汽輪機軸系的狀態檢修

摘要：分析了氣輪機軸系狀態檢修的重要性，介紹了一種新穎的“氣輪機軸系預測維修系統”，給出了其硬件和軟件，該系統在電廠實際運行中取得了很好的效果。

關鍵詞：氣輪機軸系 狀態檢修

1、概述

汽輪機是機組安全、經濟運行中最重要的設備之一，而汽輪機軸系動力系統的運行狀態又是汽輪機這一設備中最關鍵、最難于分析的運行狀態，其中與汽輪機軸系動力系統運行狀態相關的數據更是很難獲取。為了進一步提高汽輪機發電機組運行的經濟性，達到實現狀態檢修的目的，我們根據多年來在電廠技術監督及基建調試的經驗和理論的結晶，研制和開發了“汽輪機軸系預測維修系統”。該系統通過汽輪機監視和保護儀表(TsI)系統的緩沖接口，可以實時、自動、連續地采集和存儲汽輪機軸系動力系統的各種數據，提供了完整的軸系運行檔案；特別是它提供了目前國內外諸多系統所沒有的、多種特殊的分析手段。

該系統具有下列功能和特點：

汽輪機停機時和正常運行中，軸瓦磨損的精確檢測。為確定汽輪機是否需要揭開軸承蓋檢修而提供可靠的依據，檢測精度達到微米級。 汽輪機的軸頸和軸瓦間最小油膜厚度的精確檢測。觀察最小油膜厚度長時間在徑向軸承間隙內的變化情況和變化趨勢，可以比其它參量提早很多顯示許多振動故障的發展，為早期故障診斷和預測提供了確切可靠的數據，檢測精度達到微米級。 汽輪機組潤滑油系統(油質)狀態的在線診斷功能。為運行人員提供了潤滑油狀態的實時在線監測，從而可以對汽輪機潤滑油系統故障進行早期預報，減少或避免被動停機故障的發生。

在事故狀態下，利用狀態檢修的數據，汽輪機無需開缸，轉子中心精確定位、快速更換軸瓦功能。(十幾天的工作只需要 2 天就可以完成)。 提供傳統的故障分析手段：轉子位置圖、軸心軌跡圖、頻譜圖、波德圖、級聯圖、極坐標圖、瀑布圖、時基圖、事件異常等，可以在機組工作狀態不正常的情況下，進一步分析振動的性質，診斷出汽輪機軸系的具體的故障原因。 采集汽輪機軸系的數據是同時采用兩種方式：(任意設置)時間間隔和轉速間隔，從而提供了一個實時的、全方位的軸系運行檔案。 電廠普通的汽輪機檢修人員使用該系統就可以進行汽輪機軸系的早期故障診斷和狀態檢修。避免了以前此類工作完全依賴汽輪機振動專業人員的情況。

該系統采集數據是通過 TsI 系統的緩沖接口，因而不會影響機組的安全運行。由于該系統使用的是 TsI 系統的傳感器，因此汽輪機現場無安裝工作，維護方便。 通過 TCP／IP 和以太網連接，其通訊速率可達 10Mbps。可以將上述各項功能在DCS 系統的操作員站上完成，即和 DCS 系統溶為一體，方便了運行人員的使用；也可以將上述各項功能組成一個單獨的系統供檢修人員使用，并把數據遠傳之電力診斷中心，請振動專家分析。

2、硬件部分

32個通道的高速同步瞬態數據采集系統是硬件部分的技術關鍵。該數據采集部分采用的是 12 位的 A／D 轉換電路，考慮到渦流振動傳感器的最高輸出電壓為 24V，因此，數據采集系統的分辨率為 5．859mv／LSB。由于汽輪機軸系振動傳感器的靈敏度一般為 7．874mv／um，因此采集系統的精度可以達到 1 個微米。為了達到這個精度和減少 1LsB 波動所可能產生的誤差，同時提高采集系統抗干擾的能力，在數據采集和予處理的軟、硬件方面，根據采集數據信號的性質不同(主要是判定汽輪機是工作在升、降速狀態，還是工作在穩定轉速的情況下)，使用了多項特殊的方式自動切換不同的數據處理環節。 在數據采集系統中，采用一個同步脈沖的上升沿同時鎖定 32 路數據信號的方法，以保證 32 路采集數據的同步精度。每路數據采集通道在汽輪機每轉時采 32 個點。為了保證使用快速富氏變換(FFT)的 8 倍頻信號的有效性，由鎖相環等組成的瞬態數據采集系統的硬件同頻帶大于 400Hz。各路振動信號的相位角由 FFT 計算產生，這樣通過系統的精細調試，可以嚴格保證振動信號相位角的精度。

3、軟件部分

汽輪機軸系狀態分析軟件包是本項專題的研究重點。其中一個很重要的原因在于目前國內外在該領域中，大多數系統及軟件是用于故障的診斷和分析。對于汽輪機軸系進行全方位在線狀態檢修(預測性維修)方面的軟件還是一個空白，可以借用的技術手段也還很少，這就給我們研制和開發增加了很大的難度。汽輪機軸系狀態分析軟件包有十幾種重要的功能，限于篇幅，本文將重點介紹其中的一種功能：SAPF 模型的允許區域判定法。

建立每個軸瓦的“同步振幅、相位因子”模型(簡稱：SAPF。即：SynchronousAmplitudeandPhaseFactor)，是國際上用于重型臥式機器狀態檢修時的一種方法。但實際使用時，有一定的困難，主要在于模型必須要建立得準確。我們根據多年的實際經驗和理論分析，根據國內機組的實際情況，推出了我們自己的SAPF 模型，用于我電廠#4 機組。

該模型建立按照以下三個原則：

(1)小信號不監測相位。這是因為在小信號中往往含有大量的高次諧波(信噪比太小，誤差大)，而且其振幅也小，相位信號參考意義不大。

(2)測量信號在使用機組負荷修正后，重點要判定該信號是否對其它軸段傳遞了不平衡量。

(3)建模信號經多種數理方法處理，并以歐洲標準 ISO／CDl0816—2 為建摸參考依據。

經過 20 個月運行，該模型準確地反映了機組的運行狀態。表明：#4 機組軸系運行基本正常。順便指出，美國 BENTLY(本特利)公司的 DM2000 系統也提供類似的功能。但其系統不提供 SAPF 模型，而是由使用者自行設置各個振動矢量的振幅和相位的報警值(即允許區域的邊界)，這樣軟件編制容易，但在給使用者靈活性的同時，也要求使用者有很高的專業水平，給國內電廠的普通用戶帶來了困難。 機組中安裝的 TsI 系統是僅用于監視汽輪機軸系振動的振幅，而 SAPF 模型的允許區域判定法則不僅監視振幅而且還監視相位角是提供給電廠汽機點檢人員一種判定汽機軸系運行狀態的最簡便的方法。

4、結論

限于本文章的篇幅，其它功能無法逐一詳述。實際上，機組軸系的狀態檢修不需要非常高深的汽機動力方面的專家來做，只需要把“汽輪機軸系預測維修系統”中的“最小油膜厚度和方位矢判定法”、“SAPF 模型的允許區域判定法”和“軸瓦的動、靜態磨損判別”等等幾種簡單的功能用好，就能夠發現機組軸系工作狀態異常，就可起到事半功倍的作用，許多工作可以讓計算機去做。在發現機組軸系工作狀態異常后，下一步更具體的診斷工作可以交給振動方面的專業人員使用該系統(通過人機對話)去做。