在線監(jiān)測診斷系統(tǒng)應(yīng)用案例

張世偉(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017317)

1 概述

本特利在線監(jiān)測系統(tǒng)及傳感器在壓縮機(jī)啟停和正常運(yùn)行中，實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)子(軸承)振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、軸向位移、偏心等重要參數(shù)，并提供超限報(bào)警、停機(jī)保護(hù)等功能。這樣既保護(hù)機(jī)組也保護(hù)生產(chǎn)系統(tǒng)，防止造成大的損失，甚至發(fā)生事故。壓縮機(jī)軸系振動(dòng)、位移、油壓等必須聯(lián)鎖，這對壓縮機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用，特別是空分裝置的機(jī)組軸系，如果出現(xiàn)任何問題，都將影響后系統(tǒng)裝置的生產(chǎn)，在安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)方面帶來無法估量的損失。

2 在線診斷系統(tǒng)Systemone系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 機(jī)組在線診斷的檢測系統(tǒng)典型配置

本裝置中有四套機(jī)組，下面以兩套機(jī)組為例，配備4個(gè)3500標(biāo)準(zhǔn)框架。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 Systemone系統(tǒng)軟件和硬件組成

采用傳感器＋3 500(檢測和保護(hù))＋Systemone(分析和處理)，由3 500監(jiān)測模塊測量獲得的鍵相、振動(dòng)、位移、軸瓦溫度等測點(diǎn)，不同條件下3 500/22TDI TDI數(shù)據(jù)采集分為四種條件：穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集、瞬態(tài)數(shù)據(jù)采集、報(bào)警數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。通過3 500/22TDI瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口模塊，按照TCP/IP的協(xié)議和交換機(jī)的集成，統(tǒng)一上傳到Systemone數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。在3 500框架中的3 500/22M，負(fù)責(zé)完成框架內(nèi)各模塊之間的通訊，同時(shí)提供與Systemone通訊的接口。壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、壓力、溫度、流量等信號是由DCS/ITCC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，并通過DCS的以太網(wǎng)OPC服務(wù)器，采用OPC標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議將過程量信號傳送到Systemone服務(wù)器。TDI為全部框架提供通訊功能，但并不是關(guān)鍵監(jiān)測通道的組成部分，不影響整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的正確和常規(guī)運(yùn)行。為了保證Systemone數(shù)據(jù)采集服務(wù)器的時(shí)間與DCS/ITCC控制系統(tǒng)時(shí)間同步，應(yīng)通過3 500/22TDI瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口模塊按照TCP/IP的協(xié)議將時(shí)鐘源引入Systemone服務(wù)器，便于整個(gè)系統(tǒng)的問題分析和生產(chǎn)運(yùn)行[1]。

3 Systemone對儀表故障案例分析

3.1 傳感器探頭和卡件失效

由于傳感器造成的振動(dòng)及軸位移增大的假象較多，振動(dòng)位移傳感器、延長電纜、振動(dòng)位移3 500/42M模塊、3 500/92M通訊模塊等整個(gè)回路的元器件上都有可能出現(xiàn)問題。一旦出現(xiàn)問題，需要辦理聯(lián)鎖票據(jù)和3 500組態(tài)軟件里解除聯(lián)鎖等工作，如果負(fù)責(zé)人員不清楚聯(lián)鎖邏輯關(guān)系，存在非常大的停車風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過查看Systemone提供的振動(dòng)傳感器間隙電壓趨勢圖和頻譜圖來判斷傳感器是否故障，是一種非常簡單、直觀、準(zhǔn)確的方法。

3.1.1 間隙電壓變化判斷振動(dòng)傳感器的故障

(1)振動(dòng)儀表探頭故障現(xiàn)象。2016年6月24日，現(xiàn)場某汽輪機(jī)的前軸承振動(dòng)值VIAS2013201B變?yōu)榱悖⒖?bào)警。經(jīng)過仔細(xì)分析，趨勢圖如圖2所示，某汽輪機(jī)的前軸承振動(dòng)值VIAS2011302B逐漸變?yōu)榱恪拈g隙電壓和通頻值的趨勢分析，由于間隙電壓的變化導(dǎo)致振動(dòng)值變?yōu)榱?。該汽輪機(jī)其它測點(diǎn)的振動(dòng)值、位移值和軸瓦溫度都正常無變化。

圖2 振動(dòng)儀表探頭故障現(xiàn)象趨勢圖

(2)判斷振動(dòng)儀表探頭故障的依據(jù)。針對壓縮機(jī)軸系的振動(dòng)探頭(本特利產(chǎn)品)，其間隙電壓與間隙的線性特性為200 mV/mil，換算成公制為7 V/mm或0.00787 V /μm。但是在實(shí)際使用中，由于軸系振動(dòng)間隙的變化，間隙電壓按線性特性發(fā)生變化。案例中可能存在的狀況有：①振動(dòng)探頭的安裝有一定的誤差性；②運(yùn)轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)子被油膜托起，處于兩側(cè)45°上方的探頭間隙電壓會(huì)有所變化(約0.4 V左右)；③假如振動(dòng)值超過100 μm，其間隙電壓的變化值不會(huì)超過0.8 V。

因此，振動(dòng)儀表探頭運(yùn)行時(shí)的間隙電壓與初始安裝電壓相比較，偏差應(yīng)該在±2～3V 以內(nèi)。因此，超過2 V振動(dòng)儀表很可能存在故障，超過3V基本失靈。通過在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存儲(chǔ)間隙電壓趨勢檢查，則消除了上述因素的問題，則間隙電壓的判斷將更為精確、可信。如果間隙電壓的變化關(guān)系不符合探頭特性(7.87 V/mm)，超過±0.5 V，那么振動(dòng)儀表探頭很可能已故障。

根據(jù)以上理論依據(jù)確認(rèn)儀表探頭故障。儀表人員拆下該探頭，通過TK-3振動(dòng)校驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)該探頭間隙電壓忽有忽無，忽正常忽降低。該探頭故障是由于探頭的絕緣層在汽輪機(jī)中環(huán)境溫度較高，導(dǎo)致絕緣層碳化嚴(yán)重，造成振動(dòng)值變化[2]。

3.1.2 間隙電壓變化判斷3500卡件故障

(1)故障現(xiàn)象。2017年9月2日，現(xiàn)場氮?dú)鈮嚎s機(jī)的1#大齒輪兩個(gè)位移同時(shí)報(bào)警并聯(lián)鎖跳車。經(jīng)過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，趨勢圖如圖3所示，兩位位移值同時(shí)變化并達(dá)跳車值。儀表人員現(xiàn)場檢查位該壓縮機(jī)其它測點(diǎn)的振動(dòng)值、位移值和軸瓦溫度都正常無變化。

圖3 故障現(xiàn)象趨勢圖

(2)判斷振動(dòng)卡件故障的依據(jù)。發(fā)現(xiàn)位移卡件的2個(gè)通道的振動(dòng)值都在無規(guī)律地變化，通過間隙電壓趨勢檢查發(fā)現(xiàn)，間隙電壓值呈現(xiàn)下降趨勢，最低時(shí)僅有2～3V，不符合其間隙電壓與間隙的線性特性。

根據(jù)以上的現(xiàn)象，確認(rèn)該振動(dòng)卡件出現(xiàn)故障，更換卡件后，故障消除。因此當(dāng)控制系統(tǒng)卡件上發(fā)現(xiàn)有問題時(shí)，還應(yīng)到現(xiàn)場進(jìn)行對照檢查。

3.1.3 頻率成分判斷徑向振動(dòng)儀表探頭的故障

(1)故障現(xiàn)象。2013年6月7日，現(xiàn)場某汽輪機(jī)機(jī)的前軸承振動(dòng)VIAS2011302A報(bào)警并聯(lián)鎖跳車。具體情況如圖4，該汽輪機(jī)機(jī)其它測點(diǎn)的振動(dòng)值、位移值和軸瓦溫度都正常無變化。

圖4 瀑布圖

(2)判斷振動(dòng)探頭故障的依據(jù)。我們知道，對于一個(gè)復(fù)雜、非諧和、周期性的振動(dòng)信號，可以用傅立葉級數(shù)展開的方法得到一系列的頻率成分。對振動(dòng)波形進(jìn)行 FFT 處理，則得到振動(dòng)的頻譜分布，即頻譜圖。各種不同類型的故障所引起的振動(dòng)都有各自的特征頻率。根據(jù)振動(dòng)的信號特征，區(qū)分出具體的振動(dòng)故障類型。對于如何判斷虛假信號干擾，①波形瞬間急劇變化，甚至呈直線狀；②在極低頻率處(零頻附近)幅值最大。在大機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測圖譜中，這種現(xiàn)象除齒輪和滾動(dòng)軸承故障外，多數(shù)是由干擾信號所引起的假象。根據(jù)以上理論依據(jù)確認(rèn)儀表探頭故障。儀表人員拆下該探頭，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)探頭尾線自身鎧甲及絕緣破損。

因此，在進(jìn)行機(jī)組故障故障診斷時(shí)，必須確認(rèn)機(jī)組儀表上位機(jī)的指示值是否真實(shí)可靠、確保儀表自身無故障，避免因振動(dòng)儀表故障造成機(jī)組停車，甚至大修機(jī)組。

4 結(jié)語

機(jī)組診斷系統(tǒng)(SYSTEMONE)造價(jià)雖高，但是其數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、采樣精度高，數(shù)據(jù)分析功能豐富，可以結(jié)合過程量數(shù)據(jù)、振動(dòng)波形等多種狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)。該系統(tǒng)可以有效地鑒定分析機(jī)組振動(dòng)問題，同時(shí)降低維修成本，進(jìn)而減少甚至可以避免生產(chǎn)過程中意外停機(jī)或強(qiáng)制停機(jī)等情況產(chǎn)生的重大損失，提高工廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。