离心泵叶轮多工况节能运行状态监测方法

蔡 玲，毕克刚，郭宝金，张 俊，钱 伟

(1.昆明市节能监察支队，云南 昆明 650031； 2.云南省产品质量监督检验研究院，云南 昆明 650223； 3.云南大学材料与能源学院，云南 昆明 650091)

离心泵现阶段被广泛应用于国民经济各个部门以及航天等技术领域中[1-2]，是一种重要的输送装置。由于其实际运行过程中，会受到不同因素以及运行条件的影响，一旦设计不合理或者选型不合适，将会导致离心泵在运行过程中发生故障，同时效率和使用寿命也会有一定程度的下降，浪费大量的人力和物力。所以，对离心泵叶轮多工况节能运行状态进行监测具有重要意义。

国内相关专家针对该方面的内容进行了大量研究，例如刘起超等[3]设计出一种离心泵运行状态监测和故障诊断装置，通过该装置可以有效实现故障识别和运行状态实时监测。伍柯霖等[4]组建一种全新的机械振动噪声信号模型，同时将信号进行有效分解，获取有效的信息成分，最终通过主导频时频分析方法对运行状态进行实时监测。国外相关专家Khoeini D等[5]研究了扩压器叶片几何参数和叶轮微槽深度对垂直悬挂离心泵性能的影响。对不同扩压器叶片高度、前缘角、后缘角、包角以及叶轮微槽深度进行了深入分析。通过对比实验数据验证了数值结果。Giro R A等[6]提出了一种预测性维护策略，其中通过单独利用标准压力测量值并使用无监督学习方法来跟踪离心泵的状态，沿流体管线记录的压力数据用于计算适当窗口长度上的几个统计指标，然后将这些指标输入基于高斯混合模型的无监督聚类过程，输出是4个不同泵运行工况范围内的指数，以及允许解释自动工况分类的聚类可视化。

在上述方法的基础上，提出一种离心泵叶轮多工况节能运行状态监测方法。应用分析结果表明，所提方法可以更好实现运行状态监测。

1 方法设计

1.1 离心泵信号去噪

在现场采集的离心泵振动信号中掺杂着大量的噪声以及干扰，所以需要对离心泵中的振动信号进行分段处理。由于信号中存在比较明显的噪声干扰，为了确保噪声分段工作的顺利进行，需要对采集到的实测信号进行去噪处理，在复杂信号中获取有效信号。

信号的自相关系数K(i)见式(1)：

K(i)=

(1)

式中，ai，j和bi，j分别为信号在不同时段的自相关系数；N为信号的分段长度，离心泵信号分段的核心由N取值确定。

当信号完成分段处理后，采用式(2)对分段信号或者功率谱进行估计H[x(i)]，具体计算如下：

(2)

式中，μxyz为信号的周期长度；x(i)为信号分解结果。

为了更好地实现信号去噪[7-8]，需要计算分段后各个信号的周期长度，同时计算平均取值。在基元分段的基础上，对离心泵信号的功率谱进行估计，获取处理完成后的信号。同时引入小波去噪算法[9-10]对采集到的信号进行去噪处理，详细的操作步骤如下：①采集离心泵信号；②针对不同类型的信号进行小波阈值降噪处理；③对降噪后的信号进行小波包分解，同时获取时域上的变化规律。

1.2 离心泵叶轮多工况节能运行状态特征提取

对电机电源信号进行分析[11-12]即可获取离心泵叶轮多工况节能运行状态，由于信号中包含的成本比较复杂，所以运行状态中的特征信号相对比较薄弱。为了更好对薄弱信号进行提取，通过奇异值分解方法，需要将离心泵中的工频分量删除，更好反映运行状态对应的特征频率。

SVD分解[13-14]属于一种矩阵分解方法，采用SVD处理待分析信号组建合适的矩阵，同时将信号分解到不同的正交子空间内，详细的操作步骤如下：①设定待检测信号为离散序列，合理周期为h，则通过序列可以构建矩阵X。②对构建的矩阵X进行SVD分解[15-16]。③在电流信号分析过程中[17-18]，需要将重要的信号划分到第一子空间内。其中，离心泵中电网频率分量可以表示为X=a1b1c1。其中，a、b以及c分别为不同的电网频率子分量。④在离心泵的电流信号中将电网频率分量删除，即可获取剩余频率的分量集合。

在SVD分解的基础上，通过Hilbert-Huang变换对离心泵叶轮多工况节能运行状态进行处理和分析，整个过程主要划分为EMD分解和Hilbert-Huang变换2个阶段。

离心泵叶轮多工况节能运行状态特征提取流程如图1所示。

图1 离心泵叶轮多工况节能运行状态特征提取流程Fig.1 Flow chart of feature extraction of centrifugal pump impeller in multi-condition energy-saving operation state

具体流程为：①对离心泵叶轮多工况节能运行状态中的全部信号进行采集；②采用SVD信号进行分解，同时将电网中的工频分量剔除；③通过EMD进行信号分解；④选取合适的IMF分量，同时计算对应的波形特征参数；⑤采用Hilbert-Huang变换对离心泵叶轮多工况节能运行状态特征进行提取。

1.3 离心泵叶轮多工况节能运行状态监测

通过离心泵叶轮多工况节能运行状态特征，将全部特征输入到监测器进行监测，但是这样会导致整体监测精度下降，所以需要选择一个合适的指标。

设定随机2个变量x(i)和y(i)，则两者对应的互信息L(x，y)可以表示为：

(3)

式中，minH(x，y)为最小冗余原则。

将最大相关原则和最小冗余原则两者结合后，在剩余的特征空间内可以获取第n个特征，同时满足以下的约束条件：

(4)

通过最小冗余原则对采集到的离心泵叶轮多工况节能运行状态特征进行选择[19-20]。同时为了更好完成离心泵叶轮多工况节能运行状态监测，需要引入支持向量机(SVM)。

设定线性可分训练数据为L，至少存在一个可以将2类样本进行区分的超平面，具体的表达式如式(5)所示：

wT·x+b=0

(5)

式中，w为法向量；b为偏移系数；x为样本点。

在解决非线性优化问题的过程中，需要将输入向量映射到一个全新的高维特征空间中，则核函数映射diff(a1·b1·c1)可以表示为以下形式：

(6)

式中，χ为连续特征。

基于SVM的离心泵叶轮多工况节能运行状态监测过程如图2所示。

图2 离心泵叶轮多工况节能运行状态监测流程Fig.2 Monitoring flow chart of energy-saving operation status of centrifugal pump impeller in multiple working conditions

具体流程为：①通过提取离心泵叶轮多工况节能运行状态特征，获取不同运行状态下的特征参数；②将提取到的全部特征进行排序；③将重构后的特征向量选取一半输入到监测器中进行训练，剩余部分则作为监测效果进行验证；④输出离心泵叶轮多工况节能运行状态监测结果。

2 应用分析

为了验证所提离心泵叶轮多工况节能运行状态监测方法的有效性，选取单级单吸离心泵作为研究对象(图3)，测试型号为100PWF-125，叶片数量为6个。

在实验前，首先在离心泵叶轮上布置测点，具体布置如图4所示。

图4 测点位置Fig.4 Measuring point position

以图4为基础，在测试前搭建试验装置，装置安装位置如图5所示。

图5 试验装置Fig.5 Test device

图5中的试验泵即为图3所示的测试对象。在图5所示的试验装置上，分析不同工况下离心泵进水口水声信号以及壳体振动对应的频段能量变化情况，试验结果如图6和图7所示。通过分析图6和图7中的实验数据可知，2种信号的变化全部符合声压规律，同时均会出现峰值。

通过改变试验装置的输入电压，调节电磁阀的开度，实现离心泵中的电磁流量控制，通过压力传感器测得各流量下的进出口压、通过动态扭矩仪测得各流量下的转矩、转速，通过计算扬程、功率和效率，完成外特性测量试验，试验结果如图8所示。

图6 离心进口水声的声能测试结果Fig.6 Sound energy test results of centrifugal imported underwater sound

图7 离心泵壳体振动信号的能量测试结果Fig.7 Energy test results of the vibration signal of the centrifugal pump casing

图8 外特性测量试验结果Fig.8 External characteristic measurement test results

由图8可知，试验获得的性能曲线与模拟得到的性能曲线吻合度较高，在大多数情况下扬程和效率要略高于模拟获得的扬程和效率。流量为100 m3/h的气蚀余量(NPSH)判别曲线如图9所示。

图9 流量为100 m3/h的NPSH3判别曲线Fig.9 NPSH3 discriminant curve diagram with a flow rate of 100 m3/h

由图9可知，通过作图法可以获取NPSH3判别曲线，峰值点也位于第6个和第7个点之间。

不同信号和带宽下的能量峰值变化情况见表1。

表1 离心泵信号类型和带宽下能量峰值变化结果分析Tab.1 Analysis of the results of the energy peak change under the signal type and bandwidth of the centrifugal pump

由表1可知，在给定的参考频段下，离心泵叶轮多工况节能运行状态对应的进口水声峰值呈先增加后降低的趋势，振动信号也是如此。由此可见，所提方法可以准确监测离心泵叶轮多工况节能的运行状态。主要是因为监测前期，所提方法对采集到的信号进行了去噪处理，为后续运行状态监测提供一定的理论依据。

3 结语

针对传统方法存在的一系列问题，设计并提出一种离心泵叶轮多工况节能运行状态监测方法。经应用分析证明，所提方法可以准确进行离心泵叶轮多工况节能运行状态监测，同时也全面验证了所提方法的有效性和优越性。