車貴榮，鐘文聰，李增賢，馮衛(wèi)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(xué)動力與機械學(xué)院，武漢 430072；3.廣東省肇慶市景豐聯(lián)圍管理局，廣東 肇慶 526000)

泵站在抗洪、排澇、灌溉、調(diào)水以及城鄉(xiāng)供水、工業(yè)供水、航運和改善生態(tài)環(huán)境方面發(fā)揮著極為重要的作用。隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，一大批大、中型泵站投入運行，泵站的可靠性、安全性、經(jīng)濟性的要求也越來越高。而泵站機組是泵站的關(guān)鍵設(shè)備，泵站的運行狀態(tài)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(shè)備的二次損壞，甚至災(zāi)難性事故；后者會導(dǎo)致過剩維修，過剩維修則會導(dǎo)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(nèi)對于水電站的監(jiān)控技術(shù)的研究已經(jīng)日漸成熟，但對于泵站機組的狀態(tài)監(jiān)測還處于起步階段，且大型泵站的監(jiān)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(tài)監(jiān)測和故障診斷，對機組故障進行及時預(yù)測預(yù)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(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

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

圖1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)原理

(1)實時數(shù)據(jù)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(guī)律，決定將要采取的控制行為。

(3)實時控制輸出。根據(jù)控制決策，適時地對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制任務(wù)。

上述過程不斷重復(fù)，使整個系統(tǒng)按照一定的品質(zhì)指標(biāo)進行工作，并對被控量和設(shè)備本身的異?，F(xiàn)象及時作出處理。

1.2 計算機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站計算機監(jiān)控系統(tǒng)執(zhí)行控制任務(wù)通常包括正常運行控制、緊急控制和恢復(fù)控制這3個方面的內(nèi)容。計算機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，即系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)問題，它涉及的因素很多，從工業(yè)自動化計算機監(jiān)控系統(tǒng)的一般劃分，并依據(jù)目前泵站的實際情況，可以歸納為集中式監(jiān)控系統(tǒng)、功能分散式監(jiān)控系統(tǒng)和分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)。

分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)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(guān)站、公用設(shè)備、閘門等。按控制對象設(shè)置單獨的控制單元，稱作現(xiàn)地控制單元，它們由微機或可編程控制器等構(gòu)成，組成了現(xiàn)地控制級。由于系統(tǒng)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(shè)許多電纜將信息送到一處集中處理，可以節(jié)省相應(yīng)的投資?；诜謱臃植际奖O(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點頗多，它已取代其他兩種類型而成為泵站監(jiān)控系統(tǒng)的主要類型。分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)

2 泵站機組設(shè)備的故障樹構(gòu)建與分析

故障樹分析(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)又稱事故樹分析，是安全系統(tǒng)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(guān)系表達出來。故障樹的因果關(guān)系清晰、形象，對導(dǎo)致事故的各種原因及邏輯關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)、功能特征的行為模型，是一種定性的因果模型，以系統(tǒng)最不希望事件為頂事件，以可能導(dǎo)致頂事件發(fā)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(lián)系的一種倒樹狀結(jié)構(gòu)。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(guān)系。圖3即為一個簡單的故障樹模型。圖3中頂事件：系統(tǒng)故障，由部件A或部件B引發(fā)，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(fā)生。

圖3 簡單故障樹模型

故障樹分析診斷法步驟如下：①調(diào)查事故。收集事故案例，進行事故統(tǒng)計，設(shè)想給定系統(tǒng)可能發(fā)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(guān)鍵。④故障搜尋與診斷。根據(jù)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(tǒng)進行逐層分解的過程，在對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上找出引起機組故障的根本原因，理清設(shè)備各零部件之間的邏輯關(guān)系，最終建立系統(tǒng)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(shè)備”的結(jié)構(gòu)和工作機理進行深入的分析。泵站機組結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)成機組的復(fù)雜不穩(wěn)定狀態(tài)。基于此，作者通過查找大量文獻總結(jié)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(chǔ)上以泵站機組振動為頂事件，按一定的邏輯門關(guān)系對泵站機組建相應(yīng)的故障樹模型。

2.3 基于故障樹模型的泵站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)

報警故障樹診斷模型如圖4所示，是通過經(jīng)驗總結(jié)，把泵站機組運行中經(jīng)常出現(xiàn)的水力、機械和電氣等各方面的故障按照樹型結(jié)構(gòu)排列在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)機組出現(xiàn)某一故障時，系統(tǒng)會通過各種信號分析尋找出可能出現(xiàn)的故障根源。找到故障根源后，故障產(chǎn)生的表現(xiàn)、原因和時間等信息就會自動的顯示在系統(tǒng)界面上。

機組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)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(zhuǎn)子試驗臺對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)盤增加一個5 g的鍵硝，讓轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不平衡，及轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心。并通過轉(zhuǎn)子臺控制器設(shè)置轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。接線完整后，啟動上位機上安裝的系統(tǒng)軟件，并完成初始設(shè)置。數(shù)據(jù)采集完成后，可以通過系統(tǒng)對這組采集數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的頻譜圖，如圖5所示，可以看出信號頻譜分析之后的結(jié)果是基頻和二倍頻振動較大。通過振動分析，系統(tǒng)通過計算后顯示當(dāng)前振動的主要頻率為25 Hz，并顯示了振動分析結(jié)果----轉(zhuǎn)子質(zhì)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(jié)果

3 泵站狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)在景豐聯(lián)圍中的應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)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(zhǔn)確的對機組在不同運行工況下故障類型和性質(zhì)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(shù)及試驗測點布置見表2。在水泵機組中，其頂蓋、上機架、上導(dǎo)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(chǎn)生振動。長時間的振動可能引起結(jié)構(gòu)的疲勞損壞，此外，當(dāng)干擾力頻率與水輪機結(jié)構(gòu)自振頻率接近或相同時可引發(fā)共振，在共振條件下極易引起結(jié)構(gòu)的破壞。在監(jiān)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(dǎo)X、Y方向上的振動。

(2)機組實測數(shù)據(jù)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(dǎo)X、Y方向上的振動的實時頻譜。

表2 景豐聯(lián)圍泵站機組基本參數(shù)

圖7 頂蓋X、Y、Z方向?qū)崟r頻譜

圖8 上機架X、Y、Z方向?qū)崟r頻譜

圖9 上導(dǎo)X、Y方向?qū)崟r頻譜

由圖7、圖8中監(jiān)測數(shù)據(jù)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(xiàn)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(xiàn)象造成，而形成共振現(xiàn)象的原因，其一是由于頂蓋內(nèi)腔水流復(fù)雜，且有不平衡現(xiàn)象發(fā)生，導(dǎo)致一種水力諧共振工況發(fā)生；其二是引水鋼管內(nèi)水體振動頻率與某種旋轉(zhuǎn)頻率接近，而引發(fā)共振工況。此二類的共振頻率均與轉(zhuǎn)速頻率fn相近，而被稱為轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸與驅(qū)動電機軸直接相連，使得泵的動態(tài)性能和電機的動態(tài)性能相互干涉，高速旋轉(zhuǎn)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(dǎo)的振動中機械因素其主要作用。

4 結(jié) 語

通過實驗分析與檢測結(jié)果可知，系統(tǒng)能夠真實的采集到實驗的實時數(shù)據(jù)，并且能對采集的數(shù)據(jù)進行有效而準(zhǔn)確的分析，最后還能根據(jù)信號分析的結(jié)果準(zhǔn)確定位故障根源。這證明系統(tǒng)已經(jīng)達到了預(yù)期的效果，即能夠準(zhǔn)確的診斷出故障原因。文章還通過現(xiàn)場實驗對石溪泵站水泵機組的現(xiàn)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(shù)據(jù)資料，這是很有意義的一件事情。

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