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高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器安全預(yù)警技術(shù)研究

文檔作者：劉旭海郝學(xué)軍文檔來源：北京建筑大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年09月10日
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第37卷第3期
2017年3月
煤氣與熱力
GAS &amp;amp; HEAT
Vo1．37 No．3
Mar．2017
高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器安全預(yù)警技術(shù)研究
劉旭海， 郝學(xué)軍
(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京100044)
摘要： 提出基于改進(jìn)小波包與壓力諧波畸變率相結(jié)合的故障預(yù)警方法，通過分析故障調(diào)壓
器出口壓力諧波畸變率以及利用改進(jìn)小波包分解得到的小波包能量特征值作為判斷依據(jù)，總結(jié)故
障數(shù)據(jù)規(guī)律，建立高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器安全預(yù)警模型。
關(guān)鍵詞： 高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器； 改進(jìn)小波包； 諧波畸變率； 安全預(yù)警模型
中圖分類號(hào)：TU996．6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000—4416(2017)03—0B17—05
作者簡(jiǎn)介：劉旭海，男，碩士，研究方向?yàn)槿細(xì)庠O(shè)備故
障診斷。
1 概述
燃?xì)庹{(diào)壓器在城市燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)中占有非常重
要的地位，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)城市燃?xì)夤?yīng)影響
巨大。燃?xì)庹{(diào)壓器運(yùn)行故障直接影響到下游供氣壓
力的穩(wěn)定，引起供氣壓力異常導(dǎo)致工業(yè)用戶產(chǎn)品報(bào)
廢、民用燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行故障，甚至引起停止供氣或超
壓放散。然而，目前燃?xì)庹{(diào)壓器的研究主要集中在
調(diào)壓器的故障診斷方面 I2 J，針對(duì)燃?xì)庹{(diào)壓器安全
預(yù)警技術(shù)的研究文獻(xiàn)則較為匱乏。因此，客觀準(zhǔn)確
地提取調(diào)壓器工作性能變化特征，及時(shí)掌握調(diào)壓器
的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)燃?xì)庹{(diào)壓器故障的安全預(yù)警，對(duì)保
收稿日期：2016—05—15； 修回日期：2016—11—10
障設(shè)備安全運(yùn)行和生產(chǎn)操作都具有重要意義。
本文采用改進(jìn)小波包和壓力諧波畸變率相結(jié)合
的燃?xì)庹{(diào)壓器故障預(yù)警方法，對(duì)不同故障類型調(diào)壓
器出口壓力信號(hào)進(jìn)行小波包分解，利用相關(guān)性分析
提取包含故障信息的頻帶信號(hào)，計(jì)算出各頻帶信號(hào)
的小波包能量特征值，同時(shí)結(jié)合壓力諧波畸變率，組
成故障特征向量，構(gòu)建出高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器故障預(yù)
警模型。
2 算法簡(jiǎn)介
① 小波包算法
小波包算法是從小波分析中延伸出來的一種對(duì)
信號(hào)進(jìn)行更加細(xì)致的分析與重構(gòu)的方法，它能夠?qū)?
小波分析不能細(xì)分的高頻部分進(jìn)行進(jìn)一步分解，與
小波變換相比，小波包變換具有更高的分辨率，可以
聚焦到分析對(duì)象的任意細(xì)節(jié)，提取更多的反映信號(hào)
特征的信息，因此被廣泛用于故障診斷領(lǐng)域 I4j。
隨著小波包分解層數(shù)的增加，可使信號(hào)的分解
達(dá)到很精細(xì)的程度，但同時(shí)也會(huì)造成信息數(shù)據(jù)量過
大，分析和處理的復(fù)雜性和難度加大，但有些頻帶包
含的信息較少，可以忽略，只需要對(duì)包含重要信息的
頻帶進(jìn)行分解。為此，本文利用改進(jìn)小波包算法進(jìn)
行故障壓力信號(hào)的特征提取。
② 改進(jìn)小波包算法
小波包分解可以將信號(hào)中各種不同的頻率分解
· B 17 ·
第37卷第3期 煤氣與熱力
到互不重疊的頻帶上，根據(jù)需要?jiǎng)h除某些頻帶的干
擾信號(hào)，利用小波包重構(gòu)算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，可實(shí)
現(xiàn)信號(hào)的濾波和特征提取 。本文提出基于信號(hào)
相關(guān)性分析與小波包相結(jié)合的改進(jìn)小波包特征提取
方法，該方法充分利用小波包的頻帶分解優(yōu)勢(shì)，結(jié)合
對(duì)信號(hào)之間相關(guān)性的判斷，提取出包含故障信息較
多的頻帶信號(hào)，消除干擾信號(hào)，進(jìn)而提高故障診斷的
準(zhǔn)確率。依據(jù)小波包能量守恒原理可知 j：當(dāng)故障
發(fā)生時(shí)，某些頻帶信號(hào)的特征能量必然會(huì)發(fā)生變化，
通過分析各頻帶信號(hào)小波包能量特征值的變化特
點(diǎn)，可以有效區(qū)分調(diào)壓器不同故障類型。改進(jìn)小波
包具體計(jì)算包含以下5步。
a．利用小波包分解調(diào)壓器出口壓力信號(hào)，重構(gòu)
小波包分解系數(shù)。
b．計(jì)算各頻帶重構(gòu)信號(hào)與原信號(hào)相關(guān)系數(shù)K，
作為頻帶選擇的參考。
c．提取K>0．1的頻帶，重構(gòu)信號(hào)。
d．對(duì)重構(gòu)信號(hào)再進(jìn)行2層小波包分解，求各頻
帶信號(hào)的小波包能量特征值。
e．以各頻帶信號(hào)小波包能量特征值為元素，構(gòu)
造能量特征向量，建立預(yù)警模型。
本文定義小波包能量特征值E 的計(jì)算見式
(1)：
『_———■
E =^／ l (1)
式中E ——小波包能量特征值，． =1，2，3，4
— — 采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)
d ——小波包分解后第2層第． 個(gè)節(jié)點(diǎn)(頻
帶)的小波包系數(shù)
— — 分解得到的小波包系數(shù)個(gè)數(shù)，i=1，2，
?
． ，n
E。反映系統(tǒng)信號(hào)的低頻波動(dòng)強(qiáng)度，值越大代表
系統(tǒng)信號(hào)波動(dòng)幅度越大，信號(hào)穩(wěn)定性越差，本文表征
系統(tǒng)低頻故障(調(diào)壓器出口壓力偏高或者偏低)，E
越大，調(diào)壓器低頻故障越嚴(yán)重；E ～E 反映系統(tǒng)的
高頻波動(dòng)強(qiáng)度，值越大代表系統(tǒng)信號(hào)波動(dòng)頻率越高，
信號(hào)波動(dòng)劇烈，本文E ～E 表征系統(tǒng)高頻故障(喘
振)，值越大，調(diào)壓器高頻故障越嚴(yán)重。
③ 諧波畸變率
諧波畸變率在電氣工程學(xué)科中表征實(shí)際輸出波
形相對(duì)于正弦波形失真程度的性能參數(shù)，其定義為
全部諧波分量有效值均方根與基波有效值均方根之
比。本文首次將它作為燃?xì)庹{(diào)壓器出口壓力穩(wěn)定性
能指標(biāo)，諧波畸變率越小，代表出口壓力越穩(wěn)定。計(jì)
算公式見式(2)：
r，
式中 ?！?出口壓力總諧波畸變率
n—— 傅里葉變換后的壓力諧波階數(shù)
— — 出口壓力傅里葉變換后得到的壓力
諧波分量，kPa
— — 燃?xì)庹{(diào)壓器出口壓力設(shè)定值，kPa
為進(jìn)一步量化高次諧波分量和低次諧波分量對(duì)
調(diào)壓器出口壓力波動(dòng)的影響程度，在總諧波畸變率
的基礎(chǔ)上，又分別定義了低次諧波畸變率 m 對(duì)應(yīng)
低次諧波分量： ～ 。高次諧波畸變率 。 ，對(duì)
應(yīng)高次諧波分量 ～U 。
出口壓力諧波畸變率反映調(diào)壓器穩(wěn)壓性能的好
壞。其中，低次諧波畸變率越大代表低頻故障越嚴(yán)
重，高次諧波畸變率越大代表高頻故障越嚴(yán)重。
3 高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器故障特征提取分析
從燃?xì)饧瘓F(tuán)SCADA系統(tǒng)調(diào)取的高中壓燃?xì)庹{(diào)
壓器出口壓力歷史數(shù)據(jù)，壓力記錄間隔為5 rain，每
天共288個(gè)壓力數(shù)據(jù)。本文以一天0O：()(】_23：55
為判定周期，對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換以及改進(jìn)
小波包分解，求出周期內(nèi)壓力信號(hào)的諧波畸變率以
及小波包能量特征值的分布情況，作為調(diào)壓器運(yùn)行
狀態(tài)判定依據(jù)。對(duì)故障燃?xì)庹{(diào)壓器出口壓力數(shù)據(jù)進(jìn)
行統(tǒng)計(jì)分析得出：調(diào)壓器運(yùn)行狀態(tài)分為4類：正常、
喘振、用氣低峰出口壓力高和用氣高峰出口壓力低。
根據(jù)不同種類故障的嚴(yán)重程度，分為預(yù)警和報(bào)警兩
種級(jí)別。典型調(diào)壓站不同運(yùn)行狀態(tài)特征分析如下。
① 正常運(yùn)行狀態(tài)
為了更好地進(jìn)行對(duì)比，首先對(duì)運(yùn)行良好的調(diào)壓
站A站進(jìn)行分析。A站出口壓力三維云圖見圖1
(本文圖中所有色階圖單位均為kPa)。圖1中數(shù)據(jù)
為2015年1月1日至31日調(diào)壓站出口壓力數(shù)據(jù)。
A站出口壓力小波包能量特征值變化趨勢(shì)見圖2，A
站出口壓力諧波畸變率變化趨勢(shì)見圖3。
由圖1可以看出，A站的出口壓力為96．5～99
kPa，壓力波動(dòng)幅度(平均值)基本在0．5 kPa以內(nèi)。
該站設(shè)定出口壓力為98 kPa，調(diào)壓器穩(wěn)壓精度約為
0．5％。即使在用氣高峰時(shí)段(上午7：o0一l0：00或
· B 18 ·
劉旭海，等：高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器安全預(yù)警技術(shù)研究 第37巷 第3期
=蘭99
0 98
97
— — 96
~z300
蘭
妻
(
0
l×l
1×1
圖1 A站出口壓力三維云圖
圖2 A站出口壓力小波包能量特征值變化趨勢(shì)
圖3 A站出口壓力諧波畸變率變化趨勢(shì)
晚l l 8：00—2()：O0)或佼 j}{氣低峰( 儀23：0【】一
凌 4：O0)時(shí)段。j 5【1¨ 力穩(wěn)壓精度 低r l％ ，
州Jfi器規(guī)定的穩(wěn)Jfi精 范陽內(nèi)，運(yùn)行狀念較為
心 依 2、3【1J ，小波包能量特征fIll=卡l{刈‘較小，
． 小J 7， 余 分 I均小丁1， 力喈波畸變率維
十々 0．5％ 以卜、
2、l1 振運(yùn)f 狀
喘振故障址l 、lI? 器常 的一種放障，引
喘振的原岡仃 多， 信 管安裝化 、_卜游
的Jfj 量人少、指 器彈簧過度靈敏等，州 器K期
J11r',i-~ 』I起 仟 繁動(dòng)作會(huì)嚴(yán)重影響洞壓 『』、J部元件
的他Jf J壽命，對(duì) 膜干【lj 騎損壞尤其嚴(yán) 喘振外
脫是出【I J頻繁波動(dòng)，輕嫂的喘抓^殳障? 【I
』 ／fJ波動(dòng)小， 的喘振故障則出口Jfi力波動(dòng)J卜
；’剃烈
調(diào)壓站B站具有喘振故障，B站ffI¨壓力三維
云圖見圖4 圖4中數(shù)據(jù)為20l5年2月1 H至27
日調(diào)壓站? 口壓力數(shù)據(jù)，B站出【I JIi力小波包能
特征值變化趨贄見圖5，B站 【? 力}皆波畸變率
變化趨勢(shì) 圖6。
圖4 B站出口壓力三維云圖
1
1
】
謄0
魯0
塞0
一0
0
圖5 B站出口壓力小波包能量特征值變化趨勢(shì)
圖6 B站出口壓力諧波畸變率變化趨勢(shì)
由 4_f以行出，B站的出[J 為l 1 5～l2()
kP 每 的J1i力波動(dòng)幅發(fā)(平均 ) 1．2 a左
右 陔站沒定ff¨]J 力為120 kl 穩(wěn) 精瞍約
l％ ～ 相比A站，B站出【lI壓力波動(dòng)『IJfI{度仃所增加
乃外，T?川十}I比A站有了明 增大，JK 波動(dòng)頻率增
強(qiáng) 由 5 fJJ‘以看f¨，B站住壓力波功 度和波動(dòng)
頻率 匕A站均仃惡化，“{口 Jn，J小波包能
特征值十lI比A站均有所增加 其一f1 E 變化范【蚓為
l6～23，E，變化范圍為5～10，E 、E 仃較人幅度提
高， ，、 、 之和、r均值島達(dá)12
③ 川 低峰 口壓力高運(yùn)仃?duì)钅?
出[?i 偏離是高巾壓凋壓搽 j -種常 的敞
· B 19 ·
阿
0 5 0 5 O 5
9 8 8 7 7 6 - }_ r
。
第37卷第3期 煤氣與熱力
障，通過前期高中壓調(diào)壓站現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，由于氣源
品質(zhì)的差異，流過調(diào)壓器的天然氣或多或少地含有
一些雜質(zhì)，在壓差驅(qū)動(dòng)下，調(diào)壓器閥口和閥筒極易磨
損，造成調(diào)壓器關(guān)閉不嚴(yán)或者無法關(guān)閉，對(duì)外表現(xiàn)為
出口壓力偏高。故障較輕時(shí)，出口壓力波動(dòng)幅度略
高于調(diào)壓器規(guī)定的波動(dòng)范圍，故障嚴(yán)重時(shí)，調(diào)壓器失
去調(diào)壓功能。
調(diào)壓站C站出口壓力高，C站出口壓力三維云
圖見圖7，圖7中數(shù)據(jù)為2015年2月1日至28日調(diào)
壓站出口壓力數(shù)據(jù)。c站出口壓力小波包能量特征
值變化趨勢(shì)見圖8，C站出口壓力諧波畸變率變化
趨勢(shì)見圖9。
1
l
1
1
口
王
圖7 C站出口壓力三維云圖
3 5 7 9 ll 】3 】5 1 7 19 2l 23 25 27 29
}1
圖8 C站出口壓力小波包能量特征值變化趨勢(shì)
圖9 C站出口壓力諧波畸變率變化趨勢(shì)
由圖7可以看出，C站調(diào)壓器的出【]壓力為97
～ 104 kPa，已知該站出口壓力沒定為100 kPa，其中
用氣低峰時(shí)出口壓力平均值為l03 kPa，超出設(shè)定壓
力3 kPa．穩(wěn)壓精度為3％ ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了凋壓器規(guī)定
穩(wěn)壓精度1％ ，出口壓力偏高。由圖8、9可以看出，
E，有了較大幅度提高，平均達(dá)到了21左右，其余的
小波包能量特征值處于較低水平． 另外，71?．．．水、V-
較高，超過了1．2％ ，即低次諧波分量是造成調(diào) }}{}
出口壓力大幅波動(dòng)的主要原因。
④ 用氣高峰出口壓力低運(yùn)行狀態(tài)
引起高中壓調(diào)壓器出口壓力偏低的原網(wǎng)主要足
調(diào)壓器超流量運(yùn)行、指揮器進(jìn)氣管道堵塞和彈簧疲
勞，尤其是在用氣高峰時(shí)段，調(diào)壓器出口壓力會(huì)明
下降，在允許的范圍內(nèi)調(diào)壓器出口， 力降低是【JJ‘以
的，但是如果出口壓力下降幅度超出_r凋ni器規(guī)定
的壓力波動(dòng)范圍，則屬于調(diào)壓器的故障，虛及時(shí)檢
修 ．
調(diào)壓站D站出口壓力低，D站出r丁 力二二維
圖見圖10，圖10中數(shù)據(jù)為2015年2』{1}】至28 H
凋壓站出口壓力數(shù)據(jù)。D站出口壓力小波包能量特
征值變化趨勢(shì)見圖11，D站出口壓力諧波畸變率變
化趨勢(shì)見圖12。
I()(】
喜98 1
蘭96
：= 94 —～—
一
∞
+，
～ - -
i6~～
0
， s
1。
壓力數(shù)據(jù)序號(hào) ’
lO0
10
1
0．1
0．01
÷ 1X10
l×l014
圖10 D站出口壓力三維云圖
圖11 D站出口壓力小波包能量特征值變化趨勢(shì)
由圖10可以看出，I)站調(diào)壓器的 『J壓力為
95～99 kPa，全月整體壓力波動(dòng)幅度(平均值) 高．
約為0．8 kPa。已知該站出口壓力沒定值為98 kPi．1，
但用氣高峰時(shí)出口壓力為96 kPa．低于設(shè)定 力fff
2 kPa，實(shí)際穩(wěn)壓精度為2％ ，超過了凋壓器規(guī)定的穩(wěn)
壓精度要求，出【 1壓力偏低。從圖l1町以胥出，小
波包能量特征值 ．達(dá)到_r 13，其余3項(xiàng)均處在較
小水平 另外，依據(jù)圖12可知，71?，相比A站有了較
· B 20 ·
5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 ％ ％
0 0 0 O O 9 8 7
4 3 r| ● 0
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www．gasheat．cn 劉旭海，等：高中壓燃?xì)庹{(diào)壓器安全預(yù)警技術(shù)研究 第37卷第3期
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督
圖12 D站出口壓力諧波畸變率變化趨勢(shì)
大的提高，尤其是出口壓力低次諧波畸變率 。 處
在較高水平。
4 結(jié)論
① 高中壓調(diào)壓站數(shù)據(jù)采集間隔為5 min，燃?xì)?
調(diào)壓器故障安全預(yù)警模型見表1。
表1 燃?xì)庹{(diào)壓器故障安全預(yù)警模型
調(diào)壓器狀態(tài) 預(yù)警 報(bào)警
喘振 5<ΣE i="2">< DH≤ 1．4％ 1．4％ < DL≤1．6％ 1．6％ < DL≤1．6％ 1．6％ </ΣE>

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