大型離心機組在線監測與動平衡

張玉東

摘 要：隨著離心機組大型化進程的快速推進，傳統機組檢測及維護手段已然無法滿足日益提高的運維要求，監測精度以及實時性的差距帶來的對機組安全性能的影響已經是當前機組運行主要的安全隱患構成。本文對大型離心機組某型在線監測系統進行了分析，并對機組運行過程中的動平衡監測應用進行研究。

關鍵詞：離心機組；大型；在線監測；動平衡

中圖分類號：TH113 文獻標識碼：A

大型離心機組的廣泛應用，給在線監測以及故障診斷系統的發展和大規模應用帶來新的契機。高度精密和復雜的自動化離心機組的安全運行，是保證企業連續生產和穩定運轉的關鍵因素，傳統的運維手段以及檢測手段對于大型機組高可靠性、安全性的要求已經無法滿足，企業正積極尋求高可靠的檢測手段以及運維方式，在線監測技術對于機組動平衡的監測有著遠超其他離線監測技術的優勢，能夠對動平衡波動以及其他故障進行提前預知，并采取措施加以預防。

在線監測技術的應用不僅能夠避免傳統故障檢測技術遲滯、低可靠性以及片面性的缺點，減少惡性事故的發生概率，還能夠對企業的安全連續運行以及較高的投資回報率有明顯貢獻，大幅度降低企業機組運維成本，提高企業經濟效益。

1 在線監測技術與動平衡

1.1 在線監測技術

與傳統監測技術相比，大型離心機組在線監測技術能夠在機組運行狀態下，不進行拆卸或大幅拆卸情況下，對機組運行狀態進行判定，若有故障發生，能夠及時對故障類型進行判定并及時定位故障點，進而對故障的進一步發展趨勢進行預測，為運行人員提供運行指導，避免故障的進一步惡化。該監測手段能夠有效減少非計劃內停機以及其他事故數量，對于設備安全運行具有重要作用。

在線監測系統應用于大型機組時，其主要作用如下：首先，為機組提供監測和保護功能，實時監測大型機組運行情況及工作狀態，發現故障、故障報警以及隔離故障，及時降低故障帶來的更加惡劣的影響；其次，對故障進行分析和診斷，依據監測數據判定故障類型、定位故障點，反推故障原因并加以處理；第三，故障預防。在線監測的三種功能能夠為機組運行提供準確的數據，對故障診斷起到重要的支持作用，大大提高故障診斷和處理的效率，避免機組故障維修過程的盲目性。此外，由于系統的故障預測功能，能夠大幅降低故障發生概率以及影響范圍，提高機組壽命。

1.2 動平衡監測

動平衡作為離心機組運行過程中的重要安全指標，對于機組安全意義重大，也是在線監測的重要對象。通常在線監測系統通過對設備振動信號進行采集，通過振動信號的分析，對故障進行判定與預測。動平衡分析作為在線監測的重要故障預測及診斷手段，在近年來的監測系統中已經得到廣泛應用。

此外，在線監測系統的故障診斷除振動外，還包括相位、振幅、頻率、軸心軌跡、振型、剛度以及臨界轉速等參數，綜合各個參數能夠對故障類型及發展趨勢有較為準確的判斷。

2 在線監測系統

2.1 系統組成

圖1為某型大型離心機組在線監測系統的結構圖，系統由布置在機組的各類傳感器采集機組信號，采集到的信號與參考圖譜進行對比分析處理后，對機組運行狀態進行診斷，從而確定機組運行狀態。監測分站的作用是對單臺機組進行監測，數據通過WEB8000數據服務器進行分析和處理，經過授權的工作人員可以通過IE瀏覽器登陸系統查看實時數據及診斷結果。

2.2 振動分析

該型離心機組在線監測系統主要功能是測量機組運轉過程中的振動信號，通過對信號的分析和處理，實現對機組狀態的確定。振動信號的現代分析處理方法有如下幾種。

（1）小波分析技術

小波分析法本質是時頻分析法，信號分析的分辨率較高，能夠同時在時域和頻域對信號特征進行描述，高頻信號部分頻域分辨率較低而時域分辨率較高，低頻部分正好相反，由于小波分析技術的這種特點，在離心機組在線監測及故障診斷領域具有廣泛應用。該方法的主要過程是通過小波變換或小波包變換對信號進行轉換后進行分析。

（2）頻率細化技術

快速傅里葉變換（FFT）方法是頻譜分析常用的方法之一，能夠將整個信號頻段上的信息進行計算和分析，缺點是對于某個特定信號頻段的分析，其分辨率不能達到要求，需要采用頻率細化技術進行信號處理，該種方法主要是對時頻譜圖進行細微結構上的分辨，以便提高信號處理時的分辨率。

（3）現場動平衡監測

現場動平衡監測技術是指通過對傳感器采集到的轉子振動信號，對其不平衡量以及相位進行計算和分析，并通過相關控制系統輸入量的變化來消除該不平衡量，從而保證轉子在運動過程中不會產生不平衡力。轉子不平衡力的產生通常由以下幾種情況導致：①轉子本身的原始質量不平衡；②轉子在工作中發生的漸發性不平衡；③轉子受熱不均勻產生的轉子彎曲；④轉子受到氣流突然的沖擊或者受到透平機和發電裝置的載荷突然有較大的變化會產生彎曲。

本文研究對象為在線監測技術中的現場動平衡監測技術，采用基于虛擬儀器的軟件平臺LabView進行開發，能夠將傳統硬件系統軟件化，降低設備投資，提高數據采集和處理的集成度，從而能夠增強系統的功能和靈活性。圖2為基于虛擬儀器的數據采集處理框圖。

3 在線監測系統動平衡監測的應用研究

應用在線監測系統對某機組動平衡進行監測，系統采用上述某型號在線監測系統，具體實施過程如下。

3.1 傳感器布置

圖3為某大型離心機組全貌，該機組主要由透平、發電機組、勵磁機構成，振動監測的對象為主軸各段軸承、軸瓦的振動信號，傳感器采用壓電式傳感器，布置方式如圖所示，對機組各部分振動量進行監測。主軸運動數據的采集采用電渦流傳感器對軸端面及軸向平面的運動進行監測。

3.2 原始數據采集處理

原始信號數據的采集采用NI公司出品的NI9234采集卡實現，該采集卡分數模兩端，能夠將模擬信號轉換為數字信號，在計算機中加以展示；軟件集成采用LabView完成，利用Matlab編制相應的信號處理程序，從而實現對原始信號的處理和分析。采集卡與計算機的接口采用通用應用編程接口API。在開始采集前，對采集板卡進行初始化設置。

3.3 故障頻譜分析

（1）轉子不平衡

如圖4所示，為轉子不平衡故障時的頻譜信號。該頻譜的特點為：故障波形近似于正弦波形，且1X部分的幅值與通頻部分相比，約為其80%，且其軸心軌跡為近似橢圓形，且軌跡重復性較差。

（2）轉子碰磨故障

如圖5所示，為轉子碰磨故障時的頻譜信號。該頻譜的特點為：與原始波形相比，高頻部分波形較多，濾波后的波形更加清楚的顯示出每次碰磨后的波峰存在。從快速傅里葉變換的結果顯示，轉子碰磨的出現同時顯示在頻譜圖上的周期性波峰。

結語

本文對大型離心機組在線監測系統所涉及到的信號處理技術進行了分析，并針對某型在線監測系統在某大型離心機組動平衡監測中的應用進行了分析，結果表明，利用在線監測系統能夠對轉子不平衡有很好的調整功能，同時能夠對故障起到及時的預防和處理作用。

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