旋轉設備集成化狀態監測在電廠的應用

旋轉設備集成化狀態監測在電廠的應用

北京ABB貝利工程有限公司 鄭 明，宋相儒

本文介紹了ABB集成化的狀態監測在發電廠的典型應用，并與傳統的狀態監測系統進行對比。指出在工業數字化浪潮下，集成化的狀態監測以及數據挖掘的大勢所趨。

旋轉設備；集成化狀態監測；Symphony Plus

眾所周知，旋轉設備特別是大型旋轉設備在各個工業行業中占有重要的地位，對于發電行業也不例外。從汽輪機、磨煤機、送風機、引風機、一次風機、循環水泵到給水泵等，都離不開狀態監測。旋轉設備的狀態監測，旨在實現對設備連續的監測和保護，通過判斷當前設備的狀態為預見和預測性維護提供依據。圖1所示為汽輪發電機軸系的狀態監測示意圖。

圖1 汽輪發電機軸系的狀態監測示意圖

本文所闡述的集成化狀態監測，重點在于“集成”和“狀態”。業內常說振動監測，其實“振動”只是狀態監測里的一個參數，只不過振動信號的復雜度以及其所能涵蓋的機械設備故障的廣度奠定了它在狀態監測系統中的重要性。然而很多情況下，大家都忽略了狀態監測是一個整體，是設備所有狀態中的一部分，而過分強調“振動”。進一步講，設備狀態監測作為全廠資產管理及維護中的一員，與設備其它狀態和工藝過程密不可分。本文所述的狀態監測，不僅包含最常見的振動信號，還包括偏心、軸位移、脹差、缸脹、相位等狀態信號。[1]

旋轉設備以及其驅動設備，比如電機，從工藝上來說都是密不可分的，然而現有的振動系統，即使是傳統的狀態監測系統，都把振動或者狀態監測信號與設備的其它信號（如運行、停止狀態、軸承溫度、定子穩定等）人為隔離在不同系統中，形成信息孤島，不利于從整體角度對設備和工藝監控做出維護決策。本文所闡述的“集成”理念，不僅指結構集成，而是更深入實現與DCS的集成，其作為一個部分納入到電廠的自動化管理平臺，滿足機組安全、經濟運行、集中控制以及提高綜合自動化水平的需要。

下文以華潤電力焦作龍源電廠（以下簡稱客戶）為例，介紹集成化狀態監測在發電廠的應用。客戶要求為引風機、汽動給水泵配置狀態監測系統。ABB提交的狀態監測方案與Symphony Plus DCS控制系統完全集成，使得這些現場設備的信息都統一到同一個控制平臺，有利于業主監控和事故分析。

ABB提供了2個控制柜，將A、B側設備分散配置，與DCS機柜一起布置在電子間，共享平臺真正實現系統間的無縫銜接及統一管理功能。系統接受兩路交流220V、20A供電電源。每個機柜配置兩塊24V DC、10A電源，冗余配置，給卡件和繼電器供電，實現電源單點故障時的自動無擾切換，且提供電源失電報警信號給操作員站。

每臺汽動給水泵、引風機分別配置以下狀態監測系統：

? 超速保護：采用三取二超速保護測量方式。測量范圍：0～9999rpm。每通道都具有一路4～20mA電流和一路脈沖輸出。報警信號和超速停機信號分別輸出到繼電器。

? 鍵相測量：使用1只傳感器。用作鍵相信號測量，用于振動分析并提供接口輸出至其他分析儀器，提供參考相位信號，并能夠實現零轉速啟停盤車功能。

? 軸振測量：設計4個測量通道。使用4只渦流傳感器及配套的前置器，分別在前、后軸承處X、Y方向監測軸振動。每通道都具有一路4～20mA電流輸出。前、后軸報警信號分別并聯后輸出至繼電器。

? 位移測量：設計2個測量通道。使用2只渦流傳感器及配套的前置器，監測大軸位移。測量范圍：-1.5～＋1.5mm。每通道都具有一路4～20mA電流輸出。報警信號并聯后輸出至繼電器，危險信號作與邏輯輸出至繼電器。

? 減速機軸振測量：設計4個測量通道。使用4只渦流傳感器及配套的前置器，分別監測軸振動。每通道都具有一路4～20mA電流輸出。報警信號及危險信號分別并聯后輸出至繼電器。

? 引風機軸承振動：設計2個測量通道。使用2只電動式傳感器和監測板，每通道都具有一路4～20mA電流輸出。報警信號及危險信號分別并聯后輸出至繼電器。

? Symphony Plus的HMI，集成了狀態分析軟件Analyst。

以上所有狀態信號，均由一種類型的卡件處理，即MCM800。它測量除轉速外的所有狀態信號，如圖2所示。

圖2 振動檢測模件MCM800

其特性如下：

? 單一模件實現完善的狀態監測功能，滿足大多數旋轉機械診斷需求，包括：振動、偏心、軸位移、脹差、缸脹等，減少了備件種類和數量；

? 一個模件4個信道，每個信道可以獨立配置為所需的狀態信號；

? M C M 8 0 0可以作為獨立系統工作，還可以通過PROFIBUS和MODBUS RTU接口接入控制系統；

? 能接受任意類型探頭輸入信號，精度自校驗功能，板載1個報警和1個跳閘繼電器輸出；

? 既可以與DCS集成，又可以獨立配置；

? 連續的狀態監視和保護，支持在線診斷功能。

TP800為ABB智能轉速檢測及保護模塊如圖3所示，能夠實現對零轉速和控制轉速信號的測量，并集成硬件超速保護功能。TP800的超速跳閘、保護功能具有SIL3安全認證。可以實現對大型旋轉機械的超速保護功能。它是一款智能型卡件，內部集成獨立控制器，即使與外部控制器的通訊故障，也可以自主工作，實現安全停車。

圖3 轉速檢測及保護模塊

? 快速響應：運算功能獨立于主控制器，因此具有快速的響應時間（＜ 8ms）；

? 靈活性：參數可組態，可根據需要定制TP800的各種功能；

現場信號輸入組態，保護功能選擇，保護設定值調整，繼電器輸出編程，帶電/失電選擇；

? 自動超速試驗：內部設定的斜坡轉速信號，用于保護功能試驗。

狀態分析軟件Analyst，為狀態監測分析提供強大的圖形工具，獲取機械和過程數據繪圖。如軸心軌跡、頻譜、時域、頻域波形圖等各種圖形，幫助分析設備運行狀態，并根據數據挖掘深度，提供預測性維護指導，如圖4所示。

圖4 Analyst 分析軟件概貌

華潤電力焦作龍源電廠2×660MW超超臨界火電機組工程項目1號、2號機組順利分別于2014年12月和2015年4月通過168小時試運行，正式投入運營。是國內唯一兼具供電、供熱的2×660MW超超臨界火電機組。到目前為止系統運行良好，為電廠的穩定、安全運行打下了堅實基礎。

在工業4.0及國內數字化電廠建設的浪潮下，“控制、管理、運維”三者之間的鴻溝被逐步填平，最終達到信息從現場設備到控制層、數據分析層、后臺運維、最終反饋到現場設備的閉環信息流向。所以，能夠消除信息孤島的集成化狀態監測是實現此閉環的前提條件，也將是大勢所趨。另一個不容忽視的方向是數據挖掘，當所有信息都被整合到一個平臺后，深度的數據挖掘將為生產、運維帶來前所未有的價值。ABB在歐美市場的狀態監測方面，擁有眾多成功的數據挖掘案例，提高設備可靠性及可用性，從而降低運維成本。我們在狀態監測方面依然有很長的路要走。

[1] 丁紹輝. 集成化狀態監測[Z].

Application of Integrated Condition Monitoring of Rotating Equipment in Power Plant

The article introduced the typical application of the ABB integrated condition monitoring in power plant, and compared with the traditional condition monitoring system. It concludes that integrated condition monitoring and data mining will be the main stream especially in the wave of industrial digitalization.

Rotating equipment; Integrated condition monitoring; Symphony Plus

鄭明（1981-），男，山東濟南人，工程師，學士，現就職于北京ABB貝利工程有限公司，主要從事旋轉機械控制保護及檢測系統的設計調試工作。

宋相儒（1978-），男，陜西咸陽人，畢業于華北電力大學熱工自動化專業，現為北京ABB貝利工程有限公司業務拓展專員，研究方向為電廠熱工自動化及儀表。