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水轮机状态监测系统开发及故障分析研究

作　者: 刘世勋
导　师: 王洪杰; 赵越
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 动力工程
关键词: 水轮机状态监测信号处理 LabVIEW
分类号: TM312
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

自上世纪70年代以来，我国水电事业进入快速发展阶段，机组逐渐向大容量、高功率、巨型化等方向发展，使得机组的相对刚度降低，水力稳定性与振动问题日益突出。为保证水轮发电机组的经济与安全运行，实现对故障的及时排查，针对水轮机状态监测与故障分析技术的研究变得日益深入且具有非常重要的实际意义。本文在虚拟仪器LabVIEW软件平台下，研究开发了水轮机状态监测系统，并将该系统应用于实际工程中，为查找故障根源提出了合理化建议。首先，论文在查阅大量国内外相关文献及科技书籍的基础上，概述了状态监测与故障诊断技术、虚拟仪器技术的研究现状，并介绍了水轮发电机组的典型振动故障及其发生机理。其次，在数据分析方法方面，本文详细论述了振动信号的分析与数字信号处理技术，主要包括时域、频域及时频联合分析方法，并比较了不同分析方法的适用条件与效果优劣，为系统开发提供了必要的理论支持。再次，对于监测系统的研究与开发，本文根据水轮机试验项目与状态监测需求，结合LabVIEW虚拟仪器技术开发出集传感器率定、数据采集、信号分析、数据库管理、报表输出及故障分析等功能为一体的状态监测系统，并采用了多种信号分析方法，如FFT、PSD、STFT分析等，提高了对振动信号的分析准确性与选择多样性，为后续的故障机理分析提供了有效的技术手段。最后，本文论述了该监测系统在水轮机原型机上的实际应用效果，利用该系统分析了构皮滩电站原型机压力脉动信号，通过对比不同运行工况下的谱分析结果，阐述了可能存在的故障根源。实际应用结果表明该系统人机界面友好、数据采集与分析精度高、分析方法多样灵活、开发周期短且易维护，可扩展应用于其他工程应用中，具有良好的应用前景。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 状态监测及故障诊断技术研究现状和应用分析  10-12
    1.2.1 国外相关研究及应用现状  10-11
    1.2.2 水轮机状态监测系统技术国内现状  11
    1.2.3 水轮机组故障诊断技术国内现状  11-12
  1.3 LabVIEW 语言的发展现状  12-14
    1.3.1 虚拟仪器技术简介  12-13
    1.3.2 LabVIEW 软件平台  13
    1.3.3 LabVIEW 工程应用及发展  13-14
  1.4 本文主要研究内容  14-16
第2章信号分析与处理技术  16-25
  2.1 信号的预处理  16-18
    2.1.1 去趋势项  16-17
    2.1.2 信号平滑处理  17-18
  2.2 信号时域分析  18-22
    2.2.1 波形分析  18-19
    2.2.2 时域指标统计  19-20
    2.2.3 统计分析法  20-21
    2.2.4 相关分析法  21-22
  2.3 信号频域分析  22-23
    2.3.1 FFT 幅值谱分析  22
    2.3.2 功率谱密度分析  22-23
  2.4 信号时频联合分析  23-24
    2.4.1 短时 Fourier 变换  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章水轮机组典型振动故障与分析方法  25-36
  3.1 机组典型振动  25-31
    3.1.1 振动特点  25-26
    3.1.2 水力振动  26-29
    3.1.3 机械振动  29-30
    3.1.4 电磁振动  30-31
  3.2 基于频谱分析的故障分析法  31-35
    3.2.1 模糊诊断理论基础  31-32
    3.2.2 模糊识别方式  32-33
    3.2.3 水轮机组频谱分析法  33-35
  3.3 本章小结  35-36
第4章水轮机虚拟仪器监测系统软件设计与实现  36-61
  4.1 系统总体设计  36-38
    4.1.1 系统需求分析  36-37
    4.1.2 系统设计思想  37-38
  4.2 系统开发模式设计  38-39
  4.3 传感器标定模块  39-42
  4.4 数据管理模块  42-44
    4.4.1 数据管理的设计特点  42
    4.4.2 LabVIEW 数据管理的实现  42-44
  4.5 数据采集模块  44-48
    4.5.1 采集前端  45-46
    4.5.2 DLL 参数换算  46-48
  4.6 在线数据处理模块  48-58
    4.6.1 数据去除趋势项  49-50
    4.6.2 数据平滑处理  50-51
    4.6.3 数字滤波处理  51-52
    4.6.4 时域分析模块  52-53
    4.6.5 FFT 幅值谱分析  53-54
    4.6.6 功率谱密度分析  54-55
    4.6.7 STFT 时频分析  55-58
  4.7 报表生成模块  58-59
  4.8 故障分析模块  59
  4.9 本章小结  59-61
第5章系统应用与故障分析  61-72
  5.1 机组基本情况与参数  61
  5.2 试验测试方案  61-62
  5.3 试验测试数据与结果分析  62-70
    5.3.1 #1 机组监测与分析  62-66
    5.3.2 #5 机组监测与分析  66-70
  5.4 本章小结  70-72
结论  72-74
参考文献  74-79
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  79-81
致谢  81

水轮机状态监测系统开发及故障分析研究

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