一種火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)

賈利峰，李洪泉，曹 軍

（1.山東省萊州市華電萊州發(fā)電有限公司，山東萊州 261400；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

火電廠風(fēng)機(jī)主要是為鍋爐提供燃燒需要的空氣，同時(shí)也可以調(diào)節(jié)鍋爐溫度，是火力發(fā)電的重要設(shè)備。風(fēng)機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、軸承、電機(jī)等組成。其中，轉(zhuǎn)子是由軸承支撐的旋轉(zhuǎn)體，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，容易產(chǎn)生共振形變?；痣姀S中的轉(zhuǎn)子和相關(guān)組件，在使用過程中發(fā)生故障的概率較高。因此，對(duì)于風(fēng)機(jī)故障診斷研究是提升火電廠設(shè)備運(yùn)行可靠性的主要方向?；痣姀S風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集、在線診斷、故障預(yù)警3 個(gè)功能模塊組成，通過對(duì)火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，完成對(duì)設(shè)備的故障診斷、故障定位，幫助維護(hù)人員制定有效的維護(hù)計(jì)劃，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)評(píng)價(jià)

火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)，能夠有效了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，確定設(shè)備運(yùn)行故障。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷是設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)中的兩個(gè)重要過程。其中，設(shè)備診斷需要對(duì)設(shè)備產(chǎn)生故障的原因、部位和嚴(yán)重程度做出判斷。設(shè)備運(yùn)行過程中出現(xiàn)任何偏差，都會(huì)影響發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。傳統(tǒng)的故障檢修方法以人工檢修為主，監(jiān)測儀器在現(xiàn)場使用過程中，無法掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障發(fā)展趨勢，對(duì)于隱性故障不能準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測出來。缺乏對(duì)設(shè)備故障的預(yù)測和診斷，往往是在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行搶修，存在大范圍的停電風(fēng)險(xiǎn)。

火電廠風(fēng)機(jī)故障診斷內(nèi)容包括旋轉(zhuǎn)機(jī)故障、機(jī)械故障、零件故障、工程結(jié)構(gòu)故障以及電氣設(shè)備故障等，故障產(chǎn)生的原因有設(shè)計(jì)缺陷、安裝維修、運(yùn)行操作中的損壞等?；痣姀S風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)過程中在動(dòng)力學(xué)方面存在缺陷或結(jié)構(gòu)不合理，運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)，零部件加工制造工藝較差、材料存在嚴(yán)重質(zhì)量問題，導(dǎo)致強(qiáng)度不夠也會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)故障。安裝過程中零部件出現(xiàn)錯(cuò)位、軸承參數(shù)調(diào)整不當(dāng)、管道應(yīng)力過大等都會(huì)破壞風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中的動(dòng)平衡，造成設(shè)備損壞。如果操作不當(dāng)，導(dǎo)致設(shè)備預(yù)熱或降溫不充分，很容易造成局部損壞。此外，風(fēng)機(jī)在超負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，容易改變?cè)O(shè)備的工作特性，造成應(yīng)力損傷。常用的診斷方式有振動(dòng)診斷、溫度診斷、聲學(xué)診斷、強(qiáng)度診斷、壓力診斷、電氣參數(shù)診斷等。

現(xiàn)階段，我國對(duì)于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的研究主要集中在高校與企業(yè)聯(lián)合開發(fā)的小范圍內(nèi)的機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)，對(duì)特殊故障原理、診斷方法和診斷儀器的研究，使用仍然處在發(fā)展階段。近年來，隨著我國綜合國力的發(fā)展，ANN（Artificial Neural Network，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊診斷技術(shù)、虛擬技術(shù)等相關(guān)的研究也在不斷深入，一些研究成果和技術(shù)的應(yīng)用，正在不斷縮小和西方發(fā)達(dá)國家之間的差距?；诨ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的適用性越來越高，在性價(jià)比方面也具有較大優(yōu)勢，在國內(nèi)企業(yè)達(dá)到了有效的推廣和應(yīng)用。

2 系統(tǒng)特性及作用

火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)，主要針對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。電廠設(shè)備長期工作在復(fù)雜、惡劣的環(huán)境中，對(duì)設(shè)備的工作性能和使用壽命會(huì)造成不同程度的影響，這些影響中有一些是隱性變化由于發(fā)生較為緩慢，無法通過傳統(tǒng)檢修方式進(jìn)行排查，需要通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效監(jiān)測，判定其性能?；痣姀S風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)，可以有效解決設(shè)備監(jiān)測、故障診斷、故障預(yù)警等問題，尤其對(duì)隱性故障有良好的監(jiān)測效果，可以提前制定防范措施。

為提升火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與系統(tǒng)故障監(jiān)測范圍、診斷能力、預(yù)警準(zhǔn)確性，需要對(duì)監(jiān)測方法進(jìn)行有效升級(jí)，通過仿真分析的方式模擬設(shè)備運(yùn)行的工作條件，建立設(shè)備的健康數(shù)據(jù)檔案。通過設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，預(yù)測在未來一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢，通過分析可以判斷設(shè)備的承受時(shí)間、安排適宜的檢修時(shí)間，最大限度降低故障對(duì)發(fā)電系統(tǒng)造成的影響。

此外，該系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)采集、記錄和分析設(shè)備，掌握設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)，預(yù)測設(shè)備的故障，提高發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性?；痣姀S風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)能夠監(jiān)測到設(shè)備運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，顯示不同工作狀態(tài)，同時(shí)具有數(shù)據(jù)管理功能，可以自動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的有關(guān)數(shù)據(jù)，建立風(fēng)機(jī)振動(dòng)等有關(guān)參數(shù)的變化趨勢和預(yù)測圖表，實(shí)現(xiàn)電廠設(shè)備的狀態(tài)管理，系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行信息采集、監(jiān)測、數(shù)據(jù)共享以及故障診斷等基本功能，利用信息化的通信系統(tǒng)，為風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行提供更加安全可靠的信息。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，包括監(jiān)測傳感器、信號(hào)調(diào)制解調(diào)儀、網(wǎng)卡等。在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，需要考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性和可維護(hù)性。系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議生成終端監(jiān)測單元可以直接進(jìn)行使用的數(shù)據(jù)信息，然后通過抽象通信服務(wù)接口提供模型訪問、數(shù)據(jù)獲取以及設(shè)置服務(wù)，完成數(shù)據(jù)下載和共享。

綜合監(jiān)測單元支持監(jiān)測數(shù)據(jù)的周期性上傳，對(duì)于故障預(yù)警類數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)可以有效建立風(fēng)機(jī)設(shè)備的健康數(shù)據(jù)檔案，對(duì)于火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備測量類數(shù)據(jù)則采用非緩存方式進(jìn)行存儲(chǔ)，通過分區(qū)存儲(chǔ)的方式便于信息的查找和校對(duì)。該功能主要通過抽象通信服務(wù)接口提供的報(bào)告服務(wù)實(shí)現(xiàn)，通過設(shè)置報(bào)告控制模塊的參數(shù)，控制火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析處理功能，最大限度提升系統(tǒng)的維護(hù)性和擴(kuò)展能力（圖1）。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口，主要負(fù)責(zé)信號(hào)的傳輸，標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)接口可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，便于火電廠設(shè)備的數(shù)據(jù)共享，同時(shí)也具有較高的組網(wǎng)靈活性?；痣姀S風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口不僅負(fù)責(zé)對(duì)上層終端的數(shù)據(jù)信息傳輸，同時(shí)，還需要對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行有效配置，可以說是火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心部件。按照在線監(jiān)測數(shù)據(jù)接入規(guī)范建立便準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)庫，并且將收集到的各種監(jiān)測信息進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的集中管理和圖形化展示?；痣姀S風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)擁有CAC（Condition Information Acquisition Controller，狀態(tài)信息接入控制器）功能以及較高的抗干擾能力，可以適應(yīng)火電廠惡劣的工作環(huán)境，在長時(shí)間連續(xù)工作的條件下也可以高效處理火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備的數(shù)據(jù)。

3.3 傳感器設(shè)計(jì)

火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)傳感器通過監(jiān)測風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過抗干擾屏蔽線路進(jìn)行信號(hào)傳輸。當(dāng)傳感器接通電流時(shí)，在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻電流信號(hào)，該信號(hào)通過電纜傳送到傳感器探頭部位，此時(shí)探頭周圍會(huì)產(chǎn)生交變磁場，如果磁場周邊有金屬導(dǎo)體材料靠近，磁場會(huì)在導(dǎo)體表面產(chǎn)生電渦流，通過改變電磁線圈的有效阻抗以及監(jiān)測該數(shù)值的變化趨勢來判斷風(fēng)機(jī)振動(dòng)頻率，預(yù)測設(shè)備的性能和故障發(fā)展的趨勢。

4 總結(jié)

綜上所述，火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)能夠掌握設(shè)備在運(yùn)行過程在的振動(dòng)、噪聲、溫度、壓力和電流等，通過分析數(shù)據(jù)信息判斷設(shè)備的可靠性，對(duì)故障產(chǎn)生的原因、部位、危害程度進(jìn)行識(shí)別，預(yù)測故障的發(fā)展趨勢，制定有效的應(yīng)對(duì)措施。本文通過對(duì)火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，分析設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的發(fā)展現(xiàn)狀，介紹設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)的特點(diǎn)，通過融合最先進(jìn)的通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及分布式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備在運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)警，具有較強(qiáng)的適用性和安全性。隨著我國智能電廠建設(shè)的快速發(fā)展，火電廠風(fēng)機(jī)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控與故障預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用越來越普遍，其發(fā)揮的作用也越來越重要。