大型離心機組在線監(jiān)測與動平衡

張玉東

摘 要：隨著離心機組大型化進程的快速推進，傳統(tǒng)機組檢測及維護手段已然無法滿足日益提高的運維要求，監(jiān)測精度以及實時性的差距帶來的對機組安全性能的影響已經(jīng)是當前機組運行主要的安全隱患構(gòu)成。本文對大型離心機組某型在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了分析，并對機組運行過程中的動平衡監(jiān)測應用進行研究。

關(guān)鍵詞：離心機組；大型；在線監(jiān)測；動平衡

中圖分類號：TH113 文獻標識碼：A

大型離心機組的廣泛應用，給在線監(jiān)測以及故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展和大規(guī)模應用帶來新的契機。高度精密和復雜的自動化離心機組的安全運行，是保證企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)和穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)的運維手段以及檢測手段對于大型機組高可靠性、安全性的要求已經(jīng)無法滿足，企業(yè)正積極尋求高可靠的檢測手段以及運維方式，在線監(jiān)測技術(shù)對于機組動平衡的監(jiān)測有著遠超其他離線監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)勢，能夠?qū)悠胶獠▌右约捌渌收线M行提前預知，并采取措施加以預防。

在線監(jiān)測技術(shù)的應用不僅能夠避免傳統(tǒng)故障檢測技術(shù)遲滯、低可靠性以及片面性的缺點，減少惡性事故的發(fā)生概率，還能夠?qū)ζ髽I(yè)的安全連續(xù)運行以及較高的投資回報率有明顯貢獻，大幅度降低企業(yè)機組運維成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 在線監(jiān)測技術(shù)與動平衡

1.1 在線監(jiān)測技術(shù)

與傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)相比，大型離心機組在線監(jiān)測技術(shù)能夠在機組運行狀態(tài)下，不進行拆卸或大幅拆卸情況下，對機組運行狀態(tài)進行判定，若有故障發(fā)生，能夠及時對故障類型進行判定并及時定位故障點，進而對故障的進一步發(fā)展趨勢進行預測，為運行人員提供運行指導，避免故障的進一步惡化。該監(jiān)測手段能夠有效減少非計劃內(nèi)停機以及其他事故數(shù)量，對于設(shè)備安全運行具有重要作用。

在線監(jiān)測系統(tǒng)應用于大型機組時，其主要作用如下：首先，為機組提供監(jiān)測和保護功能，實時監(jiān)測大型機組運行情況及工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障、故障報警以及隔離故障，及時降低故障帶來的更加惡劣的影響；其次，對故障進行分析和診斷，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判定故障類型、定位故障點，反推故障原因并加以處理；第三，故障預防。在線監(jiān)測的三種功能能夠為機組運行提供準確的數(shù)據(jù)，對故障診斷起到重要的支持作用，大大提高故障診斷和處理的效率，避免機組故障維修過程的盲目性。此外，由于系統(tǒng)的故障預測功能，能夠大幅降低故障發(fā)生概率以及影響范圍，提高機組壽命。

1.2 動平衡監(jiān)測

動平衡作為離心機組運行過程中的重要安全指標，對于機組安全意義重大，也是在線監(jiān)測的重要對象。通常在線監(jiān)測系統(tǒng)通過對設(shè)備振動信號進行采集，通過振動信號的分析，對故障進行判定與預測。動平衡分析作為在線監(jiān)測的重要故障預測及診斷手段，在近年來的監(jiān)測系統(tǒng)中已經(jīng)得到廣泛應用。

此外，在線監(jiān)測系統(tǒng)的故障診斷除振動外，還包括相位、振幅、頻率、軸心軌跡、振型、剛度以及臨界轉(zhuǎn)速等參數(shù)，綜合各個參數(shù)能夠?qū)收项愋图鞍l(fā)展趨勢有較為準確的判斷。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

圖1為某型大型離心機組在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)由布置在機組的各類傳感器采集機組信號，采集到的信號與參考圖譜進行對比分析處理后，對機組運行狀態(tài)進行診斷，從而確定機組運行狀態(tài)。監(jiān)測分站的作用是對單臺機組進行監(jiān)測，數(shù)據(jù)通過WEB8000數(shù)據(jù)服務器進行分析和處理，經(jīng)過授權(quán)的工作人員可以通過IE瀏覽器登陸系統(tǒng)查看實時數(shù)據(jù)及診斷結(jié)果。

2.2 振動分析

該型離心機組在線監(jiān)測系統(tǒng)主要功能是測量機組運轉(zhuǎn)過程中的振動信號，通過對信號的分析和處理，實現(xiàn)對機組狀態(tài)的確定。振動信號的現(xiàn)代分析處理方法有如下幾種。

（1）小波分析技術(shù)

小波分析法本質(zhì)是時頻分析法，信號分析的分辨率較高，能夠同時在時域和頻域?qū)π盘柼卣鬟M行描述，高頻信號部分頻域分辨率較低而時域分辨率較高，低頻部分正好相反，由于小波分析技術(shù)的這種特點，在離心機組在線監(jiān)測及故障診斷領(lǐng)域具有廣泛應用。該方法的主要過程是通過小波變換或小波包變換對信號進行轉(zhuǎn)換后進行分析。

（2）頻率細化技術(shù)

快速傅里葉變換（FFT）方法是頻譜分析常用的方法之一，能夠?qū)⒄麄€信號頻段上的信息進行計算和分析，缺點是對于某個特定信號頻段的分析，其分辨率不能達到要求，需要采用頻率細化技術(shù)進行信號處理，該種方法主要是對時頻譜圖進行細微結(jié)構(gòu)上的分辨，以便提高信號處理時的分辨率。

（3）現(xiàn)場動平衡監(jiān)測

現(xiàn)場動平衡監(jiān)測技術(shù)是指通過對傳感器采集到的轉(zhuǎn)子振動信號，對其不平衡量以及相位進行計算和分析，并通過相關(guān)控制系統(tǒng)輸入量的變化來消除該不平衡量，從而保證轉(zhuǎn)子在運動過程中不會產(chǎn)生不平衡力。轉(zhuǎn)子不平衡力的產(chǎn)生通常由以下幾種情況導致：①轉(zhuǎn)子本身的原始質(zhì)量不平衡；②轉(zhuǎn)子在工作中發(fā)生的漸發(fā)性不平衡；③轉(zhuǎn)子受熱不均勻產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子彎曲；④轉(zhuǎn)子受到氣流突然的沖擊或者受到透平機和發(fā)電裝置的載荷突然有較大的變化會產(chǎn)生彎曲。

本文研究對象為在線監(jiān)測技術(shù)中的現(xiàn)場動平衡監(jiān)測技術(shù)，采用基于虛擬儀器的軟件平臺LabView進行開發(fā)，能夠?qū)鹘y(tǒng)硬件系統(tǒng)軟件化，降低設(shè)備投資，提高數(shù)據(jù)采集和處理的集成度，從而能夠增強系統(tǒng)的功能和靈活性。圖2為基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集處理框圖。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)動平衡監(jiān)測的應用研究

應用在線監(jiān)測系統(tǒng)對某機組動平衡進行監(jiān)測，系統(tǒng)采用上述某型號在線監(jiān)測系統(tǒng)，具體實施過程如下。

3.1 傳感器布置

圖3為某大型離心機組全貌，該機組主要由透平、發(fā)電機組、勵磁機構(gòu)成，振動監(jiān)測的對象為主軸各段軸承、軸瓦的振動信號，傳感器采用壓電式傳感器，布置方式如圖所示，對機組各部分振動量進行監(jiān)測。主軸運動數(shù)據(jù)的采集采用電渦流傳感器對軸端面及軸向平面的運動進行監(jiān)測。

3.2 原始數(shù)據(jù)采集處理

原始信號數(shù)據(jù)的采集采用NI公司出品的NI9234采集卡實現(xiàn)，該采集卡分數(shù)模兩端，能夠?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，在計算機中加以展示；軟件集成采用LabView完成，利用Matlab編制相應的信號處理程序，從而實現(xiàn)對原始信號的處理和分析。采集卡與計算機的接口采用通用應用編程接口API。在開始采集前，對采集板卡進行初始化設(shè)置。

3.3 故障頻譜分析

（1）轉(zhuǎn)子不平衡

如圖4所示，為轉(zhuǎn)子不平衡故障時的頻譜信號。該頻譜的特點為：故障波形近似于正弦波形，且1X部分的幅值與通頻部分相比，約為其80%，且其軸心軌跡為近似橢圓形，且軌跡重復性較差。

（2）轉(zhuǎn)子碰磨故障

如圖5所示，為轉(zhuǎn)子碰磨故障時的頻譜信號。該頻譜的特點為：與原始波形相比，高頻部分波形較多，濾波后的波形更加清楚的顯示出每次碰磨后的波峰存在。從快速傅里葉變換的結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子碰磨的出現(xiàn)同時顯示在頻譜圖上的周期性波峰。

結(jié)語

本文對大型離心機組在線監(jiān)測系統(tǒng)所涉及到的信號處理技術(shù)進行了分析，并針對某型在線監(jiān)測系統(tǒng)在某大型離心機組動平衡監(jiān)測中的應用進行了分析，結(jié)果表明，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)D(zhuǎn)子不平衡有很好的調(diào)整功能，同時能夠?qū)收掀鸬郊皶r的預防和處理作用。

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