景豐聯圍泵站機組狀態監測與故障診斷

車貴榮，鐘文聰，李增賢，馮衛民

(1.甘肅省酒泉市金塔縣解放村水庫管理所，甘肅 酒泉 735300；2.武漢大學動力與機械學院，武漢 430072；3.廣東省肇慶市景豐聯圍管理局，廣東 肇慶 526000)

泵站在抗洪、排澇、灌溉、調水以及城鄉供水、工業供水、航運和改善生態環境方面發揮著極為重要的作用。隨著我國國民經濟的發展，一大批大、中型泵站投入運行，泵站的可靠性、安全性、經濟性的要求也越來越高。而泵站機組是泵站的關鍵設備，泵站的運行狀態直接影響泵站的安全運行。同時，隨著機組單機容量的不斷增大，對機組的檢修、維護、運行、管理提出了更高的要求。泵站機組的檢修一般采取事后維修或者定期維修，前者可能引起設備的二次損壞，甚至災難性事故；后者會導致過剩維修，過剩維修則會導致維修費用增加，引起人為維修故障，而且意外停機也會引起泵站機組的損壞。國內對于水電站的監控技術的研究已經日漸成熟，但對于泵站機組的狀態監測還處于起步階段，且大型泵站的監控在東線工程中有很大的作用，因此實施泵站機組運行狀況的狀態監測和故障診斷，對機組故障進行及時預測預報、分析原因，對于大中型泵站機組的安全運行具有重要的意義。

1 泵站計算機監控系統的結構

1.1 計算機監控系統的工作原理

為了簡單和形象地說明計算機監控系統的工作原理。給出典型的計算機監控系統原理圖，如圖1所示。在計算機監控系統中，由于控制計算機的輸入和輸出是數字信號，因此需要有A/D(模擬/數字)轉換器和D/A(數字/模擬)轉換器。從本質上看，計算機監控系統的工作原理可歸納為以下3個步驟。

圖1 計算機監控系統原理

(1)實時數據采集。對來自測量變送裝置的被控量的瞬時值進行檢測和輸入。

(2)實時控制決策。對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規律，決定將要采取的控制行為。

(3)實時控制輸出。根據控制決策，適時地對執行機構發出控制信號，完成控制任務。

上述過程不斷重復，使整個系統按照一定的品質指標進行工作，并對被控量和設備本身的異常現象及時作出處理。

1.2 計算機監控系統結構

泵站計算機監控系統執行控制任務通常包括正常運行控制、緊急控制和恢復控制這3個方面的內容。計算機監控系統的結構，即系統的結構問題，它涉及的因素很多，從工業自動化計算機監控系統的一般劃分，并依據目前泵站的實際情況，可以歸納為集中式監控系統、功能分散式監控系統和分層分布式監控系統。

分層分布式監控系統在地域上是分散的，即按控制對象進行分散。泵站的控制對象是泵站機組、開關站、公用設備、閘門等。按控制對象設置單獨的控制單元，稱作現地控制單元，它們由微機或可編程控制器等構成，組成了現地控制級。由于系統信息進行了分布處理，即各臺機組的信息由各臺機組控制單元進行處理，就不必敷設許多電纜將信息送到一處集中處理，可以節省相應的投資。基于分層分布式監控系統的優點頗多，它已取代其他兩種類型而成為泵站監控系統的主要類型。分層分布式監控系統整體結構如圖2所示。

圖2 分層分布式監控系統系統

2 泵站機組設備的故障樹構建與分析

故障樹分析(Fault Tree Analysis，FTA)又稱事故樹分析，是安全系統工程中最重要的分析方法。事故樹分析從一個可能的事故開始，自上而下、一層層的尋找頂事件的直接原因和間接原因事件，直到基本原因事件，并用邏輯圖把這些事件之間的邏輯關系表達出來。故障樹的因果關系清晰、形象，對導致事故的各種原因及邏輯關系能做出全面、簡潔、形象地描述，因而在水泵故障診斷中得到廣泛而重要的應用。

2.1 故障樹分析的原理及步驟

故障樹模型是一個基于被診斷對象結構、功能特征的行為模型，是一種定性的因果模型，以系統最不希望事件為頂事件，以可能導致頂事件發生的其他事件為中間事件和底事件，并用邏輯門表示事件之間聯系的一種倒樹狀結構。它反映了特征向量與故障向量(故障原因)之間的全部邏輯關系。圖3即為一個簡單的故障樹模型。圖3中頂事件：系統故障，由部件A或部件B引發，而部件A的故障又是由兩個元件1、元件2中的一個失效引起，部件B的故障是在兩個元件3、元件4同時失效時發生。

圖3 簡單故障樹模型

故障樹分析診斷法步驟如下：①調查事故。收集事故案例，進行事故統計，設想給定系統可能發生的事故。②選擇合理的頂事件。一般以待診斷對象故障為頂事件。③建造正確合理的故障樹。這是診斷的核心與關鍵。④故障搜尋與診斷。根據建立的故障樹，對故障進行搜尋和診斷。搜尋方法有邏輯推理診斷法和最小割集診斷法等。

2.2 泵站機組故障樹的建立

泵站機組故障樹建立的過程就是對機組整體系統進行逐層分解的過程，在對系統結構分析的基礎上找出引起機組故障的根本原因，理清設備各零部件之間的邏輯關系，最終建立系統故障樹。若要建立一個理有效的故障樹，就需要對“泵站機組設備”的結構和工作機理進行深入的分析。泵站機組結構復雜，對各零部件微小變化引起的機組振動故障進行分析是十分不易的，其中水力振動、機械振動和電氣振動是泵站機組振動的三大主要振源，這三方面因素常常交織在一起構成機組的復雜不穩定狀態。基于此，作者通過查找大量文獻總結出了泵站機組常見的故障及征兆，如表1所示，可以在這個基礎上以泵站機組振動為頂事件，按一定的邏輯門關系對泵站機組建相應的故障樹模型。

2.3 基于故障樹模型的泵站狀態監測系統開發

報警故障樹診斷模型如圖4所示，是通過經驗總結，把泵站機組運行中經常出現的水力、機械和電氣等各方面的故障按照樹型結構排列在系統數據庫中，當機組出現某一故障時，系統會通過各種信號分析尋找出可能出現的故障根源。找到故障根源后，故障產生的表現、原因和時間等信息就會自動的顯示在系統界面上。

機組狀態監測與故障診斷系統的可靠性和實用性要通過實驗室試驗的方法來進行驗證。在轉子試驗臺對轉子轉盤增加一個5 g的鍵硝，讓轉子的質量不平衡，及轉子質量偏心。并通過轉子臺控制器設置轉子的轉速為1 500 r/min。接線完整后，啟動上位機上安裝的系統軟件，并完成初始設置。數據采集完成后，可以通過系統對這組采集數據進行各種不同類型的信號分析。

通過頻譜分析，可以在信號分析頁面中顯示數據的頻譜圖，如圖5所示，可以看出信號頻譜分析之后的結果是基頻和二倍頻振動較大。通過振動分析，系統通過計算后顯示當前振動的主要頻率為25 Hz，并顯示了振動分析結果----轉子質量不平衡，如圖6所示。

表1 水泵常見故障及征兆

圖4 報警故障樹診斷模型

圖5 振動頻譜分析

圖6 振動分析結果

3 泵站狀態監測與故障診斷系統在景豐聯圍中的應用

在對泵站機組運行特性進行分析研究時，除了理論分析，現場試驗的機理分析研究也是必不可少的。泵站機組在實際運行時會受到多種因素的影響，機組在實際工況下的運行特性和在理論模型分析下的狀況會存在一定的差異，故障特征的變化也不完全相同，因此，泵站機組的現場運行試驗對分析研究機組的故障機理是一種非常合理有效的方法，有利于更加準確的對機組在不同運行工況下故障類型和性質的診斷決策，從而確立合理的故障診斷模式。

(1)泵站機組主要參數及試驗測點布置見表2。在水泵機組中，其頂蓋、上機架、上導等是十分重要的部件，這些部件在機組運行過程中會受到各種水力不平衡力和其他激勵源的作用而產生振動。長時間的振動可能引起結構的疲勞損壞，此外，當干擾力頻率與水輪機結構自振頻率接近或相同時可引發共振，在共振條件下極易引起結構的破壞。在監測點布置上，考慮石溪泵站機組本身較小的特點，在一號機組中布置了頂蓋X、Y、Z方向上的振動，上機架X、Y、Z方向上的振動、上導X、Y方向上的振動。

(2)機組實測數據及分析。圖7～圖9分別為頂蓋X、Y、Z方向上的振動、上機架X、Y、Z方向上的振動、上導X、Y方向上的振動的實時頻譜。

表2 景豐聯圍泵站機組基本參數

圖7 頂蓋X、Y、Z方向實時頻譜

圖8 上機架X、Y、Z方向實時頻譜

圖9 上導X、Y方向實時頻譜

由圖7、圖8中監測數據可以看出頂蓋和上機架的振動主要是Z軸方向上的振動，這種現象是由于水泵頂蓋、上機架垂直振動是水力因素占主要作用。如果垂直振動振幅過大是由于某種水力共振現象造成，而形成共振現象的原因，其一是由于頂蓋內腔水流復雜，且有不平衡現象發生，導致一種水力諧共振工況發生；其二是引水鋼管內水體振動頻率與某種旋轉頻率接近，而引發共振工況。此二類的共振頻率均與轉速頻率fn相近，而被稱為轉頻f′n=(0.75～1.3)fn。而消除共振工況措施，主要是補氣和消除各種不平衡力。

泵的轉軸與驅動電機軸直接相連，使得泵的動態性能和電機的動態性能相互干涉，高速旋轉部件多，動、靜平衡不能滿足要求。因此，從圖9中可分析出，上導的振動中機械因素其主要作用。

4 結 語

通過實驗分析與檢測結果可知，系統能夠真實的采集到實驗的實時數據，并且能對采集的數據進行有效而準確的分析，最后還能根據信號分析的結果準確定位故障根源。這證明系統已經達到了預期的效果，即能夠準確的診斷出故障原因。文章還通過現場實驗對石溪泵站水泵機組的現場振動測試，能夠具體反映出機組在不同運行工況下的振動情況，為今后機組的運行與檢修提供了真實可靠的數據資料，這是很有意義的一件事情。

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