船用離心泵狀態(tài)監(jiān)測

吳小豪，鄒永久

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

船用離心泵狀態(tài)監(jiān)測

吳小豪，鄒永久

(大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

實現(xiàn)機艙設備實時狀態(tài)監(jiān)測及評估是智能船舶以及無人機艙發(fā)展過程中的重要部分，也是事后維修、定期維修向視情維修轉變過程的關鍵技術。本文利用最小二乘多項式擬合法對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到離心泵Q-H特性曲線擬合多項式。在某一進出口壓差下，比較擬合流量和監(jiān)測流量之間的差值來表征離心泵實時性能狀態(tài)，并通過設置不同程度的泄露故障驗證該方法的有效性。相比于用CFD軟件建模仿真以及監(jiān)測振動等方法，該方法可行性強、簡單實用、成本較低，具有重要的實際工程應用價值。

最小二乘法；Q-H特性曲線；擬合流量；監(jiān)測流量；性能狀態(tài)

0 引 言

離心泵具有結構簡單、緊湊、重量輕、造價低，能與高速原動機直接相連，排量大以及供液均勻等優(yōu)點，是現(xiàn)代船舶非常重要的流體輸送設備[1]。為滿足現(xiàn)代船舶朝著“大型化、專業(yè)化、高度自動化”方向迅猛發(fā)展的要求，迫切需要開展對船用離心泵的實時在線狀態(tài)監(jiān)測，及時預測、發(fā)現(xiàn)故障，以便合理采取應急措施和維修手段，從而減少由此造成的安全事故和經(jīng)濟損失[2]。目前國內(nèi)外使用較多的離心泵性能預測方法主要有水力分析法、流場分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡法。冉軍[3]分別使用VC6.0和Matlab實現(xiàn)了貝葉斯BP神經(jīng)網(wǎng)絡和GA-RBF算法，對實現(xiàn)離心泵性能預測進行設計；王秀勇[4]應用CFD軟件Fluent對離心泵內(nèi)部整個三維流場進行數(shù)值模擬，進而實現(xiàn)對離心泵的性能預測；文曉霞[5]通過CFD數(shù)值計算方法對一款多級離心泵的性能預測及結構優(yōu)化方面進行了研究。但上述方法均存在各自的弊端，如神經(jīng)網(wǎng)絡法很難取得神經(jīng)網(wǎng)絡所需的優(yōu)秀樣本數(shù)據(jù)；利用水力損失法時，要對具體的離心泵進行一系列的假設和簡化，才能建立其水力損失模型；流場分析法難于準確建立泵內(nèi)流動特征和泵外特征的聯(lián)系。本文通過實驗獲取關于離心泵的相關數(shù)據(jù)，通過最小二乘多項式擬合法擬合得到離心泵的Q-H特性曲線擬合多項式，在某一進出口壓差下，比較擬合流量和監(jiān)測流量之間的差值來表征離心泵實時性能狀態(tài)，并利用放氣旋塞設置不同程度的泄漏故障，驗證了該方法的有效性、可行性。

1 實驗裝置介紹

正常情況下，離心泵的說明書上會給定幾個工況點，可用于特性曲線擬合。但為了能夠保證數(shù)據(jù)的可靠性，且符合該泵的實際情況，本文通過實驗的方式獲得實驗數(shù)據(jù)。實驗裝置主要包括高置水箱、電磁三通閥、離心泵、手動蝶閥、流量計和壓力液位變送器等，其系統(tǒng)原理簡圖如圖1所示。離心泵型號為ISG40-100，在其進出口都安裝有壓力液位變送器，壓力液位變送器型號為JYB。流量計為昆侖海岸的電磁智能流量計，型號為LDBE-50s-M1F103-20。本文所做實驗主要是通過調(diào)節(jié)蝶閥的開度大小，來改變管路阻力大小，從而實現(xiàn)系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)。

2 離心泵Q-H特性曲線擬合

目前離心泵性能曲線的擬合通常采用最小二乘法。所謂最小二乘法，即確定一個數(shù)學模型，使得每個離散點由數(shù)學模型得到的計算值與實測值之差都較小，通常要使誤差的平方和最小。它從誤差擬合角度對回歸模型進行參數(shù)估計或系統(tǒng)辨識，并在參數(shù)估計、系統(tǒng)辨識以及預測、預報等眾多領域中得到極為廣泛的應用[6]。對于固定轉速的離心泵，一般可以通過實測的幾組流量Q、揚程H數(shù)據(jù)，用最小二乘法原理回歸其Q-H特性曲線方程，得到的結果可以盡可能地避免測量誤差帶來的影響。該方法相比于直接擬合法、插值法等方法，更具合理性和可靠性，而且能適合各種特性曲線。

利用最小二乘法擬合離心泵Q-H特性曲線的原理如下：

需要確定數(shù)學模型中各待定系數(shù)ai，使得

滿足式（3）的多項式稱為最小二乘擬合多項式。由多元函數(shù)求極值的必要條件得：

式（5）是關于a0，a1，a2…an的線性方程組，用矩陣表示為：

式（5）或式（6）稱為正規(guī)方程組或法方程組。由于式（6）是對稱正定矩陣，故存在唯一解，求出a0、a1、a2…an即可得到滿足要求的擬合多項式。

根據(jù)經(jīng)驗可知，實際情況中離心泵由于存在水力損失、容積損失和機械損失，其Q-H特性曲線是一條曲線，另外綜合考慮擬合精度以及計算量問題，本文中選擇二次多項式作為待擬合的函數(shù)。

為了保證所采用數(shù)據(jù)的可靠性并且符合泵的實際情況，本文利用相關實驗來獲取數(shù)據(jù)。實驗步驟如下：

1）首先檢查設備，管路以及測量儀表的可靠性；

2）開始實驗前，應排凈設備、管路內(nèi)的氣體，使設備在完全充滿試驗流體的條件下運行；

3）將流量調(diào)至某一數(shù)值，待系統(tǒng)穩(wěn)定后讀取并記錄進出口壓力和流量；

4）實驗結束時，先將控制閥關閉，再關閉電機電源開關和總電源。

實驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表 1 實驗數(shù)據(jù)記錄Tab. 1 Experimental data record

根據(jù)上述多項式擬合過程對數(shù)據(jù)進行擬合，得到結果：

離心泵Q-H特性曲線圖如圖2所示。

為了保證擬合精度滿足要求，對該擬合多項式進行測試。任意調(diào)節(jié)離心泵出口閥門至某一位置，當系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄下進出口壓力和流量，并且由擬合多項式計算出當前揚程下的擬合流量值。數(shù)據(jù)如表2所示。

由表 2可知，擬合值和實際值的差值較小，在可接受范圍內(nèi)。因此，可以得到此次擬合效果較好，該擬合多項式能夠較好地描述離心泵的流量揚程特性曲線。

表 2 測試數(shù)據(jù)Tab. 2 Test data

3 離心泵狀態(tài)評估

離心泵定速Q(mào)-H特性曲線是選擇和使用離心泵的主要依據(jù)，隨離心泵結構參數(shù)的改變而改變[9]。離心泵理想揚程方程式為：

式中：u2為出口離葉輪前的圓周速度；v2r為出口離葉輪前的徑向分速度；β2為液流角。

由于液體在離心泵內(nèi)流動的復雜性，其流量揚程特性曲線受到很多因素影響。由式（8）可知，離心泵理想流量與揚程之間的關系與離心泵葉輪大小、葉片厚度、轉速等等結構參數(shù)有關。另外，離心泵在實際運行當中，總是存在機械損失、容積損失和水力損失，因而，實際離心泵流量和揚程之間的關系還與裝配精度、各配合面間隙大小以及摩擦阻力大小等有關。

離心泵在長時間運轉之后會出現(xiàn)故障、性能退化等狀況，例如內(nèi)漏及外漏嚴重、葉輪磨損、腐蝕、堵塞等。仔細研究各個故障產(chǎn)生原因，發(fā)現(xiàn)導致故障的原因可以轉變?yōu)楸帽旧淼南嚓P參數(shù)發(fā)生了變化。例如，葉輪磨損、腐蝕、堵塞可以看做是葉輪大小、厚度發(fā)生了改變；離心泵軸封泄漏可以看做是泵軸與泵殼之間間隙變大；密封環(huán)泄漏可以看做是葉輪與泵殼之間間隙；葉輪與泵軸卡阻可以看做是離心泵轉速變慢，摩擦阻力變大等。這些參數(shù)都會影響離心泵Q-H特性曲線，由此我們可以根據(jù)離心泵流量和揚程關系變化來判斷離心泵當前的性能狀況。在上述第 2 節(jié)中，已經(jīng)擬合得到了離心泵的Q-H特性曲線，因此，只需根據(jù)實時監(jiān)測到的進出口壓力以及流量就可以判斷當前離心泵性能狀態(tài)，即計算當前揚程值下擬合得到的流量值與實際監(jiān)測到的流量值差值大小來判斷離心泵性能狀態(tài)。

為了驗證該方法的有效性，本文設置了離心泵泄漏故障，利用采集到的數(shù)據(jù)判斷離心泵狀態(tài)?？紤]到成本以及可操作性問題，未對離心泵做破壞性改造，而是通過將離心泵放氣旋塞打開來模擬離心泵的泄漏情況。具體做法是：將離心泵流量調(diào)節(jié)至某一值，然后將放氣旋塞旋開，待系統(tǒng)穩(wěn)定后記錄下進出口壓力以及流量。為了更好地體現(xiàn)出效果，本文設置了 2 種不同程度的泄漏情況，即放氣旋塞旋出一半和放氣旋塞全部旋出 2 種情況。故障數(shù)據(jù)如表3所示。

表 3 故障數(shù)據(jù)Tab. 3 Fault data

結果分析：由上述數(shù)據(jù)可得，當無故障離心泵在揚程為8.06 m和7.83 m時，其對應的流量應為6.63 m3/h和6.72 m3/h。相比較故障數(shù)據(jù)可知，故障狀態(tài)下離心泵的流量值都未達到該揚程下正常離心泵所對應的流量值，且放氣旋塞全部旋出情況下的流量偏差值比放氣旋塞旋出一半情況下的偏差值更大。因此，可以判定狀態(tài)1和狀態(tài)2性能均有所下降，且狀態(tài)2比狀態(tài)1更差。

該現(xiàn)象的出現(xiàn)合理。將放氣旋塞泄漏看做是另 1條管路并聯(lián)在離心泵出口，且該管路管路阻力較小，如圖3所示。

圖中Q-H線是離心泵Q-H特性曲線；曲線R為實際管路阻力特性曲線，其與泵特性曲線的交點A為正常工作下的工況點，流量為Q，揚程為H；曲線R1為放氣旋塞泄漏所對應的管路阻力特性曲線。根據(jù)管路并聯(lián)時，“揚程相等，流量相加”的原則，作出 2 條管路并聯(lián)工作時的特性曲線R2，其與泵特性曲線的交點A1為泄漏情況下的工況點，流量為Q1，揚程為H1。由圖可知，泄漏情況下實際管路流量為Q2，泄漏量為Q3，且Q2

綜上可知，利用離心泵實時狀態(tài)下?lián)P程、流量值計算得到的流量偏差值來表征離心泵性能狀態(tài)可行。

4 結 語

本文利用最小二乘多項式擬合法對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到離心泵Q-H特性曲線擬合多項式，測試表明擬合效果較準確。在某一進出口壓差下，利用擬合多項式計算得到擬合流量，將其與監(jiān)測流量對比，用兩者差值的大小來表征離心泵實時性能狀態(tài)，并通過設置不同程度的泄露故障來驗證。驗證結果符合預期效果且可由理論分析得出，證明了該方法的有效性。與利用CFD軟件建模仿真以及監(jiān)測振動等方法相比，該方法可行性強，簡單實用，成本較低，適合用于船用離心泵的狀態(tài)監(jiān)測及評估，為其早期故障診斷提供有效手段，具有重要的工程實際應用價值。

[1]吳仁榮. 船用離心泵的發(fā)展概況[J]. 艦船科學技術, 1981, 13(12): 1–10. WU Ren-rong. Development of marine centrifugal pump[J]. Ship Science and Technology, 1981, 13(12): 1–10.

[2]印洪浩, 彭中波. 船用離心泵故障SOM網(wǎng)絡診斷方法[J]. 中國航海, 2012,(2): 24–28. YIN Hong-hao, PENG Zhong-bo. Fault diagnosis of marine centrifugal pump with the SOM network[J]. Navigation of China, 2012,(2): 24–28.

[3]冉軍. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡的離心泵性能預測研究與實現(xiàn)[D]. 成都,電子科技大學, 2014.

[4]王秀勇, 王燦星. 基于數(shù)值模擬的離心泵性能預測[J]. 流體機械, 2007, (10): 9–13. WANG Xiu-yong, WANG Can-xing. Performance prediction of centrifugal pump based on the method of numerical simulation[J]. Fluid Machinery, 2007, (10): 9–13.

[5]丁曉霞. 多級離心泵的性能預測及結構優(yōu)化[D]. 上海: 華東理工大學, 2013.

[6]鄒樂強. 最小二乘法原理及其簡單應用[J]. 科技信息, 2010, (23): 282–283. ZOU Le-qiang. Principle of least square method and its simple application[J]. Science & Technology Information, 2010, (23): 282–283.

[7]陳文毅. 泵特性曲線的擬合方法[J]. 艦船科學技術, 1995, 17(4): 66–69. CHEN Wen-yi. Fitting method of pump characteristic curve[J]. Ship Science and Technology, 1995, 17(4): 66–69.

[8]宋生奎, 石永春, 王朝暉. 離心泵性能曲線的兩種快速擬合法[J]. 流體機械, 1999,(9): 40–42+59. SONG Sheng-kui, SHI Yong-chun, WANG Zhao-hui. Two kinds of fast fitting method for performance curve of centrifugal pump[J]. Fluid Machinery, 1999,(9): 40–42+59.

[9]陳海泉, 等. 船舶輔機[M]. 大連: 大連海事大學出版社, 2010.

Condition monitoring of the marine centrifugal pump

WU Xiao-hao, ZOU Yong-jiu
(Marine Engineering College Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

It is an important part of the development of intelligent ship and unmanned engine room to realize the real time condition monitoring and evaluation of the engine room equipment. It is also the key technology to change periodical maintenance and breakdown maintenance to condition maintenance. The method of least square polynomial fitting is used to fit the experimental data, and the Q-H characteristic curve fitting polynomial of the centrifugal pump is obtained. In a certain difference of import and export pressure, comparing the fit flow and the monitoring flow to characterize the real time performance of the centrifugal pump. And setting the different levels of leakage failure to verify the effectiveness of the method. Compared with the method of modeling and simulation by CFD software and vibration monitoring, the method is feasible, simple, practical, low cost and has important practical engineering application value.

the least square method；Q-H characteristic curve；fit flow；monitoring flow；performance

U664.5+8

A

1672 – 7649(2017)07 – 0112 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.023

2016 – 06 – 23；

2016 – 07 – 29

吳小豪(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向為船舶遠程監(jiān)控和故障診斷。