高中压燃气调压器安全预警技术研究

第３７卷第３期　煤气与热力　ＧＡＳ＆ＨＥＡＴ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．３　Ｍａｒ．２０１７　２０１７年３月　高中压燃气调压器安全预警技术研究　刘旭海，　郝学军　（北京建筑大学环境与能源学院，北京１０００４４）　摘要：　提出基于改进小波包与压力谐波畸变率相结合的故障预警方法，通过分析故障调压　器出口压力谐波畸变率以及利用改进小波包分解得到的小波包能量特征值作为判断依据，总结故　障数据规律，建立高中压燃气调压器安全预警模型。　关键词：　高中压燃气调压器；　改进小波包；　谐波畸变率；　安全预警模型　中图分类号：ＴＵ９９６．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００—４４１６（２０１７）０３—０Ｂ１７—０５　障设备安全运行和生产操作都具有重要意义。　本文采用改进小波包和压力谐波畸变率相结合　的燃气调压器故障预警方法，对不同故障类型调压　器出口压力信号进行小波包分解，利用相关性分析　提取包含故障信息的频带信号，计算出各频带信号　的小波包能量特征值，同时结合压力谐波畸变率，组　成故障特征向量，构建出高中压燃气调压器故障预　警模型。　２算法简介　①作者简介：刘旭海，男，硕士，研究方向为燃气设备故　小波包算法　小波包算法是从小波分析中延伸出来的一种对　信号进行更加细致的分析与重构的方法，它能够对　障诊断。　小波分析不能细分的高频部分进行进一步分解，与　１概述　小波变换相比，小波包变换具有更高的分辨率，可以　聚焦到分析对象的任意细节，提取更多的反映信号　特征的信息，因此被广泛用于故障诊断领域　Ｉ４ｊ。　随着小波包分解层数的增加，可使信号的分解　达到很精细的程度，但同时也会造成信息数据量过　大，分析和处理的复杂性和难度加大，但有些频带包　含的信息较少，可以忽略，只需要对包含重要信息的　频带进行分解。为此，本文利用改进小波包算法进　燃气调压器在城市燃气供应系统中占有非常重　要的地位，其稳定性和可靠性对城市燃气供应影响　巨大。燃气调压器运行故障直接影响到下游供气压　力的稳定，引起供气压力异常导致工业用户产品报　废、民用燃气设备运行故障，甚至引起停止供气或超　压放散。然而，目前燃气调压器的研究主要集中在　调压器的故障诊断方面　Ｉ２　Ｊ，针对燃气调压器安全　预警技术的研究文献则较为匮乏。因此，客观准确　地提取调压器工作性能变化特征，及时掌握调压器　行故障压力信号的特征提取。　②改进小波包算法　的工作状态，实现燃气调压器故障的安全预警，对保　小波包分解可以将信号中各种不同的频率分解　收稿日期：２０１６—０５—１５；修回日期：２０１６—１１—１０　・Ｂ　１７・　第３７卷第３期　煤气与热力　到互不重叠的频带上，根据需要删除某些频带的干　比。本文首次将它作为燃气调压器出口压力稳定性　扰信号，利用小波包重构算法对信号进行重构，可实　现信号的滤波和特征提取　。本文提出基于信号　相关性分析与小波包相结合的改进小波包特征提取　方法，该方法充分利用小波包的频带分解优势，结合　能指标，谐波畸变率越小，代表出口压力越稳定。计　算公式见式（２）：　，ｒ　对信号之间相关性的判断，提取出包含故障信息较　多的频带信号，消除干扰信号，进而提高故障诊断的　准确率。依据小波包能量守恒原理可知　ｊ：当故障　发生时，某些频带信号的特征能量必然会发生变化，　通过分析各频带信号小波包能量特征值的变化特　点，可以有效区分调压器不同故障类型。改进小波　包具体计算包含以下５步。　ａ．利用小波包分解调压器出口压力信号，重构　小波包分解系数。　——式中　。——出口压力总谐波畸变率　ｎ——傅里叶变换后的压力谐波阶数　——出口压力傅里叶变换后得到的压力　谐波分量，ｋＰａ　燃气调压器出口压力设定值，ｋＰａ　为进一步量化高次谐波分量和低次谐波分量对　调压器出口压力波动的影响程度，在总谐波畸变率　的基础上，又分别定义了低次谐波畸变率　ｍ　对应　低次谐波分量：　～　。高次谐波畸变率　。　，对　应高次谐波分量　～Ｕ　。　出口压力谐波畸变率反映调压器稳压性能的好　ｂ．计算各频带重构信号与原信号相关系数Ｋ，　作为频带选择的参考。　ｃ．提取Ｋ＞０．１的频带，重构信号。　ｄ．对重构信号再进行２层小波包分解，求各频　带信号的小波包能量特征值。　坏。其中，低次谐波畸变率越大代表低频故障越严　重，高次谐波畸变率越大代表高频故障越严重。　ｅ．以各频带信号小波包能量特征值为元素，构　造能量特征向量，建立预警模型。　本文定义小波包能量特征值Ｅ　的计算见式　（１）：　『＿———■　３高中压燃气调压器故障特征提取分析　从燃气集团ＳＣＡＤＡ系统调取的高中压燃气调　压器出口压力历史数据，压力记录间隔为５　ｒａｉｎ，每　天共２８８个压力数据。本文以一天０Ｏ：（）（】＿２３：５５　Ｅ　＝＾／　式中——ｌ　（１）　为判定周期，对压力信号进行傅里叶变换以及改进　小波包分解，求出周期内压力信号的谐波畸变率以　及小波包能量特征值的分布情况，作为调压器运行　状态判定依据。对故障燃气调压器出口压力数据进　行统计分析得出：调压器运行状态分为４类：正常、　喘振、用气低峰出口压力高和用气高峰出口压力低。　根据不同种类故障的严重程度，分为预警和报警两　种级别。典型调压站不同运行状态特征分析如下。　Ｅ　——小波包能量特征值，．　＝１，２，３，４　采集数据个数　带）的小波包系数　——ｄ　——小波包分解后第２层第．　个节点（频　分解得到的小波包系数个数，ｉ＝１，２，　…．，ｎ　Ｅ。反映系统信号的低频波动强度，值越大代表　系统信号波动幅度越大，信号稳定性越差，本文表征　①正常运行状态　为了更好地进行对比，首先对运行良好的调压　站Ａ站进行分析。Ａ站出口压力三维云图见图１　系统低频故障（调压器出口压力偏高或者偏低），Ｅ　越大，调压器低频故障越严重；Ｅ　～Ｅ　反映系统的　（本文图中所有色阶图单位均为ｋＰａ）。图１中数据　为２０１５年１月１日至３１日调压站出口压力数据。　高频波动强度，值越大代表系统信号波动频率越高，　信号波动剧烈，本文Ｅ　～Ｅ　表征系统高频故障（喘　振），值越大，调压器高频故障越严重。　③谐波畸变率　谐波畸变率在电气工程学科中表征实际输出波　形相对于正弦波形失真程度的性能参数，其定义为　全部谐波分量有效值均方根与基波有效值均方根之　・Ａ站出口压力小波包能量特征值变化趋势见图２，Ａ　站出口压力谐波畸变率变化趋势见图３。　由图１可以看出，Ａ站的出口压力为９６．５～９９　ｋＰａ，压力波动幅度（平均值）基本在０．５　ｋＰａ以内。　该站设定出口压力为９８　ｋＰａ，调压器稳压精度约为　０．５％。即使在用气高峰时段（上午７：ｏ０一ｌ０：００或　Ｂ　１８・　刘旭海，等：高中压燃气调压器安全预警技术研究　第３７巷　第３期　调压站Ｂ站具有喘振故障，Ｂ站ｆｆＩ¨压力三维　云图见图４　图４中数据为２０ｌ５年２月１　Ｈ至２７　日调压站…口压力数据，Ｂ站出【Ｉ　ＪＩｉ力小波包能　＝兰９９　０９８　９７　９６　￣ｚ３００　——特征值变化趋贽见图５，Ｂ站　【…　力｝皆波畸变率　变化趋势　图６。　。　图１　Ａ站出口压力三维云图　兰　妻　（　９　－　８　８　７　｝＿　ｒ　７　６　０　５　０　５　Ｏ　５　０　ｌ×ｌ　图４　Ｂ站出口压力三维云图　１×１　图２　Ａ站出口压力小波包能量特征值变化趋势　图５　Ｂ站出口压力小波包能量特征值变化趋势　１　１　】　誊０　鲁０　塞０　图３　Ａ站出口压力谐波畸变率变化趋势　一０　０　晚ｌ　ｌ　８：００—２（）：Ｏ０）或佼　ｊ｝｛气低峰（　仪２３：０【】一　凌　４：Ｏ０）时段。ｊ　５【１¨　力稳压精度　低ｒ　ｌ％，　州Ｊｆｉ器规定的稳Ｊｆｉ精　范阳内，运行状念较为　阿　图６　Ｂ站出口压力谐波畸变率变化趋势　心　依　．２、３【１Ｊ　，小波包能量特征ｆＩｌｌ＝卡ｌ｛刈‘较小，　由　４＿ｆ以行出，Ｂ站的出［Ｊ　ｋＰ　每　的Ｊ１ｉ力波动幅发（平均　）　为ｌ　１　５～ｌ２（）　１．２　ａ左　小Ｊ　７，　余　分　Ｉ均小丁１，　力喈波畸变率维　２、ｌ１　振运ｆ　状　十々　０．５％以卜、　右　陔站没定ｆｆ¨］Ｊ　力为１２０　ｋｌ　稳　精瞍约　ｌ％～相比Ａ站，Ｂ站出【ｌＩ压力波动『ＩＪｆＩ｛度仃所增加　喘振故障址ｌ　、ｌＩ…　器常　的一种放障，引　、＿卜游　乃外，Ｔ…川十｝Ｉ比Ａ站有了明　增大，ＪＫ　波动频率增　强　由　５　ｆＪＪ‘以看ｆ¨，Ｂ站住压力波功　度和波动　频率　匕Ａ站均仃恶化，“｛口　Ｊｎ，Ｊ小波包能　喘振的原冈仃　多，　信　管安装化　的Ｊｆｊ　量人少、指　器弹簧过度灵敏等，州　器Ｋ期　Ｊ１１ｒ，＇－ｉ￣　』Ｉ起　仟　繁动作会严重影响洞压　『』、Ｊ部元件　特征值十ｌＩ比Ａ站均有所增加　其一ｆ１　Ｅ　变化范【蚓为　ｌ６～２３，Ｅ，变化范围为５～１０，Ｅ　、Ｅ　仃较人幅度提　高，　，、　、　之和、ｒ均值岛达１２　③川　低峰　口压力高运仃状念　出［…ｉ　偏离是高巾压凋压搽　ｊ－种常　的敞　的他Ｊｆ　Ｊ寿命，对　膜干【ｌｊ　骑损坏尤其严　』　／ｆＪ波动小，　；’剃烈　喘振外　脱是出【Ｉ　Ｊ频繁波动，轻嫂的喘抓＾殳障…【Ｉ　的喘振故障则出口Ｊｆｉ力波动Ｊ卜　・Ｂ　１９・　第３７卷第３期　煤气与热力　障，通过前期高中压调压站现场调研得知，由于气源　品质的差异，流过调压器的天然气或多或少地含有　一Ｅ，有了较大幅度提高，平均达到了２１左右，其余的　小波包能量特征值处于较低水平．．　另外，７１…．．．水、Ｖ－　较高，超过了１．２％，即低次谐波分量是造成调　｝｝｛｝　出口压力大幅波动的主要原因。　④用气高峰出口压力低运行状态　些杂质，在压差驱动下，调压器阀口和阀筒极易磨　损，造成调压器关闭不严或者无法关闭，对外表现为　出口压力偏高。故障较轻时，出口压力波动幅度略　高于调压器规定的波动范围，故障严重时，调压器失　去调压功能。　引起高中压调压器出口压力偏低的原网主要足　调压器超流量运行、指挥器进气管道堵塞和弹簧疲　调压站Ｃ站出口压力高，Ｃ站出口压力三维云　图见图７，图７中数据为２０１５年２月１日至２８日调　劳，尤其是在用气高峰时段，调压器出口压力会明　下降，在允许的范围内调压器出口，　力降低是【ＪＪ‘以　的，但是如果出口压力下降幅度超出＿ｒ凋ｎｉ器规定　的压力波动范围，则属于调压器的故障，虚及时检　修　．　调压站Ｄ站出口压力低，Ｄ站出ｒ丁　力二二维　压站出口压力数据。ｃ站出口压力小波包能量特征　值变化趋势见图８，Ｃ站出口压力谐波畸变率变化　趋势见图９。　＿＿＿　１　ｌ　１　０　４　０　３　０　ｒ｜Ｏ　●Ｏ　９　８　７　０　图见图１０，图１０中数据为２０１５年２』｛１｝】至２８　Ｈ　．；；＿　凋压站出口压力数据。Ｄ站出口压力小波包能量特　征值变化趋势见图１１，Ｄ站出口压力谐波畸变率变　化趋势见图１２。　１　口　王　Ｉ（）（】　图７　Ｃ站出口压力三维云图　喜９８１　　兰９６　：＝９４　—～—　∞　一～－－ｉ６￣～　　’０１。　，ｓ　＋，　压力数据序号　图１０　Ｄ站出口压力三维云图　３　５　７　９　ｌｌ】３】５　１　７　１９　２ｌ　２３　２５　２７　２９　ｌＯ０　１０　１　｝１　图８　Ｃ站出口压力小波包能量特征值变化趋势　０．１　０．０１　÷１Ｘ１０　５嗍　　０　５　０　５　０　５　０　５　０　％％　ｌ×ｌ０１４　图１１　Ｄ站出口压力小波包能量特征值变化趋势　由图１０可以看出，Ｉ）站调压器的　『Ｊ压力为　９５～９９　ｋＰａ，全月整体压力波动幅度（平均值）　高．　图９　Ｃ站出口压力谐波畸变率变化趋势　约为０．８　ｋＰａ。已知该站出口压力没定值为９８　ｋＰｉ．１，　由图７可以看出，Ｃ站调压器的出【］压力为９７　～但用气高峰时出口压力为９６　ｋＰａ．低于设定　力ｆｆｆ　２　ｋＰａ，实际稳压精度为２％，超过了凋压器规定的稳　１０４　ｋＰａ，已知该站出口压力没定为１００　ｋＰａ，其中　用气低峰时出口压力平均值为ｌ０３　ｋＰａ，超出设定压　力３　ｋＰａ．稳压精度为３％，远远超过了凋压器规定　稳压精度１％，出口压力偏高。由图８、９可以看出，　压精度要求，出【　１压力偏低。从图ｌ１町以胥出，小　波包能量特征值　．达到＿ｒ　１３，其余３项均处在较　小水平　另外，依据图１２可知，７１…，相比Ａ站有了较　・Ｂ　２０・　ｗｗｗ．ｇａｓｈｅａｔ．ｃｎ　刘旭海，等：高中压燃气调压器安全预警技术研究　第３７卷第３期　参考文献：　［１］ＴＯＹＯＤＡ　Ｍ，ＷＡＴＡＮＡＢＥ　Ｋ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｉｎｃｉｐｉｅｎｔ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｈｉｇｈ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ［Ｃ］／／　褂　督　ＳＩＣＥ—ＩＣＡＳＥ．ＳＩＣＥ—ＩＣＡＳＥ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｃｏｎｆｅｒ—　ｅｎｅｅ　２００６．Ｂｕｓａｎ（Ｋｏｒｅａ）：ＳＩＣＥ—ＩＣＡＳＥ，２００６：４６８８—　４６９１．　［２］　高顺利，杨蒙，孙建民，等．小波包结合神经网络的调　压器故障识别技术［Ｊ］．煤气与热力，２０１３，３３（１０）：　Ｂ２９一Ｂ３１．　图１２　Ｄ站出口压力谐波畸变率变化趋势　［３］　齐俊德，李山，陈冰．基于小波包能量矩阵的轴承信号　大的提高，尤其是出口压力低次谐波畸变率　。　处　在较高水平。　４结论　特征提取［Ｊ］．振动与冲击，２０１３，２１（３２）：ｔ０７—１１１．　［４］　黄强，焦立，李滟泽．柴油机故障诊断中振动信号测点　位置的研究［Ｊ］．华中科技大学学报（自然科学版），　２００７，３５（５）：９９—１０１．　①高中压调压站数据采集间隔为５　ｍｉｎ，燃气　表１　燃气调压器故障安全预警模型　调压器故障安全预警模型见表１。　［５］　荆双喜，张英琦，方佳雨，等．基于小波分析的信号滤　波方法研究［Ｊ］．中国矿业大学学报，２０００，２９（２）：　１９０—１９３．　调压器状态　喘振　预警　５＜∑Ｅ　≤２０　ｉ＝２　０．８％＜　ＤＨ≤１．４％　１２＜Ｅｌ≤２４　报警　２０＜∑Ｅ　＝２　１．４％＜ｒＨＩ）Ｈ　２４＜Ｅ，　［６］　张进，冯志鹏，褚福磊．滚动轴承故障特征的时间一小　波包能量谱提取方法［Ｊ］．机械工程学报，２０１１，４７　（１７）：４４—４９．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｓａｆｅｔｙ　Ｅａｒｌｙ　Ｗａｒｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ－ｍｅｄｉｕｍ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｇａｓ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　出口压力偏高　０．７％＜　ＤＬ≤１．６％　１２＜Ｅ　≤２４　１．６％＜ＴＨＤＬ　２４＜Ｅｌ　出口压力偏低　０．ＬＩＵ　Ｘｕｈａｉ，ＨＡＯ　Ｘｕｅｊｕｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａ　ｆａｕｌｔ　ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ａｎｄ　７％＜　ＤＬ≤１．６％　１．６％＜ＴＨ１】Ｌ　鉴于出口压力偏高或者偏低故障在能量特征值　和压力谐波畸变率上的预警模型完全一致，若要进　一ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｒｅｇｕ—　ｌａｔｏｒ　ｏｕｔｌｅｔ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｈａｒａｃ—　ｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｖａｌｕｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ　ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｕｌｅｓ　ｆｏｒ　ｆａｕｌｔ　ｄａｔａ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　步区分调压器故障类型，还需根据当天出口压力　分布情况作进一步判断。　②改进小波包和压力谐波畸变率相结合的燃　气调压器故障预警方法不仅适用于高中压燃气调压　器的故障诊断预警，同样适用于其他压力工况下燃　气调压器的故障预警，但考虑到不同类型调压站压　力级制的差异，安全预警模型应相应进行调整。　Ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｈｉｇｈ—ｍｅ—　ｄｉｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇａｓ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｍｅｄｉｕｍ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｇａｓ　ｒｅｇｕｌａ—　ｔｏｒ；ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｐａｃｋｅｔ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｒａｔｅ；ｓａｆｅｔｙ　ｅａｒｌｙ　ｗａｒｎｉｎｇ　ｍｏｄｅｌ　・Ｂ　２ｌ・