水轮机状态检测.ppt

发电设发电设备备状态检测与故障诊断状态检测与故障诊断华中科技大学水电与数字化工程学院课程类型课程类型：专业选修课；学时学时：32；学分学分：2；水电机组状态检修课程教学大纲教学大纲先修课程先修课程：积分变换、概率论与数理统计、信号检测技术、水轮机、电机学等。考核方式考核方式：本课程为考试课程，考试形式为闭卷笔试，学生的课程总评成绩由平时成绩（占20%）和笔试成绩（占80%）两部分构成。平时成绩包括作业、出勤和学习主动性等。教材教材：水电机组状态检修讲义，华中科技大学 常黎编写，2011年参考书参考书：（1）设备故障诊断技术夏虹，刘用阔、谢春丽编著，哈尔滨工业大学出版社，北京航空航天大学出版社，北京理工大学出版社，哈尔滨工程大学出版社，西北工业大学出版社，2010年；（2）工程测试与信号处理，卢文祥，杜润生编著，华中科技大学出版社，2002年（第二版）。课程性质、目的和任务课程性质、目的和任务 设备故障诊断技术作为以计算机技术，人工智能、信号处理及特征提取技术等多学科交叉融合形成的技术，在现代工业生产过程中占有重要地位。本课程是水利水电工程专业的一门专业选修课。其目的是使学生掌握设备故障及其诊断等方面的基础知识，并初步掌握水电机组的状态监测、特征信号分析与处理，以及故障诊断的压力与方法，培养学生分析与解决故障诊断问题的能力，为其今后从事相关工作奠定基础。教学基本要求教学基本要求 通过对设备故障诊断的基本原理与方法进行系统的学习，使学生建立起设备故障诊断技术的整体概念；了解水电机组故障的类型及其特点，初步掌握水电机组状态检修方面的基础理论与方法。本课程学习应达到以下基本要求：（1）了解设备故障和维修等方面的基本概念和内容，对设备维修和故障诊断有较完整的认识；（2）了解状态监测与故障诊断的基本概念和设备故障的基本特性；（3）基本掌握信号的统计分析、相关分析、频域分析和时序分析方法；（4）基本掌握数字信号的频谱分析技术；（5）了解水电机组故障的振动分析方法；（6）了解几种典型的诊断原理和方法，初步掌握水电机组的故障诊断方法。1.1 设备的故障规律 1.2 设备的维修方式1.3 故障诊断的基本内容 1.4 我国发电设备的检修体制1.5 发展故障诊断技术的意义 1.6 故障诊断技术的研究状况1.7 故障诊断的基本方法 本课程的教学内容共分为六章，其中：第一章 概 述2.1 故障诊断与医学诊断 2.2 故障诊断学的基本概念2.3 故障机理及其研究的层次 2.4 系统故障的特性2.5 信息与信息熵第二章 故障诊断的基本概念3.1 信号的分类 3.2 信号的统计分析3.3 信号的相关分析 3.4 信号的频域分析3.5 信号的时序分析 3.6 卷积第三章 信号分析基础4.1 信号采样及其频谱分析 4.2 离散傅里叶变换（DFT）4.3 快速傅里叶变换（FFT）4.4 其它频谱分析技术简介第四章 数字信号处理5.1 概述 5.2 振动信号的检测5.3 水轮发电机组的振动 5.4 发电机组转子振动的故障诊断5.5 发电机的故障诊断 第五章 振动分析方法6.1 传统的识别方法 6.2 模糊识别方法6.3 灰色识别方法 6.4 神经网络识别方法第六章 故障诊断中的识别方法第一章 概 述 手工作坊机械化电气化信息化简单设备复杂设备 设备投入运行后，经过一定时间，必然会出现故障或出现失效，要维持它的正常工作，就必须对它进行故障诊断和维修。设备是生产某一特定产品或具备某一特定用途的成套器材。设备是生产某一特定产品或具备某一特定用途的成套器材。设备是与工业紧密相联的，随着工业的发展，设备也经历了如下四个阶段：在现代化生产中，设备的故障诊断技术越来越受到重视，如果某台设备出现故障而又未能及时发现和排除，其结果不仅会导致设备本身损坏，甚至可能造成机毁人亡的严重后果和巨大的经济损失。因此，对于重要的连续生产系统，例如电力系统的发电设备来说，故障诊断具有极为重要的意义。大量的运行和实验证明，大多数设备的故障率是时间的函数。典型的故障频率曲线通常称之为“浴盆”曲线，曲线形状呈两头高，中间低，具有明显的阶段行，可以划分为三个阶段，即磨合期、正常使用期和耗损期。1.1 设备的故障规律故障率时间 磨合期磨合期 正常使用期正常使用期 耗损期耗损期允许故障率 一般现场的设备都处于正常使用期和耗损期这两个阶段，因此可取“浴盆”曲线的一半，称为劣化曲线，如图所示。劣化曲线沿纵轴可分为三个区间：1 1、绿区：、绿区：故障率最低的阶段，表示设备处于良好的状态。2 2、黄区：、黄区：故障率已有抬高的趋势，表示设备处于警戒注意的状态。3 3、红区：、红区：故障率已大幅上升的阶段，表示设备已处于严重或危险状态，要准备随时停机。故障率%时间 目前设备维修主要有下列四种维修方式：改善维修、事后维修、计划检修和状态检修。改善维修、事后维修、计划检修和状态检修。这四种维修方式分别针对不同特点的设备。同时，这四种维修方式又分别代表了不同的设备维修思想和设备维修技术水平。1.2 设备的维修方式1 1、改善维修、改善维修 是为了消除设备的先天性缺陷或频发故障，对设备的局部结构或零件的设计加以改进，并结合修理进行改装，以提高设备的可靠性和维修性的措施。通过检查和修理实践，对设备易出故障的薄弱环节进行改进，从而改善设备的技术性能，达到从根本上减少设备故障，提高设备效率的目的。2 2、事后维修、事后维修 当设备发生故障，或性能、精度降低到合格水平以下时所进行的非计划性修理称为事后维修。适用于非重点设备、简单和低值设备、利用率低或有备用的设备，以及即使故障停机也不致影响生产的设备。设备出现突发故障会给生产造成很大损失，也会给修理造成被动和困难。所以对关键设备和生产流水线上的重点设备，不宜采用这种修理方式。但对于故障发生后进行修理对生产影响不大，而实行预防修理在经济上并不合算的设备，可以采用事后维修方式。3 3、计划检修（定期维修）、计划检修（定期维修）是一种以时间为基础的预防维修方式，它具有对设备进行周期性修理的特点，即是根据设备的磨损、疲劳及老化等劣化规律，事先确定修理类别，修理周期及修理工作量，预计所需的备件和材料，可作较长时间的安排，而修理计划则按设备的实际开动时数编制。这种维修方式适用于能掌握设备劣化规律和平时难以停机进行维修的生产设备。其故障模式属于规律性故障，或无发展期而无法实施状态监测者，由于定期维修是按照固定的修理周期结构来安排设备的大、中、小修的，从而难免会造成“过剩维修”的缺点，因此成本增高，经济效果不好。4 4、状态检修、状态检修 是一种以设备技术状态为基础的预防维修方式，亦称预知或预测维修。它是在对设备进行状态检测状态检测的基础上，根据设备的故障诊断故障诊断所提供的信息，经过统计分析和数据处理，来判断设备的劣化程度，并在故障发生前有计划地进行适当的维修。由于这种维修方式能对设备适时地、有针对性地进行维修，不仅能保证设备经常处于良好的技术状态，而且还能充分利用零件的寿命，有效地避免“维修不足”或“维修过剩”的情况，因此这是一种经济合理，值得提倡的维修方式。设备故障诊断的基本内容包括：状态检测、征兆提取、状态识别（故障诊断）、状态分析和维修决策。1.3 故障诊断的基本内容状态检测表征设备状态表征设备状态的特征信号的特征信号提取故障源存提取故障源存在的有效信息在的有效信息征兆提取状态分析状态识别维修决策诊断设备故障诊断设备故障的原因和程度的原因和程度识别设备状态识别设备状态的变化趋势的变化趋势一、状态检测一、状态检测 对设备的工作状态采用各种监测仪表实时进行监测，即在电力设备的合适部位通过传感器测取同有关状态的特征信号，并将这些特征信息变为电信号或其它物理量信号，输入到信号处理系统中进行处理，以便得到能反映电力设备运行状态的参数，获取大量的设备运行状态信息作为故障诊断的基础信息。设备传感器表征设备运行表征设备运行状态的信息状态的信息电信号或其它电信号或其它物理量信号形式物理量信号形式特征信号 通过合适的征兆提取手段从特征信号中提取有关状态的征兆。要求所有征兆都是能够准确反映故障源存在的有效信息的表达形式，而且包含有关状态的信息量最多。征兆信号是诊断决策的依据。征兆统计分析和统计分析和频谱分析等频谱分析等特征信号二、征兆提取二、征兆提取三、状态识别三、状态识别 根据所提供的能反映设备运行状态的征兆或特征参数的变化情况，采用合适的状态识别方法从特征推理中识别设备状态是否正常，或存在故障，并诊断故障的性质和程度、产生原因或发生部位。为了能正确或准确地诊断出设备的故障存在与否，需要深人分析和研究各种征兆与故障之间存在的客观关系，而这些关系又是客观逻辑关系的反映。故障原因状态识别状态识别征兆 目前出现了诸多的诊断理论与诊断方法，其中包括：统计识别、模糊逻辑、灰色理论、神经网络等。通过收集和提取到的各种征兆参数与已知对各种典型故障状态模式向量的比较，识别和诊断出设备所存在的故障，同时说明其性质和程度等有关决策判断，这是系统中的关键性步骤。四、状态分析四、状态分析 采用合适的状态分析方法从征兆与状态推理而识别出有关状态的发展趋势。其中包括故障的早期诊断、故障预测以及设备的性能和故障发展趋势预测。五、维修决策五、维修决策 当分析诊断出电力设备存在异常状态，即存在故障时，就其原因、部位和危险程度进行研究和决定其治理修正和预防的办法。这就包括调度、更换、检修、改善等方面工作。如果经过分析认为设备尚可继续作短时运行，那就要对故障的发展进行重点监视、或巡回监视，以保证设备运行的可靠性。根据对状态检修基本内容的阐述，必须分清状态检测与故障诊断的区别与联系，即诊断为目的，检测是手段。其中：状态检测状态检测是通过监测手段，监测和测量设备或部件运行状态信息和特征参数（例如振动、温度等），并以此来检查设备的状态是否正常；故障诊断故障诊断不仅能够检查出设备是否正常，还要对设备发生故障的部位、产生故障的原因、故障的性质和程度，给出正确的深入的判断，即要求作出精密诊断。故障诊断不仅是对监测与诊断系统应有了解，更重要的是对设备本身的结构、特性、动态过程、故障机理，以及故障发生后的后续工作或事件，包括维修与管理要有比较清楚的了解。对发电设备性能以及运行过程的了解，本身就是一项专门知识，非一般仪表工程师或电子、计算机专业人员能力所及；从这一角度考虑，故障诊断技术与状态监测系统又是两回事，有着十分不同的专业倾向。设备诊断过程的本质是在对设备观测的基础上，进行设备状态的识别过程。如果将模式识别的概念加以扩展，使其不仅包含数值计算过程，也包括知识处理、符号推理的过程，则设备诊断过程就是模式识别过程。而发电设备状态检修中的诊断过程就是运用发电设备故障诊断知识对发电设备有关状态进行模式识别的过程。发电设备在运行过程中，由于受设备自身寿命的限制，或由于存在设备质量缺陷和外界干扰等原因，不可能一直平稳地运行下去，运行一段时间后必须进行检查修理，及时更换易损件，修复局部损坏的可以修复的零部件，方能保证设备安全、稳定、经济进行。长期以来，在学习前苏联电力设备管理和检修经验的基础上，根据我国电力工业的特点和发电厂检修规程（SD230-87），发电设备的检修都是采取计划检修模式，定期进行检修。发电设备计划检修一般可以分为定期检查、小修、大修和扩大性大修四种。1.4 我国发电设备的检修体制 发展设备故障诊断技术的意义在于以下几个方面：1 1、提高设备的管理水平、提高设备的管理水平 现代科学技术和现代化管理是提高经济效益的决定性因素。科学技术进步和管理水平的提高将从根本上决定我国现代化建设的进程，是关系到我国民族振新的大事。“管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再生产的必不可少的条件，而且对提高企业经济效益，推动国民经济持续、稳定、协调发展，有着极其重要的意义。而实现电力设备的状态检修是提高电力系统运行管理水平的一个重要组成部分。1.5 发展故障诊断技术的意义2 2、提高设备的可靠性，避免重大事故的发生、提高设备的可靠性，避免重大事故的发生 发电的可靠性与发电设备的可靠性，在发电厂运行中是最为重要的。由于电力设备故障而导致的电力中断或设备损坏，将会对国民经济建设造成巨大的损失。例如：1986年4月，前苏联乌克兰切尔诺贝利核电站的爆炸，造成2千人以上的死亡，几万居民撤离原居民区，溢出的放射性物质污染了西欧上空，带来近30亿美元的巨大损失；广州抽水蓄能电站1997年曾发生一起300MW抽水蓄能机组泄水锥在发电运行中脱落，在抽水时又被抽回，造成转轮彻底破坏的严重事故，致使该机组停产10个月以上，损失上亿元。3 3、可以获得巨大的经济效益和社会效益、可以获得巨大的经济效益和社会效益 现代工业生产的特点是：设备大型化、生产连续化和高度自动化。这在提高生产率、降低成本、保证电能质量等方面，具有巨大的优势。但是，一旦水电生产过程发生故障，哪怕是一个零件或组件，也可能会迫使生产中断，带来巨大的经济损失。另外，故障诊断可以准确掌握设备状态，预测设备故障发生、发展的趋势，因而对状态尚好的设备，可以有根据地适当延长检修周期，对状态不太好的设备，可以积极主动地采取有效的维护措施，最大限度地使其正常运行，充分发挥设备的运行能力，防止盲目停机检修。4 4、能够有效地减少设备的维修费用、能够有效地减少设备的维修费用 由于故障诊断强调的是把故障发现并消灭在萌芽状态，因而，此时需要采取的检修工作往往比故障真正出现后所需的检修工作简单并且低廉，从而可以大大降低检修成本，这在发电设备的复杂性和重要性不断提高、检修成本占设备运行成本比例越来越大的今天，更具有重大意义。1.6 故障诊断技术的研究状况 通过对设备的故障诊断然后进行设备检修，实际上自有工业生产以来就已存在。早期人们依据对设备的触摸，对声音、振动等状态特征的感受，凭借工人的经验，可以判断某些故障的存在，并提出修复的措施。例如有经验的工人常利用听棒来判断旋转机械轴承及转子的状态。但是设备故障诊断技术作为一门学科，则是上个世纪60年代以后，随着科学技术的不断发展和设备检修管理水平的不断提高，逐渐发展起来的。在工程领域中，有以机械设备、电子仪器、工程结构以及计算机系统为对象的各种诊断技术。首先开展这门学科研究及应用的是美国等一些发达国家；首先应用的领域主要是设备重要性大、技术含量高、系统复杂的军工等行业。电力行业起步也较早，但先期主要在核电站和火电厂中开展这项工作，水电站相对来说起步稍晚。与医学领域中的诊断相比，设备诊断技术开发得比较晚，历史比较短，其水平和成熟程度都比不上医学诊断。虽然如此，自上世纪60年代中期开始，特别是70年代以来，设备诊断技术的发展速度、研究规模和所取得的成果，以及达到的应用程度都是十分令人鼓舞的。之所以如此，是因为60年代人们开始认识到发展故障诊断技术的重要性和迫切性。美国1961年具有划时代意义的阿波罗计划的执行日本1964年作为技术进步象征的新干线的建成英国1970年提出关于设备综合工程学发展设备故障诊断技术的推动力60年代是计算机和电子技术大发展的年代快速傅里叶变换（FFT）和算法语言的出现把信号分析技术从硬件到软件推向新的高度推动了设备故障诊断技术的发展声发射技术红外测温技术振动信号谱分析技术各种无损检测技术开展设备故障诊断研究的技术背景美国开展故障诊断技术较早的国家，在机械设备、动力装置、航空飞行器、武器装备等领域的研究取得了大量成果，处于领先地位。英国开展故障诊断技术的研究与应用与美国密切相关，并取得了令人注目的成果。欧洲故障诊断技术的研究与应用取得了很大进展，虽然广度不大，但都在某一方面具有特点或占领先地位。如瑞典的轴承监测技术和挪威的船舶诊断技术等。日本在钢铁、化工、铁路等领域的故障诊断技术发展很快，占有某种优势。世界各国开展设备故障诊断研究的状况中国中国开展设备故障诊断技术的研究及应用始于二十世纪80年代涉及的行业电力系统石化系统冶金系统工作比较集中的是大型旋转机械的故障诊断与维修工作比较集中的是大型旋转机械的故障诊断与维修1.7 故障诊断的基本方法 设备故障诊断的基本方法可按不同的观点来分类：按诊断的难易程度分类简易诊断简易诊断精密诊断精密诊断按诊断的测试方法分类直接观测法直接观测法振动诊断法振动诊断法噪声测定法噪声测定法无损检测法无损检测法温度诊断法温度诊断法性能测定法性能测定法1 1、简易诊断法、简易诊断法 指主要采用便携式的简易诊断仪器，根据设定的标准或经验进行分析，了解设备是否处于正常状态。若发现异常，则通过对监测数据的分析进一步了解其发展的趋势。2 2、精密诊断法、精密诊断法 指对已产生异常状态的原因采用精密诊断仪器和现代分析手段（包括计算机辅助分析、专家系统等）进行综合分析，以了解故障的类型、程度、部位和产生的原因及故障发展的趋势。2 2、直接观察法、直接观察法 传统的直接观察，如“听、摸、看、闻”是早已存在的诊断方法，并一直沿用到现在，在一些情况下任然十分有效。但该方法主要依靠人的感觉和经验，故有较大的局限性，不能适应现代复杂设备的诊断。3 3、振动诊断法、振动诊断法 以设备的垂直振动、水平振动等为检测目标，进行特征分析、谱分析和时频域分析，也包括含有相位信息的全息谱诊断法和其它方法。振动诊断技术是一种利用正常设备的动态性（如固有频率、振型、传递函数等），与异常设备的动态特性不同，来判断设备是否存在故障的技术。振动诊断法是设备故障诊断中最常用的方法之一。作为大型旋转机械的水电机组，其转轴和固定支承部件、定子铁芯的振（摆）动程度，是表征机组运行状态是否正常的重要标志之一。通过振动测量，可以检测和评估机组转动部分质量平衡、转动系统摩擦力、轴系联接及刚度、轴线、磁极固定、铁芯松动、转轮叶片裂纹、水轮机汽蚀、止漏环损坏、定转子空隙间隙不均匀、磁极短路和三相负荷失衡等水力、机械及电气方面的故障。4 4、无损检测法、无损检测法 又称无损探伤，是指在不损伤被检测对象的条件下，利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等物理量的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷。无损检测被广泛用于金属材料、非金属材料、复合材料及其制品以及一些电子元器件的检测。5 5、温度诊断法、温度诊断法 以设备在运行中某些元件（如轴瓦）的温度、温差、温度场、热象为检测目标，进行温变量、温度场、红外热象识别与分析。水电设备的运行状态与温度有关，例如传热率与温度梯度和设备的性能密切相关，因此，根据系统及周围环境温度的变化，可以识别系统运行状态的变化，温度检测技术在水电设备的故障诊断中是最早采用的一种技术，随着现代热学传感器和检测技术的发明和发展，温度诊断技术已成为故障诊断技术的重要方向。7 7、性能测定法、性能测定法 以设备各种主要性能指标为检测目标，研究和分析设备的运行状态，识别故障的发生与发展，提出早期预报与维修计划，估计设备的剩余寿命。6 6、噪声测定法、噪声测定法 以设备在运行中的噪声发射为检测目标，利用声学原理进行声级、声强、声源、声场、声谱分析，获取设备的故障信息。一、简述目前设备的四种主要维修方式。二、请叙述发展设备故障诊断技术的意义。三、目前设备故障诊断基本方法的分类有几种？主要有哪几种类型？四、设备故障诊断包括哪几个方面的内容？第一章 作业