泵站機組運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在通呂運河水利樞紐水泵機組中的應用

沈雪梅 張 磊 朱晨亮

（1.南通市通呂運河水利工程管理所 南通 226000 2.蘇州欣皓信息技術有限公司 蘇州 215000）

1 工程概況

通呂運河水利樞紐工程位于江蘇省南通市通呂運河上游入江口門處，距長江口約2.2km，樞紐工程為閘站結合的水工建筑物。泵站工程（以下稱通呂泵站）建設的主要任務是在自流引江不能滿足區(qū)域用水需求時，利用泵站引水，滿足供水區(qū)的用水需要，同時兼顧南通城區(qū)水環(huán)境和航道用水。泵站采用3 臺套豎井貫流泵機組，總裝機容量4800kW，設計流量100m3/s。工程投運以來，對增強南通市城區(qū)水源及水體的流動性，維持內河通航所需水位，改善區(qū)域水生態(tài)環(huán)境提供了有力保障。

2 監(jiān)測系統(tǒng)功能及架構

通呂泵站機組運行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是監(jiān)測3 臺豎井貫流泵機組的振動、擺度、轉速、壓力脈動等實時運行狀態(tài)，結合工程特點和運行工況等參數進行設備運行狀態(tài)分析和診斷[1]。系統(tǒng)采取分層分布的網絡結構，分為現地層和上位機層（系統(tǒng)架構示意圖見圖1），采用以太網進行信息傳遞和交流。

3 監(jiān)測系統(tǒng)主要構成

監(jiān)測系統(tǒng)可分為硬件配置和軟件系統(tǒng)。硬件配置包括傳感器、數據采集器、上位機及其他附屬設備等，軟件系統(tǒng)具備機組實時監(jiān)測、機組狀態(tài)數據分析、故障診斷與分析、機組調度運行建議、監(jiān)測系統(tǒng)自檢、維修更換記錄及機組質量管理等功能。

3.1 硬件配置

3.1.1 傳感器

由于通呂泵站位于長江感潮河段，運行工況多變，針對工程特點，現場布設了轉速、振動、水下振動、擺度和壓力脈動監(jiān)測共5 種傳感器，監(jiān)測機組的各導軸承擺度、機架和結構振動及水泵、電機轉速等實時數據，測點分布與布置圖見表1及圖2。

3.1.2 數據采集器

數據采集器采用 FPGA&DSP 架構，采集器的每個通道采用獨立24 位A/D 轉換，具備高精度的數據采集能力，支持全通道同步并行方式觸發(fā)采樣，實時采集、選擇存儲的數據處理機制，通過整周期等相位和等時間間隔兩種采樣方式對啟停機和穩(wěn)態(tài)工況進行分別監(jiān)測。

3.1.3 上位機及附屬設備

上位機系統(tǒng)由服務器和瀏覽站組成。數據服務器獲取、計算處理和存儲管理泵站機組的狀態(tài)監(jiān)測實時數據和歷史數據，通訊傳輸后通過瀏覽站呈現，為機組運行狀態(tài)分析診斷提供數據支撐。

現地柜是在線監(jiān)測系統(tǒng)現地層的主要設備，柜內裝有在線振動監(jiān)測儀、電源和開關模塊、液晶觸摸控制屏等部件和儀表，可顯示數據和簡易圖形，并進行報警設置。上位機與現地層采用光纖收發(fā)器和光纜聯(lián)接。

圖1 系統(tǒng)架構示意圖

3.2 軟件系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用 B/S 架構，具有良好的兼容性與可操作性[2]。

3.2.1 機組實時監(jiān)測功能

對機組運行中測點振動、擺度、壓力脈動及壓力等數據進行實時監(jiān)測[3]，分析得到機組穩(wěn)定性的各種性能參數，以數值、曲線、圖表等形式從不同的角度、分層次展現機組的振擺、水力量測、運行工況等信息，在線監(jiān)測和分析同步，為機組運行和故障診斷提供依據。

圖2 測點布置圖

表1 單機組傳感器測點分布表

3.2.2 機組狀態(tài)數據分析

監(jiān)測系統(tǒng)可實現機組的實時監(jiān)測分析與歷史趨勢分析[4]。系統(tǒng)將傳感器實時采集的信號數據如振動、擺度、壓力等，通過交換設備送入計算機，經過內置算法處理后，按不同要求形成多種直觀的圖表，例如波形頻譜圖、軸心軌跡圖等（見圖3、圖4），結合水泵運行工況，可判斷機組運行是否穩(wěn)定[5]。系統(tǒng)還可對數據庫存儲的運行數據進行歷史趨勢分析，根據不同時段與不同運行工況生成相應的歷史趨勢曲線，了解機組的振動情況。

3.2.3 故障診斷與分析

當機組測點發(fā)生報警時，監(jiān)測系統(tǒng)啟動故障診斷分析，對機組實施運行數據進行篩選分析，判斷可能的故障類型和建議措施。還可結合機組累計運行時間、振動、壓力脈動、溫度、壓力、工況等參數建立綜合健康狀態(tài)評價模型，根據實時狀態(tài)的數據特征評估機組的健康狀態(tài)。

3.2.4 機組調度運行建議

監(jiān)測系統(tǒng)分析各機組累計運行時長、單月運行時長、機組維修、機組運行狀態(tài)評估及機組故障停機次數等，結合實時運行監(jiān)測數據，通過內置算法得到機組健康狀態(tài)的量化數據，提供調度運行建議。對運行中的機組測點的報警數量和報警狀態(tài)進行實時狀態(tài)評價，判定機組是否需要停機檢查或繼續(xù)運行。

3.2.5 振擺監(jiān)測系統(tǒng)自檢

圖3 波形頻譜圖

圖4 軸心軌跡圖

圖5 1#電機驅動端X 向負載狀態(tài)圖

圖6 1#電機驅動端Y 向空載狀態(tài)圖

圖7 1#電機驅動端Y 向負載狀態(tài)圖

圖8 1#電機驅動端Y 向空載狀態(tài)圖

圖9 頻譜分析圖

圖10 負載時電機接線箱殼體振動頻譜圖

圖11 空載時電機接線箱殼體振動頻譜圖

監(jiān)測系統(tǒng)的自身穩(wěn)定是保證泵站機組安全運行的前提?，F地數據采集模塊通過設備自檢，將傳感器的實時狀態(tài)（正常、斷線、短路等）回傳系統(tǒng)服務器，并在故障時發(fā)出報警。運行人員可通過監(jiān)測軟件隨時查看傳感模塊的工作狀況，及時了解并排除測點故障，有效提高監(jiān)測系統(tǒng)的運行可靠性。

3.2.6 維修更換記錄功能

對機組設備的維修養(yǎng)護實施在線管理，包括主機泵、輔機設備、管路以及傳感器等設備設施的故障記錄與維修養(yǎng)護的工作流程、操作步驟、注意事項等。通過在線記錄功能，實現泵站機組檢修資料的快速調閱。

3.2.7 機組質量管理功能

對泵站機組如電機、齒輪箱、水泵及傳感器等相關設備的出廠信息、技術指標等參數進行分類管理，通過監(jiān)測設備的運行時長與工況等數據，分析設備的老化情況與使用年限，避免設備過期過勞使用，造成不必要的損失。

4 監(jiān)測系統(tǒng)在機組檢修中的應用

4.1 機組檢修背景

通呂泵站水泵機組投入使用經過一段時間的運行后，在運行過程中發(fā)現1#機組電機存在異響與振動，噪音呈周期性波動。

4.2 機組運行數據分析

通過機組的在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，發(fā)現在電機負載和空載（電機與齒輪箱脫開）兩種狀態(tài)下在前端后端處時域波形有明顯的異常信號，該異常信號為拍頻信號混疊在正常的頻譜中（見圖5～圖8）。電機在帶載情況下有明顯的振動異常。

通過頻譜分析圖（見圖9），在帶載測試中電機轉速頻率（12.5Hz）旁有0.684Hz 的邊帶，根據振動特征計算，該數值與電機的極通過頻率0.72Hz 十分接近。且此邊帶頻率與電機負載有關，當負載減小邊帶信號消失[6]。通過特征頻率分析判斷是電機轉子條存有瑕疵。

通過接線箱振動頻譜對比分析（見圖10、圖11），接線箱箱體振幅在負載條件下（9.369mm/sec）明顯大于空載條件（3.044 mm/sec）。

基于電機空載和帶載的頻譜分析，判斷可能是1#電機轉子條存有瑕疵，負載條件下運行振動被放大，產生噪音。

4.3 診斷分析

電機返廠拆解檢查后發(fā)現確有轉子故障跡象[7]。轉子有一處明顯高溫灼燒點，并在其他位置有輕微燒灼點，局部加工后在表面燒灼位置發(fā)現了鑄造氣泡。分析認為，由于氣泡處鋁條截面較小，局部電阻阻值變大，造成轉子鋁條相互之間導電性能產生差異，最終導致現場異常振動與噪音。

5 結語

通呂運河水利樞紐泵站運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)投入運行以來始終保持穩(wěn)定運行，測取了大量有價值的基礎數據，真實地反映了水泵機組在運行過程中振動、擺度等數據復雜的變化過程，直觀地呈現了水泵機組的整體運行狀態(tài)。監(jiān)測系統(tǒng)的應用為通呂泵站機組的檢修提供了可靠的數據支撐，準確地分析、查找出故障原因，有力地保障了泵站工程的安全運行，對類似泵站工程安裝運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的參考價值■