基于EMD和信息熵的往复压缩机气阀故障特征提取

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

往复压缩机是石油、化工等领域的重要设备，其安全稳定运行对提高系统产量、安全性能和节约成本具有重要经济意义，因此，对往复压缩机进行故障诊断具有重要意义1]。往复压缩机工况恶劣、结构复杂、易损件多等特点，给往复压缩机故障诊断带来许多困难。气阀部件是压缩机主要易损件之-，在总故障率中占有很大比重。往复压缩机工作时，曲柄连杆机构不断做往复运动，使气缸内气体体积和压力不断变化，带动吸气阀和排气阀周期性开启和关闭，造成了气阀采集信号的非线性和非平稳性特征。

收稿 日期：2013-05-30基金项目：黑龙江侍育厅科学技术研究项目(12521051)-2013年o4期(总第240期)经验模式分解 (Empirical Mode Decomposition)是-种完全由数据驱动的自适应非线性时变信号分解方法。它克服了传统时域分析方法和频域分析方法的缺点，可以从采样信号自身特点出发自适应地将信号分解为-系列从高频到低频不断变化的基本模式分量，能准确突出信号局部特征，有利于压缩机气阀信号故障特征提龋在信息论中，熵作为分析信号不确定性的-种量度，用来反映系统不确定性。EMD和不同熵值谱相结合，在多种设备故障诊断中的应用，证明了此方法的可行性 。本文将经验模态分解应用于往复压缩机气阀故障诊断中，并在此基础上对得到的IMF分量进行信息熵计算，找出包含有主要故障信息的IMF分量，并从中提取出能够准确反映压缩机气阀工作状态的能量特征，为往复压缩机气阀诊设计研究断提供依据。

2 EMD方法经验模态分解方法是将复杂非线性、非平稳信号分解成有限个能够突出信号局部特征的基本模态函数 (IMF)之和，即把复杂的振动信号分解成-系列由不同频率组成的IMF信号，其中基本模态函数必须满足2个条件 [41：在整个数据序列中，极值点数量与过零点数量必须相等或最多相差不能超过-个；信号上包络线和下包络线的平均值为零。EMD可以自适应地将-个复杂非线性、非平稳信号进行逐级分解，从而得到-系列从高频到低频IMF分量。对于任意给定的信号 (t)其分解过程如下：(1)确定给定分析信号 (t)的局部极值点，其中包括极大值点和极小值点。然后，用 Spline插值拟合曲线把所有的极大值点连接在-起，形成上包络线；用 Spline插值拟合曲线把所有的极小值点连接在-起，形成下包络线。

(2)求出上包络线和下包络线的均值包络线，记作m (t)～原始分析信号 (t)减去均值包络后，得到-个新的数据序列，记作Y，(t)。

yt(t) (t)-m.(t) (1)(3)如果Y。(t)不是-个平稳的数据序列，将把Y (t)作为初始分析信号进行分解，重复步骤(1)、(2)的操作，得到上包络线、下包络线，并且求出相应均值包络线m 。(t)，再判断新的时间序列，。(t)y，(t)-m。(t)是否符合 IMF条件；直到重复进行 次上述操作，得到均值包络m。 (t)趋近于零，此时Ylk(t)yl(k-1)(t)-m1k(t)，记作cl(t) lk(t)。

(4)将c。(t)从原始信号 (t)中分离出来，得到新数据序列r。(t) (t)-c。(t)。然后，将r。(t)作为原始数据序列，重复步骤 (1)、 (2)、 (3)得到C2(t)。继续进行n次上述操作，直至分解得到剩余信号rn(t)是-个单调函数，分解过程结束。

(t)∑cj(t)rn(t)j1其中，c。(t)，c2(t)，，c (t)分别代表原始信号 (t)进行 EMD分解得到的分量，突出了不同频率范围内信号局部特征；rn(t)代表信号分解残余项之和。

38 i3 信息熵信息论是-门新兴学科，它是随着通信技术的发展而形成和发展起来的-门学科 。ClaudeShannon在 1948年第-次提出了信息熵的概念，即把信号源所含有的信息量称为信息熵。

假设有-个随机变量 ，它的概率分布的函数为P(xi)，i1，2，，q，记为p，，P2，，P 。熵函数又可以写成概率矢量P(p，，P：，，P。)，记为(P)。

三 日(P)日(p1，P2，，p )- Plog0j (3)f-1已知系统信息熵反映了系统概率分布的均匀程度。根据最大熵原理可知，若系统是信号信息概率分布均匀的系统，则表示系统中每-个事件都是等概率事件，此时系统的信息熵最大，也就是说系统的不确定性最大，即最不确定概率分布具有最大熵值。

4 往复压缩机气阀信号特征提取实例为了提取往复压缩机气阀信号特征，现选取某炼化公司两列对动平衡型往复活塞式压缩机进行研究，压缩机具体型号为：2D12-70/0.11～1.3。

其中，轴功率500 kW、排气量70 m3/min、活塞行程 240 mm、曲轴转速 496 r/rain、采样频率为50 kHz、采样时间为4 s。由于往复压缩机工况较为复杂，往往噪声会淹没有用信息，为了去除噪声干扰对采样信号进行降噪处理，降噪前后压缩机气阀振动信号波形图如图1、图2所示。从图中可以看出，经过小波阈值降噪处理，信号既保留了0 0.02 0.040.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18时间，s图 1 降噪前压缩机振动信号波形图时间/s图 2 降噪后压缩机振动信号波形图2013年o4期(总第240期)设计研究信号本身特征又降低了噪声干扰，去噪效果很好。

对降噪后压缩机气阀信号进行EMD分解，如图3所示，从上到下，依次为气阀固有模态函数IMF1～IMF8。从图3中可以看出，经 EMD分解得第1个 IMF0.5 r室 。-呻件- 呻----叫 占- L6O.5f第2个I莹。 - -- 0· 占 厂oJ 5第3个I莹≯----呻 -.-- --- 0· 占 6莹。 - 占- 。

O.2f 第5个IMF蓍o -------/ ～-0· 占- 6童。 /-- -吨 占- 百 0·5f 第7个IMF塞 0 、--- - /-----、/、-u·)0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 仉 161 I I I I I I I - -时间/s0.5r 第8个IMF莹。-/-、--//，、 鲁or、、-- √ V占气 6时问/s图 3 小波降噪后 EMD分解结果表 1 EMD分解后前 7个 IMF信息熵信号状态 信息熵正常运行 2.1976 1.6107 1.2283 1.8797 2.3593 2.9631 3-3967阀片断裂 1.5654 1.7416 1.6299 2.2223 2.4939 2.2019 2.5863缺少弹簧 1.5789 1.2563 1.8341 2.1179 2.6252 2.4720 2.8566到的信号带宽是从低频到高频不断进行变化的，可以更好地突出信号局部特征。

熵谱分析是信号处理的基本方法，对气阀故障识别十分有效。把EMD和信息熵相结合的技术应用于往复压缩机气阀故障特征提取，分别计算正常、阀片断裂、缺少弹簧 3种工况经验模态分2013年04期(总第24o期)3.O2.52.01.51.OO.5(b)阀片断裂量的信息熵，如图4所示。表 1给出的是经 EMD分解后得到前7个 IMF分量信息熵具体数值。

从表 1中可以看出气阀故障状态下，由于气流的冲击、进气阀和排气阀在开启和关闭时受到冲击和互相干扰作用等诸多因素的影响，使气阀振动熵值都发生了明显的变化。根据信息熵理论可知，最小的信息熵值可以反应出系统的复杂程度。从表 1中可以看出，在正常运行状态下和阀片断裂、缺少弹簧的故障状态下，最小信息熵分别为 1.2283、1.5654和 1.2563。根据最大熵原理可以知道，最不确定概率分布具有最大熵值，从分析结果中可以看出，故障状态下气阀的信息熵有明显的增加，由此可见，把信息熵作为气阀故障识别依据是可行的。

5 结论本文以EMD方法为基础，对振动信号进行分(下转第75页)应Avv肭fi.mon a测nd-T ---，某侧进气阀或直接拆除进气阀的方法来调整排气量，如-台双缸双作用的单级增压机，可用这种方式分别按 25%，50%，75%和 100%的排气量来进行调节。这种方式也较简单，投资低，但只能分级调整。比较适合长期需减少排气量的情况。

但在使用这种方法时要注意增压机活塞力的平衡增减给增压机带来的影响。

进气压力变化对增压机的影响，我们都若忽略掉压缩因子的影响，在-定范围内压缩机的进气压力与排气量基本成正比关系，即：实际排量额定排量 ×实际进气压力额定进气压力从上式我们可以看出当实际进气压力小于额定进气压力时，实际排量小于额定排量，增压机和CNG压缩机的排量均小于额定排量，两机的负载也小于额定负载。反之，当实际吸气压力大于额定吸气压力时，增压机的排气量也会上升。虽然对于增压机排气量的调节可用上节所述方式调整，但对于因进气压力大幅上升对增压机活塞力的影响，是-个必须予以重点关注的问题。

在业内由于进气压力大幅上升造成的增压机或 CNG压缩机损坏，甚至爆炸的事故已发生多例。如湖南某 CNG加气站采用-台吸气压力O.2 MPa，排气压力为 1.2MPa的2机压缩增压机，为2台 1.2 MPa进气压力的CNG压缩机增压。增压机投入运行后，竞在 2个月内3次将增压机-级活塞压裂。生产厂家反复计算并不断更换材料，仍然无济于事，不得已厂家只好派人蹲守在该站维修。这才发现该站的进站气体压力因上游供气部门对其限量供应，当量已供够，则会关闭阀门，此时管内压力会降至0.2 MPa左右；而当结算期-过，则又会全开阀门，此时管内压力则会上升并保持在 1.2 MPa。由于上游开阀时并不通知该站，而此时额定吸气压力 0.2 MPa的增压机还正在工作，虽有吸气压力报警停机装置，可装置发生停机反应也多少有个过程。虽然时间短暂，也有-两个行程，此间增压机-级缸内压缩过程中活塞力陡升，短短不到 0.2 S的时间，增压机-级活塞就已经损坏。好在厂家其他运动部件强度均富余度较大，才未造成巨大损失。 。

针对上述情况，笔者认为对于进气管道压力波动较大的诚，无论是有无增压机，均应在压缩机进口管路上加装自动限压装置，以免类似事故再次发生。

5 结论综上所述，笔者认为采用天然气增压机与CNG压缩机串联，可以加大 CNG系统的适宜范围，调整其排气量，降低 CNG压缩机的设计和制造难度，从而降低其制造成本。用此技术对现已建成，但进气压力波动幅度大，压力低于设计进气压力较多的CNG站进行改造，可以提高其经济效益，增加设备的可靠性及使用寿命，同时还可以提高CNG压缩机的通用性和标准化程度。愿该技术的推广应用能为我国的CNG事业增添光彩。

作者简介：胥晋(1951-)，男 ，本科，高级工程师。毕业于西安交通大学，现任自贡东方通用压缩机有限公司总经理兼总工程师 ，主要研究方向为天然气压缩机及工业气体压缩机等；主要研究成果：双向润滑CNG压缩机专利；可转换为标准站压缩机的专利证书；带滑道的cNG压缩机机身专利。

- (上接第39页)解，得到了-系列突出信号局部特征的基本模态函数，并计算各 IMF分量熵值。对往复压缩机气阀振动信号的分析验证了EMD和信息熵相结合在提取信号特征过程中的有效性和准确性，为确诊往复压缩机气阀故障提供了依据。