基于多參數(shù)融合核電EDG 在線監(jiān)測分析技術(shù)研究

時全局，馬 波，初向南

（1.北京化工大學(xué)發(fā)動機(jī)健康監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)化教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100029；2.陽江核電有限公司，廣東 陽江 529941）

1 引言

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)（Emergency Diesel Generator，EDG）作為核電廠供電系統(tǒng)的最后一道防線，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工況較多，故障往往表現(xiàn)出多源性，給故障診斷帶來極大的不確定性，而核電廠現(xiàn)有監(jiān)測手段主要以性能參數(shù)為主，監(jiān)測信息有限，難以有效定位故障源，因此，迫切需要一種有效的在線監(jiān)測分析技術(shù)來保證EDG的安全性和可靠性。

近些年來，非侵入性測量的振動分析法和瞬時轉(zhuǎn)速分析法得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究和實(shí)際工程應(yīng)用，技術(shù)已相對成熟。在振動方面，文獻(xiàn)[1]利用小波包分解方法提取缸蓋振動特征，對柴油機(jī)氣門故障進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[2]利用缸蓋表面振動信號的時頻特征對柴油機(jī)活塞-氣缸磨損故障進(jìn)行診斷。文獻(xiàn)[3]說明了缸蓋表面振動加速度信號可有效反映缸內(nèi)的燃燒狀況。振動信號雖能有效識別柴油機(jī)異常，但大都基于時域和頻域進(jìn)行分析，一方面轉(zhuǎn)速波動影響時域分析的準(zhǔn)確性，另一方面，大功率柴油機(jī)各機(jī)構(gòu)的沖擊信號頻率在一定頻帶內(nèi)重疊，增加了頻域分析的難度。在瞬時轉(zhuǎn)速方面，文獻(xiàn)[4]從理論上說明了瞬時轉(zhuǎn)速波動率可有效反映失火故障。文獻(xiàn)[5]通過瞬時轉(zhuǎn)速有效識別出各缸工作的不均勻性。文獻(xiàn)[6]通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對20 缸柴油機(jī)正常和故障條件下的角速度波形進(jìn)行識別。但目前瞬時轉(zhuǎn)速分析研究更多是針對缸數(shù)較少的小型柴油機(jī)，對于缸數(shù)較多，發(fā)火間隔角不均勻的大型柴油機(jī)來說，由于缸數(shù)的增加，發(fā)火間隔角的非均勻性使曲軸變的更加復(fù)雜，這就使單基于瞬時轉(zhuǎn)速來診斷柴油機(jī)故障變得不再直接適用。

柴油機(jī)故障具有多源性，單一信息往往是模糊的、不確定的，其反映出的狀態(tài)行為是不完整、不可靠的，通過多參數(shù)信息融合對進(jìn)行故障診斷已成為未來監(jiān)測分析技術(shù)發(fā)展的必然。文獻(xiàn)[7]通過瞬時轉(zhuǎn)速和相位振動沖擊信號有效識別出失火故障并定位故障缸。文獻(xiàn)[8]提出一種振動和聲發(fā)射能量相結(jié)合的診斷方法，基于與參考值的對比結(jié)果來評價EDG 的運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于聲發(fā)射、缸內(nèi)壓力和振動信號融合的柴油機(jī)監(jiān)測診斷方法。因此，通過多參數(shù)融合對EDG 進(jìn)行監(jiān)測分析對提高其可靠性具有重要作用。

基于此，這里提出一種基于振動、瞬時轉(zhuǎn)速、鍵相等多參數(shù)融合的在線監(jiān)測分析技術(shù)。通過搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行高速連續(xù)采集和處理，將時域信號轉(zhuǎn)換至角域以消除轉(zhuǎn)速波動的影響，同時提取各工作循環(huán)相關(guān)測點(diǎn)時域、頻域和角域的多個特征，并確定特征與相關(guān)系統(tǒng)故障的映射關(guān)系，最終根據(jù)目標(biāo)故障類型依次融合相關(guān)特征參數(shù)對故障進(jìn)行逐步分析，直至定位故障原因。

2 多參數(shù)融合分析技術(shù)研究

柴油機(jī)故障具有多特征信息映射特性，即某一故障可用不同的信息表征，表現(xiàn)出信息的冗余性和互補(bǔ)性，這種特性為柴油機(jī)故障診斷的不確定性提供了解決方法。基于振動在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，對EDG 進(jìn)行監(jiān)測分析和故障診斷，其流程，如圖1 所示。首先搭建在線監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理，提取各測點(diǎn)多敏感特征參數(shù)，然后確定EDG 相關(guān)故障類型與各參數(shù)的映射關(guān)系，最后根據(jù)目標(biāo)故障類型，依次融合相關(guān)特征參數(shù)進(jìn)行分析診斷，逐步縮小排查范圍，直至定位故障原因。

圖1 EDG 監(jiān)測分析診斷流程Fig.1 Monitoring Analysis and Diagnosis Process of EDG

2.1 特征參數(shù)選擇

特征參數(shù)選擇是分析的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，若選取的特征物理意義不明確，嚴(yán)重影響分析結(jié)果準(zhǔn)確性，故在選擇特征參數(shù)時，需考慮以下因素：

（1）不同特征參數(shù)所容納的信息量不同，應(yīng)選擇最能確切反映EDG 客觀狀態(tài)的信息作為特征；

（2）優(yōu)先采用可盡早發(fā)現(xiàn)故障的特征；

（3）所選取的特征應(yīng)與系統(tǒng)狀態(tài)之間最好呈單值關(guān)系，忌出現(xiàn)模棱兩可的含義。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)眾多，故障與特征之間常常出現(xiàn)一對多或多對多的情況，這也是進(jìn)行多參數(shù)融合分析的主要原因。

振動、瞬時轉(zhuǎn)速和鍵相分別包含不同的信息，其監(jiān)測信息和相關(guān)特征參數(shù)，如表1 所示。振動由燃燒激勵、活塞拍擊激勵、慣性力、氣門落座和氣門節(jié)流等綜合作用引起，其中包含豐富的故障信息，在變速或變工況過程中故障振動特征更為明顯。除了缸蓋振動信息外，在曲軸箱、齒輪傳動箱、渦輪增壓器以及發(fā)電機(jī)也均布置振動傳感器，用于監(jiān)測曲柄連桿、主軸瓦、齒輪系等系統(tǒng)部件的運(yùn)行狀態(tài)。瞬時轉(zhuǎn)速用于診斷噴油嘴的不定時、各缸的非均勻性、失火等。鍵相一般對應(yīng)第一缸的上止點(diǎn)，基于鍵相可計算各工作循環(huán)下曲軸的平均轉(zhuǎn)速。三種信號反映著不同的信息，通過三種信息融合能夠?qū)崿F(xiàn)角域分析功能，以角度表示振動發(fā)生位置，大大降低轉(zhuǎn)速波動對分析結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，文獻(xiàn)[10]給出了具體的轉(zhuǎn)換方法。

表1 監(jiān)測信息及特征參數(shù)Tab.1 Monitoring Information and Characteristic Parameters

2.2 特征映射關(guān)系確定

不同系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可通過不同測點(diǎn)以及不同特征參數(shù)表征，為快速有效定位故障原因，建立特征與不同系統(tǒng)故障的映射關(guān)系。

選取各系統(tǒng)最直接相關(guān)的特征進(jìn)行分析診斷，系統(tǒng)常見故障與特征映射關(guān)系，如表2 所示。表中：“0”—該特征對該故障不敏感；“1”—該特征對該故障敏感。

表2 EDG 常見故障的特征映射關(guān)系Tab.2 Feature Mapping of EDG Common Faults

2.3 多參數(shù)融合分析

實(shí)際上，診斷專家在診斷故障時，多是融合多測點(diǎn)和多時間點(diǎn)的相關(guān)特征，通過嚴(yán)密的邏輯推理得到最終結(jié)論。多參數(shù)融合分析過程同樣是基于專家思維的證據(jù)推理過程，即通過事件結(jié)果（證據(jù)）探求事件發(fā)生的原因（假設(shè)）。EDG 某個故障結(jié)果可由若干可能的系統(tǒng)或零部件故障引起，針對故障結(jié)果進(jìn)行原因假設(shè)，根據(jù)假設(shè)選擇相關(guān)特征進(jìn)行分析，排除與故障結(jié)果無關(guān)的特征參數(shù)和時間段，縮小分析范圍，選取故障時間段的敏感特征逐項分析，每項特征的分析結(jié)果具有關(guān)聯(lián)特性，通過融合決策輸出最終結(jié)果。

多參數(shù)融合分析過程是診斷精確度和置信度不斷提高的過程，對于目標(biāo)故障，其分析流程，如圖2 所示。首先根據(jù)故障類型選擇相應(yīng)的特征參數(shù)。其次，建立EDG 標(biāo)準(zhǔn)故障征兆，在較長時間段內(nèi)，某一特征參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)故障特征征兆進(jìn)行對比分析。EDG標(biāo)準(zhǔn)故障征兆主要基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及實(shí)驗數(shù)據(jù)建立起來的，在缺少故障樣本的情況下，可選擇健康狀態(tài)下的特征參考值為依據(jù)[9]，通過測試數(shù)據(jù)與參考值對比來反映機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。最后，得到的診斷結(jié)果若能定位故障原因，則輸出該結(jié)果，若無法定位故障原因，則在第1 個特征參數(shù)分析診斷結(jié)果的基礎(chǔ)上融入第2 個特征進(jìn)行對比分析，若仍不能確定故障原因，則依次融入第n個特征，直至得到期望的診斷結(jié)果，完成對故障原因的定位。

圖2 多參數(shù)融合分析流程Fig.2 Analysis Process through Multi-Parameter Fusion

3 工程案例

為驗證該技術(shù)的有效性，基于上述在線監(jiān)測分析技術(shù)對某核電廠某臺EDG 慢啟動[11]超時（≥30s）故障進(jìn)行分析，啟動過程熱工參數(shù)未現(xiàn)異常。柴油機(jī)型號為MTU20VT956B33，相關(guān)參數(shù)，如表3 所示。EDG 結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3 所示。

表3 柴油機(jī)相關(guān)參數(shù)Tab.3 Related Parameters of Diesel Engine

圖3 EDG 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure Schematic Diagram of EDG

振動傳感器安裝在氣缸缸蓋、曲軸箱、齒輪箱、渦輪增壓器和發(fā)電機(jī)處，同時在機(jī)組自由端安裝鍵相傳感器和瞬時轉(zhuǎn)速傳感器，如圖4 所示。根據(jù)專家經(jīng)驗，采樣頻率設(shè)為25.6kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為16384。啟動過程是變轉(zhuǎn)速的過程，依次融合時間、轉(zhuǎn)速、發(fā)火相位振動峰值、沖氣相位振動峰值等參數(shù)進(jìn)行分析。EDG 啟動過程包括三個階段[12]，對各階段的耗時進(jìn)行分析，可快速定位故障階段。以t1，t2，t3分別代表第一、第二和第三階段耗時，機(jī)組接到啟動信號到曲軸開始轉(zhuǎn)動的時間為t1，以轉(zhuǎn)速n=650 作為第二和第三階段的臨界轉(zhuǎn)速。分別取三組成功和三組失敗的啟動時間進(jìn)行對比，不同階段耗時，如表4 所示。可以看出，6 次試驗中，第一階段和第三階段耗時差別不大，而第二階段耗時差值最高達(dá)到2.2s，可判斷第二階段的較長耗時是引起啟動超時的主要原因。

圖4 傳感器安裝效果圖Fig.4 Effects of Transducer Installation

表4 啟動不同階段耗時統(tǒng)計表Tab.4 Time Consuming at Different Stages of Starts up Process

各周期轉(zhuǎn)速差量對比圖，如圖5 所示。在上述基礎(chǔ)上，融合第二階段多個周期的轉(zhuǎn)速差量進(jìn)一步分析，如圖6 所示。轉(zhuǎn)速差量為相鄰周期的轉(zhuǎn)速變化量，第1 周期的轉(zhuǎn)速差量為相對于轉(zhuǎn)速為0 時的變化。在第1 周期，高壓啟動空氣是升速唯一動力來源，達(dá)到發(fā)火轉(zhuǎn)速后，后續(xù)周期部分氣缸開始發(fā)火做功，此時機(jī)組混合動力做功，對比（2～10）周期，啟動超時的轉(zhuǎn)速差量明顯小于啟動成功的轉(zhuǎn)速差量，說明第二階段耗時較長的原因與機(jī)組做功狀態(tài)有直接的關(guān)系。

圖5 各周期轉(zhuǎn)速差量對比圖Fig.5 Comparison of Speed Difference in Each Cycle in Second Stage

圖6 第二階段各缸沖氣沖擊峰值平均值對比圖Fig.6 Comparison of Average Value of Starting Air Shock Peak Value in Second Stage

為評價機(jī)組第二階段的做功狀態(tài)，結(jié)合角域特征對發(fā)火爆燃做功和高壓空氣做功狀態(tài)進(jìn)行分析。氣缸發(fā)火爆燃和高壓空氣引起的振動沖擊大小間接反映各個氣缸的發(fā)火狀態(tài)和沖氣狀態(tài)。考慮到發(fā)火沖擊和沖氣沖擊的波動特性，分別取各相位振動峰值的均值進(jìn)行對比，如圖6、圖7 所示。從圖6 可以看出6 次啟動沖氣沖擊振動水平相當(dāng)，說明啟動超時與成功時的沖氣狀態(tài)差別不大；但從圖7 可以看出，啟動超時的發(fā)火振動水平明顯小于成功時的振動水平，說明柴油機(jī)低轉(zhuǎn)速下存在發(fā)火做功能力不足的問題，這也是導(dǎo)致第二階段耗時較長的主要原因。

圖7 第二階段各缸發(fā)火沖擊峰值平均值對比圖Fig.7 Comparison of Average Value of Fire Shock Peak Value in Second Stage

第三階段完全依靠機(jī)組發(fā)火做功升至額定轉(zhuǎn)速，為進(jìn)一步定位故障原因，對第三階段各個氣缸的發(fā)火振動峰值的平均值進(jìn)行對比，如圖8 所示。可以看出第三階段各缸發(fā)火相位的振動沖擊水平雖有差異，但總體水平相當(dāng)。再次說明第二階段柴油機(jī)較差的發(fā)火狀態(tài)是導(dǎo)致啟機(jī)超時的主要原因。

圖8 第三階段各缸發(fā)火沖擊峰值平均值對比圖Fig.8 Comparison of Average Value of Fire Shock Peak Value in Third Stage

綜合以上分析可看出，機(jī)組在低速下較差的發(fā)火做功狀態(tài)是機(jī)組慢啟動超時的主要原因。啟動過程是變工況變轉(zhuǎn)速的過程，其發(fā)火做功狀態(tài)受油門大小、霧化狀態(tài)、執(zhí)行器動作時間等多個因素的影響，若要進(jìn)一步分析定位，需借助其他相關(guān)參數(shù)進(jìn)一步分析排查，但通過該在線監(jiān)測分析技術(shù)大大縮小了排查范圍，并指導(dǎo)機(jī)組檢修決策。

4 結(jié)論

提出的多參數(shù)融合在線監(jiān)測分析技術(shù)可有效彌補(bǔ)核電廠現(xiàn)有監(jiān)測分析手段的不足，對目前核電EDG 的監(jiān)測分析技術(shù)改進(jìn)有一定的指導(dǎo)意義，結(jié)論如下：

（1）基于振動、瞬時轉(zhuǎn)速和鍵相信號的在線監(jiān)測分析手段，增加了角域分析功能，大大降低了轉(zhuǎn)速波動對分析結(jié)果的影響，提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，具有明顯的實(shí)效性和優(yōu)越性。

（2）利用多時間點(diǎn)、多參數(shù)進(jìn)行融合分析，從多方面反映EDG 的運(yùn)行情況，可快速定位故障原因和全面評價機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，大大提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。