燃氣發電機組狀態監測及故障診斷監控系統研究

安維崢（中海油研究總院，北京 100027）

1 引言

燃氣輪機是以連續流動的氣體為工質，將燃料的熱能轉變為有用功的動力機械，由于其具有功率大、體積小、效率高、排放氣體污染小等眾多優勢，所以其廣泛應用于航空、工業和艦船等領域，成為國民經濟乃至國防工業的重要裝備。尤其是在石油石化領域，燃料可以就地取材，避免了燃料運輸過程中帶來的不便和危險以及高昂的運輸費用，燃氣輪機發電機組及其它燃氣輪機設備越來越得到很好的應用[1]。

工業生產中，燃氣輪機在運行期間一旦出現非正常停機，造成的經濟損失是無法估量的。而惡劣的工作條件和復雜結構使燃氣輪機成為整個裝備系統中故障的敏感多發部位，因此，對燃氣輪機進行狀態監測和故障預測就尤為必要。狀態監測是掌握機械系統運行狀態與功能特性的必要環節，對提高其運行可靠性具有重要的基礎作用，對故障的早期預警是實現機械系統防/減災害性事故，保障其安全可靠運行的重要保證。

目前，國際上較著名的燃氣輪機狀態監視系統有美國普惠（PW）公司的TEAM III，GE 公司的GEM 以及英國Rolls-Royce（RR）公司的COMPASS 系統。國內對燃氣渦輪機械的故障監測與預警技術尚處于起步階段，高參數的燃氣輪機仍依賴進口，相應的監視系統也由國外配套。

本燃氣發電機組狀態監測及故障診斷系統是自主研發，通過振動信號采集設備，運用頻譜分析、階次分析、軸心軌跡、瀑布圖等振動信號分析方法，同時結合相關性能參數（入口壓力、入口溫度、出口壓力、出口溫度等），對燃氣透平發電機組運行故障進行分析，及時地在故障早期對故障進行預防和處理，保障機組的長時間安全運行，以達到降低維修成本，提高經濟效益的目的。

2 系統硬件實現

本燃氣發電機組狀態監測及故障診斷系統采集硬件采用業內國際知名企業產品，功能強大，性能穩定，使用可靠，主要包括：筆記本工作站、美國NI公司四插槽NI cDAQ機箱、美國NI公司±5V四通道采集卡、特定的AB-PLC網卡等，如圖1所示。其中采集卡的性能指標如下：

至少具有13通道振動數據采集功能，并能同步采樣模擬輸入以滿足機組振動監測的基本要求。

每通道最高51.2 kS/s采樣速率；交流耦合（0.5 Hz）；24位分辨率；±5 V輸入范圍。

電壓DC、AC輸入/抗混疊濾波/110dB動態范圍/增益1～100/USB2.0/耐溫-40～70℃/抗振動 5g10Hz～500Hz。

圖1 燃氣發電機組監測診斷系統硬件主要部分

3 系統軟件實現

3.1 功能介紹

本系統利用LabVIEW 作為開發平臺[2]，實現了振動數據和性能參數同時采集，共同分析，整體診斷的功能。軟件可以劃分為四大功能：系統概況圖、實時分析、離線分析以及故障診斷。

系統概況圖：總體功能效果。

實時分析：具有信號采集設置、狀態監測、趨勢分析、時間波形、頻譜分析、階次譜圖、波德圖、軸心軌跡、瀑布圖等信號分析功能。

離線分析：能夠離線分析數據，具有和實時分析一樣的功能效果。

故障診斷：通過故障識別特征選擇得到可能的故障診斷結果并提出故障處理方法及維修策略。

3.2 振動數據讀取

本系統振動信號采集采用N I公司的數采卡，因為So lar Titan130機組控制柜的本特利1701在線振動監測模塊有預留的BNC口，所以可以直接通過BNC線將NI采集卡和本特利在線振動監測模塊相連，進行數據的傳輸共享。

本系統軟件具有13個振動信號輸出采集通道，但可擴展為16通道的振動信號輸出采集，很好地滿足了透平發電機組現階段在線監測的使用要求。根據本系統的特殊性，采集通道設置已經配置完成，只需按照下列要求連接信號線到采集卡上即可，本文針對的是Solar130單軸燃氣透平機組，采集的信號包括：轉速信號（key），1號軸承X方向振動信號（GpB1x），1號軸承Y方向振動信號（GpB1y），2號軸承X方向振動信號（GpB2x），2號軸承Y方向振動信號（GpB2y），3號軸承X方向振動信號（GpB3x），3號軸承Y方向振動信號（GpB3y），電機驅動側軸X方向振動信號（Gen Dr Axis x），電機驅動側軸Y方向振動信號（Gen Dr Axis y），電機外側軸X方向振動信號（Gen Ex Axis x），電機外側軸Y方向振動信號（Gen Ex Axis y），齒輪箱上加速度信號（GrBx Accel），軸位移信號（Axial）。

3.3 性能參數讀取

在Titan130機組控制柜AB公司PLC中安裝一塊1756網卡模塊（注：如果PLC中本身帶有此模塊則不需另加），本監測診斷系統可以通過網線直接從PLC中讀取狀態性能參數數據 ，將其匯集到軟件中進行監測分析，并將其與振動信號融合進行綜合故障診斷，如圖2所示。

圖2 燃氣發電機組狀態監測及故障診斷系統與PLC通訊

4 現場測試實例

本系統對中海油某作業區燃氣發電機組進行測試，采樣頻率2048，具體數據如圖3～圖5所示。

圖3 燃氣發電機組性能狀態參數

圖4 燃氣發電機組振動數據分析

圖5 燃氣發電機組狀態監測及故障診斷系統故障診斷界面

5 結語

通過本狀態監測及故障診斷系統對燃氣發電機組進行運行狀態監測，并能夠對機組異常狀態或者故障進行早期預警，依據故障診斷數據庫初步判斷故障發生的原因，預報機組的維修建議，為后期進行的狀態檢修提供科學依據。該系統保證了燃機的安全、可靠運行，延長燃機的使用壽命，節約了相應的維修成本。

[1] 李作琨, 王大勇, 莫文濤, 屈會智, 孫維. 燃氣輪機在海洋石油平臺上的應用[J]. 中國修船. 2008, 21 (4) : 55-58.

[2] 鄧森, 楊軍鋒. 基于LabVIEW的航空發動機滑油故障檢測系統設計[J]. 電子測量技術. 2009, 32 (9) : 89-93.

[3] 凱旗, 任興民, 秦衛陽. 燃氣輪機發電機組的振動信號監測與分析系統[J].噪聲與振動控制, 2007, (2) : 40-42.