给水泵激振力频率同时发生变化，提升给水泵结构共振频率.超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵为垂直布置的机器，诊断给水泵共振，需采集设备运行互为垂直的两个方向振动信号，因此布置采集振动传感器时，需要选取最大振动位置，应该接近给水泵电动机的上部轴承位置，如图 1 所示，可以看出，采样点分别设置于给水泵配套电机的水平方向与垂直方向，利用所设置的振动传感器采集给水泵不同方向的振动信号.?图 1汽轮机给水泵采样点设置58韶关学院学报自然科学2023 年1.2汽轮机给水泵变频运行共振特征提取超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断时，所提取特征的有效性，对共振故障诊断结果影响极大.目前已有多种信号处理方法，用于分析汽轮机给水泵振动信号，便于获取更好的给水泵共振信息14.小波灰度矩方法具有时频窗口可变的优势，可以同时定位超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行振动信号中的非平稳信号的短时高频成分以及低频成分，因此具有较高的有效性.小波灰度矩方法去噪效果较好，可以准确提取汽轮机给水泵变频运行共振特征.本文利用小波灰度矩方法提取汽轮机给水泵变频运行共振特征，对共振故障的小波灰度矩进行研究，利用该量化指标，实现给水泵变频运行共振诊断.利用连续小波 a，b与给水泵运行振动信号 x（t）L2（R）的内积，来表示连续小波变换的小波系数，表达式如下：Wx（a,b）=x（t），*a，b=y+-x（t）a-12*a，b（t）dt.（3）公式（3）中，a 与 b 分别表示尺度参数与平移因子，*a，b表示 a，b的复共轭.设存在离散序列 xm，用 N 与 t 分别表示给水泵振动信号的采样点数与采样时间间隔，可将公式（3）转化如下：Wx（aj，n）=N-1i=0 xib（i-n）t*ajl.（4）公式（4）中，j 与 n 分别表示参数 a 与参数 b 的数量，小波系数 Wx（aj，n）是基于时间序列的大小为MN 的矩阵，为了提升共振诊断性能，引入小波灰度矩的概念.小波系数矩阵 WMN中的 k 阶小波灰度矩阵 gk的表达式如下：gk=mi=1nj=1wkij（i-1）2+（j-1）2/MN.（5）公式（5）中，wij与（i-1）2+（j-1）2分别表示矩阵 WMN内元素以及元素 w11与元素 wij间的距离.为了避免一阶灰度矩 g1作为给水泵变频运行共振诊断的特征参数时，出现分布区域重叠情况，利用一阶灰度矩向量表示给水泵共振诊断的特征参数15.设存在包含 n 个采样点的给水泵变频运行振动信号，计算该采样信号的小波系数矩阵 Wpn，p 表示该小波系数矩阵的尺度范围.依据尺度范围 p，将所获取的小波系数矩阵，划分为 m 个部分，分别计算各部分的一阶灰度距 g1，k，组合各部分的一阶灰度矩，获取最终一阶灰度矩向量 G1，将其作为给水泵变频运行共振诊断的特征参数.给水泵变频运行共振特征提取过程中，设置 Morlet 小波作为共振特征提取的小波函数，其表达式如下：（t）=e j0e-t2.（6）公式（6）中，0表示小波中心频率.将所提取的给水泵变频运行共振特征，作为径向基函数（Radial Basis Function，RBF）神经网络的输入.59第 9 期曾娜，等：超临界350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法1.3基于 RBF 神经网络的共振诊断方法目前神经网络方法应用较为广泛16-17.选取 RBF 神经网络作为给水泵变频运行共振诊断的方法.将所提取的给水泵变频运行共振特征样本输入 RBF 神经网络输入层，输入层将特征样本传送至隐含层，隐含层由高斯核函数等作用函数组成.利用隐含层处理共振特征样本后，输出层利用线性映射关系处理可调参数，该方法采用递推计算方法运算网络权值，提升 RBF 神经网络的学习速度.RBF 神经网络的计算公式如下：y=i=1ig（x-ci，i）.（7）公式（7）中，x 与 i 为表示输入与输出层的权值；g（）与 ci分别为径向基函数及其中心；与 i分别为隐含层神经元数量与径向基函数的宽度.用 xi，yi 表示汽轮机给水泵变频运行共振诊断的训练样本，通过搜寻最佳的径向基神经网络参数i，ci，i，令给水泵变频运行共振诊断误差最小，则 共振诊断误差计算的表达式如下：E=12i=1qyi-f（x，i，ci，i）q.（8）公式（8）中，函数 f（x，i，ci，i）的表达式如下：f（x，i，ci，i）=i=1g（x-ci，i）i.（9）利用 RBF 神经网络，诊断超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振故障，主要包括以下部分：（1）依据训练样本，确定 RBF 神经网络的隐含层神经元数量 以及各节点的径向基函数的中心值 ci及其宽度 i.确定 RBF 神经网络的隐含层神经元数量；（2）采用递推最小二乘法18-19，获取 RBF 神经网络的输出层的权值 i；（3）利用以上过程确定的参数，作为 RBF 神经网络参数，输入到给水泵变频运行共振特征的测试样本中，通过 RBF 神经网络，输出超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断结果.2实例分析选取某电厂型号为 CCJK350-24.2/1.5/0.4/566/566 的超临界 350 MW 一次再热抽凝式汽轮机，作为验证给水泵共振诊断性能的测试对象.该汽轮机为单缸、变转速的汽轮机.该汽轮机采用组合式汽缸，利用螺栓连接前汽缸和后汽缸，前汽缸和后汽缸的材质分别为 ZG230-450 和 QT400-15A.选取 G08G04D6 型的振动传感器作为采集汽轮机给水泵振动信号的传感器，选取 AXP-8 振动分析仪作为汽轮机给水泵振动信号的采集仪器.汽轮机给水泵及其采用的电机参数如表 1 所示.启动汽轮机给水泵，利用所采集的振动信号.给水泵变频运行状态下，不同转速范围内，给水泵的振动曲线变化如图 2 所示.可以看出，本文方法可以有效采集给水泵变频运动时的振动信号.其中，垂直方向上的采样点获取的振幅曲线在 800 1 000 rmin-1之间出现峰值，水平方向上的在 700 800 rmin-1之间出现峰值，其峰值出现间距小于 200 rmin-1.进一步分析图 2 可知，给水泵变频运行，转速变化时，其振幅同样存在明显变化.图 2 实验结果表明，采用振动传感器可以有效采集给水泵振动信号变化情况，为汽轮机给水泵共振诊断提供依据.60韶关学院学报自然科学2023 年表 1汽轮机给水泵及其电机参数设备名称指标数值给水泵口径/mm600流量/（m3h-1）1 850扬程/m352额定效率/%87轴功率/kW1 780额定转速/（rmin-1）1 650气蚀余量/m3.8配套电机额定功率/kW2 100额定转速/（rmin-1）1 660 额定电压/V6 200额定电流/A220变频级数/级5绝缘等级/级F0200400600800 1 000 1 200060120180?/?rmin?1?/m2403090150210?1 400?1 600图 2给水泵振动曲线变化超临界 350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行工况下，采用小波灰度矩方法，提取汽轮机给水泵水平方向以及垂直方向的共振特征结果如图 3 所示.可以看出，采用本文方法可以有效提取机组汽轮机给水泵在变频运行工况下的共振特征.其原因是，本文方法通过小波灰度矩方法，离散化处理了汽轮机给水泵变频运行振动信号中的噪声，在去噪的基础上优化了汽轮机给水泵变频运行共振特征提取效果，有效提升了振动信号的分析性能，可以更好地跟踪给水泵的振动信号变化.将所提取的给水泵共振特征，作为共振诊断的依据，不同工况下给水泵共振故障的诊断结果如表 2 所示.012345060120180?/?/m2403090150210（a）水平方向012345060120180?/?/m2403090150210（b）垂直方向图 3共振特征提取结果表 2不同工况下给水泵共振故障诊断结果工况质量流量/（th-1）背压/kPa共振诊断精度/%最小电负荷工况68.55799.5额定供热工况97.56099.3汽轮机额定功率工况72.51399.1热耗率验收功率工况60.5699.5纯凝阀门全开运行工况71.56099.4阀门全开运行最大供热工况120.56099.661第 9 期曾娜，等：超临界350 MW 机组汽轮机给水泵变频运行共振诊断方法从表 2 可以看出，机组汽轮机给水泵变频运行时，不同工况下，采用本文方法均可以精准诊断给水泵共振故障.本文方法利用 RBF 神经网络具有调整参数少、适应能力强、网络结构优化水平强等优势，通过高效的分类能力，提升共振诊断精度，解决给水泵变频运行时，容易受到重叠信号干扰，导致共振特征不明确的问题，提升给水泵变频运行共振诊断的可靠性.给水泵变频运行时，工频是振动的主频率，工频状态下的振动信号较为稳定，此时给水泵共振故障属于强迫振动，造成共振故障的主要原因是系统动力特性以及不平衡激励力，共振故障不受管道等外界因素影响.给水泵变频降速运行时，其频率处于共振区时，极易造成水泵大幅振动.给水泵电机频率处于转子共振区域时，给水泵振动状况极敏感，过多不平衡力施加在水泵转子上，造成给水泵出现大规模共振情况.通过调整结构刚度以及降低转子激振力等方式，消除给水泵共振故障.3结论超临界 350 MW 机组是发电厂常用的发电机组，机组汽轮机给水泵变频运行发生共振故障时，对机组运行可靠性影响巨大.汽轮机给水泵变频运行共振诊断结果，是提升超临界 350 MW 机组运行可靠性与经济性的重要依据.选取 RBF 神经网络共振诊断方法，快速诊断给水泵变频运行状态时的共振故障，为不同运行工况以及运行方式下，超临界 350 MW 机组的运行可靠性提供依据.该方法可以精准诊断给水泵共振问题，为机组运行维护人员提供参考，便于机组更加科学稳定地维护.参考文献：1 于功也，马波，闫戈.基于共振稀疏分解与子带增强的滚动轴承声学诊断方法 J.北京化工大学学报（自然科学版），2021，48（1）：49-57.2 王祝成，权力，张国华，等.基于 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collect the horizontal and vertical vibration signals of the water pump.The wavelet gray moment method is used to extract the resonance characteristics of variable frequency operation of steam turbine feed pump from the collected vibration signals.The extracted resonance characteristics of the variable-frequency operation of the feedwater pump are used as the input of the RBF neural network.The hidden layer of the RBF neural network uses the radial basis function to process the resonance characteristic samples and output the resonance diagnosis results of the variable-frequency operation of the feed pump.The experimental results show that this method can accurately diagnose the resonance fault of the variable frequency operation of the turbine feed pump of the supercritical 350 MW unit under different working conditions,and provide a basis for the reliable operation of the unit.Key words:supercritical;350 MW unit;steam turbine;feedwater pump;variable frequency operation;resonance diagnostic method（责任编辑：黄玫恺）