振動在線監(jiān)測系統(tǒng)在陡河泵站的應(yīng)用

王巖波 于海忠 王澤民 郎華偉 常亞林

摘 要：主要介紹了在泵站設(shè)備上應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷技術(shù)的必要性，并對振動在線監(jiān)測系統(tǒng)在泵站設(shè)備管理中的具體應(yīng)用和產(chǎn)生的實際效果進行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：泵站;設(shè)備狀態(tài);狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷

中圖分類號：TH17? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）07-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.014

0? ? 引言

曹妃甸陡河泵站位于燕山南麓的陡河上游，距離唐山市區(qū)15 km，距離曹妃甸工業(yè)區(qū)99 km，以4組水泵向曹妃甸區(qū)進行供水。

根據(jù)陡河泵站設(shè)備特點及機組本身的機械特征，在每臺機組及電動機上加裝了一套實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測機組的振動、壓力、流量、功率等穩(wěn)定性參數(shù)，聯(lián)合計算機監(jiān)控系統(tǒng)的信息，針對機組建立功能較為完備的在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，提供振動監(jiān)測、靈敏監(jiān)測、狀態(tài)分析、性能評價、故障診斷等一系列工具和手段[1]。

安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)并對機組進行性能實驗研究，能夠進一步保證機組的安全生產(chǎn)運行，為實現(xiàn)“少人值班、無人值守”及機組遠程診斷、狀態(tài)檢修的目標打下堅實的基礎(chǔ)。

1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站振動在線監(jiān)測系統(tǒng)由機組振動監(jiān)測傳感器、信號傳輸電纜、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站（W-DAS）、廠內(nèi)局域網(wǎng)、現(xiàn)場服務(wù)器、輔助設(shè)備等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）現(xiàn)場服務(wù)器：該服務(wù)器具備監(jiān)測系統(tǒng)的所有圖譜分析功能，可以對每臺W-DAS進行設(shè)置及數(shù)據(jù)存儲，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至遠程中心服務(wù)器。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：包括各設(shè)備至中控室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，負責信息的傳遞和防護，如交換機、網(wǎng)線等。

（3）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測站（W-DAS）：16路信號通道（可接入加速度、速度、位移傳感器、過程量20 Vpp或4～20 mA信號），2路鍵相信號，1路繼電器輸出信號;通過TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)通信。

（4）傳感器：每臺設(shè)備需要安裝用于機組監(jiān)測的傳感器，并可加裝專門用于轉(zhuǎn)速測量的傳感器。

單臺機組測點布置及數(shù)量如表1所示。

2? ? 傳感器安裝與信號接入

傳感器安裝主要包含以下部分：傳感器安裝及傳感器電纜鋪設(shè)，流量信號與功率信號的采集，采集器的安裝及供電，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)服務(wù)器的安裝。

2.1? ? 振動加速度傳感器安裝

振動信號采集方式：在4臺泵組上安裝5支振動傳感器，分別布置于電機上端軸承、電機下端軸承、電機底座、泵組上端軸承、泵組下端殼體處。傳感器通過1/4-28轉(zhuǎn)M6的螺柱固定在磁座上，磁座通過專用膠水粘貼在電機與泵組外殼上。

電機上端軸承、電機下端軸承、泵組上端軸承、泵組下端殼體處的傳感器為徑向安裝，電機底座的傳感器為軸向安裝。

2.2? ? 轉(zhuǎn)速傳感器安裝

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，決定在泵組上加裝轉(zhuǎn)速接近開關(guān)用以采集轉(zhuǎn)速信號，并在泵組上端安裝轉(zhuǎn)速支架用于固定轉(zhuǎn)速傳感器，在聯(lián)軸器上靠近轉(zhuǎn)速傳感器的位置安裝一個鐵材質(zhì)的鍵相片，鍵相片與轉(zhuǎn)速接近開關(guān)的間隙為5 mm。轉(zhuǎn)速傳感器以鍵相片為參照物，采集泵組的轉(zhuǎn)速。

2.3? ? 壓力傳感器安裝

對于壓力信號的提取，解決方案是加裝壓力傳感器。在現(xiàn)場泵組壓力傳感器處所安裝的四分管上加裝一個三通，將泵組原有的壓力傳感器安裝在方向、位置不變的地方，加裝的壓力傳感器安裝在三通的側(cè)邊。

2.4? ? 流量信號與功率信號接入

結(jié)合現(xiàn)場實際，在流量計的IC+與IC-端采集流量信號，并將流量信號接入采集器。功率信號通過現(xiàn)場已有功率表采集。

2.5? ? 傳感器技術(shù)參數(shù)

振動傳感器的靈敏度為500 mV/g，測量范圍為±10g，頻響范圍為0.1～10 kHz，工作溫度為-50～121 ℃，工作電壓DC24 V;轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速范圍為0～60 kHz，測量范圍為0～5 mm，重復(fù)性0.3%，工作溫度為-30～90 ℃，工作電壓DC18～30 V;壓力傳感器輸出范圍為4～20 mA，頻響范圍為0～1 kHz，線性度1%，工作溫度為-40～120 ℃，工作電壓DC24 V。

3? ? 數(shù)值分析

根據(jù)國標《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動 第3部分：額定功率大于15 kW額定轉(zhuǎn)速在120 r/min至15 000 r/min之間的在現(xiàn)場測量的工業(yè)機器》（GB/T 6075.3—2001），機組的預(yù)警門限設(shè)置為4.5 mm/s，報警門限設(shè)置為7.1 mm/s，對在線振動監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進行如下分析。

3.1? ? 3#機組數(shù)據(jù)分析

3#機組各測點所測得數(shù)據(jù)：電機上端1.35～1.52 mm/s RMS，電機下端0.58～0.45 mm/s RMS，電機底座0.38～0.48 mm/s RMS，水泵上端2.1～6.8 mm/s RMS，水泵下端>100 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：報警。診斷結(jié)論：電機幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率;水泵振動幅值超標，可見較高的轉(zhuǎn)頻2X、6X振動分量。出現(xiàn)軸不對中和葉輪通過頻率故障特征[2]。運行維護建議：調(diào)整電機和水泵的聯(lián)軸器的對中;如果對中后水泵振動仍然很大，現(xiàn)場可采取結(jié)構(gòu)調(diào)頻處理、運行方式優(yōu)化、檢修安裝調(diào)整等措施。

3.2? ? 4#機組數(shù)據(jù)分析

4#機組各測點所測得數(shù)據(jù)：電機上端0.84～0.91 mm/s RMS，電機下端0.28～0.34 mm/s RMS，電機底座0.22～0.32 mm/s RMS，水泵上端0.61～0.93 mm/s RMS，水泵下端0.25～0.60 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：正常。診斷結(jié)論：電機幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率;水泵幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率和明顯葉輪通過頻率。

3.3? ? 5#機組數(shù)據(jù)分析

5#機組各測點所測得數(shù)據(jù)：電機上端1.23～1.62 mm/s RMS，電機下端0.54～0.80 mm/s RMS，電機底座0.35～0.83 mm/s RMS，水泵上端0.78～1.36 mm/s RMS，水泵下端0.30～3.30 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：正常。診斷結(jié)論：電機幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率;水泵幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率和明顯葉輪通過頻率。

3.4? ? 6#機組數(shù)據(jù)分析

6#機組各測點所測得數(shù)據(jù)：電機上端0.38～3.80 mm/s RMS，電機下端0.30～1.08 mm/s RMS，電機底座0.48～1.94 mm/s RMS，水泵上端0.64～1.04 mm/s RMS，水泵下端0.18～1.09 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：注意。診斷結(jié)論：在917 r/min時，電機上端和下端測點振動有很大增長，接近預(yù)警門限值，懷疑該轉(zhuǎn)速為水泵臨界轉(zhuǎn)速。運行維護建議：運行時避開917 r/min一定區(qū)間（10 r/min）。

4? ? 振動頻譜詳細分析

分析3#水泵上端測點振動波形，可見較高的轉(zhuǎn)頻2X、6X振動分量，2X幅值大，代表水泵和電機聯(lián)軸器存在不對中，6X可能是水泵的葉輪通過頻率（葉輪中有6支葉片）。誘發(fā)劇烈的葉片通過頻率振動的原因比較復(fù)雜：常見原因為管路或風道設(shè)計不合理、葉片未在設(shè)計工況下運行、安裝偏差或運行磨損等[3]。振動波形如圖2所示。

4#機組電機部分振動正常，整體振動幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X為主，未見明顯軸承故障頻率。水泵部分振動正常，整體振動幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X以及諧波為主，未見明顯軸承故障頻率。

5#機組電機部分振動正常，整體振動幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X為主，未見明顯軸承故障頻率。水泵部分振動正常，整體振動幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X以及諧波為主，未見明顯軸承故障頻率。

6#機組電機部分振動正常，整體振動幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X為主，未見明顯軸承故障頻率。水泵部分振動正常，整體振動幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X以及諧波為主，未見明顯軸承故障頻率[4]。

5? ? 工況趨勢分析

5.1? ? 3#機組

由于3#機組振動一直很大，開機時間短，且轉(zhuǎn)速、流量一直保持穩(wěn)定，因此不做工況趨勢分析。

5.2? ? 4#機組

4#機組在運行過程中，因工藝需要轉(zhuǎn)速在826～920 r/min范圍波動。電機振動幅值隨轉(zhuǎn)速波動發(fā)生相應(yīng)變化，但變化幅值不是很明顯，均在正常運行允許范圍內(nèi)。水泵測點振動隨著轉(zhuǎn)速波動會發(fā)生明顯變化，尤其是在920 r/min時，水泵下端振動幅值有間或跳躍，但幅值仍然在正常范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速、流量、壓力和功率呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，水泵的效率基本維持在74%～76%。

5.3? ? 5#機組

5#機組在運行過程中，因工藝需要轉(zhuǎn)速在762～932 r/min范圍波動。電機振動幅值隨轉(zhuǎn)速波動發(fā)生明顯變化，但均在正常運行允許范圍內(nèi)。

5.4? ? 6#機組

6#機組在運行過程中，因工藝需要轉(zhuǎn)速在716～917 r/min范圍波動。由圖3可以看出，電機振動幅值隨轉(zhuǎn)速波動發(fā)生明顯變化，在917 r/min時電機上端和下端測點突然有較大跳躍，接近報警門限值。

分析圖4所示917 r/min時電機振動波形頻譜，1X為主要能量。由于電機底座的振動對轉(zhuǎn)速不敏感且維持在較小的振動幅度，因此懷疑電機在917 r/min時振動突然增加是由于接近臨界轉(zhuǎn)速所致，運行時建議避開917 r/min轉(zhuǎn)速一定區(qū)間（10 r/min）。

機組流量、壓力和功率呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，如圖5所示，水泵的效率基本維持在68%～81%[5]，呈現(xiàn)的規(guī)律是水泵流量越大，效率越高。

6? ? 結(jié)論

總結(jié)振動在線監(jiān)測系統(tǒng)在陡河泵站的應(yīng)用，得到以下啟示：

（1）振動在線監(jiān)測系統(tǒng)可以不間斷地采集泵站機組數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，避免重大設(shè)備事故發(fā)生，降低維修費用，具有重大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟效益;

（2）通過振動和工藝參數(shù)的相關(guān)性分析，找到設(shè)備振動增加的不穩(wěn)定區(qū)域，從而劃定設(shè)備運行的正常工藝范圍，可以保證機組長期穩(wěn)定運行;

（3）接入水泵的壓力、流量和功率信號，系統(tǒng)可以計算、記錄單臺水泵的工作效率，為進一步建立泵站尋優(yōu)調(diào)度機制、研究機組運行的工作組合方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[參考文獻]

[1] 羅邦劼.旋轉(zhuǎn)機械故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008（3）：85-86.

[2] 鐘秉林，黃仁.機械故障診斷學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.

[3] 鄧震宇，李成偉，于寶全，等.大型旋轉(zhuǎn)機械狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)與工程應(yīng)用分析[J].化工自動化及儀表，2015，42（1）：26-30.

[4] 林春陽.泵站異步電動機運行維護與故障排除[J].電子技術(shù)，2020，49（10）：34-35.

[5] 丁軍，楊小令，儲訓.大型泵站機組振動監(jiān)測與故障診斷研究[J].水泵技術(shù)，2004（2）：41-43.

收稿日期：2022-01-25

作者簡介：王巖波（1971—），男，河北文安人，高級工程師，從事水處理技術(shù)研究和工程管理等工作。