工業汽輪機狀態監測分析系統的應用及思考

沈勤華

（浙江汽輪成套技術開發有限公司，杭州 310012）

隨著社會工業化的不斷發展，工業汽輪機由于高轉速、變轉速運行以及可變進汽參數等特點廣泛應用于石油、化工、冶金、電力和造紙等領域，用于驅動壓縮機、水泵或發電機等旋轉設備。工業汽輪機是工廠工藝流程的關鍵設備，為了確保其長期穩定可靠運行，必須對設備的軸系各項參數和運行狀態進行監測。隨著自動化技術、檢測技術以及信號處理技術的發展，狀態監測分析系統也已經從傳統的單機監測發展到集成化、智能化、遠程診斷的專家系統。狀態監測分析系統為工業汽輪機性能測試及故障分析提供了技術保障，已經得到廣泛應用。根據個人工作經驗，筆者對狀態監測分析系統在工業汽輪機中的應用進行分析。

1 狀態監測分析系統的應用分析

工業汽輪機作為一種大型旋轉機械設備，無論是轉子還是軸承座都存在機械振動，這是一種隨時間變化的物理現象。振動數值的大小是衡量設備能否長期穩定運行的重要指標。振動將影響設備的使用期限，振動過大會嚴重影響設備的正常運行。轉子彎曲變形、出現裂縫、葉片損壞或斷裂等因素都會導致汽輪機振動過大，利用振動故障分析這種技術手段可以快速、正確地分析汽輪機的運行情況，確保汽輪機組的正常安全運行。當汽輪機狀態發生變化，振動頻譜圖等將產生變化。根據這些監測到的數據和信息進行分析，可判斷振動的起因，對故障進行分析及預測。因此，設備在線狀態監測與分析系統，可以及時掌握設備運行狀態異常或故障的早期征兆，及時分析故障原因，采取相應的措施，將故障消滅在萌芽狀態，避免和減少重大事故的發生?，F代工業汽輪機結構復雜，各個零部件之間的相互聯系非常緊密。出現故障跳閘將引起整個工藝過程的中斷，損失巨大。同時，故障也增加了設備的維修費用，單位時間造成的損失也成倍增加。工業汽輪機作為工廠關鍵設備，狀態監測分析系統的應用已經成為確保工廠正常運行的必備系統，具有重要意義和價值。

2 狀態監測分析系統的組成

狀態監測分析系統由一次儀表、二次監視儀表和分析管理系統三部分組成，如圖1所示。

2.1 一次儀表

采用電渦流傳感器測量軸振動、軸位移以及鍵相位信號。傳感器利用電渦流測量原理經過高頻放大、檢波、濾波后得到一個和位移大小成正比的輸出電壓，電壓的直流分量表示探頭和被測物之間的靜態間隙。如果存在振動，則有交流電壓輸出。由于測量所得的交直流信號容易受干擾，需經前置器放大器檢出后傳送到二次儀表。為了保證數據的線性度，傳感器安裝時一定要有間隙電壓，安裝間隙一般小于1mm。軸振動測量通常采用兩個互成90°的電渦流傳感器，稱為X和Y。鍵相位是指基頻信號相對于轉子鍵相槽之間的相位滯后，鍵相傳感器測得的脈沖和基頻同步，這樣測出的相位也就是基頻相位，利用這個相位做基準點可以進行振動故障分析。一次儀表測量所得的各種信號必須送到二次儀表才有測量監控作用。

圖1 狀態監測分析系統組成

2.2 二次監視儀表

二次監視儀表也稱作汽輪機安全監視及保護系統，簡稱TsI。TsI系統能連續地對汽輪機各種狀態參數進行在線監測，如振動、位移、鍵相、脹差、轉速和溫度等，為早期識別機械故障提供重要信息，幫助運行人員及時處理故障，保證機組運行安全。

TsI采用框架結構，系統高度模塊化。TsI框架用于安裝所有的監測模塊及框架電源，采用背板通信。框架接口模塊（TDI）提供用于TsI組態軟件上載/下載的接口，國外品牌的TsI（如Bently 3500）還提供和管理分析軟件system 1的瞬態數據接口。TDI和框架內其他監測模塊配合使用，連續采集穩態和瞬態數據，并通過瞬態數據接口傳送到TDM系統進行數據分析和故障預測。國產品牌TsI儀表沒有瞬態數據接口，需通過各個監測模塊的緩沖輸出提供瞬態數據。

從現場傳感器檢測的信號經前置器連接到TsI監測模塊的相應通道，經TsI組態軟件進行功能和邏輯組態，輸出信號給工廠DCs系統。當參數高出報警值，觸發機組報警。當參數到達停機值，保護系統動作，觸發汽輪機組跳閘。TsI所有監測信息都可以通過通信送到DCs進行參數顯示、報警、棒狀圖顯示、歷史和實時趨勢顯示以及數據記錄等。

2.3 分析管理系統

分析管理系統簡稱TDM，TDM是瞬態數據管理系統，為汽輪機等旋轉機械提供在線振動狀態監測和分析，屬于工廠設備管理系統的一部分。TsI對汽輪機組的運行起監測和安全保護作用，但無法對機組振動數據進行分析。而TDM系統可以通過對波形、頻譜、幅值及相位等數據的分析，為故障分析人員提供專業的分析數據和頻譜圖，幫助他們分析可能存在的機械故障，提出合理的解決方案。當事故發生后，TDM系統能夠減少查找故障時間，盡快恢復生產，減少故障導致的損失。而且，TDM系統通過趨勢、頻譜分析以及對異常信號的監測及記錄，早期發現可能的故障，及時采取措施，避免或減少故障的產生，提高設備的使用期限。同時，根據設備的運行狀態，合理檢修，盡可能減少不必要的停機。

TDM系統的瞬態數據來自TsI，國外的TDM系統，如Bently的system1軟件可以通過Bently 3500/22的瞬態數據接口直接讀取數據。但國內的TDM系統需要另配一個數據采集箱，通過TsI監視模塊的每個緩沖通道采集瞬態數據，再通過通信傳送到數據管理分析軟件。

3 應用項目

工業汽輪機作為工藝流程的關鍵機械設備，或者作為熱電聯產及垃圾發電等發電項目的主設備，相應的狀態監測分析系統需要高精度、高穩定性及高可靠性，一般采用Bently系列產品。為了實現狀態監測和安全保護，一次儀表和TsI系統是每臺工業汽輪機必須配置的。而TDM系統，可以根據用戶需求選配。

澳洲紙廠一臺10MW汽輪發電機組，狀態監測系統基本配置：一次儀表采用Bently 3300XL系列傳感器，二次監視儀表（TsI）采用Bently 3500。由于紙廠大型旋轉機械設備比較少，用戶沒有配置TDM系統。

Bently 3500框架安裝了電源模塊3500/15、TDI模塊3500/22M、鍵相模塊3500/25、軸位移和軸振動模塊3500/42M、轉速模塊3500/50、繼電器模塊3500/33、通信模塊3500/92。人們通過3500組態軟件可以對整個框架進行組態，定義每個模塊及通道的功能，設定報警值和停機值。對通信模塊進行通信數據組態，定義通信數據表。

圖2 汽輪發電機組軸系參數監測

為了減少機組誤跳，停機邏輯組態如下：軸位移為X×Y（X和Y分別是兩路軸位移停機值）；軸振動為XbYa+YbXa（Xa為X向報警值，Xb為X向停機值，Ya為Y向報警值，Yb為Y向停機值）。

為了減少現場傳感器干擾以及傳感器探頭表面劃痕產生的瞬間尖脈沖導致的機組誤跳，停機繼電器輸出采用故障安全型設計。

通過通信模塊TsI和DCs通信，采用Modbus RTU協議。DCs經通信采集機組運行狀態參數，在DCs畫面顯示、記錄。

汽輪發電機組軸系參數監測如圖2所示。由于機組配置了TsI系統，運行狀態參數一直持續被監測，確保機組正常運行。但由于沒有配置TDM系統，當機組由于振動過大而跳閘時，人們不能及時準確地分析查找振動過大的原因。由于是海外項目，當故障發生時，汽輪機制造廠無法得到運行狀態參數，用戶由于不具備專業知識，無法正確描述故障情況，也無法自己解決問題，這樣導致機組停機時間延長。由于汽輪發電機組的排汽用于造紙工藝流程供熱，機組發出的電量需給工廠大容量電機等設備供電，機組的故障停機導致了紙廠的正常生產流程受到影響。當汽輪機制造廠服務人員到達現場，汽輪機再次開機，用便攜式故障分析儀采集瞬態數據，通過頻譜分析、波特圖和動平衡圖等波形分析工具，分析故障原因是油膜振蕩。根據這個原因繼續查找故障源，很快解決了問題，機組重新正常運行，這次故障停機說明了TDM系統的重要性。如果安裝TDM系統，維護人員可通過監視運行狀態參數及各種頻譜圖，根據趨勢預警，制定維修計劃，定期設備檢修，從而確保汽輪發電機組一直穩定良好運行。當故障產生時，要提供詳細的波形及圖形，以便及時查找原因，減少解決問題的時間。

4 發展前景

狀態監測分析系統的基礎是數據采集，隨著檢測技術的發展，信號采集的速度、精度和可靠性將進一步提高，工業汽輪機TDM系統將得到廣泛應用。隨著網絡技術、大數據和人工智能技術的發展，基于互聯網的遠程診斷系統將成為工業汽輪機狀態監測分析系統的發展方向。遠程診斷系統可以同時對多個工廠的多臺汽輪機組進行在線狀態監測及參數采集，并且可以在線進行振動故障分析及趨勢分析。遠程診斷系統由工廠TDM系統、網絡系統、遠程診斷中心組成。工廠TDM系統包含了數據采集及數據服務器功能，網絡系統把工廠采集的數據傳輸到遠程，遠程診斷中心由數據服務器和分析診斷軟件組成。

工業汽輪機振動故障目前仍需人工判斷，診斷分析軟件只能指出可能的故障原因和潛在可能發生的故障。故障診斷要求很強的專業知識，大部分汽輪機用戶沒有這方面的專業技術人員，發生了振動故障，用戶基本上只能依靠汽輪機制造廠。作為設備制造商，汽輪機廠擁有扎實的強度、振動和流體等方面的知識，還積累了處理各種汽輪機組故障的經驗。汽輪機制造廠建立遠程診斷中心，利用技術優勢為用戶提供在線、長期及高效的服務是未來的發展趨勢。

5 結語

工業汽輪機狀態監測分析系統對汽輪機組故障的診斷作用非常重要，該系統的可靠性及正確性直接影響機組的長期穩定運行。從單機狀態監測到分布式狀態監控，再發展到網絡遠程診斷，工業汽輪機狀態監測分析系統將更可靠、更智能、更準確地解決和預測故障，提高設備的可利用率，避免不必要的停機，為用戶創造巨大的經濟效益，具有良好的應用前景。