燃氣發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷監(jiān)控系統(tǒng)研究

安維崢（中海油研究總院，北京 100027）

1 引言

燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)，將燃料的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膭恿C械，由于其具有功率大、體積小、效率高、排放氣體污染小等眾多優(yōu)勢，所以其廣泛應(yīng)用于航空、工業(yè)和艦船等領(lǐng)域，成為國民經(jīng)濟乃至國防工業(yè)的重要裝備。尤其是在石油石化領(lǐng)域，燃料可以就地取材，避免了燃料運輸過程中帶來的不便和危險以及高昂的運輸費用，燃氣輪機發(fā)電機組及其它燃氣輪機設(shè)備越來越得到很好的應(yīng)用[1]。

工業(yè)生產(chǎn)中，燃氣輪機在運行期間一旦出現(xiàn)非正常停機，造成的經(jīng)濟損失是無法估量的。而惡劣的工作條件和復(fù)雜結(jié)構(gòu)使燃氣輪機成為整個裝備系統(tǒng)中故障的敏感多發(fā)部位，因此，對燃氣輪機進行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測就尤為必要。狀態(tài)監(jiān)測是掌握機械系統(tǒng)運行狀態(tài)與功能特性的必要環(huán)節(jié)，對提高其運行可靠性具有重要的基礎(chǔ)作用，對故障的早期預(yù)警是實現(xiàn)機械系統(tǒng)防/減災(zāi)害性事故，保障其安全可靠運行的重要保證。

目前，國際上較著名的燃氣輪機狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)有美國普惠（PW）公司的TEAM III，GE 公司的GEM 以及英國Rolls-Royce（RR）公司的COMPASS 系統(tǒng)。國內(nèi)對燃氣渦輪機械的故障監(jiān)測與預(yù)警技術(shù)尚處于起步階段，高參數(shù)的燃氣輪機仍依賴進口，相應(yīng)的監(jiān)視系統(tǒng)也由國外配套。

本燃氣發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)是自主研發(fā)，通過振動信號采集設(shè)備，運用頻譜分析、階次分析、軸心軌跡、瀑布圖等振動信號分析方法，同時結(jié)合相關(guān)性能參數(shù)（入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度等），對燃氣透平發(fā)電機組運行故障進行分析，及時地在故障早期對故障進行預(yù)防和處理，保障機組的長時間安全運行，以達到降低維修成本，提高經(jīng)濟效益的目的。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

本燃氣發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)采集硬件采用業(yè)內(nèi)國際知名企業(yè)產(chǎn)品，功能強大，性能穩(wěn)定，使用可靠，主要包括：筆記本工作站、美國NI公司四插槽NI cDAQ機箱、美國NI公司±5V四通道采集卡、特定的AB-PLC網(wǎng)卡等，如圖1所示。其中采集卡的性能指標如下：

至少具有13通道振動數(shù)據(jù)采集功能，并能同步采樣模擬輸入以滿足機組振動監(jiān)測的基本要求。

每通道最高51.2 kS/s采樣速率；交流耦合（0.5 Hz）；24位分辨率；±5 V輸入范圍。

電壓DC、AC輸入/抗混疊濾波/110dB動態(tài)范圍/增益1～100/USB2.0/耐溫-40～70℃/抗振動 5g10Hz～500Hz。

圖1 燃氣發(fā)電機組監(jiān)測診斷系統(tǒng)硬件主要部分

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

3.1 功能介紹

本系統(tǒng)利用LabVIEW 作為開發(fā)平臺[2]，實現(xiàn)了振動數(shù)據(jù)和性能參數(shù)同時采集，共同分析，整體診斷的功能。軟件可以劃分為四大功能：系統(tǒng)概況圖、實時分析、離線分析以及故障診斷。

系統(tǒng)概況圖：總體功能效果。

實時分析：具有信號采集設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)測、趨勢分析、時間波形、頻譜分析、階次譜圖、波德圖、軸心軌跡、瀑布圖等信號分析功能。

離線分析：能夠離線分析數(shù)據(jù)，具有和實時分析一樣的功能效果。

故障診斷：通過故障識別特征選擇得到可能的故障診斷結(jié)果并提出故障處理方法及維修策略。

3.2 振動數(shù)據(jù)讀取

本系統(tǒng)振動信號采集采用N I公司的數(shù)采卡，因為So lar Titan130機組控制柜的本特利1701在線振動監(jiān)測模塊有預(yù)留的BNC口，所以可以直接通過BNC線將NI采集卡和本特利在線振動監(jiān)測模塊相連，進行數(shù)據(jù)的傳輸共享。

本系統(tǒng)軟件具有13個振動信號輸出采集通道，但可擴展為16通道的振動信號輸出采集，很好地滿足了透平發(fā)電機組現(xiàn)階段在線監(jiān)測的使用要求。根據(jù)本系統(tǒng)的特殊性，采集通道設(shè)置已經(jīng)配置完成，只需按照下列要求連接信號線到采集卡上即可，本文針對的是Solar130單軸燃氣透平機組，采集的信號包括：轉(zhuǎn)速信號（key），1號軸承X方向振動信號（GpB1x），1號軸承Y方向振動信號（GpB1y），2號軸承X方向振動信號（GpB2x），2號軸承Y方向振動信號（GpB2y），3號軸承X方向振動信號（GpB3x），3號軸承Y方向振動信號（GpB3y），電機驅(qū)動側(cè)軸X方向振動信號（Gen Dr Axis x），電機驅(qū)動側(cè)軸Y方向振動信號（Gen Dr Axis y），電機外側(cè)軸X方向振動信號（Gen Ex Axis x），電機外側(cè)軸Y方向振動信號（Gen Ex Axis y），齒輪箱上加速度信號（GrBx Accel），軸位移信號（Axial）。

3.3 性能參數(shù)讀取

在Titan130機組控制柜AB公司PLC中安裝一塊1756網(wǎng)卡模塊（注：如果PLC中本身帶有此模塊則不需另加），本監(jiān)測診斷系統(tǒng)可以通過網(wǎng)線直接從PLC中讀取狀態(tài)性能參數(shù)數(shù)據(jù) ，將其匯集到軟件中進行監(jiān)測分析，并將其與振動信號融合進行綜合故障診斷，如圖2所示。

圖2 燃氣發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)與PLC通訊

4 現(xiàn)場測試實例

本系統(tǒng)對中海油某作業(yè)區(qū)燃氣發(fā)電機組進行測試，采樣頻率2048，具體數(shù)據(jù)如圖3～圖5所示。

圖3 燃氣發(fā)電機組性能狀態(tài)參數(shù)

圖4 燃氣發(fā)電機組振動數(shù)據(jù)分析

圖5 燃氣發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)故障診斷界面

5 結(jié)語

通過本狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)對燃氣發(fā)電機組進行運行狀態(tài)監(jiān)測，并能夠?qū)C組異常狀態(tài)或者故障進行早期預(yù)警，依據(jù)故障診斷數(shù)據(jù)庫初步判斷故障發(fā)生的原因，預(yù)報機組的維修建議，為后期進行的狀態(tài)檢修提供科學依據(jù)。該系統(tǒng)保證了燃機的安全、可靠運行，延長燃機的使用壽命，節(jié)約了相應(yīng)的維修成本。

[1] 李作琨, 王大勇, 莫文濤, 屈會智, 孫維. 燃氣輪機在海洋石油平臺上的應(yīng)用[J]. 中國修船. 2008, 21 (4) : 55-58.

[2] 鄧森, 楊軍鋒. 基于LabVIEW的航空發(fā)動機滑油故障檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子測量技術(shù). 2009, 32 (9) : 89-93.

[3] 凱旗, 任興民, 秦衛(wèi)陽. 燃氣輪機發(fā)電機組的振動信號監(jiān)測與分析系統(tǒng)[J].噪聲與振動控制, 2007, (2) : 40-42.