基于小波分析算法的水轮机组振动故障诊断

基于小波分析算法的水轮机组振动故障诊断

张新

通用电气水电设备（中国）有限，天津 300300

摘要：水电站是水力发电工程的重点建设项目，主要是利用水位上升时产生的势能将能量转换成电能，这样在为人类提供能源的同时可减少对环境的污染。这是人类生产生活中产生电能的重要方式。但是，当我们进行水力发电的时候，需要许多设备同时作业，因此定期对水电站机械设备进行检修是十分关键的。

关键词:水轮机组；振动故障；小波分析；安全运行

引言

水电机组在运行过程中受水力、机械和电气三者影响，可能会出现各种类型的故障现象。目前对水电机组运行故障的研究主要集中在采用不同算法进行诊断及分析，但由于运行故障的复杂性、多样性、不确定性和耦联性，故障现象及故障形成机理间的映射关系十分复杂，单纯依靠数学方法有时不能很好地解释故障的形成原因，因此通过现场试验对机组进行故障诊断就显得十分重要。

1水轮机

水轮机主要分为冲击式水轮机和反击式水轮机。冲击式水轮机的转轮因受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换;反击式水轮机的转轮因受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。但两者的主要工作原理都是发电机把水轮机的机械能转变成电能，这样我们可以利用磁感应产生电动势，将产生的机械能转化为动能。高地区的水具有较大的势能，流入水电站的水带动水轮机的转轮产生转动，水轮机经过一系列作用，将水的动能转化为机械能，从而产生电动势。

2分析算法

量子信号处理（quantumsignalprocessing,QSP）是一种将量子力学的数学框架应用于信号处理领域的思想。建立新的基于量子力学的算法并改进现有算法，是一种自然仿真算法框架。传统的量子计算是利用物质实体的量子效应来完成相应的处理，但是这种方法受量子物理的公理和约束限制，通常难以实现。QSP只是利用量子力学的数学框架和思想，并依据量子力学中相应公理建立与之对应的处理算法。QSP不会实质性地受到量子物理规律的限制，并且能在普通的计算机系统中实现。QSP的难点在于如何将信号处理问题与量子力学的数学框架有机结合。本文参考波函数的概念，在量子力学中，位势(非相对论)中的粒子是用波函数ψ来描述的，波函数的绝对值平方|ψ|2对应该粒子存在的概率。由概率论的归一化性质可知∫|ψ|2=1，并且波函数属于有界积分函数的Hilbert空间(L2范数)。将一维信号的每一个点视为势中的粒子，那么每一个信号点的幅值就是粒子的势。用上述方式将式(2)中的势替换为一维信号后，再进行离散谱计算的过程称为时域信号的量子化过程。计算的结果/空间称为量子域/空间。

3信号的奇异性

在故障诊断领域中，一般设备振动信号的奇异点或不规则突变部分通常和设备故障点位置相对应。信号的奇异性一般有两种情况，一种是信号的幅值在某一时刻发生突然变化，导致信号不连续，另一种是信号在幅值上没有发生突变，但是一阶导数不连续。信号处理领域中前者称为信号的第一类间断点，后者称为第二类间断点。信号在第二类间断点，虽然信号外观上很光滑，但是在小波域则表现出很强的的奇异性。在多数情况下，水轮机组运转过程中振动信号的奇异点和故障发生点是相互对应。利用小波变换算法来分析振动信号的奇异点检测结果与传统的傅里叶变换相比显得更有效。

4水轮机组振动故障维修技术

4.1水轮机密封故障检修技术

在利用水力发电的过程中，将水的势能转化为电能，但是由于空气阻力和摩擦生热，在将势能转化为电能的时候总会出现能量损失的状况，所以需要找到办法使得势能和电能的转化率变高，这样才可以完成高效的水能利用。水轮机就是一种可以使水流的势能转化为电能的主要设备，它可以帮助加快水能转化，有效提高转化效率，对水利站的水力发电有着极大的优势，虽然水轮机增大了效益优势，促进了能量的转化，加快了能量转化进程，但是在发现和利用其优势的时候，也要注意水轮机出现的故障问题。由于水轮机长时间的高效使用，出现问题是在所难免的，如果没有及时检查出来故障问题，可能就会对整个发电过程造成巨大的经济损失，所以要定期检查。现在检查水轮机主要的手段为使用密封技术，这种技术可以使检修快速有效。

4.2改善水轮机的水力设计和结构设计

利用现代计算软件进行流场分析,优化水轮机过流部件的水力设计模型,尤其是转轮采用负倾角的翼型,优化叶片出口环量等。刘家峡水电站通过增大导叶直径,优化导叶翼型,最佳匹配固叶与动叶,改善导叶区流态,降低了导叶表面流速,减轻了过流部件磨蚀的问题。绛山、铁吾、团结水电站通过改造易磨蚀部件形状,同时加装阻水栅和导流板,改善了流场,减轻过流部件的磨损。

3.3静态检修技术

静态检修技术就是以静态的方式完成检修过程，这样既可以确保检修过程中的检修安全，又可以节约能源，达到可持续发展的目的。通过不同的接线方式逐段找到系统出现的故障，用静态检修技术检查系统故障，提高了系统的安全运行率，加快了检修系统的速度。由于其可以有针对性地检查出某段的具体问题，所以可以在节约时间和资金的前提下，完成系统的故障检修，同时降低了工作人员的工作量，优化了检修过程，并且提高了系统的安全性。

4.4采取表面防护措施

可以用抗磨蚀的材料对过流部件表面进行强化。水电站使用抗磨涂层,青铜峡、盐锅峡、大峡、刘家峡水电站使用抗磨蚀的超高分子材料,都减轻了磨损的情况。引起水轮发电机组振动的原因十分复杂,必须找出主要原因,采取综合治理措施并逐步消除。电站机组振动和摆动大,机组不能稳定运行,在安装阶段采取了动平衡试验,取得了一定的成效,但是机组下机架振动并未改善,长时间运行后轴线发生偏斜。经过试验分析得到,造成机组振动的原因可能是由机械不平衡、轴线曲折、转子质量不平衡共同作用引起的。经过修型叶片、调整轴线和推力瓦等,振动问题得以解决,机组能够稳定安全运行。

结束语

1)小波分析算法的理论基础上，讲述了振动信号的检测及其奇异点的定位步骤。小波变换时要适当地选择小波基，小波变换在不同的小波基下的计算结果都不一样。2)利用小波变换的Daubechies(dbN)小波系，对某水电站水轮机主轴的振动信号进行3层分解，并构造相应的小波。结合多分辨率分析发现此振动信号在3427处的采样点奇异性很强。3)通过模极大值衰减理论和图像拟合的方法求出信号奇异点的Lipschitz指数为0.4，初步判断机组机械零件之间的碰撞或消磨可能导致主轴的振动。4)以上的相关计算都基于MATLAB开发的程序来实现的，用模块化方法开发了此程序，只要准确选取原信号波动明显的部分和小波基函数，能求出相关的故障点位置及其Lipschitz指数。

参考文献

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