工業(yè)汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的應(yīng)用及思考

沈勤華

（浙江汽輪成套技術(shù)開發(fā)有限公司，杭州 310012）

隨著社會(huì)工業(yè)化的不斷發(fā)展，工業(yè)汽輪機(jī)由于高轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)速運(yùn)行以及可變進(jìn)汽參數(shù)等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力和造紙等領(lǐng)域，用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)、水泵或發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備。工業(yè)汽輪機(jī)是工廠工藝流程的關(guān)鍵設(shè)備，為了確保其長期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，必須對(duì)設(shè)備的軸系各項(xiàng)參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。隨著自動(dòng)化技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)以及信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)也已經(jīng)從傳統(tǒng)的單機(jī)監(jiān)測(cè)發(fā)展到集成化、智能化、遠(yuǎn)程診斷的專家系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)為工業(yè)汽輪機(jī)性能測(cè)試及故障分析提供了技術(shù)保障，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)個(gè)人工作經(jīng)驗(yàn)，筆者對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)在工業(yè)汽輪機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的應(yīng)用分析

工業(yè)汽輪機(jī)作為一種大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，無論是轉(zhuǎn)子還是軸承座都存在機(jī)械振動(dòng)，這是一種隨時(shí)間變化的物理現(xiàn)象。振動(dòng)數(shù)值的大小是衡量設(shè)備能否長期穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。振動(dòng)將影響設(shè)備的使用期限，振動(dòng)過大會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行。轉(zhuǎn)子彎曲變形、出現(xiàn)裂縫、葉片損壞或斷裂等因素都會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)振動(dòng)過大，利用振動(dòng)故障分析這種技術(shù)手段可以快速、正確地分析汽輪機(jī)的運(yùn)行情況，確保汽輪機(jī)組的正常安全運(yùn)行。當(dāng)汽輪機(jī)狀態(tài)發(fā)生變化，振動(dòng)頻譜圖等將產(chǎn)生變化。根據(jù)這些監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析，可判斷振動(dòng)的起因，對(duì)故障進(jìn)行分析及預(yù)測(cè)。因此，設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，可以及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)異常或故障的早期征兆，及時(shí)分析故障原因，采取相應(yīng)的措施，將故障消滅在萌芽狀態(tài)，避免和減少重大事故的發(fā)生?，F(xiàn)代工業(yè)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各個(gè)零部件之間的相互聯(lián)系非常緊密。出現(xiàn)故障跳閘將引起整個(gè)工藝過程的中斷，損失巨大。同時(shí)，故障也增加了設(shè)備的維修費(fèi)用，單位時(shí)間造成的損失也成倍增加。工業(yè)汽輪機(jī)作為工廠關(guān)鍵設(shè)備，狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為確保工廠正常運(yùn)行的必備系統(tǒng)，具有重要意義和價(jià)值。

2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的組成

狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)由一次儀表、二次監(jiān)視儀表和分析管理系統(tǒng)三部分組成，如圖1所示。

2.1 一次儀表

采用電渦流傳感器測(cè)量軸振動(dòng)、軸位移以及鍵相位信號(hào)。傳感器利用電渦流測(cè)量原理經(jīng)過高頻放大、檢波、濾波后得到一個(gè)和位移大小成正比的輸出電壓，電壓的直流分量表示探頭和被測(cè)物之間的靜態(tài)間隙。如果存在振動(dòng)，則有交流電壓輸出。由于測(cè)量所得的交直流信號(hào)容易受干擾，需經(jīng)前置器放大器檢出后傳送到二次儀表。為了保證數(shù)據(jù)的線性度，傳感器安裝時(shí)一定要有間隙電壓，安裝間隙一般小于1mm。軸振動(dòng)測(cè)量通常采用兩個(gè)互成90°的電渦流傳感器，稱為X和Y。鍵相位是指基頻信號(hào)相對(duì)于轉(zhuǎn)子鍵相槽之間的相位滯后，鍵相傳感器測(cè)得的脈沖和基頻同步，這樣測(cè)出的相位也就是基頻相位，利用這個(gè)相位做基準(zhǔn)點(diǎn)可以進(jìn)行振動(dòng)故障分析。一次儀表測(cè)量所得的各種信號(hào)必須送到二次儀表才有測(cè)量監(jiān)控作用。

圖1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)組成

2.2 二次監(jiān)視儀表

二次監(jiān)視儀表也稱作汽輪機(jī)安全監(jiān)視及保護(hù)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱TsI。TsI系統(tǒng)能連續(xù)地對(duì)汽輪機(jī)各種狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，如振動(dòng)、位移、鍵相、脹差、轉(zhuǎn)速和溫度等，為早期識(shí)別機(jī)械故障提供重要信息，幫助運(yùn)行人員及時(shí)處理故障，保證機(jī)組運(yùn)行安全。

TsI采用框架結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)高度模塊化。TsI框架用于安裝所有的監(jiān)測(cè)模塊及框架電源，采用背板通信?？蚣芙涌谀K（TDI）提供用于TsI組態(tài)軟件上載/下載的接口，國外品牌的TsI（如Bently 3500）還提供和管理分析軟件system 1的瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口。TDI和框架內(nèi)其他監(jiān)測(cè)模塊配合使用，連續(xù)采集穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)數(shù)據(jù)，并通過瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口傳送到TDM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)測(cè)。國產(chǎn)品牌TsI儀表沒有瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口，需通過各個(gè)監(jiān)測(cè)模塊的緩沖輸出提供瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

從現(xiàn)場(chǎng)傳感器檢測(cè)的信號(hào)經(jīng)前置器連接到TsI監(jiān)測(cè)模塊的相應(yīng)通道，經(jīng)TsI組態(tài)軟件進(jìn)行功能和邏輯組態(tài)，輸出信號(hào)給工廠DCs系統(tǒng)。當(dāng)參數(shù)高出報(bào)警值，觸發(fā)機(jī)組報(bào)警。當(dāng)參數(shù)到達(dá)停機(jī)值，保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，觸發(fā)汽輪機(jī)組跳閘。TsI所有監(jiān)測(cè)信息都可以通過通信送到DCs進(jìn)行參數(shù)顯示、報(bào)警、棒狀圖顯示、歷史和實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示以及數(shù)據(jù)記錄等。

2.3 分析管理系統(tǒng)

分析管理系統(tǒng)簡(jiǎn)稱TDM，TDM是瞬態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，為汽輪機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械提供在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和分析，屬于工廠設(shè)備管理系統(tǒng)的一部分。TsI對(duì)汽輪機(jī)組的運(yùn)行起監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)作用，但無法對(duì)機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。而TDM系統(tǒng)可以通過對(duì)波形、頻譜、幅值及相位等數(shù)據(jù)的分析，為故障分析人員提供專業(yè)的分析數(shù)據(jù)和頻譜圖，幫助他們分析可能存在的機(jī)械故障，提出合理的解決方案。當(dāng)事故發(fā)生后，TDM系統(tǒng)能夠減少查找故障時(shí)間，盡快恢復(fù)生產(chǎn)，減少故障導(dǎo)致的損失。而且，TDM系統(tǒng)通過趨勢(shì)、頻譜分析以及對(duì)異常信號(hào)的監(jiān)測(cè)及記錄，早期發(fā)現(xiàn)可能的故障，及時(shí)采取措施，避免或減少故障的產(chǎn)生，提高設(shè)備的使用期限。同時(shí)，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，合理檢修，盡可能減少不必要的停機(jī)。

TDM系統(tǒng)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)來自TsI，國外的TDM系統(tǒng)，如Bently的system1軟件可以通過Bently 3500/22的瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口直接讀取數(shù)據(jù)。但國內(nèi)的TDM系統(tǒng)需要另配一個(gè)數(shù)據(jù)采集箱，通過TsI監(jiān)視模塊的每個(gè)緩沖通道采集瞬態(tài)數(shù)據(jù)，再通過通信傳送到數(shù)據(jù)管理分析軟件。

3 應(yīng)用項(xiàng)目

工業(yè)汽輪機(jī)作為工藝流程的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，或者作為熱電聯(lián)產(chǎn)及垃圾發(fā)電等發(fā)電項(xiàng)目的主設(shè)備，相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)需要高精度、高穩(wěn)定性及高可靠性，一般采用Bently系列產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)，一次儀表和TsI系統(tǒng)是每臺(tái)工業(yè)汽輪機(jī)必須配置的。而TDM系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶需求選配。

澳洲紙廠一臺(tái)10MW汽輪發(fā)電機(jī)組，狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本配置：一次儀表采用Bently 3300XL系列傳感器，二次監(jiān)視儀表（TsI）采用Bently 3500。由于紙廠大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備比較少，用戶沒有配置TDM系統(tǒng)。

Bently 3500框架安裝了電源模塊3500/15、TDI模塊3500/22M、鍵相模塊3500/25、軸位移和軸振動(dòng)模塊3500/42M、轉(zhuǎn)速模塊3500/50、繼電器模塊3500/33、通信模塊3500/92。人們通過3500組態(tài)軟件可以對(duì)整個(gè)框架進(jìn)行組態(tài)，定義每個(gè)模塊及通道的功能，設(shè)定報(bào)警值和停機(jī)值。對(duì)通信模塊進(jìn)行通信數(shù)據(jù)組態(tài)，定義通信數(shù)據(jù)表。

圖2 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系參數(shù)監(jiān)測(cè)

為了減少機(jī)組誤跳，停機(jī)邏輯組態(tài)如下：軸位移為X×Y（X和Y分別是兩路軸位移停機(jī)值）；軸振動(dòng)為XbYa+YbXa（Xa為X向報(bào)警值，Xb為X向停機(jī)值，Ya為Y向報(bào)警值，Yb為Y向停機(jī)值）。

為了減少現(xiàn)場(chǎng)傳感器干擾以及傳感器探頭表面劃痕產(chǎn)生的瞬間尖脈沖導(dǎo)致的機(jī)組誤跳，停機(jī)繼電器輸出采用故障安全型設(shè)計(jì)。

通過通信模塊TsI和DCs通信，采用Modbus RTU協(xié)議。DCs經(jīng)通信采集機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，在DCs畫面顯示、記錄。

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系參數(shù)監(jiān)測(cè)如圖2所示。由于機(jī)組配置了TsI系統(tǒng)，運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)一直持續(xù)被監(jiān)測(cè)，確保機(jī)組正常運(yùn)行。但由于沒有配置TDM系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組由于振動(dòng)過大而跳閘時(shí)，人們不能及時(shí)準(zhǔn)確地分析查找振動(dòng)過大的原因。由于是海外項(xiàng)目，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，汽輪機(jī)制造廠無法得到運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，用戶由于不具備專業(yè)知識(shí)，無法正確描述故障情況，也無法自己解決問題，這樣導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)時(shí)間延長。由于汽輪發(fā)電機(jī)組的排汽用于造紙工藝流程供熱，機(jī)組發(fā)出的電量需給工廠大容量電機(jī)等設(shè)備供電，機(jī)組的故障停機(jī)導(dǎo)致了紙廠的正常生產(chǎn)流程受到影響。當(dāng)汽輪機(jī)制造廠服務(wù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，汽輪機(jī)再次開機(jī)，用便攜式故障分析儀采集瞬態(tài)數(shù)據(jù)，通過頻譜分析、波特圖和動(dòng)平衡圖等波形分析工具，分析故障原因是油膜振蕩。根據(jù)這個(gè)原因繼續(xù)查找故障源，很快解決了問題，機(jī)組重新正常運(yùn)行，這次故障停機(jī)說明了TDM系統(tǒng)的重要性。如果安裝TDM系統(tǒng)，維護(hù)人員可通過監(jiān)視運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)及各種頻譜圖，根據(jù)趨勢(shì)預(yù)警，制定維修計(jì)劃，定期設(shè)備檢修，從而確保汽輪發(fā)電機(jī)組一直穩(wěn)定良好運(yùn)行。當(dāng)故障產(chǎn)生時(shí)，要提供詳細(xì)的波形及圖形，以便及時(shí)查找原因，減少解決問題的時(shí)間。

4 發(fā)展前景

狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集，隨著檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)采集的速度、精度和可靠性將進(jìn)一步提高，工業(yè)汽輪機(jī)TDM系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)將成為工業(yè)汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的發(fā)展方向。遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多個(gè)工廠的多臺(tái)汽輪機(jī)組進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及參數(shù)采集，并且可以在線進(jìn)行振動(dòng)故障分析及趨勢(shì)分析。遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)由工廠TDM系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程診斷中心組成。工廠TDM系統(tǒng)包含了數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)服務(wù)器功能，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)把工廠采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程，遠(yuǎn)程診斷中心由數(shù)據(jù)服務(wù)器和分析診斷軟件組成。

工業(yè)汽輪機(jī)振動(dòng)故障目前仍需人工判斷，診斷分析軟件只能指出可能的故障原因和潛在可能發(fā)生的故障。故障診斷要求很強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，大部分汽輪機(jī)用戶沒有這方面的專業(yè)技術(shù)人員，發(fā)生了振動(dòng)故障，用戶基本上只能依靠汽輪機(jī)制造廠。作為設(shè)備制造商，汽輪機(jī)廠擁有扎實(shí)的強(qiáng)度、振動(dòng)和流體等方面的知識(shí)，還積累了處理各種汽輪機(jī)組故障的經(jīng)驗(yàn)。汽輪機(jī)制造廠建立遠(yuǎn)程診斷中心，利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)為用戶提供在線、長期及高效的服務(wù)是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

5 結(jié)語

工業(yè)汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)對(duì)汽輪機(jī)組故障的診斷作用非常重要，該系統(tǒng)的可靠性及正確性直接影響機(jī)組的長期穩(wěn)定運(yùn)行。從單機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)到分布式狀態(tài)監(jiān)控，再發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程診斷，工業(yè)汽輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)將更可靠、更智能、更準(zhǔn)確地解決和預(yù)測(cè)故障，提高設(shè)備的可利用率，避免不必要的停機(jī)，為用戶創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的應(yīng)用前景。