基于Vue的汽輪機軸振智能監(jiān)測系統(tǒng)

哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司發(fā)電設(shè)備國家工程中心 尉坤 初世明 鄭宏偉 張亦寧

1 引言

汽輪機是一種大型的蒸汽式旋轉(zhuǎn)動力裝置，是煤電、核電、燃?xì)?、煙氣、蒸汽及太陽能光熱發(fā)電機組的關(guān)鍵設(shè)備。汽輪機具有功率高、造價低廉、經(jīng)濟效益高、運行安全可靠等特點。隨著國家經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，居民用電需求不斷加大，機組的額定功率不斷升高，必然會導(dǎo)致汽輪機的復(fù)雜性不斷升高。汽輪機作為機組的重要組成部分，對運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測及診斷故障問題成為汽輪機運維領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的重要研究課題[1]。

汽輪機在運行過程中會產(chǎn)生振動信號，這種信號能夠反映出機組的運行狀況，也能夠反映出設(shè)備在維修安裝等過程中出現(xiàn)的各種問題和故障。振動故障一旦發(fā)生，將會造成一系列不良后果，影響機組的運行和生產(chǎn)，嚴(yán)重的振動甚至?xí)斐烧麢C的損壞。因此，對汽輪機的振動信號進(jìn)行實時監(jiān)測，針對汽輪機產(chǎn)生的故障做出正確診斷，對確保機組的正常運行，保證電廠的經(jīng)濟效益具有深遠(yuǎn)的意義[2]。

汽輪機常見的控制系統(tǒng)有DEH 系統(tǒng)、TSI 系統(tǒng)、DCS 系統(tǒng)等，不同系統(tǒng)從運行環(huán)境中收集到的數(shù)據(jù)各不相同。其中，DCS 系統(tǒng)是現(xiàn)今電廠中較為常用的運行維護管理系統(tǒng)，DCS管理系統(tǒng)涉及電腦、通信、顯示和管理4 個方面，其特色是集中管理，上級監(jiān)控和分散管理[3]。DCS 系統(tǒng)由硬件控制器、運維系統(tǒng)、操作節(jié)點、控制站等組件構(gòu)成，其功能較為全面，在電廠運行中起到了很大的輔助功能作用。由于汽輪機的工作環(huán)境通常較為惡劣，且DCS系統(tǒng)通常只針對單個機組，對系統(tǒng)的維護以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測功能構(gòu)成了挑戰(zhàn)。因此，對汽輪機的實時運行數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取并顯示，利用獲取汽輪機的運行數(shù)據(jù)對設(shè)備進(jìn)行故障診斷成為了當(dāng)下研究的熱點。

隨著人工智能，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，根據(jù)整個發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)的國內(nèi)外發(fā)展趨勢，研發(fā)汽輪機智能控制設(shè)備和智能控制系統(tǒng)是適應(yīng)整個行業(yè)的發(fā)展要求，更是儲備自身核心技術(shù)為持續(xù)進(jìn)行前沿技術(shù)的研究提供技術(shù)支持[4]。

2 數(shù)據(jù)獲取與信號分析

2.1 數(shù)據(jù)獲取

汽輪機的熱力系統(tǒng)較為復(fù)雜，其運行狀態(tài)由多種運行參數(shù)決定。隨著近年機組裝機容量不斷增大，機組結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，生產(chǎn)數(shù)據(jù)量級和參數(shù)類型的不斷提升，導(dǎo)致傳統(tǒng)建模方法無法準(zhǔn)確反映機組運行狀態(tài)。存儲于機組DCS 和TSI 系統(tǒng)中的海量歷史運行數(shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確反映出機組的運行狀態(tài)，能夠較好地反映出機組運行特性[5]。通過多組傳感器（振動傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、熱膨脹位移傳感器等）來獲取不同類型的數(shù)據(jù)，并最終收集到控制系統(tǒng)中，這些監(jiān)測數(shù)據(jù)有著測點多、數(shù)據(jù)量大的特點。為了滿足本系統(tǒng)后續(xù)數(shù)據(jù)監(jiān)測的需要，從機組DCS 或TSI 系統(tǒng)中獲取相關(guān)特征參數(shù)，具體的汽輪機參數(shù)選取見表1。

表1 汽輪機參數(shù)選取

2.2 數(shù)據(jù)重構(gòu)

汽輪機組DCS 或TSI 系統(tǒng)中調(diào)取的振動數(shù)據(jù)頻率為6.4kHz，且系統(tǒng)中存儲的振動信號等數(shù)據(jù)包括機組各種不同運行工況（穩(wěn)定運行、負(fù)荷變動、停機、試驗等）數(shù)據(jù)，這會對基于Web端的軸振智能監(jiān)測系統(tǒng)造成較大的存儲壓力。為方便現(xiàn)場操作人員使用，減少系統(tǒng)的存儲壓力，需要對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣處理，以獲得合理、準(zhǔn)確和合適的數(shù)據(jù)集。

重采樣方法是汽輪機系統(tǒng)中常用的數(shù)據(jù)處理方法，主要目的是解決采樣頻率和輸出數(shù)據(jù)頻率不一致的問題，平衡多類和少類樣本的比例。根據(jù)兩類樣本數(shù)量的分布，可以分為欠采樣和過采樣。本系統(tǒng)中需要對工況數(shù)據(jù)進(jìn)行欠采樣處理，步驟如下：

重采樣后的輸入數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 重采樣后的輸入數(shù)據(jù)

讀取輸入數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為輸入數(shù)據(jù)頻率；將輸入數(shù)據(jù)頻率取倒數(shù)，即為機組在該轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)周期；記錄該轉(zhuǎn)速4 個旋轉(zhuǎn)周期所需總時間；對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行欠采樣，等間隔地選取輸入數(shù)據(jù)，如果某一時間點沒有數(shù)據(jù)，則選取其距離最近的點，最終保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

3 軸振數(shù)據(jù)頻域分析

上文中得到了經(jīng)過重采樣之后的數(shù)據(jù)，現(xiàn)需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域分析，最終在監(jiān)測系統(tǒng)中頁面進(jìn)行展示。

本系統(tǒng)中主要用到的頻域分析方法為快速傅里葉變換（FFT）算法，F(xiàn)FT 是一種常見的頻域分析方法，其本質(zhì)是傅里葉變換，傅里葉變換的根本目的是將時域信號轉(zhuǎn)為頻域信號，得到信號的頻譜密度函數(shù)，最終揭示輸入信號中信號強度和頻率的相關(guān)性。

傳統(tǒng)傅里葉變換分為兩種，連續(xù)傅里葉變換（CFT）和離散傅里葉變換（DFT），在實際運行環(huán)境下，由DCS 系統(tǒng)采集的信號在時域中是離散的，故采用DFT來進(jìn)行頻域分析。傳統(tǒng)DFT的式為：

式中，N為序列長度；x(n)為輸入時域信號；W為旋轉(zhuǎn)因子。

FFT是一種能夠高效計算DFT的算法，通過將離散時域信號分成奇偶兩部分，并分別進(jìn)行DFT變換，降低算法的時間復(fù)雜度，從而可以快速地提取離散信號的頻譜信息。時域信號經(jīng)過FFT 變換后會形成頻譜圖。

FFT處理前后的數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 FFT處理前后的數(shù)據(jù)

由圖2可知，F(xiàn)FT是一種有效的特征提取方法，在經(jīng)過數(shù)據(jù)重采樣，頻域分析處理后，將最終得到的數(shù)據(jù)存入到智能監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，為系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測提供數(shù)據(jù)來源。

4 基于Vue的汽輪機軸振智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

本系統(tǒng)以Vue 為項目前端框架（版本3.2.41），后端數(shù)據(jù)庫用PostgreSQL 搭建（版本14.5）。Vue 是一種基于JavaScript 語言，套用于構(gòu)建用戶界面的漸進(jìn)式框架，具有界面簡潔、組件化、 輕量級、 用戶體驗好等特點；PostgreSQL 是一種對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，支持大部分SQL 標(biāo)準(zhǔn)，并且提供了許多現(xiàn)代特性包括復(fù)雜查詢、外鍵、觸發(fā)器、視圖、事務(wù)完整性、MVCC 等，其特點主要包括兼容性較強，支持多類型的客戶端接口，方便后期維護。

4.1 系統(tǒng)技術(shù)結(jié)構(gòu)

本項目開發(fā)主要基于Vue 和elementUI 等組件，使用了Vue-clie，Vue-router，less 樣式處理器，故障報警提示頁面中主要是使用Websocket 和后端Java 建立通信，實時更新數(shù)據(jù)。通過less 樣式處理器寫入樣式，把需要顯示的文字和數(shù)據(jù)顯示在對應(yīng)位置，并且在樣式中使用了media 媒體查詢，當(dāng)頁面分辨率變化的時候，進(jìn)行樣式的調(diào)整。本項目使用Vue 的watch 監(jiān)聽路由變化，清除Websocket 產(chǎn)生的緩存，避免頁面緩存過多崩潰。使用了Js 的時間函數(shù)顯示實時時間。項目技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 系統(tǒng)頁面展示

本系統(tǒng)利用Vue 框架，websocket 模塊，PGSQL數(shù)據(jù)庫等組件，設(shè)計了一種汽輪機軸振智能監(jiān)測系統(tǒng)，將時域數(shù)據(jù)，頻域數(shù)據(jù)，間隙電壓，轉(zhuǎn)速，功率，機組剩余壽命等數(shù)據(jù)利用多個圖形頁面展示出來。本系統(tǒng)中主要展示的圖形頁面包括頻譜圖、瀑布圖、軸心位置圖、軸心軌跡圖、Bode 圖、Polar 圖、趨勢圖等七種，在經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，可以對汽輪機的運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)展示和實時監(jiān)測。系統(tǒng)首頁和頻譜圖界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)首頁和頻譜圖界面

5 結(jié)語

隨著工業(yè)4.0時代的到來，汽輪機等大型工業(yè)設(shè)備的智能實時監(jiān)測，健康管理，智能故障診斷的重要性越來越高。本文結(jié)合了電廠對汽輪機實時狀態(tài)監(jiān)測需要，提出了一種對汽輪機振動信號的實時狀態(tài)監(jiān)測方法，設(shè)計了一種基于Vue的汽輪機軸振智能監(jiān)測系統(tǒng)，對汽輪機的實時狀態(tài)監(jiān)測，保障汽輪機正常穩(wěn)定運行，維持機組壽命，為電廠的生產(chǎn)效益起到了重要的作用。