景丰联围泵站机组状态监测与故障诊断

车贵荣，钟文聪，李增贤，冯卫民

(1.甘肃省酒泉市金塔县解放村水库管理所，甘肃 酒泉 735300；2.武汉大学动力与机械学院，武汉 430072；3.广东省肇庆市景丰联围管理局，广东 肇庆 526000)

泵站在抗洪、排涝、灌溉、调水以及城乡供水、工业供水、航运和改善生态环境方面发挥着极为重要的作用。随着我国国民经济的发展，一大批大、中型泵站投入运行，泵站的可靠性、安全性、经济性的要求也越来越高。而泵站机组是泵站的关键设备，泵站的运行状态直接影响泵站的安全运行。同时，随着机组单机容量的不断增大，对机组的检修、维护、运行、管理提出了更高的要求。泵站机组的检修一般采取事后维修或者定期维修，前者可能引起设备的二次损坏，甚至灾难性事故；后者会导致过剩维修，过剩维修则会导致维修费用增加，引起人为维修故障，而且意外停机也会引起泵站机组的损坏。国内对于水电站的监控技术的研究已经日渐成熟，但对于泵站机组的状态监测还处于起步阶段，且大型泵站的监控在东线工程中有很大的作用，因此实施泵站机组运行状况的状态监测和故障诊断，对机组故障进行及时预测预报、分析原因，对于大中型泵站机组的安全运行具有重要的意义。

1 泵站计算机监控系统的结构

1.1 计算机监控系统的工作原理

为了简单和形象地说明计算机监控系统的工作原理。给出典型的计算机监控系统原理图，如图1所示。在计算机监控系统中，由于控制计算机的输入和输出是数字信号，因此需要有A/D(模拟/数字)转换器和D/A(数字/模拟)转换器。从本质上看，计算机监控系统的工作原理可归纳为以下3个步骤。

图1 计算机监控系统原理

(1)实时数据采集。对来自测量变送装置的被控量的瞬时值进行检测和输入。

(2)实时控制决策。对采集到的被控量进行分析和处理，并按已定的控制规律，决定将要采取的控制行为。

(3)实时控制输出。根据控制决策，适时地对执行机构发出控制信号，完成控制任务。

上述过程不断重复，使整个系统按照一定的品质指标进行工作，并对被控量和设备本身的异常现象及时作出处理。

1.2 计算机监控系统结构

泵站计算机监控系统执行控制任务通常包括正常运行控制、紧急控制和恢复控制这3个方面的内容。计算机监控系统的结构，即系统的结构问题，它涉及的因素很多，从工业自动化计算机监控系统的一般划分，并依据目前泵站的实际情况，可以归纳为集中式监控系统、功能分散式监控系统和分层分布式监控系统。

分层分布式监控系统在地域上是分散的，即按控制对象进行分散。泵站的控制对象是泵站机组、开关站、公用设备、闸门等。按控制对象设置单独的控制单元，称作现地控制单元，它们由微机或可编程控制器等构成，组成了现地控制级。由于系统信息进行了分布处理，即各台机组的信息由各台机组控制单元进行处理，就不必敷设许多电缆将信息送到一处集中处理，可以节省相应的投资。基于分层分布式监控系统的优点颇多，它已取代其他两种类型而成为泵站监控系统的主要类型。分层分布式监控系统整体结构如图2所示。

图2 分层分布式监控系统系统

2 泵站机组设备的故障树构建与分析

故障树分析(Fault Tree Analysis，FTA)又称事故树分析，是安全系统工程中最重要的分析方法。事故树分析从一个可能的事故开始，自上而下、一层层的寻找顶事件的直接原因和间接原因事件，直到基本原因事件，并用逻辑图把这些事件之间的逻辑关系表达出来。故障树的因果关系清晰、形象，对导致事故的各种原因及逻辑关系能做出全面、简洁、形象地描述，因而在水泵故障诊断中得到广泛而重要的应用。

2.1 故障树分析的原理及步骤

故障树模型是一个基于被诊断对象结构、功能特征的行为模型，是一种定性的因果模型，以系统最不希望事件为顶事件，以可能导致顶事件发生的其他事件为中间事件和底事件，并用逻辑门表示事件之间联系的一种倒树状结构。它反映了特征向量与故障向量(故障原因)之间的全部逻辑关系。图3即为一个简单的故障树模型。图3中顶事件：系统故障，由部件A或部件B引发，而部件A的故障又是由两个元件1、元件2中的一个失效引起，部件B的故障是在两个元件3、元件4同时失效时发生。

图3 简单故障树模型

故障树分析诊断法步骤如下：①调查事故。收集事故案例，进行事故统计，设想给定系统可能发生的事故。②选择合理的顶事件。一般以待诊断对象故障为顶事件。③建造正确合理的故障树。这是诊断的核心与关键。④故障搜寻与诊断。根据建立的故障树，对故障进行搜寻和诊断。搜寻方法有逻辑推理诊断法和最小割集诊断法等。

2.2 泵站机组故障树的建立

泵站机组故障树建立的过程就是对机组整体系统进行逐层分解的过程，在对系统结构分析的基础上找出引起机组故障的根本原因，理清设备各零部件之间的逻辑关系，最终建立系统故障树。若要建立一个理有效的故障树，就需要对“泵站机组设备”的结构和工作机理进行深入的分析。泵站机组结构复杂，对各零部件微小变化引起的机组振动故障进行分析是十分不易的，其中水力振动、机械振动和电气振动是泵站机组振动的三大主要振源，这三方面因素常常交织在一起构成机组的复杂不稳定状态。基于此，作者通过查找大量文献总结出了泵站机组常见的故障及征兆，如表1所示，可以在这个基础上以泵站机组振动为顶事件，按一定的逻辑门关系对泵站机组建相应的故障树模型。

2.3 基于故障树模型的泵站状态监测系统开发

报警故障树诊断模型如图4所示，是通过经验总结，把泵站机组运行中经常出现的水力、机械和电气等各方面的故障按照树型结构排列在系统数据库中，当机组出现某一故障时，系统会通过各种信号分析寻找出可能出现的故障根源。找到故障根源后，故障产生的表现、原因和时间等信息就会自动的显示在系统界面上。

机组状态监测与故障诊断系统的可靠性和实用性要通过实验室试验的方法来进行验证。在转子试验台对转子转盘增加一个5 g的键硝，让转子的质量不平衡，及转子质量偏心。并通过转子台控制器设置转子的转速为1 500 r/min。接线完整后，启动上位机上安装的系统软件，并完成初始设置。数据采集完成后，可以通过系统对这组采集数据进行各种不同类型的信号分析。

通过频谱分析，可以在信号分析页面中显示数据的频谱图，如图5所示，可以看出信号频谱分析之后的结果是基频和二倍频振动较大。通过振动分析，系统通过计算后显示当前振动的主要频率为25 Hz，并显示了振动分析结果----转子质量不平衡，如图6所示。

表1 水泵常见故障及征兆

图4 报警故障树诊断模型

图5 振动频谱分析

图6 振动分析结果

3 泵站状态监测与故障诊断系统在景丰联围中的应用

在对泵站机组运行特性进行分析研究时，除了理论分析，现场试验的机理分析研究也是必不可少的。泵站机组在实际运行时会受到多种因素的影响，机组在实际工况下的运行特性和在理论模型分析下的状况会存在一定的差异，故障特征的变化也不完全相同，因此，泵站机组的现场运行试验对分析研究机组的故障机理是一种非常合理有效的方法，有利于更加准确的对机组在不同运行工况下故障类型和性质的诊断决策，从而确立合理的故障诊断模式。

(1)泵站机组主要参数及试验测点布置见表2。在水泵机组中，其顶盖、上机架、上导等是十分重要的部件，这些部件在机组运行过程中会受到各种水力不平衡力和其他激励源的作用而产生振动。长时间的振动可能引起结构的疲劳损坏，此外，当干扰力频率与水轮机结构自振频率接近或相同时可引发共振，在共振条件下极易引起结构的破坏。在监测点布置上，考虑石溪泵站机组本身较小的特点，在一号机组中布置了顶盖X、Y、Z方向上的振动，上机架X、Y、Z方向上的振动、上导X、Y方向上的振动。

(2)机组实测数据及分析。图7～图9分别为顶盖X、Y、Z方向上的振动、上机架X、Y、Z方向上的振动、上导X、Y方向上的振动的实时频谱。

表2 景丰联围泵站机组基本参数

图7 顶盖X、Y、Z方向实时频谱

图8 上机架X、Y、Z方向实时频谱

图9 上导X、Y方向实时频谱

由图7、图8中监测数据可以看出顶盖和上机架的振动主要是Z轴方向上的振动，这种现象是由于水泵顶盖、上机架垂直振动是水力因素占主要作用。如果垂直振动振幅过大是由于某种水力共振现象造成，而形成共振现象的原因，其一是由于顶盖内腔水流复杂，且有不平衡现象发生，导致一种水力谐共振工况发生；其二是引水钢管内水体振动频率与某种旋转频率接近，而引发共振工况。此二类的共振频率均与转速频率fn相近，而被称为转频f′n=(0.75～1.3)fn。而消除共振工况措施，主要是补气和消除各种不平衡力。

泵的转轴与驱动电机轴直接相连，使得泵的动态性能和电机的动态性能相互干涉，高速旋转部件多，动、静平衡不能满足要求。因此，从图9中可分析出，上导的振动中机械因素其主要作用。

4 结 语

通过实验分析与检测结果可知，系统能够真实的采集到实验的实时数据，并且能对采集的数据进行有效而准确的分析，最后还能根据信号分析的结果准确定位故障根源。这证明系统已经达到了预期的效果，即能够准确的诊断出故障原因。文章还通过现场实验对石溪泵站水泵机组的现场振动测试，能够具体反映出机组在不同运行工况下的振动情况，为今后机组的运行与检修提供了真实可靠的数据资料，这是很有意义的一件事情。

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