一种汽机超速保护系统及其控制方法与流程

本发明涉及汽轮机运行技术领域，尤其是一种汽机超速保护系统及其控制方法。

背景技术：

汽轮机是发电机组的原动机，额定转速一般为3000r/min。一旦发生超速，将会导致设备损坏，造成重大的财产损失。现有的超速保护系统通常是通过直接检测汽轮机的转速进行超速判定的。这种由于在发电机组运行时，内外部的各种原因均会对汽轮机的转速造成影响，这就导致现有的直接检测判定系统容易出现判定失误。为了弥补这一问题，现有的超速保护系统一般会将判定条件设定的较低，这虽然可以保证汽轮机发生超速时保护系统有效动作，但是同时会导致汽轮机转速发生波动时出现保护系统误动作的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种汽机超速保护系统及其控制方法，能够解决现有技术的不足，提高了超速保护系统判定的准确度。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

一种汽机超速保护系统，包括，

旋转轴转速检测传感器，用于检测汽轮机转速；

一次油压传感器，用于检测汽轮机的一次油压；

旋转轴径向振动传感器，用于检测旋转轴的径向振动的振幅和频率；

超速判定模块，根据旋转轴转速检测传感器、一次油压传感器和旋转轴径向振动传感器的监测信号对汽轮机运行状态进行判断；

停机保护模块，与超速判定模块通讯连接，若超速判定模块发出汽机超速判定信号，停机保护模块执行停机操作。

一种上述的汽机超速保护系统的控制方法，包括以下步骤：

a、旋转轴转速检测传感器对汽轮机转速进行检测，得到转速信号v；

b、一次油压传感器对汽轮机的一次油压进行检测，得到一次油压信号p；

c、旋转轴径向振动传感器对汽轮机旋转轴的径向振动进行检测，得到径向振动的振幅信号a和频率信号f；

d、超速判定模块采集转速信号v、一次油压信号p、振幅信号a和频率信号f，根据如下条件对汽轮机是否超速进行判定，

①转速信号v一直不高于设定阈值vt，判定汽轮机没有超速；

②转速信号v出现高于设定阈值vt的脉冲信号，且在检测时间段内高于设定阈值vt的时长占比小于5％；

将频率信号f和振幅信号a分别与转速信号v进行对比，若频率信号f与转速信号v的相似度大于相似度阈值，且振幅信号a与转速信号v的脉冲信号的振幅成正比，则判定汽轮机超速，否则判定汽轮机没有超速；

③转速信号v出现高于设定阈值vt的脉冲信号，且在检测时间段内高于设定阈值vt的时长占比大于等于5％且小于等于50％；

将频率信号f和振幅信号a分别与转速信号v进行对比，若频率信号f与转速信号v的相似度大于相似度阈值，且振幅信号a与转速信号v的脉冲信号的振幅成正比，则判定汽轮机超速；

将频率信号f和振幅信号a分别与转速信号v进行对比，若频率信号f与转速信号v的相似度大于相似度阈值，或振幅信号a与转速信号v的脉冲信号的振幅成正比，对一次油压信号p进行分析；若一次油压信号p与转速信号v为正相关关系，且一次油压信号p在检测时间段内的平均值大于一次油压信号p的初始值，则判定汽轮机超速；

否则判定汽轮机没有超速；

④转速信号v出现高于设定阈值vt的脉冲信号，且在检测时间段内高于设定阈值vt的时长占比大于50％，判定汽轮机超速；

e、当超速判定模块发出汽轮机超速信号时，停机保护模块执行停机操作。

作为优选，步骤a中，对采集到的转速信号v进行如下处理，

a1、将采集到的离散转速信号拟合为转速曲线x；

a2、建立滑动窗口，滑动窗口的长度大于任意两个离散转速信号的间隔；

a3、计算滑动窗口内的转速曲线段的平均值，以滑动窗口中的离散转速信号作为参考值，若滑动窗口内有多个离散转速信号，则以所有离散转速信号的平均值作为参考值；

a4、根据平均值与参考值的偏差值对转速曲线段进行调整；若偏差值为0，则不作调整，否则，按照以下方式选择调整基点，

调整基点的时间轴坐标与所有离散转速信号时间轴坐标的差值绝对值的和最小，

以调整基点为起始点，对调整基点两侧的转速曲线段进行调整，使得调整后的偏差值为0，调整过程中保证调整基点上转速曲线的一阶导数存在，且调整前后转速曲线段的差值的绝对值在时间轴上的积分结果最小。

作为优选，步骤b中，对采集到的一次油压信号p进行如下处理，

b1、在转速曲线x上标记特征点，特征点的选择方法为，

在滑动窗口内，转速曲线段的导数至少出现3次正负变化；特征点选择在任意一个导数为0的位置；

b2、标记一次油压信号p中在滑动窗口时间长度范围内变化范围大于设定阈值的区域，根据转速曲线上不同特征点的时间位置关系，在标记区域内确定对应特征点的位置；

b3、根据转速曲线上特征点与一次油压信号p上对应特征点的时间偏差平均值，确定一次油压信号p相对于转速曲线的延时时长，对一次油压信号p进行时间轴上的平移。

作为优选，步骤c中，对采集到的频率信号f和振幅信号a进行如下处理，

c1、根据时间轴坐标标记出频率信号f和振幅信号a对应一次油压信号p标记区域的特征区域；

c2、计算特征区域内的频率信号f和振幅信号a的一阶导数，对特征区域内的频率信号f和振幅信号a进行调整，使其一阶导数正相关，且其一阶导数的正负值保持一致；

c3、对频率信号f和振幅信号a进行平滑处理。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：本发明使用转速信号、一次油压信号、振动频率信号和振幅信号进行综合分析，对气机超速进行精确判定。通过对转速信号进行有效的预处理，可以提高转速信号的信噪比。利用处理转速信号所使用的的滑动窗口，对一次油压信号进行快速平移，以降低由于油压信号延时导致的判定误差。利用一次油压信号特征区域与振动信号相关较高的特点，对振动信号进行快速处理，提高其频率信号和振幅信号的同步性。本发明通过对多个输入信号的快速处理，并利用不同输入信号与超速状态之间的关联性质，降低了原单一转速信号判定过程中存在的误判几率。

附图说明

图1是本发明一个具体实施方式的原理图。

图中：1、旋转轴转速检测传感器；2、一次油压传感器；3、旋转轴径向振动传感器；4、超速判定模块；5、停机保护模块。

具体实施方式

本发明中使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书的和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接、粘贴等常规手段，在此不再详述。

参照图1，本实施例包括旋转轴转速检测传感器1，用于检测汽轮机转速；

一次油压传感器2，用于检测汽轮机的一次油压；

旋转轴径向振动传感器3，用于检测旋转轴的径向振动的振幅和频率；

超速判定模块4，根据旋转轴转速检测传感器1、一次油压传感器2和旋转轴径向振动传感器3的监测信号对汽轮机运行状态进行判断；

停机保护模块5，与超速判定模块4通讯连接，若超速判定模块4发出汽机超速判定信号，停机保护模块5执行停机操作。

一种上述的汽机超速保护系统的控制方法，包括以下步骤：

a、旋转轴转速检测传感器1对汽轮机转速进行检测，得到转速信号v；

b、一次油压传感器2对汽轮机的一次油压进行检测，得到一次油压信号p；

c、旋转轴径向振动传感器3对汽轮机旋转轴的径向振动进行检测，得到径向振动的振幅信号a和频率信号f；

d、超速判定模块4采集转速信号v、一次油压信号p、振幅信号a和频率信号f，根据如下条件对汽轮机是否超速进行判定，

①转速信号v一直不高于设定阈值vt，判定汽轮机没有超速；

②转速信号v出现高于设定阈值vt的脉冲信号，且在检测时间段内高于设定阈值vt的时长占比小于5％；

将频率信号f和振幅信号a分别与转速信号v进行对比，若频率信号f与转速信号v的相似度大于相似度阈值，且振幅信号a与转速信号v的脉冲信号的振幅成正比，则判定汽轮机超速，否则判定汽轮机没有超速；

③转速信号v出现高于设定阈值vt的脉冲信号，且在检测时间段内高于设定阈值vt的时长占比大于等于5％且小于等于50％；

将频率信号f和振幅信号a分别与转速信号v进行对比，若频率信号f与转速信号v的相似度大于相似度阈值，且振幅信号a与转速信号v的脉冲信号的振幅成正比，则判定汽轮机超速；

将频率信号f和振幅信号a分别与转速信号v进行对比，若频率信号f与转速信号v的相似度大于相似度阈值，或振幅信号a与转速信号v的脉冲信号的振幅成正比，对一次油压信号p进行分析；若一次油压信号p与转速信号v为正相关关系，且一次油压信号p在检测时间段内的平均值大于一次油压信号p的初始值，则判定汽轮机超速；

否则判定汽轮机没有超速；

④转速信号v出现高于设定阈值vt的脉冲信号，且在检测时间段内高于设定阈值vt的时长占比大于50％，判定汽轮机超速；

e、当超速判定模块4发出汽轮机超速信号时，停机保护模块5执行停机操作。

步骤a中，对采集到的转速信号v进行如下处理，

a1、将采集到的离散转速信号拟合为转速曲线x；

a2、建立滑动窗口，滑动窗口的长度大于任意两个离散转速信号的间隔；

a3、计算滑动窗口内的转速曲线段的平均值，以滑动窗口中的离散转速信号作为参考值，若滑动窗口内有多个离散转速信号，则以所有离散转速信号的平均值作为参考值；

a4、根据平均值与参考值的偏差值对转速曲线段进行调整；若偏差值为0，则不作调整，否则，按照以下方式选择调整基点，

调整基点的时间轴坐标与所有离散转速信号时间轴坐标的差值绝对值的和最小，

以调整基点为起始点，对调整基点两侧的转速曲线段进行调整，使得调整后的偏差值为0，调整过程中保证调整基点上转速曲线的一阶导数存在，且调整前后转速曲线段的差值的绝对值在时间轴上的积分结果最小。

步骤b中，对采集到的一次油压信号p进行如下处理，

b1、在转速曲线x上标记特征点，特征点的选择方法为，

在滑动窗口内，转速曲线段的导数至少出现3次正负变化；特征点选择在任意一个导数为0的位置；

b2、标记一次油压信号p中在滑动窗口时间长度范围内变化范围大于设定阈值的区域，根据转速曲线上不同特征点的时间位置关系，在标记区域内确定对应特征点的位置；

b3、根据转速曲线上特征点与一次油压信号p上对应特征点的时间偏差平均值，确定一次油压信号p相对于转速曲线的延时时长，对一次油压信号p进行时间轴上的平移。

步骤c中，对采集到的频率信号f和振幅信号a进行如下处理，

c1、根据时间轴坐标标记出频率信号f和振幅信号a对应一次油压信号p标记区域的特征区域；

c2、计算特征区域内的频率信号f和振幅信号a的一阶导数，对特征区域内的频率信号f和振幅信号a进行调整，使其一阶导数正相关，且其一阶导数的正负值保持一致；

c3、对频率信号f和振幅信号a进行平滑处理。

本发明计算量少，对汽机超速的判定准确率高，可以有效避免误判导致的意外停机。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。