在線監(jiān)測與頻譜分析在汽機故障診斷中的應用

張殿樹（上海塞維斯玻璃有限公司，上海201419）

0 引言

所在公司化工項目空氣壓縮機組于2006 年開車投用，是我國當時設計制造的最大成套工業(yè)壓縮機組之一，也是該項目的核心裝置，主要為CTA氧化反應提供空氣來源。同時還為整個項目所有儀表氣動閥門提供氣源，它的穩(wěn)定運行是全裝置長周期運行的前提。空壓機組是一種多級離心式壓縮機，主要有定子（機殼、隔板、密封、平衡盤密封、軸端密封）、轉(zhuǎn)子（軸、葉輪、隔套、平衡盤、軸套、半聯(lián)軸器等）及支撐軸承、推力軸承等組成。壓縮機組由空氣壓縮機和增壓機組成，通過汽輪機拖動。汽輪機為雙出軸，一端直接帶動空壓機，另一端通過增速箱增速后拖動增壓機?？諌簷C分低壓缸、中壓缸，機殼為水平剖分式結(jié)構(gòu)，增壓機機殼為垂直剖分結(jié)構(gòu)。

1 機組監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 機組監(jiān)測系統(tǒng)配置

為保證對機組的可靠檢測與控制，通過技改對3500 卡件配置進行優(yōu)化改造。經(jīng)過對機組出現(xiàn)卡件故障和回路故障的概率進行風險評估后，增加1 塊16 點繼電器輸出模塊，與原繼電器輸出模塊互為冗余；機組聯(lián)鎖設計為同部位振動、位移監(jiān)測值二選二高高跳車，參與跳車的兩個振動或位移測點通道分配在同一卡件，故對原設計同部位振動、位移監(jiān)測量共用同一卡件現(xiàn)象進行調(diào)整，通過分配不同卡件通道，做到單點或單卡故障，只報警而不跳車。

另外，原設計探頭檢測信號通過中間端子排硬線直接引入本特利卡件,在生產(chǎn)運行過程中曾多次出現(xiàn)卡件損壞的現(xiàn)象。經(jīng)過對系統(tǒng)故障診斷軟件信息的收集整理，和本單位相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員分析研討后制定了K空壓機控制系統(tǒng)升級改造方案。在機組振動、位移監(jiān)測回路中間加入隔離柵，同時對安全柵供電進行優(yōu)化，將安全柵供電回路改為5 個安全柵一組、首尾相連，實現(xiàn)分段、多回路供電，對儀表測量連鎖信號的安全柵分開供電，分擔電源故障的風險。本文不再對監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)改造進行深入探討，通過一系列的深層次的改造，提高了機組運行的可靠性。

1.2 機組監(jiān)測系統(tǒng)可靠性改造

為保證對機組的可靠檢測與控制，通過技改對3500卡件配置進行優(yōu)化改造。經(jīng)過對機組出現(xiàn)卡件故障和回路故障的概率進行風險評估后，增加1 塊16 點繼電器輸出模塊，與原繼電器輸出模塊互為冗余；機組聯(lián)鎖設計為同部位振動、位移監(jiān)測值二選二高高跳車，參與跳車的兩個振動或位移測點通道分配在同一卡件，故對原設計同部位振動、位移監(jiān)測量共用同一卡件現(xiàn)象進行調(diào)整，通過分配不同卡件通道，做到單點或單卡故障，只報警而不跳車。

2 機組故障診斷頻譜分析技術(shù)

2.1 機組故障診斷技術(shù)理論基礎

汽輪機機組的傳動部件特別是高速軸軸系在高速運行時，機組存在異常振動和噪聲，這些異常參數(shù)信息，可以通過幅域分析、時域分析和頻域分析等信號處理技術(shù)，提取壓縮機的故障特征信息，進而了解故障狀態(tài)的振動機理，從而進一步全面準確判斷出壓縮機的故障原因[1]。

汽輪機振動的絕大部分信號是由多種激勵信號合成的復雜信號，利用傅里葉（Fourier）變換將時域信號x(t)變換成頻域信號X(f)。在實際應用中，對機組運行實時監(jiān)控的振動、位移參數(shù)，即時域信號，先經(jīng)數(shù)據(jù)采集成非連續(xù)的離散序列點x(n),在時窗范圍內(nèi)N點的離散傅里葉變換[2]。

現(xiàn)在機組監(jiān)控診斷頻譜分析儀都是在離散傅里葉變換DFT的基礎上，采用快速傅里葉變換FFT技術(shù)，將復合的時域信號分離出各頻率分量的幅值及相位信息。每一個諧波分量又含有幅值和相位特征量，均表征機組的各種運行狀態(tài)及故障特征，易于診斷機組故障。軸心軌跡表征軸心上的點相對于軸承座旋轉(zhuǎn)中心渦動的動作軌跡，它直觀地反映了轉(zhuǎn)子的實際振動情況[3]。

2.2 汽輪機組運行不良狀態(tài)及故障診斷分析

2016 年6 月開始，汽輪機變速箱側(cè)振值出現(xiàn)多次波動，工藝操作人員發(fā)現(xiàn)振值上升后通過提高潤滑油油溫和適當降低汽輪機組轉(zhuǎn)速的操作，機組振值回落到了正常值。汽輪機兩個互相這種垂直的測振點最大波動量達96μm 左右，逼近聯(lián)鎖跳車值。利用VMS-04B 振動監(jiān)測分析與平衡系統(tǒng)，連接Bently 3500系統(tǒng)采集壓縮機相關(guān)軸系監(jiān)控測量數(shù)據(jù)，對振動測量數(shù)據(jù)進行采集，通過時域、頻譜及軸心軌跡等處理手段進行分析，發(fā)現(xiàn)機組振動主要集中在汽輪機兩側(cè)軸，故以汽輪機變速箱側(cè)發(fā)生異常的振動，汽輪機的空壓機側(cè)振動異常的點為切入點通過不同狀態(tài)的頻譜、軸心軌跡分析如下：

汽輪機處于正常運轉(zhuǎn)工況時的轉(zhuǎn)速約為4340r/min=72.3Hz，即汽輪機基頻f=72.3Hz。齒輪箱高速軸正常工況的轉(zhuǎn)速約為10320r/min=172Hz，即齒輪箱高速軸基頻為172Hz。這些與汽輪機齒輪箱側(cè)振動異常點正常工況頻譜圖中的低速軸基頻f（72.5Hz）、2f（145Hz），高速軸基頻172.5Hz吻合。

汽輪機正常工況下在1倍頻（72.3Hz）處有較高振幅，在2倍頻和3倍頻處只有較低振幅。由于汽輪機與變速箱連接，結(jié)合圖2 出現(xiàn)豐富的17.5Hz、36.25Hz 等次諧波分量，說明變速箱高速軸存在稍微不平衡的情況[4]。

正常工況下，汽機的振值維持在可以接受的20～30um間，轉(zhuǎn)子不平衡的情況在正常允許范圍內(nèi)。但是從汽輪機正常工況時軸心軌跡出現(xiàn)鋸齒尖角現(xiàn)象，時域信號周期重復性差，并出現(xiàn)消波現(xiàn)象，這也印證了正常工況下汽機存在轉(zhuǎn)子摩擦導致的不平衡的情況。

汽輪機在異常工況時，異常測振點振值波動幅度高達80um以上，并且頻譜圖上存在低頻次諧波6.25Hz、25Hz 和72.5Hz、173.75Hz分量。存在的低頻次諧波與正常工況時基本吻合，振幅無明顯增加。振幅大幅增加主要集中在72.5Hz處（即汽輪機基頻）和173.75Hz 處（即變速箱高速軸基頻），說明在異常工況下不平衡現(xiàn)象占主導作用。

異常工況下的汽機軸心軌跡橢圓增大且重復性好，說明汽輪機轉(zhuǎn)子振動大，機組運行相對穩(wěn)定，無其他主導故障。

通過頻譜和工藝運行綜合分析，判斷汽輪機可能出現(xiàn)汽封漏，導致潤滑油碳化形成積碳，造成動靜部件發(fā)生碰磨。振值大幅波動可能原因為潤滑油碳化粘掛到轉(zhuǎn)子上導致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡力導致，待碳化物脫落后，平衡狀態(tài)得到改善，機組恢復正常。

3 機組拆解驗證與處理方案

2016 年10 月裝置停車，空壓機組整體大修。對汽輪機拆開檢修時發(fā)現(xiàn)，進氣側(cè)汽封積碳嚴重，且汽封磨損嚴重，導致汽封失效，汽輪機轉(zhuǎn)子并無明顯結(jié)垢或磨損現(xiàn)象。

汽輪機更換汽封組件，并對轉(zhuǎn)子進行清理。在開車過程和正常生產(chǎn)中，汽輪機組振值正常穩(wěn)定，運行至今未再次出現(xiàn)類似振動異常波動現(xiàn)象。

4 結(jié)語

在線監(jiān)測與故障診斷技術(shù)作為機組監(jiān)控系統(tǒng)的必要組成部分，是了解和掌握設備在使用過程中的狀態(tài)，確定其整體或局部運行狀況，并對可能出現(xiàn)的故障進行預判并幫助分析其故障機理。在實際生產(chǎn)運用中，頻譜分析診斷技術(shù)存在較大復雜性。特別是大型機組，既要結(jié)合機組實際運行工況，又要對頻譜分析的特征譜進行分析，同時存在設備相互關(guān)聯(lián)的情況。