基于混沌理論實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的方法，屬于水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與 故障檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 水輪機(jī)在運(yùn)行中會(huì)受到空化、空蝕的危害，隨著時(shí)間的推移，某些過(guò)流部件的局部 表面上會(huì)發(fā)生變化，由起初的失去光澤到逐漸形成孔狀侵蝕，最后發(fā)展成某些金屬部件的 脫落或穿孔；當(dāng)空化、空蝕發(fā)展到破壞正常水流流動(dòng)的程度時(shí)，水輪機(jī)能量損失會(huì)急劇增 加。
[0003] 傳統(tǒng)的檢修都是事后檢修或者按計(jì)劃進(jìn)行檢修，事后檢修是在發(fā)生事故后進(jìn)行的 檢修，而計(jì)劃?rùn)z修則是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)或某些統(tǒng)計(jì)規(guī)則進(jìn)行定期的檢修。水輪機(jī)是重要的電 力設(shè)備，一旦發(fā)生故障后果非常嚴(yán)重，從保障設(shè)備安全運(yùn)行的角度來(lái)看，計(jì)劃?rùn)z修可W起到 很好的作用，但是定期的檢修不僅浪費(fèi)了大量的人力物力還增加了檢修費(fèi)用。空化、空蝕作 為水輪機(jī)破壞的主要形式之一，直接影響水輪機(jī)的能量特性，使其效率、下降，同時(shí)還縮短 了機(jī)組的檢修周期，增加了檢修工作量，尤其在泥沙磨損的聯(lián)合作用下，其破壞更加強(qiáng)烈。 另外，空蝕還可導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)、水壓脈動(dòng)增加，加劇機(jī)組運(yùn)行的不穩(wěn)定性。因此對(duì)水電機(jī)組 空化狀態(tài)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)是非常必要的。
[0004] 近年來(lái)，葛洲巧電站利用超聲波和加速度傳感器對(duì)空化監(jiān)測(cè)進(jìn)行了試探性的研 究，積累了一些數(shù)據(jù)，但目前技術(shù)尚不成熟，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅能作為參考，并不能為空化診斷與 機(jī)組檢修提供依據(jù)。由于水輪機(jī)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，空化監(jiān)測(cè)設(shè)備裝置的安裝固定也非常困難，目 前國(guó)內(nèi)空化監(jiān)測(cè)的研究成果還不多，也沒(méi)有比較成熟的產(chǎn)品可W直接加W利用。 陽(yáng)〇化]隨著非線性理論與混濁理論的發(fā)展，盡管研究人員已經(jīng)開(kāi)始利用混濁現(xiàn)象來(lái)研究 水輪機(jī)監(jiān)測(cè)信號(hào)機(jī)調(diào)控等，但目前大量的研究集中在對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和已知故障預(yù)測(cè)的 混濁特性方面。如1999年楊鋒等利用混濁理論和數(shù)字仿真方法研究了水輪發(fā)電機(jī)組調(diào) 速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制問(wèn)題，討論了控制參數(shù)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)混濁現(xiàn)象的影響； 2007年凌代儉利用混濁動(dòng)力學(xué)理論對(duì)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的中復(fù)雜非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象和穩(wěn)定 性進(jìn)行了分析；2011年陳帝伊等利用混濁理論研究了水輪機(jī)調(diào)速器運(yùn)行的參數(shù)特征，并利 用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法有效地改善水輪機(jī)調(diào)速器的動(dòng)態(tài)特性?；鞚崂碚撘恢北挥糜诟鱾€(gè)不 同的研究領(lǐng)域，但針對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行的內(nèi)部流場(chǎng)形成的脈動(dòng)信號(hào)，尤其是空化誘發(fā)的混濁問(wèn) 題，尚沒(méi)有相關(guān)的研究；而且已有技術(shù)主要應(yīng)用于已知故障的情形之下。前人的研究中，信 號(hào)一般都是總體采集的，難W判別到底是什么地方出現(xiàn)的空化或破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了更好的了解水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的不穩(wěn)定特性，并解決目前水輪 機(jī)空化故障難W診斷的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種基于混濁理論實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷 的方法。
[0007] 一種基于混濁理論實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法所使用的水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置包 括壓力傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集器和上位機(jī)；所述壓力傳感器設(shè)置在水輪機(jī)的尾水管 區(qū)，壓力傳感器和的信號(hào)輸出端與信號(hào)放大器的信號(hào)輸入端相連接，信號(hào)放大器的信號(hào)輸 出端與數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集器的信號(hào)輸出端與上位機(jī)的信號(hào)輸入端 相連接；
[0008] 基于混濁理論實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法的具體步驟為：
[0009] 步驟一：壓力傳感器監(jiān)測(cè)水輪機(jī)尾水管數(shù)據(jù)；
[0010] 步驟二：通過(guò)上位機(jī)獲取壓力傳感器接收的壓力脈動(dòng)信號(hào)；
[0011] 步驟Ξ:對(duì)步驟二中獲取的壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提升小波變換處理，獲得去噪信號(hào)， 然后進(jìn)行降采樣處理，得到可用壓力脈動(dòng)信號(hào)；
[0012] 步驟四：對(duì)步驟Ξ中獲得的可用壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行混濁動(dòng)力學(xué)特性分析，獲取可 用壓力脈動(dòng)信號(hào)的頻譜圖、相圖、最大Lyapunov指數(shù)和化inearth截面圖；
[0013] 步驟五：根據(jù)步驟四中獲得的頻譜圖、相圖、P〇inca;r6截面和最大Lyapunov指數(shù) 圖得出水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。
[0014] 進(jìn)一步的，步驟一中壓力傳感器設(shè)置于尾水管肘管外側(cè)。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟二中壓力脈動(dòng)信號(hào)的采樣頻率為4000化。
[0016] 進(jìn)一步的，在進(jìn)行步驟四中所述的混濁動(dòng)力學(xué)特性分析前，需要預(yù)先對(duì)步驟Ξ中 得到的可用壓力脈動(dòng)信號(hào)進(jìn)行相空間重構(gòu)，獲得相空間重構(gòu)數(shù)據(jù)。
[0017] 進(jìn)一步的，步驟四中獲得化incar6截面圖的步驟具體為：在相空間重構(gòu)的數(shù)據(jù) 中，每周期取一個(gè)點(diǎn)即可得到化inearth截面圖。
[0018] 進(jìn)一步的，步驟四中獲得最大Lyapunov指數(shù)的步驟為：
[0019] ①對(duì)時(shí)間序列x(t)進(jìn)行FFT變換，計(jì)算平均周期P;
[0020] ②根據(jù)C-C方法計(jì)算序列嵌入維數(shù)m和延遲時(shí)間τ，并重構(gòu)相空間X(t);
[0021] ③在相空間中任意選定一點(diǎn)X(t)，在X(t)附近尋找最近鄰點(diǎn).VW，用時(shí)間序列的 平均周期P限制相空間點(diǎn)中臨近點(diǎn)的短暫分離：
[0022]
[0023] 式中，dt(0)代表初始時(shí)刻一對(duì)最鄰近點(diǎn)的距離；
[0024] ④對(duì)相空間中任意選定的一點(diǎn)X(t)，計(jì)算第t對(duì)最鄰近點(diǎn)經(jīng)過(guò)i個(gè)離散步長(zhǎng)的距 離dt(i)
[00巧]⑥根據(jù)Sato的估計(jì)，dt(i)與dt(0)之間的關(guān)系近似為： 陽(yáng)0%] 4(,)=
[0027] 式中，Δt為觀測(cè)時(shí)間序列的步長(zhǎng)；
[0028] ⑧對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)得到：
[0029] Indtα) =Indt(0) + 入1αΔt)，t= 1，2,. ..，Μ
[0030] ⑦對(duì)于每個(gè)i求出所有t的Indt(i)取平均值y(i)，即
[0031]
[0032] 式中，q是非零距離dt(i)的數(shù)目，利用最小二乘法擬合做出回歸直線，該直線的斜 率是時(shí)間序列的最大Lyapunov指數(shù)。
[0033] 一種基于混濁理論實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)壓力脈動(dòng)信號(hào)故障診斷的方法：
[0034] 步驟一：獲得封閉狀態(tài)下待測(cè)水輪機(jī)理想狀態(tài)下的最大Lyapunov指數(shù)； W35] 步驟二：將上述基于混濁理論實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法中測(cè)定的最大Lyapunov指數(shù)與待測(cè)水輪機(jī)理想狀態(tài)下最大Lyapunov指數(shù)相比較，測(cè)定的最大Lyapunov 指數(shù)小于待測(cè)水輪機(jī)理想狀態(tài)下最大Lyapunov指數(shù)，待測(cè)水輪機(jī)未發(fā)生空化；測(cè)定的最大 Lyapunov指數(shù)大于待測(cè)水輪機(jī)理想狀態(tài)下最大Lyapunov指數(shù)，待測(cè)水輪機(jī)存在空化，利用 專家系統(tǒng)獲得水輪機(jī)空化故障類型、程度及位置。
[0036] 水輪機(jī)流動(dòng)通道中水力空化和水流流動(dòng)形態(tài)密切相關(guān)，在內(nèi)部Ξ維端流狀態(tài)發(fā)展 到一定階段時(shí)，容易誘發(fā)流動(dòng)不穩(wěn)定性和空化現(xiàn)象。本發(fā)明中上位機(jī)通過(guò)壓力傳感器獲得 水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)信號(hào)，利用提升小波變換原理對(duì)壓力脈動(dòng)信號(hào)提升信噪比去除噪聲，利 用混濁動(dòng)力學(xué)方法分析水輪機(jī)在偏工況運(yùn)行時(shí)的混濁動(dòng)力學(xué)特征，能夠定量的量度水輪機(jī) 運(yùn)行中的空化程度，并對(duì)可能的故障做出預(yù)測(cè)，運(yùn)對(duì)發(fā)展流體機(jī)械故障診斷技術(shù)具有重要 的理論和工程意義。
[0037] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有W下有益效果：
[0038] 1.針對(duì)空化、空蝕現(xiàn)象，提出一種基于混濁理論的、有效分析水輪機(jī)壓力脈動(dòng)信號(hào) 特性的提取手段；
[0039] 2.針對(duì)從輕度空化到嚴(yán)重空化變化的工況過(guò)程，分析壓力脈動(dòng)信號(hào)的時(shí)域圖、頻 譜圖、相圖、最大Lyapunov指數(shù)及化inearth截面圖，能夠定性和定量的量度水輪機(jī)運(yùn)行中 的空化程度，完成對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，并依此實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的故障診斷；
[0040] 3.根據(jù)水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)行自身趨勢(shì)分析，輔助制定合理的水輪機(jī)檢 修計(jì)劃。
[0041] 4.解決水輪機(jī)因遇到空化問(wèn)題，造成效率降低，材料剝蝕，并產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲的問(wèn) 題。
[0042] 另外，本發(fā)明還具備W下優(yōu)點(diǎn)：
[0043] 1.能夠有效的提高設(shè)備運(yùn)行的安全性和使用壽命；
[0044] 2.系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠直觀的顯示水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及趨勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0045] 圖1是本發(fā)明所述水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法步驟示意圖；
[0046] 圖2是本發(fā)明水輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置連接示意圖；
[0047] 圖3是實(shí)施例1中壓力傳感器位置示意圖； 柳4引圖4是實(shí)施例1中實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)輪的綜合特性曲線； W例圖5是實(shí)施例1中工況1時(shí)尾水管內(nèi)部形態(tài)圖像；
[0050] 圖6是實(shí)施例1中工況2時(shí)尾水管內(nèi)部形態(tài)圖像；
[0051] 圖7是實(shí)施例1中工況3時(shí)尾水管內(nèi)部形態(tài)圖像；
[0052] 圖8是實(shí)施例1中工況4時(shí)尾水管內(nèi)部形態(tài)圖像；
[0053] 圖9是實(shí)施例1中工況1時(shí)原始信號(hào)a和提升小波法闊值去噪后信號(hào)b的幅頻特 性曲線；
[0054] 圖10是實(shí)施例1中工況2時(shí)原始信號(hào)a和提升小波法闊值去噪后信號(hào)b的幅頻 特性曲線；
[0055] 圖11是實(shí)施例1中工況3時(shí)原始信號(hào)a和提升小波法闊值去噪后信號(hào)b的幅頻 特性曲線；
[0056] 圖12是實(shí)施例1中工況4時(shí)原始信號(hào)a和提升小波法闊值去噪后信號(hào)b的幅頻