狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在熱電廠轉(zhuǎn)動設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用

龔亞軍 任恒昌 羅志林 范文英

作者通聯(lián)：中國石油克拉瑪依石化公司熱電廠 新疆克拉瑪依市金龍鎮(zhèn) 834003

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一、概述

克拉瑪依石化公司熱電廠承擔(dān)著為公司煉化生產(chǎn)裝置提供蒸汽、壓縮空氣、氧氣、氮?dú)?、無鹽水以及向克拉瑪依電網(wǎng)供電任務(wù)，是克石化公司煉化生產(chǎn)動力保障系統(tǒng)。生產(chǎn)實踐表明，熱電廠關(guān)鍵輔機(jī)轉(zhuǎn)動設(shè)備一旦發(fā)生故障將影響到公司各用汽、用風(fēng)裝置的安全平穩(wěn)生產(chǎn)。熱電廠停蒸汽1h，就將對公司造成巨額經(jīng)濟(jì)損失?？梢?，熱電廠通過關(guān)鍵轉(zhuǎn)動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)應(yīng)用，及時發(fā)現(xiàn)故障，做到示情維修、預(yù)知維修，對節(jié)約維修費(fèi)用、提高設(shè)備管理水平及確保設(shè)備、安全平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。

故障診斷的目的是要確定設(shè)備故障的性質(zhì)、程度、類別和部位，明確故障、征兆、原因和系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，并指明故障發(fā)展趨勢。故障診斷內(nèi)容可以概括為診斷信息的獲取和信息的處理兩大部分。具體包括以下五個方面。

（1）狀態(tài)監(jiān)測。特征信號提取，在設(shè)備的合適部位獲取征兆，形成待檢模式。

（2）建立診斷文檔庫。它是一種事先編制好的表征各種有關(guān)診斷對象不同性質(zhì)的故障、不同故障部位以及不同故障程度的各種征兆的標(biāo)準(zhǔn)譜數(shù)據(jù)庫。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的長期積累，對同類型診斷對象的正常和各種故障進(jìn)行大量、觀察、分析，統(tǒng)計和歸納，從而建立起相應(yīng)的診斷文檔庫。

（3）狀態(tài)識別即診斷。將待檢模式與樣板模式進(jìn)行對比，當(dāng)主要性能指標(biāo)高于或低于期望的目標(biāo)范圍時就認(rèn)為發(fā)生故障。根據(jù)故障程度分別給予早期警報，緊急警報或強(qiáng)迫停機(jī)等處置。

（4）狀態(tài)分析與預(yù)測。根據(jù)檢測信息找出故障源，然后根據(jù)這些信息就故障對設(shè)備和系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響程度做出估計，綜合給定故障等級，并預(yù)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢。

（5）決策處理。根據(jù)故障等級評價對設(shè)備系統(tǒng)形成正確的干預(yù)決策，做出修改操作，控制及其他臨時性維護(hù)或停機(jī)維修的決定。

上述第五個方面內(nèi)容，事實上已經(jīng)與狀態(tài)檢修內(nèi)容在技術(shù)層面上重疊，正好說明了監(jiān)測診斷和狀態(tài)檢修的密切關(guān)系。

二、狀態(tài)監(jiān)測實施方法

熱電廠旋轉(zhuǎn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測實行6 固定，即定儀器、定人員、定測點(diǎn)、定標(biāo)準(zhǔn)、定匯總、定分析，技術(shù)人員應(yīng)用SKF CMXA70 離線監(jiān)測系統(tǒng)及紅外線測溫儀每周定期對全廠設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、匯總、數(shù)據(jù)回收、頻譜分析診斷，同時結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀況維修狀況進(jìn)行整體評價，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)維修管理。熱電廠狀態(tài)檢修日常操作程序如圖1，設(shè)備振動速度參考標(biāo)準(zhǔn)如表1，具體實施方法如下。

1.定期監(jiān)測與診斷

為最大程度降低檢、維修成本，使設(shè)備部件壽命運(yùn)行達(dá)到最長周期，對熱電廠絕大多數(shù)設(shè)備采用定期監(jiān)測，每周監(jiān)測一次，定期掌握設(shè)備運(yùn)行變化的趨勢。而對于新安裝設(shè)備、大小修后的設(shè)備、尤其是B 類設(shè)備和易出現(xiàn)故障問題的設(shè)備，在試運(yùn)行過程中，要現(xiàn)場測量水平、垂直、軸向3個方向的振值、采集振動頻譜，以便掌握設(shè)備初始運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)異常時診斷提供重要對比數(shù)據(jù)。

圖1 狀態(tài)檢修日常操作程序

表1 設(shè)備振動速度參考標(biāo)準(zhǔn) mm/s

2.長期監(jiān)測與診斷

對一些無備用設(shè)備或短期內(nèi)不具備檢修條件的關(guān)鍵設(shè)備，若診斷出異常，但機(jī)組運(yùn)行趨勢較穩(wěn)定的，則采用長期監(jiān)測方法，每周適量增加監(jiān)測的次數(shù)并進(jìn)行頻譜分析、診斷。2008年3月10日，#2－1 排粉機(jī)監(jiān)測到振動超標(biāo)，其后監(jiān)測振值雖呈緩慢上升趨勢但相對較穩(wěn)定，五月中旬振值最大曾上升到12.3mm/s，超過2級報警值，鑒于當(dāng)時鍋爐整體蒸汽負(fù)荷較高且#2－1 排粉機(jī)雖振值較大，但運(yùn)行趨勢較穩(wěn)定，決定對該機(jī)采用長期監(jiān)測繼續(xù)運(yùn)行，至6月上旬，#2－1 排粉機(jī)仍連續(xù)、安全運(yùn)行且振值緩慢下降；6月7日監(jiān)測中振值下降到7.6mm/s，略大于一級報警值（7.1mm/s）。可見，長期監(jiān)測為設(shè)備在異常情況下生產(chǎn)的連續(xù)性提供了技術(shù)保障。對于短期內(nèi)出現(xiàn)故障的現(xiàn)象，視嚴(yán)重程度進(jìn)行特殊診斷，采取相應(yīng)的措施加以解決。

3.在線監(jiān)測和離線監(jiān)測相結(jié)合

（1）在線監(jiān)測系統(tǒng)S8000的應(yīng)用。S8000 在線系統(tǒng)根據(jù)大型關(guān)鍵、特護(hù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測所獲得的信息，結(jié)合機(jī)組的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行狀況，對有可能發(fā)生的故障進(jìn)行分析、預(yù)報，對已經(jīng)或正在發(fā)生的故障進(jìn)行分析、判斷，以確定故障的性質(zhì)、類別、程度、部位及趨勢，對維護(hù)機(jī)組的正常運(yùn)行和合理檢修提供正確的技術(shù)支持，對避免惡性事故的發(fā)生、降低故障停機(jī)次數(shù)、縮短故障停機(jī)檢修時間、減少公司的經(jīng)濟(jì)損失具有及其重要的意義。目前，熱電廠2 臺汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)均采用S8000 在線監(jiān)測系統(tǒng)。

（2）離線監(jiān)測系統(tǒng)SKF CMXA70的應(yīng)用。SKF CMXA70 離線監(jiān)測系統(tǒng)不僅具有常規(guī)旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷功能，在軸承故障診斷也有重要作用，目前是熱電廠旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的主要監(jiān)測系統(tǒng)。

三、診斷實例

1.送風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剛度薄弱

風(fēng)機(jī)修復(fù)之前各測點(diǎn)的圖譜表現(xiàn)為以下特征：

（1）電機(jī)和風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)的振動頻譜中占優(yōu)勢的只有1 倍轉(zhuǎn)速頻率（24.2Hz）。

（2）各測點(diǎn)部位水平方向的振動值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同部位的軸向和垂直方向，振動呈明顯的方向性。

（3）時域波形為單一完整的正弦波，沒有削波和波形畸變現(xiàn)象。

（4）頻譜中沒有出現(xiàn)軸承特征故障頻率、葉輪葉片通過頻率及其他高頻成分。

根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場安裝、運(yùn)行工況、振動監(jiān)測的情況，確認(rèn)風(fēng)機(jī)存在機(jī)械松動，其誘發(fā)原因在于混凝土基礎(chǔ)的剛度不夠。故障診斷分析結(jié)果表明該風(fēng)機(jī)不存在不對中、不平衡、軸彎曲、軸承故障等其他機(jī)械故障，風(fēng)機(jī)的振動僅僅是由基礎(chǔ)剛度薄弱引起的，如果沒有異常情況，該風(fēng)機(jī)在一定時期內(nèi)可持續(xù)運(yùn)行；同時由于正逢冬季，鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行的生產(chǎn)要求不允許長時間停機(jī)維修，因此安排在鍋爐次年的大修期間對其進(jìn)行處理。通過定期的狀態(tài)監(jiān)測，密切監(jiān)視其振動烈度態(tài)勢以及故障的變化，以確保設(shè)備安全運(yùn)行至期望值。2008年4月檢修期間，對該風(fēng)機(jī)的混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行了重新灌漿和加固處理，監(jiān)測結(jié)果表明故障徹底消除后，送風(fēng)機(jī)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)（表2）。

2.引風(fēng)機(jī)軸承松動

從表3的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，11月22日至11月27日風(fēng)機(jī)測點(diǎn)3、4的振動值逐漸增大，特別是軸向。實時同步進(jìn)行的溫度測量結(jié)果也反映出風(fēng)機(jī)軸承溫度逐步升高。

表2 送風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)通頻幅值 mm/s

風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)的頻譜圖中表現(xiàn)有以下特征：

（1）除工頻16.5Hz 之外，存在高達(dá)10 倍的多個轉(zhuǎn)速頻率的諧波頻率，其中以2～6 倍頻成分突出，其幅值超出了工頻分量的幅值。

（2）趨向于產(chǎn)生定向的振動，從振動數(shù)據(jù)可知，風(fēng)機(jī)負(fù)荷端部位（靠近葉輪側(cè)）及各部位的軸向振動較大。

（3）高階次頻率分量對應(yīng)的幅值大于轉(zhuǎn)速頻率振動幅值的1/2。

（4）沒有出現(xiàn)滾動軸承的特征故障頻率、葉片通過頻率及其他高頻成分。

以上特征表明風(fēng)機(jī)的軸承出現(xiàn)機(jī)械松動的故障，松動的原因包括：①軸承與軸承座配合間隙過大；②軸承在轉(zhuǎn)軸上松動或轉(zhuǎn)動，即過盈不足；③軸承間隙過大。

結(jié)合該機(jī)運(yùn)行狀況以及歷史監(jiān)測、維修記錄，診斷分析認(rèn)為造成風(fēng)機(jī)振動烈度短時間上升，軸承溫度升高的原因是軸承的內(nèi)圈與轉(zhuǎn)軸的間隙大，出現(xiàn)機(jī)械松動。對于單吸懸臂結(jié)構(gòu)的引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子來說，軸承內(nèi)圈與軸頸的過盈配合失效，勢必會引起風(fēng)機(jī)的竄軸，造成軸承工作條件的惡化，降低風(fēng)機(jī)的運(yùn)動精度，并進(jìn)而引起軸承溫度升高，軸承箱振動，配合表面損傷，以及軸承壓蓋的損壞等。隨后向設(shè)備管理部門建議立即停機(jī)進(jìn)行維修處理，由于準(zhǔn)確的診斷結(jié)果及時給予維修人員作業(yè)指導(dǎo)，設(shè)備在短時間內(nèi)得以修復(fù)，實現(xiàn)了預(yù)知維修。

四、結(jié)語

煉化生產(chǎn)中,設(shè)備管理是一項十分重要的工作，設(shè)備的管理水平，直接決定了裝置的生產(chǎn)效率。以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、故障識別、狀態(tài)確知為前提的狀態(tài)檢修，是一種觀念和策略的變革與創(chuàng)新，優(yōu)化了維修策略，滿足了企業(yè)經(jīng)營者關(guān)心的“設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行”和“保證檢修質(zhì)量前提下的合理檢修費(fèi)用”的需求。

應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，可以在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對異常的原因、部位、程度進(jìn)行識別，從而預(yù)測、評價設(shè)備的可靠性，很大程度上避免了機(jī)械設(shè)備的突發(fā)故障，從而避免被迫停機(jī)而影響生產(chǎn)。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)為預(yù)知機(jī)械設(shè)備的維修期提供了可靠依據(jù)，做到有必要時才進(jìn)行維修和及時準(zhǔn)備維修部件，安排維修計劃，克服定期維修帶來的不必要的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備性能的下降。完善的診斷能力準(zhǔn)確確定故障類型和故障部位，避免了維修的盲目性，使檢修簡捷易行，大大縮短了維修工期，實現(xiàn)了對設(shè)備運(yùn)行、檢修全方位的現(xiàn)代化管理，給企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 引風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)通頻幅值 mm/s

1 沈慶根.化工機(jī)器故障診斷技術(shù),浙江大學(xué)出版社，1994

2 沈慶根,設(shè)備故障診斷,浙江大學(xué)出版社，2003

3 袁宏義，設(shè)備振動診斷標(biāo)準(zhǔn)及其建立方法，北京：北京航天工程學(xué)院出版社，1993

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5 曾綦.旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷.科技信息，2011（24）：766

6 李建華.在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的應(yīng)用.石油化工設(shè)備，2010，39（3）：73—74

7 張乾.基于振動信號的軸承狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷方法研究.中南大學(xué)，2012

8 王正英.面向設(shè)備管理的機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究.天津大學(xué)，2007

9 黃偉國.基于振動信號特征提取與表達(dá)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研究.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2010

10 陳建華,等.振動分析技術(shù)在火電廠轉(zhuǎn)動設(shè)備狀態(tài)檢修中的應(yīng)用.機(jī)電工程技術(shù).2008，37（4）：87—88