大型機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)在原水廠的應(yīng)用

顧 卿

(上海城投原水有限公司長江原水廠，上海 200949)

隨著上海城投水務(wù)集團(tuán)設(shè)備檢修體制改革的推進(jìn)，水務(wù)集團(tuán)設(shè)備科學(xué)管理水平和整體經(jīng)濟(jì)效益的提高，原水公司從歷年的機(jī)泵計(jì)劃檢修體制中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，提出了原水廠逐步實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修的設(shè)想。上海城投原水有限公司機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)在充分分析現(xiàn)場設(shè)備管理的需求基礎(chǔ)上，提出了一整套針對大型水泵的健康監(jiān)測、綜合評價(jià)、趨勢預(yù)測的解決方案，形象直觀，深入淺出地展現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)，為提升上海城投原水設(shè)備管理水平做出了積極的探索。

1 系統(tǒng)概況

長江原水廠機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)是一套以振動(dòng)診斷技術(shù)和電氣診斷技術(shù)為主的監(jiān)測評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個(gè)方面的功能：一是狀態(tài)監(jiān)測，即實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)泵的振動(dòng)、溫度、電流等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；二是對機(jī)泵進(jìn)行健康評估，綜合機(jī)泵的振動(dòng)評價(jià)、溫度評價(jià)、電氣評價(jià)、潤滑評價(jià)、效率評價(jià)、運(yùn)行時(shí)間6大評價(jià)功能，給出機(jī)泵總體健康狀態(tài)評價(jià)結(jié)果，深入淺出，結(jié)果以簡單的綠、黃、橙、紅4態(tài)顯示。

長江原水廠機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)的應(yīng)用讓機(jī)泵狀態(tài)檢修成為可能，在設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)沒有發(fā)現(xiàn)故障時(shí)可以不檢修，在發(fā)現(xiàn)故障前兆時(shí)能及時(shí)發(fā)出報(bào)警信息。按診斷出故障的性質(zhì)和部位，可以有目的地進(jìn)行檢修。把計(jì)劃檢修改為狀態(tài)檢修，不但節(jié)約了大量的維修費(fèi)用，而且由于減少了許多不必要的維修時(shí)間，大大增加了機(jī)泵的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，大幅度地提高生產(chǎn)率，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

2 硬件配置

機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)需要配置傳感器、采集器、交換機(jī)、服務(wù)器、工作站，根據(jù)機(jī)泵設(shè)備診斷需求，選擇的傳感器包括：加速度傳感器、電渦流傳感器、溫度傳感器、霍爾感應(yīng)傳感器、鍵相傳感器等。

長江原水廠一共有5個(gè)泵站，第一取水泵站、第二取水泵站、第一輸水泵站、第二輸水泵站、泰和泵站，現(xiàn)有主機(jī)泵30臺(tái)，已全部安裝了在線監(jiān)測設(shè)備。除了對機(jī)泵的振動(dòng)、擺度情況進(jìn)行在線監(jiān)測，對機(jī)泵的電流、功率、溫度、轉(zhuǎn)速、流量、出口壓力、進(jìn)口壓力(進(jìn)口水位)等也進(jìn)行了在線監(jiān)測。

第一輸水泵站和泰和泵站為臥式離心泵，共14臺(tái)，振動(dòng)傳感器測點(diǎn)布置為：電機(jī)前軸承，徑向2個(gè)，軸向1個(gè)；電機(jī)后軸承，徑向2個(gè)；水泵前軸承，徑向2個(gè)；水泵后軸承，徑向2個(gè)。臥式離心泵測點(diǎn)位置如圖1所示。第二輸水泵站和取水泵站為立式斜流泵，共16臺(tái)，振動(dòng)傳感器測點(diǎn)布置為：電機(jī)上軸承，徑向2個(gè)，軸向1個(gè)；電機(jī)下軸承，徑向2個(gè)；水泵與電機(jī)的聯(lián)軸器處，有1個(gè)鍵相傳感器和2個(gè)徑向非接觸式(電渦流)傳感器。立式斜流泵測點(diǎn)位置如圖2所示?；魻柛袘?yīng)電流傳感器接在電機(jī)電源線外壁(3相)。其中振動(dòng)、擺度、轉(zhuǎn)速和電流等數(shù)據(jù)直接由ICS3000采集器采集，溫度、壓力、液位和功率等數(shù)據(jù)由OPC接口輸入，點(diǎn)檢潤滑類信息由人工交互輸入，運(yùn)行時(shí)間由系統(tǒng)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 臥式離心泵測點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Diagram of Monitoring Point Positions of Horizontal Centrifugal Pump

圖2 立式斜流泵測點(diǎn)位置示意圖Fig.2 Diagram of Monitoring Point Positions of Vertical Diagonal-Flow Pump

圖3 系統(tǒng)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Overall Topology of System

3 分析評價(jià)

3.1 振動(dòng)分析和振動(dòng)評價(jià)

3.1.1 振動(dòng)分析

振動(dòng)信號(hào)是反映機(jī)械設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)最靈敏、最直接的信號(hào)。引起機(jī)泵振動(dòng)的因素很多，由機(jī)械振動(dòng)、水力振動(dòng)、電氣振動(dòng)，甚至是多種因素造成[3-4]。

長江原水廠機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)中使用的振動(dòng)分析方法有很多，在實(shí)際應(yīng)用中主要使用波形圖分析、頻譜圖分析和軸心軌跡分析。波形圖是直接在時(shí)域中對信號(hào)進(jìn)行分析的方法，時(shí)域分析具有直觀、準(zhǔn)確、易于理解等優(yōu)點(diǎn)[5]。

頻譜圖是機(jī)械故障診斷中用得最廣泛的信號(hào)處理方法之一。對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，可以確定最大頻率分量，從而找出故障所在。在實(shí)際應(yīng)用中，值得注意的是，頻譜圖中所說的工作頻率(工頻)，不是指機(jī)泵變頻器的運(yùn)行頻率，而是指工作轉(zhuǎn)速除以60所得的轉(zhuǎn)速頻率，如“5X”代表“5倍工頻”，以此類推。常見振動(dòng)故障頻譜特征，如圖4所示?；瑒?dòng)軸承油膜渦動(dòng)的頻率通常略低于轉(zhuǎn)速頻率的一半，油膜渦動(dòng)與油膜振蕩是高速滑動(dòng)軸承特有的一種故障，長江原水廠機(jī)泵轉(zhuǎn)速比較低，故一般不會(huì)產(chǎn)生這類故障。滾動(dòng)軸承故障的特征頻率為0.5倍滾動(dòng)體數(shù)目乘以轉(zhuǎn)速頻率。滾動(dòng)軸承保持架不平衡故障的特征頻率為0.5倍的轉(zhuǎn)速頻率。

圖4 常見振動(dòng)故障頻譜特征Fig.4 Frequency Spectrum Characteristics of Common Vibration Faults

軸心軌跡是機(jī)泵運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)，正常運(yùn)行的機(jī)泵軸心所產(chǎn)生軌跡是略成橢圓形(近似圓形)，如果出現(xiàn)故障，則其軸心軌跡將發(fā)生明顯的改變。常見振動(dòng)故障軸心軌跡，如圖5所示。轉(zhuǎn)子碰摩是轉(zhuǎn)子與固定部件之間產(chǎn)生的接觸摩擦，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子局部碰摩時(shí)，軸心軌跡是一個(gè)內(nèi)“8”字形或花瓣形；當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子全周碰摩時(shí)，軸心軌跡是一個(gè)圓形或橢圓形，且軸心軌跡比較雜亂，全周碰摩對機(jī)泵的損害很大[6]。

圖5 軸心軌跡圖Fig.5 Axis Trajectory

汽蝕振動(dòng)主要產(chǎn)生于離心泵。汽蝕產(chǎn)生的水錘壓力很高，使水泵的邊壁遭受侵蝕和破壞，引起離心泵強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，使水泵的揚(yáng)程、流量和效率下降，因此離心泵應(yīng)盡量避免在汽蝕狀態(tài)下運(yùn)行。

引起電磁振動(dòng)的主要原因有定子鐵芯松動(dòng)、定子繞組松動(dòng)、定子與轉(zhuǎn)子的空氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子線圈短路、電機(jī)在不對稱工況下運(yùn)行、變頻器引起的共振等。偶數(shù)倍轉(zhuǎn)速頻率是電機(jī)電磁振動(dòng)的主要特征。

3.1.2 振動(dòng)評價(jià)

振動(dòng)評價(jià)是選取徑向通道相對于報(bào)警值比值最大的通道作為代表，通過復(fù)雜計(jì)算獲取轉(zhuǎn)子相關(guān)評價(jià)結(jié)論、軸承相關(guān)評價(jià)結(jié)論、擺度相關(guān)評價(jià)結(jié)論。振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 振動(dòng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Vibration Evaluation Standard

3.2 電機(jī)診斷和電氣評價(jià)

3.2.1 電機(jī)診斷

系統(tǒng)的電機(jī)診斷功能，是在電機(jī)運(yùn)行過程中，高速采集三相動(dòng)態(tài)電流，細(xì)化分析其頻率成份，來評價(jià)電機(jī)工作狀態(tài)。電機(jī)診斷可以對電機(jī)的電氣相不平衡，過載，缺相，轉(zhuǎn)子斷條，匝間短路和動(dòng)態(tài)偏心等常見電機(jī)故障進(jìn)行識(shí)別和嚴(yán)重程度的判斷。

通過PARK矢量法，將定子三相電流從三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)到二維坐標(biāo)系中，正常狀態(tài)下形成的矢量軌跡是一個(gè)圓，通過長短軸的長度和偏轉(zhuǎn)方向變化來判定故障類型和程度。用此方法可顯著提高電氣診斷的準(zhǔn)確性，且更形象直觀，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電機(jī)早期故障，避免重大損失。常見電機(jī)診斷中三相動(dòng)態(tài)電流的PARK矢量軌跡如圖6所示[7]。

圖6 三相動(dòng)態(tài)電流的PARK矢量軌跡圖Fig.6 PARK Vector Trajectory of Three-Phase Dynamic Current

3.2.2 電氣評價(jià)

系統(tǒng)通過對電機(jī)動(dòng)態(tài)電流的細(xì)化分析提供相不平衡評價(jià)、過載評價(jià)、缺相評價(jià)和匝間短路評價(jià)，通過電源頻率FL處幅值與其電機(jī)通過頻率FP處幅值之比進(jìn)行轉(zhuǎn)子斷條評價(jià)，通過電機(jī)動(dòng)態(tài)電流的頻譜分析進(jìn)行動(dòng)態(tài)偏心評價(jià)。

(1)相不平衡

電機(jī)三相電流不平衡度Imbalance如式(1)。

Imbalance=(Imax-Imin)/Imax

(1)

其中：Imax——最大電流，A；

Imin——最小電流，A。

相不平衡評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 相不平衡評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation Standard of Phase Imbalance

(2)過載

電機(jī)過載Overload如式(2)。

Overload=(Imax-IN)/IN

(2)

其中：Imax——最大電流，A；

IN——額定電流，A。

過載評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 過載評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Overload Evaluation Standard

3.3 溫度評價(jià)

系統(tǒng)對于監(jiān)測溫度均進(jìn)行預(yù)處理后參與評價(jià)，預(yù)處理主要考慮環(huán)境溫度的影響，同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速對其的影響。得出歸一化的溫度值，然后進(jìn)行評價(jià)。以上導(dǎo)溫度為例，進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)預(yù)處理：取上導(dǎo)的最近10個(gè)測溫值，從中去除最大值和最小值，剩余8個(gè)做平均處理。其平均值減去環(huán)境溫度，差值再乘以環(huán)境溫度系數(shù)(比如1.5)，其結(jié)果作為上導(dǎo)的歸一化溫度,如式(3)。

(3)

其中：Ti——上導(dǎo)測得的溫度，℃；

Tenv——環(huán)境溫度，℃；

Kenv——環(huán)境溫度系數(shù)，根據(jù)Tenv的大小可以設(shè)為1.5(Tenv>30)或者0.6(Tenv<10)，中間Tenv的范圍Kenv約為1；

Krpm——轉(zhuǎn)速溫度系數(shù)，以495～490 r/min為系數(shù)1.0，以330～350 r/min為系數(shù)1.132，中間每隔5轉(zhuǎn)為一級，每級相差約0.004，用插入法設(shè)定。

下導(dǎo)、推力、定子等溫度處理方法相同。溫度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

3.4 潤滑評價(jià)

系統(tǒng)帶有潤滑提醒功能，3#鋰基脂的潤滑周期為2 000 h，46#汽輪機(jī)油的潤滑周期為8 000 h。潤滑評價(jià)舉例：上次潤滑時(shí)間2018年11月21日12∶00，加油后累計(jì)運(yùn)行1 990 h，潤滑周期為2 000 h，還可以繼續(xù)運(yùn)行10 h。

表4 溫度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Temperature Evaluation Standard

長江原水廠每年保高峰過后都會(huì)對機(jī)泵軸承的潤滑油進(jìn)行取樣送檢，檢測項(xiàng)目為理化分析、發(fā)射光譜分析和直讀鐵譜分析，分析潤滑油中的水份、運(yùn)動(dòng)粘度、15種金屬元素的含量、金屬顆粒的小磨粒讀數(shù)值、大磨粒讀數(shù)值、磨粒濃度值、磨損烈度指數(shù)值。通過對潤滑油的檢測，了解機(jī)泵軸承的磨損狀態(tài)，并及時(shí)采取有效措施，扼制惡性事故的發(fā)生，確保機(jī)泵處于正常工作狀態(tài)。

3.5 運(yùn)行評價(jià)

根據(jù)機(jī)泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間長短進(jìn)行運(yùn)行時(shí)間評價(jià)，運(yùn)行時(shí)間評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 運(yùn)行時(shí)間評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Evaluation Standard of Operation Time

3.6 效率評價(jià)

根據(jù)機(jī)泵的轉(zhuǎn)速、功率、前池液位、流量、壓力等信息計(jì)算機(jī)泵運(yùn)行效率,如式(4)。

(4)

其中：η——機(jī)泵效率；

H壓力——揚(yáng)程，通過測得的壓力值(kPa)/10即可換算出揚(yáng)程值，m；

H前池——前池液位，m，H壓力與H前池兩者之差為凈揚(yáng)程；

Q瞬時(shí)——瞬時(shí)流量，m3/h；

P輸入——機(jī)泵輸入功率，kW，公式的分子部分為計(jì)算功率。

效率評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表6所示。

表6 效率評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Efficiency Evaluation Standard

4 綜合評價(jià)

(1)根據(jù)水桶原理(短板效應(yīng))，設(shè)備運(yùn)行健康狀態(tài)取決于狀態(tài)最差的環(huán)節(jié)，構(gòu)成評價(jià)要素的各個(gè)部分往往是優(yōu)劣不齊的，而劣勢部分往往決定了整個(gè)機(jī)泵的設(shè)備健康水平。

(2)機(jī)泵的綜合評價(jià)(H)主要由6個(gè)分項(xiàng)評價(jià)綜合得出，這6個(gè)分項(xiàng)評價(jià)分別是振動(dòng)評價(jià)(V)、溫度評價(jià)(T)、電氣評價(jià)(C)、潤滑評價(jià)(R)、運(yùn)行時(shí)間評價(jià)(RT)和運(yùn)行效率評價(jià)(N)。其中第一輸水泵站和泰和泵站因沒有單泵流量儀，故沒有運(yùn)行效率評價(jià)。

(3)依據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)對設(shè)備健康狀態(tài)的影響程度，設(shè)置權(quán)值系數(shù)(W)，綜合評價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)如表7所示。

表7 綜合評價(jià)的各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Tab.7 Weight Coefficient of Each Index in Comprehensive Evaluation

(4)各項(xiàng)指標(biāo)按一定邏輯計(jì)算出機(jī)泵設(shè)備健康綜評值(H),計(jì)算如式(5)。

(5)

其中：WV——振動(dòng)權(quán)重系數(shù)；

WT——溫度權(quán)重系數(shù)；

WC——電氣權(quán)重系數(shù)；

WR——潤滑權(quán)重系數(shù)；

WS——點(diǎn)檢權(quán)重系數(shù)；

WRT——運(yùn)行時(shí)間權(quán)重系數(shù)；

WN——運(yùn)行效率權(quán)重系數(shù)。

代入權(quán)重系數(shù)后，如式(6)。

(6)

其中：S——點(diǎn)檢評價(jià)值，用1、2、3、4分別代表評價(jià)狀態(tài)為良好、可用、需檢查、需停機(jī)。

點(diǎn)檢評價(jià)是由人工輸入點(diǎn)檢情況并進(jìn)行評價(jià)，長江原水廠暫時(shí)沒有使用點(diǎn)檢評價(jià)，故假設(shè)點(diǎn)檢評價(jià)狀態(tài)為良好，點(diǎn)檢評價(jià)等級值S=1，然后代入前面各分項(xiàng)評價(jià)等級值，算出的設(shè)備健康綜評值對應(yīng)一個(gè)設(shè)備健康綜合評價(jià)，如表8所示。

系統(tǒng)的評價(jià)結(jié)論劃分4檔：H1—良好(綠色)、H2—可用(黃色)、H3—需檢查(橙色)和H4—停機(jī)(紅色)。綜合評價(jià)結(jié)果如圖7所示。

表8 設(shè)備健康綜評值對應(yīng)表Tab.8 Corresponding Table of Equipment Health Comprehensive Assessment

圖7 綜合評價(jià)結(jié)果Fig.7 Comprehensive Evaluation Result

5 技術(shù)難題

(1)臥式離心泵可以監(jiān)測水泵軸承和電機(jī)軸承的振動(dòng)，但是立式斜流泵只能監(jiān)測電機(jī)上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、推力軸承的振動(dòng)，聯(lián)軸器上部的擺度，無法監(jiān)測水泵軸承支架處的振動(dòng)。

(2)電流監(jiān)測顯示值與機(jī)泵變頻器輸出的電流值有偏差，電流監(jiān)測值只能看趨勢，不能作為電流大小的依據(jù)。

(3)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的健康評估、振動(dòng)、擺度、轉(zhuǎn)速、電流、環(huán)境溫度等數(shù)據(jù)暫時(shí)不能被其他生產(chǎn)系統(tǒng)讀取，計(jì)劃構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，完善資源共享功能。

(4)由于機(jī)泵的機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生故障具有一定復(fù)雜性，該故障不僅包含了機(jī)械因素，還應(yīng)綜合流體因素、動(dòng)壓力因素、泵機(jī)的電磁力因素等重要影響因素，進(jìn)而推測判斷其故障。長江原水廠的第一輸水泵站、第二輸水泵站、泰和泵站都是并聯(lián)多臺(tái)水泵的運(yùn)行工況，并聯(lián)運(yùn)行需要出口壓力相同，由于水泵揚(yáng)程不一樣，搭配不合理造成的振動(dòng)，系統(tǒng)無法分析識(shí)別。

(5)系統(tǒng)對機(jī)泵基礎(chǔ)傾斜、管網(wǎng)共振、葉輪氣蝕情況、填料磨損情況等無法進(jìn)行分析判斷。

(6)由于機(jī)泵的故障診斷具有較強(qiáng)實(shí)踐性技術(shù)，其研究者應(yīng)盡可能結(jié)合現(xiàn)場診斷的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，由具備豐富知識(shí)的診斷專家提出診斷的實(shí)際方法或思維，進(jìn)而構(gòu)建智能化的診斷推理機(jī)制。但目前大多數(shù)的研究者都極度缺少診斷現(xiàn)場實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，并對故障的特點(diǎn)掌握甚少，故難以把實(shí)際經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用相關(guān)手段轉(zhuǎn)變成有利于診斷的推理機(jī)制。

6 結(jié)語

長江原水廠機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)通過采集現(xiàn)場振動(dòng)、擺度等反映機(jī)泵的振動(dòng)信號(hào)和來自控制系統(tǒng)電氣、工藝以及環(huán)境參數(shù)等信息進(jìn)行綜合連續(xù)在線監(jiān)測，其核心思想是將設(shè)備的振動(dòng)、溫度、電氣、潤滑、運(yùn)行時(shí)間、效率等項(xiàng)目進(jìn)行分項(xiàng)評價(jià)，將這6項(xiàng)的評價(jià)總體結(jié)果作為機(jī)泵設(shè)備的健康狀態(tài)。

隨著機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，維修方式正在發(fā)生著深刻的變化，狀態(tài)檢修已成為今后企業(yè)設(shè)備維修的發(fā)展方向，這使得設(shè)備故障在未發(fā)生前得到恰當(dāng)?shù)奶幚?，大大?jié)省了維修時(shí)間和維修成本。可以預(yù)知，機(jī)泵健康診斷與評估系統(tǒng)在未來水務(wù)行業(yè)將發(fā)揮越來越大的作用。