Разработка адаптивных средств выявления неисправностей и стратегии обслуживания гидроагрегатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка адаптивных средств выявления неисправностей и стратегии обслуживания гидроагрегатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Гидроэлектростанции являются важной частью генерирующих мощностей в составе Единой энергетической системы России. Они обеспечивают устойчивую работу энергосистемы в связи с высокой мобильностью гидроагрегатов и размещением на гидроэлектростанциях резервных мощностей, имеющих малое время мобилизации. Также к преимуществу ГЭС следует отнести их высокую эффективность, основанную на использовании возобновляемой гидроэнергии. Большинство гидроэлектростанций России отработало длительный срок, 25 лет и более, и вероятность появления неисправностей их оборудования увеличилась. Используемые в настоящее время средства контроля состояния гидроагрегатов либо устарели, либо не в полной мере удовлетворяют современным требованиям. Этими проблемами в значительной степени определяется необходимость внедрения эффективных микропроцессорных средств постоянного контроля и диагностирования оборудования.

Техническое диагностирование гидроагрегата во время работы и при периодических обследованиях относится к профилактическим мероприятиям по поддержанию работоспособности машины и предотвращению аварийных ситуаций.

При этом одной из самых важных проблем является определение дефектов на ранней стадии развития. Решение этой проблемы позволит обеспечить высокий коэффициент готовности, сократить время простоя, снизить затраты на ремонты, продлить срок службы основного оборудования, а также предотвратить аварийные ситуации.

К настоящему времени по проблеме выявления и устранения дефектов в гидроагрегатах написано много трудов. Исследован характер процессов развития дефектов, разработаны методы выявления дефектов при помощи осмотров, испытаний, измерений, а также посредством контроля отдельных параметров, таких как температура и вибрация. Исследования в области технического диагностирования, а также разработки стратегий обслуживания гидроагрегатов продолжаются и в настоящее время.

Для получения информации о состоянии гидроагрегата широко используется контроль биений вала. На сегодняшний день на некоторых станциях уже работают аналоговые системы контроля биений с использованием индукционных датчиков. Недостатком этих систем можно считать несовершенные технологии сбора и обработки информации. В настоящее время появились микропроцессорные устройства мониторинга параметров, входящие в систему мониторинга и диагностирования гидроагрегата. Эти устройства осуществляют мониторинг и передачу на диспетчерский уровень некоторых интегральных параметров движения вала гидроагрегата. По полученным данным технический персонал станции выполняет оценку состояния оборудования. Таким образом, процесс определения технического состояния и выявления дефектов гидроагрегата не является автоматическим.

В связи с этим является актуальной задача разработки на базе автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП) ГЭС адаптивных средств непрерывного технического диагностирования, позволяющих определять текущее состояние гидроагрегата и выявлять дефекты на ранней стадии развития.

Целью работы является исследование и разработка моделей, методов и средств непрерывного контроля технического состояния гидроагрегатов по данным биений вала, а также построение адаптивной системы выявления дефектов гидроагрегатов.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

· разработка методики оценки вибрационного состояния гидроагрегатов при непрерывном автоматическом контроле;

· разработка методов и средств измерения и преобразования сигналов виброперемещений вала гидроагрегата;

· разработка методики вычисления биений вала гидроагрегата;

· определение набора дефектов, выявление которых возможно по данным о биениях вала;

· разработка методики технического диагностирования гидроагрегатов по биениям вала;

· разработка принципов построения систем непрерывного контроля технического состояния и технического диагностирования гидроагрегатов на основе данных о вибрации;

· проверка работоспособности системы непрерывного контроля технического состояния на Новосибирской ГЭС;

· проверка системы технического диагностирования гидроагрегатов (выявление дефектов) средствами математического моделирования.

Объект исследования. Вертикальный гидроагрегат зонтичного типа с поворотно-лопастной турбиной.

Предмет исследования. Модели систем непрерывного технического контроля состояния и технического диагностирования вертикальных гидроагрегатов.

Методы исследования. Разработанные в диссертации научные положения используют системный подход к техническому диагностированию гидроагрегатов и основываются на применении теоретических и экспериментальных методов исследования в этой области. Поставленные задачи решены с использованием методов математического анализа, теоретической механики, теоретических основ электротехники, цифровой обработки сигналов, теории искусственных нейронных сетей, теории нечетких множеств.

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов работы подтверждается теоретическими обоснованиями, проверками на математической модели, совпадением результатов расчета параметров дефектов для агрегатов Новосибирской ГЭС и данных послеремонтных измерений и испытаний. Адекватность системы контроля технического состояния подтверждается совпадением полученных значений биений вала с результатами вибрационных испытаний на гидроагрегатах Новосибирской ГЭС.

Научная новизна работы заключается в следующем:

· произведён анализ влияния дефектов гидроагрегата на вибрацию его конструктивных узлов;

· предложен новый подход к проведению контроля технического состояния и технического диагностирования гидроагрегатов;

· разработан алгоритм вычисления амплитуд и фаз гармонических составляющих биений вала гидроагрегата;

· разработана новая методика технического диагностирования (определения дефектов механической и электрической частей) гидроагрегата. Данная методика использует в качестве исходных данных результаты измерений биений вала. Выявление дефектов осуществляется при помощи гибридной экспертной системы, которая построена на правилах, полученных с помощью модели вращения ротора генератора, и может дополняться правилами, получаемыми при эксплуатации гидроагрегата. Гибридная экспертная система построена на основе теорий нечетких множеств и искусственных нейронных сетей. Применение нечеткой логики позволяет решать задачи, имеющие неточный характер, а нейросетевая реализация дает возможность обучения системы. Произведен выбор режимов гидроагрегата, по которым должно производиться сравнение результатов диагностирования для однозначного определения дефектов;

· разработаны принципы построения и алгоритмы работы систем непрерывного контроля технического состояния и технического диагностирования гидроагрегатов по данным о биениях вала.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

· разработаны принципы построения систем непрерывного контроля технического состояния и технического диагностирования гидроагрегатов по биениям вала, позволяющих повысить надежность и срок службы гидроагрегатов за счет выявления дефектов на ранней стадии развития в процессе эксплуатации;

· разработаны алгоритмы замера сигнала биений вала и преобразования данного сигнала в форму, удобную для передачи по каналу последовательной связи;

· разработаны аппаратные и программные средства контроля биений вала гидроагрегата.

Основные положения, выносимые на защиту:

· методологические основы технического диагностирования гидроагрегатов по вибрационным параметрам;

· методика непрерывного контроля технического состояния гидроагрегата по данным о вибрации;

· методика определения дефектов механической и электрической частей гидроагрегата, построенная на основе нечеткой логики и искусственных нейронных сетей, использующая в качестве исходных данных измерения биений вала вблизи направляющих подшипников;

· принципы построения систем непрерывного контроля технического состояния и технического диагностирования гидроагрегатов на основе данных о вибрации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электрических станций НГТУ; на всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации» в 2007, 2008, 2009 и 2010 гг. в г. Новосибирске; на международной научно-технической конференции «Энергосистема: Исследование свойств, Управление, Автоматизация», проводившейся Институтом Автоматизации Энергетических Систем в мае 2009 в г. Новосибирске; на днях науки НГТУ в 2009, 2010 гг.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 1 научная статья в рецензируемом научном журнале, входящем в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ; 1 статья в сборнике научных трудов; 6 работ, опубликованных в сборниках международных и всероссийских конференций.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 5 приложений. Список использованных источников содержит 78 наименований. Основное содержание диссертации изложено на 157 страницах, содержит 10 таблиц и иллюстрируется 41 рисунком.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проблем, возникающих при техническом диагностировании гидроагрегатов ГЭС, и обоснована необходимость их решения; сформулированы цель и задачи исследования, положения научной новизны, отражена практическая ценность результатов, описана структура диссертации в целом.

В первой главе «Техническое диагностирование агрегатов гидроэлектростанций» рассмотрены общие принципы технического диагностирования агрегатов гидроэлектростанций. Систематизированы дефекты гидроагрегата и способы их выявления. Сделан анализ современного состояния средств и методов диагностирования гидроагрегатов. По результатам анализа выделены проблемы, возникающие при контроле технического состояния и диагностировании, а также предложены пути их решения.

Выделено 7 основных групп дефектов гидроагрегата. Сформулированы причины возникновения дефектов:

· старение материалов и износ конструктивных узлов гидроагрегатов;

· недостатки проектирования и производства;

· недостатки транспортировки, хранения и монтажа;

· неудовлетворительные техническая эксплуатация и ремонты;

· применение недоброкачественных материалов;

· перегрузки (длительные и/или кратковременные), превышающие значения, определяемые технической документацией;

· выход параметров окружающей среды за допустимые пределы, установленные технической документацией.

Создание единой модели выявления дефектов не представляется реальным. Намного реальнее выглядит создание систем диагностирования по отдельным параметрам с дальнейшей интеграцией с АСУТП ГЭС. Обозначена необходимость применения комплексного диагностирования для объективной оценки состояния.

Анализ современного состояния используемых систем виброконтроля и диагностирования гидроагрегатов показал, что все существующие системы позволяют контролировать текущее состояние гидроагрегата, а некоторые позволяют осуществлять мониторинг. При этом вся тяжесть анализа текущего состояния лежит на персонале станции, который на основании текущих значений вибрационных параметров и на основании результатов мониторинга должен оценить состояние гидроагрегата.

Более детальное диагностирование гидроагрегатов в настоящее время осуществляется по результатам периодических испытаний, во время которых измеряются также такие параметры, которые не охватываются постоянно действующими системами. Этот подход обладает тем недостатком, что часть параметров контролируется через большие промежутки времени. Поэтому этот метод не позволяет своевременно выявлять ухудшение состояния гидроагрегата и, соответственно, выявлять тенденцию изменения состояния гидроагрегата.

Для осуществления непрерывного диагностирования требуется автоматическая система контроля, охватывающая все необходимые для диагностирования точки контроля, обеспечивающая сбор и первичную обработку информации и дополненная автоматическими средствами определения технического состояния и характера изменения этого состояния во времени. Это позволит, помимо оценки текущего технического состояния, определять вид и опасность имеющихся и возникающих дефектов, а также тенденцию их развития.

Показана важность контроля параметров вибрации в общей системе мониторинга и диагностирования.

Приведена методика оценки вибрационного состояния гидроагрегата. Полная оценка вибрационного состояния гидроагрегата осуществляется по измеренным вибрациям опорных конструкций гидроагрегата, биениям вала, вибрациям стальных конструкций и лобовых частей обмоток статора.

Оценка вибрации опорных узлов гидроагрегата производится по размаху виброперемещения в зависимости от частоты вращения ротора от 1 Гц до 30 Гц. Сигнал вибрации всегда имеет сложную форму. Следовательно, чтобы оценить такую вибрацию, ее необходимо разложить на гармонические составляющие. Это можно выполнить, используя разложение в ряд Фурье. При этом оценка осуществляется как по отдельным гармоникам, так и по суммарному размаху виброперемещения. Из всех оценок выбирается худшая.

Вибрация стальных конструкций статора гидрогенератора содержит несколько составляющих. Основная гармоническая составляющая, имеющаяся в данной вибрации, имеет частоту 100 Гц.

Оценку уровня биения вала гидроагрегата следует производить сравнением результатов измерения с предельными значениями, которые устанавливаются на основе рекомендаций заводов-изготовителей гидротурбины и гидрогенератора и опыта эксплуатации и указанными в стандарте организации ГЭС.

На основании методики оценки состояния гидроагрегатов и проведенного анализа отечественных и зарубежных систем виброконтроля и вибродиагностики сформулированы основные требования к разрабатываемым системам контроля технического состояния и технического диагностирования.

Вторая глава «Разработка методики непрерывного контроля технического состояния гидроагрегата по данным о вибрации» посвящена определению вибропараметров движения вала гидроагрегата и контролю технического состояния по этим параметрам.

В главе рассмотрены основные принципы контроля технического состояния гидроагрегатов. Сбор данных о состоянии оборудования может быть непрерывным или периодическим. Непрерывный сбор данных обеспечивает персонал информацией о техническом состоянии в режиме реального времени. Периодический сбор данных проводится через определенный промежуток времени либо после ремонта перед вводом в эксплуатацию оборудования.

Завершающим и самым ответственным этапом контроля технического состояния является оценка состояния оборудования по измеренным параметрам. При такой оценке полученные значения параметров сравнивают с несколькими значениями: с номинальным значением параметра, определяемым его функциональным назначением; значением, полученным в ходе предыдущего обследования; предельно допустимым значением, превышение которого может привести к аварии.

Сравнение с номинальным значением позволяет вычислить, насколько текущее значение отклоняется от номинального, характерного для данного типа оборудования.

Сравнение контролируемого параметра со значениями, полученными в предыдущие обследования, позволяет проследить тренд его изменения. А это, в свою очередь, может быть использовано не только для определения технического состояния, но и для определения дефектов оборудования.

Сравнение с предельно допустимым значением позволяет определить оборудование (элементы и отдельные узлы), эксплуатация которых недопустима. Такое сравнение необходимо производить не только при периодических обследованиях, оно должно осуществляться непрерывно в режиме реального времени.

Обозначены режимы работы гидроагрегата при измерении и оценке вибрации. Измерение вибрации и биения вала в нескольких режимах позволяет оценить уровень вибрации и установить, какие возмущающие силы - механические, гидравлические или электрические - вызывают повышенную вибрацию.

Характерным признаком наличия механических возмущающих сил является наличие вибрации после закрытия направляющего аппарата при останове агрегата.

Характерным признаком наличия гидравлических возмущающих сил является исчезновение или значительное снижение вибрации при переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора с освобождением от воды камеры рабочего колеса.

Характерным признаком наличия электромагнитных возмущающих сил является увеличение вибрации при подаче возбуждения на холостом ходу агрегата.

Принцип замера вибропараметров. Рассмотрены средства замера вибропараметров. В качестве средств замера выбраны бесконтактные вихретоковые датчики. Вихретоковый датчик представляет собой металлический зонд с диэлектрическим наконечником, в который заключена катушка индуктивности, на одном конце и отрезком коаксиального кабеля на другом.

Датчики биений вала устанавливаются на нескольких уровнях вблизи вала, что позволяет контролировать биения вала в нескольких сечениях. В каждом сечении устанавливается два датчика во взаимно перпендикулярных направлениях: верхний бьеф - нижний бьеф (ВБ-НБ), правый берег - левый берег (ПБ-ЛБ). Контроль осуществляют вблизи направляющих подшипников генератора и турбины. Устанавливается 4-6 датчиков на агрегат, это зависит от числа подшипников гидроагрегата.

Входным параметром вихретокового датчика является величина зазора между диэлектрическим наконечником и электропроводящим объектом.

На вход датчика подается сигнал переменного тока, сгенерированный органом тестирования. Ток, действующий в катушке, создает электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в электропроводящем объекте. Электромагнитное поле вихревых токов воздействует на катушку датчика, изменяя ее активное и индуктивное сопротивления. Параметры меняются при изменении зазора между контролируемым объектом и торцом датчика.

Ток, пропускаемый через катушку индукционного датчика, имеет синусоидальную форму. Изменение величины зазора («биений вала») происходит на оборотной частоте и кратных ей гармоник. По этой причине выделяется необходимый спектр сигнала оборотной частоты и её гармонических составляющих при помощи средств предварительного преобразования и фильтрации аналогового сигнала.

Определение биений вала. Сигнал напряжения биения вала гидроагрегата можно представить в виде модулированного сигнала, определяемого выражением:

,

где является суммой гармонических составляющих.

В сигнале присутствуют следующие гармоники: основная гармоника, которая соответствует оборотной частоте , где - число пар полюсов; гармоника, определяемая числом лопастей гидротурбины , где - число лопастей; гармоники кратные оборотной частоте, вносящие дополнительные искажения сигнала. Для вычисления вибропараметров вала гидроагрегата, аналоговый сигнал биений вала преобразовывается в цифровой вид.

В результате получается цифровой сигнал, соответствующий зазору между вихретоковым датчиком и валом гидроагрегата.

Точный расчет амплитуд и фаз гармонических составляющих необходим для построения достоверных характеристик изменения биения вала во времени. Если при этом рассматривать каждый датчик в отдельности, то мы будем иметь неполную картину состояния гидроагрегата. Для решения этой проблемы необходимо приводить гармонические составляющие всех датчиков к одному моменту времени, то есть определять начальные фазы каждой гармоники. Это позволит совместно анализировать информацию о биениях от всех датчиков и осуществлять более четкое диагностирование гидроагрегата.

Чтобы вычислить биения, цифровой сигнал напряжения биений необходимо преобразовать в зазор между вихретоковым датчиком и валом гидроагрегата. Для этого необходимо осуществить калибровку используемых датчиков биения.

Для анализа вибрационного состояния гидроагрегата использовано спектральное представление сигнала биений, а именно его амплитудный спектр. Для получения спектральной характеристики сигнала биений используют различные математические алгоритмы, в основе которых лежит преобразование Фурье. В качестве метода вычисления спектра сигнала биений, соответствующего зазору между датчиком и валом гидроагрегата при реализации алгоритма вычислений амплитуд и начальных фаз гармонических составляющих, целесообразно использовать дискретное преобразование Фурье.

Вычисление амплитуд и фазовых сдвигов гармонических составляющих биений вала может быть выполнено по следующему алгоритму.

1. Расчет сигналов биений вала на заранее заданном интервале времени

, .

2. Разложение каждого из рассчитанных сигналов биений в ряд Фурье на интервале

.

Запись данных. Переход к пункту 1.

Программная реализация методики непрерывного контроля технического состояния гидроагрегата. Разработанный алгоритм реализован в многозадачной операционной системе (ОС) реального времени, которая обеспечивает его надежную и бесперебойную работу. ПЭВМ, осуществляющая реализацию алгоритма вычисления биений вала и осциллографирование необходимых параметров, работает под управлением операционной системы QNX Neutrino.

Разработанные алгоритмы были реализованы на языке С++. Структура программного пакета представляется в виде нескольких процессов и нескольких потоков. Всего в данном пакете выполняется три процесса: расчет биений вала; прием рассчитанных данных и передача их в окно вывода; прием рассчитанных данных и передача их в систему диагностирования.

В третьей главе «Разработка методики технического диагностирования гидроагрегата по биениям вала» произведено математическое моделирование дефектов и предложена модель гибридной экспертной системы выявления дефектов по биениям вала.

Техническое диагностирование на основе данных о вибрации подвижной части гидроагрегата должно предусматривать выявление дефектов на ранней стадии их развития. Для осуществления такого диагностирования необходимо: во-первых, иметь оперативные и достоверные данные о состоянии агрегата; во-вторых, правильно интерпретировать полученную информацию о состоянии для выявления дефектов.

Для получения оперативных данных можно использовать систему, реализующую предложенный во второй главе алгоритм вычисления амплитуд и фаз гармонических составляющих биений вала гидроагрегата. Данная система позволяет в режиме реального времени получать, обрабатывать и передавать данные о биениях вала. Таким образом, одни и те же данные будут использоваться как для определения состояния агрегата (контроль технического состояния), так и для выявления дефектов на ранней стадии развития (техническое диагностирование).

Математическое моделирование дефектов произведено при помощи модели движения ротора гидроагрегата. При расчете биений вала ротор рассматривается как незакрепленное твердое тело. Для математического описания положения ротора в пространстве используются две системы координат и (рис.1).

Движение ротора описывается шестью обыкновенными дифференциальными уравнениями. Переменными в данных уравнениях являются проекции результирующей силы и результирующего момента. При этом силы, которые действуют на вращающуюся часть гидроагрегата, находятся в зависимости от скорости ее вращения и поступательного движения, и от положения ротора в пространстве. Следовательно, уравнения можно решить только численным методом. При численном решении уравнений движения ротора расстояния между датчиками и валом () определяется в определенный момент времени ().



Рис.1. Системы координат, используемые для описания положения ротора

Рассчитаны силы, действующие на вращающуюся часть гидроагрегата.

1. Сила тяжести вращающейся части гидроагрегата.

2. Силы со стороны направляющих подшипников и сегментов подпятника.

3. Силы тяжения, вызванные механической асимметрией ротора.

4. Электромагнитные силы, действующие на ротор гидрогенератора:

· электромагнитный момент;

· силы электромагнитного небаланса, вызванные нарушением формы воздушного зазора между ротором и статором.

5. Силы давления воды, действующие на рабочее колесо гидротурбины:

· вращающий момент;

· вертикальная сила давления воды;

· силы гидравлического небаланса.

6. Силы трения, возникающие при вращении гидроагрегата.

Выбраны дефекты, которые возможно выявлять по данным о биениях вала. Данные дефекты были заданы в математической модели вращения ротора при помощи следующих параметров:

· механический дисбаланс ротора;

· электромагнитный дисбаланс ротора;

· износ опорных поверхностей подшипников (появление макронеровностей;

· излом линии вала во фланцевом соединении валов генератора и турбины;

· разрыв линии вала во фланцевом соединении валов генератора и турбины;

· механический дисбаланс рабочего колеса турбины;

· гидравлический дисбаланс рабочего колеса турбины, отклонение рабочего колеса от осевого положения, нарушения в водоподводе и рассогласование углов установки лопастей турбины.

Гибридная экспертная система выявления дефектов. В данной работе предложена гибридная экспертная система, механизм рассуждения которой базируется на математической модели исследуемого объекта и на опыте эксплуатации реального объекта. Диагностическими признаками дефектов агрегата при этом являются повышения биений вала в точках, в которых установлены датчики биений.

В работе предложены следующие принципы технического диагностирования гидроагрегатов по биениям вала:

· отбор дефектов, которые можно выявить, используя данные о биениях вала;

· определение биений вала, соответствующих отдельным дефектам, при помощи математической модели движения ротора;

· создание системы, способной по биениям вала определять дефекты.

В экспертной системе для выявления дефектов гидроагрегата в качестве входных параметров используются значения биений вала, измеренные вблизи направляющих подшипников.

Экспертная система представлена в виде иерархической системы. Это делает возможным получение на выходе данных о наличии определенного дефекта. Суть такого представления заключается в том, что в ней выход одной базы знаний подается на вход другой базы знаний.

Первый уровень иерархии экспертной системы строится на основе правил, полученных при помощи математической модели вращения ротора. Входными параметрами этого уровня являются биения вала. Выходными параметрами для первого уровня экспертной системы будут:

· неуравновешенная масса на роторе генератора ();

· угол в горизонтальной плоскости между направлением действия массы и осью ();

· величина неподвижной относительно статора силы тяжения, действующей на ротор генератора ();

· угол в горизонтальной плоскости между направлением действия силы и осью ();

· величина неподвижной относительно ротора силы тяжения, действующей на ротор генератора ();

· угол в горизонтальной плоскости между направлением действия силы и осью ();

· амплитуда синусоидальной выпуклости зеркального диска подпятника (); амплитуда синусоидальной вогнутости рассматривается, как амплитуда выпуклости с обратным знаком ();

· угол максимума выпуклости/вогнутости в горизонтальной плоскости относительно оси ();

· уклон оси вала турбины относительно оси вала генератора ();

· угол между плоскостью уклона вала турбины и осью ();

· смещение оси вала турбины относительно оси вала генератора во фланцевом соединении ();

· угол между направлением смещения и осью ();

· неуравновешенная масса на рабочем колесе турбины ();

· величина неподвижной относительно статора силы тяжения, действующей на рабочее колесо турбины ();

· угол в горизонтальной плоскости между направлением действия силы и осью ();

· величина неподвижной относительно ротора силы тяжения, действующей на рабочее колесо турбины ();

· угол в горизонтальной плоскости между направлением действия силы и осью ().

Второй уровень иерархии выполняется в виде экспертной системы, входными параметрами которой являются выходные параметры первого уровня, т.е. 17 параметров, рассмотренные выше. Выходными параметрами являются степени проявления дефектов:

· степень проявления механического дисбаланса ротора;

· степень проявления электромагнитного дисбаланса ротора;

· степень износа опорных поверхностей подшипников;

· степень уклона и искажения линии вала гидроагрегата;

· степень излома и разрыва линии вала во фланцевом соединении валов генератора и турбины;

· степень проявления механического дисбаланса рабочего колеса турбины;

· степень проявления гидравлического дисбаланса рабочего колеса турбины, а также отклонения рабочего колеса от осевого положения, нарушения в водоподводе и рассогласование углов установки лопастей турбины.

Третий уровень также является экспертной системой, входными параметрами которой являются степени проявления отдельных дефектов, а выходным - общий уровень наличия дефектов по агрегату. Общий вид иерархической экспертной системы приведен на рисунке 2.

Каждый уровень иерархии состоит из определенного количества экспертных модулей (ЭМ). Каждый модуль представляет собой отдельную экспертную систему, работа которого основана на собственной базе правил. Такой модуль имеет несколько входов и один выход.

Рис. 2. Структура иерархической экспертной системы для выявления дефектов по биениям вала

Метод выявления дефектов по биениям вала. Знания, которые используются при оценке диагностических признаков, скорее базируются не на отношениях между отдельными данными и конкретными гипотезами, а на отношениях между классами данных и классами гипотез. Это связано с тем, что процесс выявления дефектов относится к задачам такого типа, решение которых имеет многозначный и неточный характер. Для формирования суждений о таких категориях и принадлежащих к ним объектах целесообразно использовать теорию нечетких множеств.

В каждом нечетком экспертном модуле всех трех уровней реализован нечеткий логический вывод. Нечетким выводом служит аппроксимация зависимости между входными переменными и выходной на основе лингвистических высказываний типа «Если - то» и логических операций над нечеткими множествами. Основу нечеткого логического вывода составляет композиционное правило Заде.

Нечеткий вывод решения происходит за четыре (иногда за три) шага:

- фаззификацию;

- реализацию нечеткого вывода;

- принятие решения (композицию);

- дефаззификацию.

Первым этапом нечеткого вывода является фаззификация. На этом этапе при помощи функций принадлежности всех термов входных лингвистических переменных и на основании четких значений входных лингвистических переменных определяются степени уверенности в том, что выходная лингвистическая переменная принимает конкретное значение. Для нечетких экспертных модулей всех трех уровней в качестве функций принадлежности приняты кусочно-линейные функции треугольной формы.

В процессе нечеткого вывода подключается база знаний, в которой записаны правила вида «Если - то», полученные при помощи моделирования, а также посредством исключений, которые возникают в процессе эксплуатации агрегата. На основании набора правил вычисляется значение истинности для предпосылки каждого правила на основании конкретных нечетких операций.

Все нечеткие множества, заданные для каждого терма каждой выходной лингвистической переменной, объединяются вместе. В результате формируется единственное нечеткое множество, которое определяет каждую выводимую лингвистическую переменную. Чаще всего используются функции MAX или MIN.

Деффазификация или приведение к четкости производится при помощи метода центра тяжести:

где - выходное значение экспертного модуля.

Экспертный модуль, основанный на нечеткой логике, имеет недостаток: он не способен автоматически приобретать знания для использования их в механизмах вывода. Выходом из этой ситуации является представление данного модуля нечеткого выявления дефектов в виде нейронной сети. Такая сеть называется гибридной. Она представляет собой многослойную нейронную сеть специальной структуры, не имеющей обратных связей, в которой используются сигналы в четкой форме, веса и функции активации.

Основной идеей гибридной сети является использование существующей выборки данных для определения параметров функций принадлежности, лучше всего соответствующих определенной системе нечеткого вывода.

Важнейшим достоинством нейронных сетей является возможность их обучения и адаптации, другими словами, отсутствует необходимость в полных знаниях об объекте.

Еще одной положительной стороной использования нейросетевой реализации в приложении к техническому диагностированию является возможность значительно повысить скорость обнаружения неисправностей, не снижая точности выявления дефектов.

В этой главе произведен выбор режимов работы гидроагрегата, при которых необходимо производить диагностирование.

В четвертой главе «Техническая реализация средств контроля технического состояния гидроагрегатов и экспериментальная проверка разработанных методик» представлена структура системы контроля технического состояния, способная работать в АСУТП ГЭС, описаны все устройства этой системы; проведены экспериментальные проверки отладочного варианта системы контроля технического состояния и гибридной экспертной системы.

Структура системы контроля технического состояния. Система контроля состояния состоит из нескольких устройств: устройство выборки и тестирования (УВТ), устройство опроса (УО) и индустриальная ПЭВМ. УВТ и УО выполнены в виде печатных плат, помещенных в корпус, устанавливаемый на DIN - рейке. Для подключения внешних цепей к модулям используются переходные разъемы, позволяющие легко устанавливать и коммутировать модули. Для связи УВТ и УО используется канал последовательной связи RS-485. Для связи УО с ПЭВМ используется канал ETHERNET. Система может быть интегрирована в АСУТП.

Экспериментальная проверка методики и средств контроля технического состояния гидроагрегата по биениям вала. Для разрабатываемой системы решался ряд таких задач, как прием информации в виде аналоговых сигналов, аналоговая и цифровая обработка сигналов, синхронизация опроса по сигналу отметчика оборотов, спектральный анализ и другие.

Главными задачами были проверка совместного функционирования всех устройств системы и измерение биений вала с использованием этих устройств.

Испытания производились 29 декабря 2010 года на гидроагрегате №5 Новосибирской ГЭС во время проведения вибродиагностического обследования после капитального ремонта.

В процессе испытаний системы контроля технического состояния гидроагрегата производилось осциллографирование биений вала для каждого режима. Кроме этого, в автоматическом режиме определялись амплитуда и фаза первой гармонической составляющей биений

На рисунке 3 приведены сигналы биений вала для верхнего генераторного подшипника (ВГП) от датчиков, установленных в направлении (ВБ-НБ), при работе агрегата параллельно с системой в генераторном режиме с нагрузкой 40 МВт.

Амплитуды первой гармоники, измеренные помощью испытываемой системы, были сопоставлены с данными, полученными в ходе вибрационного обследования гидроагрегата при помощи мобильного микропроцессорного комплекса «МИК-16». Сопоставление динамики амплитуд биений вала для разных режимов приведено на рисунке 4 (направление ВБ-НБ).

Рис. 3. Сигнал биений вала вблизи ВГП, направление ВБ-НБ

Рис. 4. Динамика амплитуды биений вала вблизи ВГП, направление ВБ-НБ

Экспериментальная проверка методики диагностирования гидроагрегата средствами компьютерного моделирования. Проверка методики диагностирования была выполнена при помощи сравнения результатов измерений и испытаний на агрегате №7 Новосибирской ГЭС с результатами, полученными с помощью модели гибридной экспертной системы.

Для проверки методики диагностирования модули гибридной экспертной системы были обучены. Обучение гибридной экспертной системы состоит из двух этапов. На первом этапе были подготовлены данные для составления правил, на основе которых можно определять параметры дефектов, степени проявления отдельных дефектов и общую оценку состояния гидроагрегата. На втором этапе проводилось непосредственное обучение гибридных экспертных модулей. Для этого использовался пакет математического моделирования нечетко-нейронных систем Fuzzy Logic Toolbox.

Для окончательной проверки правильного функционирования обученной сети на вход подавался тестирующий набор входных параметров. В качестве таких параметров для экспертного модуля первого уровня иерархии (ЭМ1.х) были взяты данные двойной амплитуды биений вала, полученные в ходе послеремонтных измерений.

Амплитуды большинства параметров, полученных при моделировании, достаточно точно совпадают с измеренными послеремонтными значениями, что говорит о том, что гибридные экспертные модули обучены правильно. При этом есть расхождения с данными послеремонтных измерений для углов: между направлением действия массы и осью (),между направлением действия силы и осью () и между плоскостью уклона вала турбины и осью (). Разница между значениями углов не превышает 7 градусов. Наличие таких расхождений может быть связано с неточностью моделирования движения ротора.

Проверка ЭМ второго и третьего уровня иерархии производилась при помощи компьютерного моделирования. На входы модулей подавались выборки, отличные от обучающих. Полученные результаты подтверждают, что гибридная экспертная система диагностирования способна выявлять степень проявления определенных дефектов, а также оценивать состояние гидроагрегата.

При реализации подобной системы на практике главной трудностью использования экспертных систем является корректное обучение и определение граничных значений диагностических параметров. Поэтому на этапе подготовки к запуску в эксплуатацию потребуется привлечение экспертов в области технического диагностирования и эксплуатации гидроагрегатов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные выводы и результаты работы состоят в следующем.

1. Разработан метод оценки вибрационного состояния гидроагрегатов при непрерывном автоматическом контроле. При контроле технического состояния необходимо осуществлять оценку вибрации, как подвижных частей, так и неподвижных частей гидрогенератора. Перспективным направлением развития систем непрерывного контроля и технического диагностирования по параметрам вибрации представляется их выполнение в виде двух автоматических систем, первая из которых выполняет функции мониторинга параметров и отслеживания превышений предельно допустимых значений вибраций, а вторая - выявления конкретных дефектов и выдачи актуальных рекомендаций, направленных на увеличение срока службы оборудования гидроэлектростанции.

2. Предложен новый способ формирования тестирующих сигналов для используемых вихретоковых датчиков в качестве аппаратных средств измерения величин отклонений, устанавливаемых попарно вблизи направляющих подшипников вала гидроагрегата.

3. Предложена методика определения интегральных параметров биений путём их вычисления на основании собираемой информации о мгновенных значениях зазоров. Для этой цели используется дискретное преобразование Фурье. В качестве интегральных параметров, на основании анализа которых оценивается состояние гидроагрегата, приняты амплитуды биений вала на оборотной частоте и кратных ей гармонических составляющих, а также начальные фазы всех гармоник. При определении фазы гармонических составляющих учитывается угол запаздывания, обусловленный погрешностью фильтра низших частот устройства выборки и тестирования. С использованием предложенной методики разработан алгоритм расчёта биений вала гидроагрегата, который реализован в ОСРВ QNX 6.4.

4. Разработана методика технического диагностирования гидроагрегатов на основании информации о биениях вала. Для этого осуществлялось моделирование движения ротора гидроагрегата при наличии дефектов. Определено, какие дефекты могут быть выявлены на основании информации о биениях вала. Для выявления дефектов предложена модель гибридной экспертной системы, включающей в себя группу гибридных экспертных модулей, построенных с использованием методов нечёткой логики и реализованных в виде нейронной сети.

5. Осуществлен выбор режимов работы гидроагрегатов, при которых необходимо производить диагностирование, что позволяет наиболее полно определить наличие дефектов и распознать их.

6. Разработаны принципы построения систем контроля технического состояния и технического диагностирования гидроагрегатов на базе АСУТП. Осуществлена разработка аппаратных средств, в которые заложены предложенные принципы построения системы контроля технического состояния гидроагрегата.

7. Проверка работоспособности разработанных аппаратных и программных средств системы контроля технического состояния гидроагрегатов проведена на гидроагрегате № 5 Новосибирской ГЭС, в ходе которой при помощи отладочного варианта комплекса аппаратных средств системы контроля измерены биения вала. Сравнение полученных результатов осциллографирования биений вала с данными периодического вибрационного обследования показало, что разработанные аппаратные и программные средства обеспечивают получение данных, адекватно отражающих состояние контролируемого объекта.

8. Проверка методики технического диагностирования гидроагрегата проведена по результатам послеремонтного обследования гидроагрегата № 7 Новосибирской ГЭС. На основании этих результатов проведено обучение гибридных экспертных модулей с использованием средств компьютерного моделирования. Полученные результаты подтвердили адекватность модели гибридной экспертной системы выявления дефектов. Наличие погрешности при определении некоторых углов говорит о неточности математической модели движения ротора. Кроме того, как показали результаты, если производить диагностирование в одном или двух режимах, достоверное определения степеней отдельных дефектов затруднительно. Для корректного выявления дефектов необходимо непрерывное диагностирование во всех режимах работы гидроагрегата.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

гидроагрегат автоматический контроль

Научные статьи в лицензируемых изданиях, рекомендованных ВАК

1. Белоглазов А. В., Глазырин Г. В. Автоматическая система контроля и диагностики гидроагрегатов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2009. Спец. вып. 1. С. 127-130.

Научные публикации в других изданиях

1. Белоглазов А. В. Устройство мониторинга движения вала гидроагрегата // Наука. Технологии. Инновации : материалы всерос. науч. конф. молодых ученых: в 7 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. Ч. 3. С. 190-191.

2. Белоглазов А. В. Разработка автоматической системы контроля и диагностики гидроагрегатов // Наука. Технологии. Инновации : материалы всерос. науч. конф. молодых ученых : в 7 ч. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2008. - Ч. 3. - С. 147-149.

3. Белоглазов А. В., Глазырин Г. В. Разработка средств мониторинга биений вала гидроагрегата // Сб. науч. тр. НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2008. № 4 (54). С. 79-84.

4. Белоглазов А. В. Применение нейронных сетей и теории нечетких множеств для выявления дефектов гидроагрегатов // Наука. Технологии. Инновации: материалы всерос. науч. конф. молодых ученых: в 7 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009. Ч. 3. С. 95-97.

5. Белоглазов А. В., Глазырин В. Е. Использование нейронных сетей и теории нечетких множеств для построения системы диагностики гидроагрегатов // Энергетика: экология, надежность, безопасность: материалы XV Всерос. науч.-техн. конф. Томск: Изд-во Том. гос. политехн. ун-та, 2009. С. 7-9.

6. Белоглазов А. В. Исследование и выявление дефектов вращающейся части гидроагрегатов // Современные техника и технологии: сб. тр. XVI междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 3 т. Томск: Изд-во Том. гос. политехн. ун-та, 2010. Т. 1. С. 17-18.

7. Белоглазов А. В. Разработка ПТК для определения вибрационного состояния гидроагрегатов // Наука. Технологии. Инновации: материалы всерос. науч. конф. молодых ученых: в 4 ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010. Ч. 3. С. 41-42.

Размещено на Allbest.ru