大型汽轮发电机组油膜失稳故障诊断规则研究_张煜.doc

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1、鼻東 f 力 1 4 2 y 4 East China Electric Power V 1.40 No. 11 大型汽轮发电机组油膜失稳故障诊断规则研究 张 煜 王 向 志 2 , 谢 骐 宇 2 , 崔 蕾 3 , 张 云 河 4 (1.国核电力规划设计研究院，北京 1 95;2.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206; 3.国核 (北京 )科学 技 术研究院， 北 京 1 29;4.辽宁 东 方发电有限 公 司，辽宁抚顺 113008) 摘 要 : 针对诊断汽轮发电机组油膜失稳故障特征信息的冗余和重要度的不同，通过采用粗糙集 属性约简方 法得到 油膜失稳故障诊断规则。该方

2、法通过对汽轮发电机组油膜失稳故障（油膜涡动和油膜振荡）特征参数 进行模糊化 及离散化处理，构建故障决策表并进行约简，去除不重要的信息，提取诊断油膜失稳故障的规则。 实例表明，此 方法能有效诊断出油膜失稳故障。 关 键 词 :油膜振荡 ;粗糙集 ;正域 ;诊断规则 ;油膜涡动 作者简介 :张煜（ 1979-)，男，硕士研究生，研究方向为汽轮机油膜失稳故障诊断研究。 中图分类号 :TK263;TH133.2 文献标志码 :A 文章编号 :1001-9529(2012) 11-205405 基金项目：国家自然科学基金项目（ 51075146) Oil-film Instability Fault D

3、iagnosis Rule for Large Turbine-generator Unit ZHANG Yu 1, Xiang-zhi XIE Qi-yu 2, CUI Lei 3, ZHANG Yun-he (1. State Nuclear Electric Power Planning Design and Research Institute, Beijing 100095, China； 2. Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment of Ministry of Edu

4、cation, North China Electric Power University, Beijing 102206, China； 3. State Nuclear Power Research Institute, Beijing 100029, China； 4. Liaoning Dongfang Power Co. , Ltd , Fushun 113008, China) Abstract ： In view of the problems in turbine oil-film instability fault diagnosis, such as characteris

5、tic information redundancy and focus deviation, this paper proposed a diagnosis method for attribute reduction by rough sets. Thereby the characteristic parameters of turbine oil-film instability faults (oil whirl or oil whip) were discretized and fuzzed treatment; fault decision table is formulated

6、 to simplify the diagnosis process； redundant information is removed； finally the oil-film instability fault diagnosis rule is generalized. A practical example has been proved that the method can diagnose oil-film instatility fault effectively. 汽轮发电机组是高速旋转的动力机械，轴承 是 汽轮发电机组的重要部件，轴承的稳定与否直 接关 系到轴系的稳定运行

7、，而轴承振动故障中又 以轴承 油膜失稳最为常见。由于国内外都出现过 许多事故， 如 1972 年日本海南电站 3 号机组 (600 MW)由于油 膜振荡而发生的毁机朱火事故；国产 200 MW、 300 MW 机组早期基本上 都出现过 6,7 号轴承因油膜力 失稳而造成油膜振荡的事故 1， 人们越来越关注轴 承失稳问题，提出了很多智能 故障诊断方法，如专 家系统，神经网络方法等。这 些方法在实际工程应 用中均取得了不错的效果， 提高了系统运行和维护 人员的决策效率。 但在实际诊断中，尤其是基于专家系统的故 障 诊断中，知识获取是一个主要的瓶颈，如何从故 障 数据中导出诊断规则，一直是人们研究的

8、内容。 本 文将使用一种新的数据分析方法 粗糙集理 论来对 故障数据进行分析并导出诊断规则。 1 粗 糙 集 理 论 粗糙集理论是一种 新的处理模糊和不确定知 识的数学工具，其主要思想就是在保持分类能力 不 变的前提下 ,通过知识约简，导出问题的决策分 类 规则。 (2 ) 基本概念 张煜， 等大型汽轮发电机组油膜失稳故障诊断规则研究 2055 设 是 由 对 象 组 成 的 非 空 有 限 集 合 ， 称 为 论 域，是 f/上 的 一个 等 价关 系 ， f/?表示 的 所 有 等 价 类 ， 一 个 知 识库 就 是一 个 关系 系 统 尺 =(1/， /?)。 如果 且 Uj) e/?

9、，则称 x 和 y 在 反 上是 不 可区 分的 ,/?被 称 为一 个 不可 分 辨 关 系 。 若 及 ， 且 ， 则 np 也 是 一 等 价 关 系 , 且 称 为 P 上 的 一 个 不可 分 辨 关 系 ， 记为 IND (P)， 且 有 U,nd(P) = %L， 因 此 ， MND(产 ） 表 示 等 价 关 系 族 P 的相 S 关 知 识 ， 称为 K 中 点 于 f/ 的 P 基本 知 识 。 决策表是一类特殊而重要的知识表达系统， 设 S = (t/,C, v ， /) 为一个知识表达系统 ， A = C UD,CUD 二 0， C 称为条件属 性集 ,D 称为决策 属

10、 性集。具有条件属性和决策属性的知识表达系 统的 产决策表。约简就是在保持知识库分类能力 不变的 条件下，去除不相关或不重要的属性。 约简和核 在知识表达系统 S = (f/， C,Z)， V/)中，令 B 为 条件属性的非空子集，如果存在一个子集丨 C5, 有 INDn(fi，） =IND(B)，贝 IJB 称为属性的依赖集， 否 则 , 则 称 为 独 立 集 。 如 果 是 独 立 集 ， 且 IND ( C) 二 IND( 5 ) ，则 称 为 C 的简化。通常， C 的简 化不止一个， C 的妍有简化族记为 RED(C)。对于 任 一属性 a e C，如果 IND(C) #IND(C

11、 - U 丨 ） ， 则 称 a 为 C 中不可省略的 ;否则， a 为 C 中可省略的 。 C 中 所 有 不 可 省 略 关 系 的 集 合 称 为 C 的核，记为 CORE(C)，且有 :CORE(C) = HRED(C)。 设 sep， s 为 p 的 e-约简，当且仅当 s 是尸 的 2-独立子族，且 p ssU) =p sfU) 的 g 约 简 称 为 相 对 约 简 。 中 所 有 6 必 要 的 原 始 关 系 构 成 的 集 合 称 为 尸 的 G-核（ )为决策 属 性 D 对于所有条件属性 C 子集的正域集合。 POSBCC(Z)= t/ B(I) = Xe U/D U

12、U Y ( y Y e V / B ) A ( Y C X ) W ( 2 ) X s V / D 式中 , 为条件属性集 C 的 子 集 ； 分 别 为 属 性 D 及 Z?的所有等价类 ;X 为 1/D 的元素 ;:F 为所 求正域的 元素值。 对 于 BSC， 存 在 = C -/!，使条件属性集 4 关于决策属性 D 的重要度为 A ( d ) - J C D ) - y s ( D ) 7 c ( D ) 7 C - A ( D ) (3) 式中 ,7。 _A (D)表示在 c 中缺少属性集 4 后，条件属性相 对 于决策属性的依赖程度。如果 crA(/) =0,则属性集 4 可以

13、从属性集中去掉，进行约简。 2 构建 故障 决策 表及 粗糙 集约 简 2. 1 建立油膜失稳故障决策表 根据对汽轮机 组轴承油膜失稳故障机理的研 究 和现场经验的总结，得到诊断轴承油膜失稳故 障 的 决 策 表 。 首 先 选 取 与 转 子 运 行 状 态 相 关 的 1 5 种 相 关 征 兆 作 为 1 5 个 条 件 属 性 Z = 丨 Z, Z15!，共同构成一个条件属性。决策属性表示轴 承油 膜失稳故障的 2 种故障模式，决策属性 Z)= I ) POSc( O) ?0Sc-E2(D) 根 据 式（ 1) 式 (3)计 算 依赖度 、 正 域 和 7 POS 要 度 张 煜 ，

14、等 大型汽轮发电机组油膜失稳故障诊断规则研究 2057 进一步简化如表 6 所示。 表 6 进 _ 步简化的 故障决策表 U 2 D 表 9 计算后的 油膜失稳故障 决策表 其中 丨 ” 化七中的 “ 分别代表各自 条件属 性下的规则， 中 a、 6、 c 代表离散规则 0、 2、 3; 在 和 215 中 14代表离散规则 0、 3、 2;在 z13 中 a、 6、 c 代表离散规则、 2、 1。 这样 ， 得 到 了筒 化 后的 油 膜 失 稳故 障 决策 表 ， 将 相 似 项集 合 化作 为 一个 条 件属 性 集， 约 简后只 有 3 个 条 件 属 性 。 用 属 性 C = 丨

15、2 3 丨 代 替 C = z l I2 % VZ10 V 23 V Z l5 , z2 V-Z7 V 29 VV 21S I , 后求取 决 策表 集 合的正域，并计算权重。计算过 程见表 7、表 8。 表 7 故障决策 表结合的正域 条件属性集 决策集 zs zw 213 z15 D 1 正常工频 标准 椭圆 没有关系 不明显 / U/C-E3 1 2 3 4 5 振动特征 2 花瓣形 转速大于两倍转 非常 表 8 故障决 策表权重 频率与机组固有 频率接近 或 无规则 子一阶临界转速 明显 12 345 7 = 1 = 0 振动特征 4 频率为同步 转速频 率的 1/2 双环 转速小于两

16、倍转 明显 椭圆 子一阶临界转速 重 根 据 依 赖 度 分 析 ，除 外 = . 6，其他依赖 度 均 为 1 ，即 缺 少 条 件 属 性 集 剩 下 条 件 属 性 的对 决策属性的重要度为 . 4,而缺少其他属性 集的重 要度都为。因此，条件属性集 2 完全隶 属于正域， 是正域的核，可以作为诊断油膜失稳的 关键信息。 所以，将 &， &从决策表中删除，这样 得到约简后的 故障决策（见表 9)。 由于样本 3 与 2、 5 与 4 相同，所以化简了。 由 表 9 知，油膜失稳故障的诊断规则为： 规则 1 If “ 特征频率为正常工频 ” and“ 轴心 轨迹为标准椭圆 ” and “

17、振动与转速没有关系 ” ， and “ 振动突发性不明显 ”， then “ 机组正常 ” 。 规 则 2 If “ 振 动 特 征 频 率 与 机 组 固 有 频 率 接 近 ” and “ 轴 心 轨 迹 为 花 瓣 形 或 无 规 则 ” and “ 转速大于两倍转子一阶临界转速 ” and “ 振 动 突 发性非常明显 ”， then “ 发生油膜振荡故障 ” 规则 3 If “ 振动特征频率为同步频率的 1/ 2” and “ 轴心轨迹为双环椭圆 ” and “ 转速小于两 倍 转子一 阶临界转速 ” and“ 振 动 突 发 性 非 常 明 显 ”， then “ 发生油膜振荡故障

18、 ” 。 上述 3 个规则是诊断油膜失稳故障的必要条 件 而非充分必要条件属性，为提高诊断的精度，还 需考 虑权重低于 1 的其他条件属性集，同时综合 考虑机组 运行记录数据和检修状况进行分析。 3 应 用 实 例 清镇电厂某台 200 MW 机组，机组轴系如图 1 所 示 。 该 机 组 1 7 号 轴 承 全 部 采 用 水 平 中 分 的三油楔轴承，其中 6、 7 号轴承为发电机前后端 盖 轴承。该机组多次出现振动突增现象，其振动 特征如 下：（ 1)当定速 3 000 r/min 时， 6、 7、 8 号轴 承垂直 方向振动突增， 6、 7 号轴振最大也达到 300 以 上；（ 2)振

19、动频率主要成分为 19 Hz 的 低频分量 ;（ 3)7 号轴承先振动，然后波及到其他 轴 承 ;（ 4)在振动轴承处能听的 ” 嗡嗡 ” 的噪音。 图 1 机 组 轴 系 布 置 图 V/D 1 23 45 u/c 1 2 3 4 5 U/C-El 1 23 45 U/C-El 1 25 3 4 專 束 杳力 第 40 卷第 11 期 East China Electric Power Y 1.40 No. 11 Nov. 2012 基于动态数学建模的过热汽温自适应复合控制研究 王 婧 薛 阳 2 ， 陈 晶 2 (1.华能上海燃机发电有限责任公司，上海 200942;2.上海电力学院电力与

20、自动化工程学院，上海 200090) 摘要 :根据物理过程的特点，应用质量守恒、能量守恒及传热学原理，建立了过热汽温对象较为精确的动态 模型， 在此基础上，分别应用单神经元 HD 控制和模糊免疫 PID 控制策略，实现了 PID 参数的在线调节。仿真 结果表 明 ,两 种控制方法都具有良好的自学习和自适应能力，鲁棒性强，但模糊免疫 PID 控制器响应速度更 快，且结构 简单，有很好的应用前景。 关键词 :过热汽温 ;动态模型 ;单神经元 PID 控制器 ;模糊免疫 PID 控制器 ;参数调节 作者简 介 :王婧（ 1986-),女，助理 工程师，从事电力设备分析维护工作。 中图分 类号 : T

21、K323 文献标 志码 : A 文章编 号 :1001-9529(2012)11-205805 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 61040013);上海市教委重点学科建设资助项目（ J51303) Adaptive Compound Control of Superheated Steam Temperature Based on Dynamic Mathematical Model WANG Jing , XUE Yang2, CHEN Lei 2 (1. Huaneng Shanghai Combined Cycle Power CO. , LTD. , Shanghai 2009

22、42, China； 2. School of Electric Power and Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China) Abstract ： The more precise dynamic model for superheated steam temperature is established according to the characteristics of the physical process, as well as the princi

23、ple of mass and energy conservation, and the theory of heat transfer. Then the application of single neuron PID and fuzzy immune PID control strategy realizes the online adjusting of PID parameters respectively. Simulation results indicate that both of the control methods have strong self-learning,

24、self-adaptive ability and robustness, but the fuzzy immune PID controller has the better application prospect with the faster response and simpler structure. Key words： superheated steam temperature; dynamic model； single neuron PID controller； fuzzy immune PID 过热汽温对象具有明显的大惯性、大迟延、时 变和非线性等特性，扰动因素诸多 ,

25、且可能互相制 约。过热器以往的控制策略，一般都是基于简化 了 的动态模型 ,但模型工况过于简单，准确性不 4 结 语 本文使用粗 糙集理论提取诊断规则进行油膜 失稳故障诊断。利用粗植集理论对决策表进行约 简， 在保持决策表分类能力不变的情况下，剔除不 必要 的冗余属性，简化进行故障诊断时所需的信 息，从 而提高了故障诊断的准确率。实例表明，该 方法极 大地简化了诊断过程，抓住了故障本质的 足。本文根据物理过程的特点 ,应用质量守恒、能 量 守恒及传热学原理，建立了 600 MW 亚 临 界 强 制 循环汽包锅炉过热汽温对象较为精确的动态模 型， 更加符合实际工况，并在此模型的基础上，分 特征，提高了诊断的效率和可靠性，对现场油膜失 稳 故障的诊断具有现实意义。 参考文献： 1 尹绪雨 .大型汽轮发电机组油膜失稳故障诊断技术的研 究 D.北京 :华北电力大学 ,2009. 收稿日 期 :201202-21 本文 编辑 :郑文彬