脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統

包文運　馮永超　王乃華　吳志宏

摘 要：研制開發了脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統，該系統能夠及時對脫硫漿液泵機組過流部件中的損傷部件進行精確故障診斷，及時對相關設備的運行狀態進行有效評估，并為設備的檢修工作提供科學且合理的建議。系統同時還能夠對現場設備進行科學地管理，有效減少了非計劃停機時間，使脫硫漿液泵機組的綜合運行效率得到顯著地提升。

關鍵詞：振動;脫硫漿液泵機組;綜合在線狀態監測系統;非計劃停機

1 引言

脫硫漿液泵機組工況與一般水泵機組比較為復雜，其工作介質具有腐蝕性強、磨蝕性強、比重大等特點。若漿液泵機組長時間在上述工況條件下工作，則過流部件容易因被腐蝕而導致變形，使漿液泵機組運行效率明顯降低。同時，傳動組件受變形及負載沖擊而產生的附加結構應力影響，導致機組存在各種故障隱患。由襄陽五二五泵業有限公司所研發的脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統，能夠在漿液泵機組各部件（軸、軸承、齒輪、葉輪等）正常運行過程中，實時檢測各部件關鍵性能參數，通過對其進行統計分析，實現故障的識別和趨勢預測，從而制定相應的維修和維護計劃，并執行維修任務，有效避免了因故障部件運行而帶來的機組運行效率低下、關聯零部件損傷等問題。

2 系統框架

襄陽五二五泵業有限公司脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統由一個中心服務器（IMO Server）、若干個現場監測站（IMO1000）組成。中心服務器安裝在脫硫企業局域網上的任一地方，在線收集、存儲、管理現場監測站采集的數據，負責對脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統的設置與管理，并對數據實時傳送給五二五泵業遠程中心服務器。現場監測站安裝在控制室或操作間，用于脫硫漿液泵機組的監測，負責對各種振動及工藝信號進行調理、采集、圖譜分析，對啟停機、變工況數據的臨時存儲，并實時向中心服務器上傳數據。脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統軟件為系統提供遠程圖譜瀏覽、遠程專家會診、診斷案例知識庫、早期故障預警等額外增值功能。脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統整體框架如圖1所示：

2 系統功能

2.1 振動分析原理

振動分析原理利用的是不同部件的振動頻率作為識別的特征，通過對振動特征頻率和設備故障建立起數學模型，從而實現對設備故障特征的識別和診斷。

2.2 振動分析流程

圖2為振動分析數據處理流程，通過對選擇后的測點進行數據采集，而后對采集的數據先后進行時域處理和頻域處理，具體的包括速度頻譜分析和包絡頻譜分析，并對獲得詳細的故障診斷報告進行分析以達到及時診斷故障的目的。

2.3 測點布置及安裝

為使振動分析結果精準可靠，測點的定位選址必須遵循如下兩點原則：一、須選在能夠真實反映振動情況的部位;二、盡量靠近軸承承載區。脫硫漿液泵機組機械傳動部分主要由泵軸、齒輪箱、電動機組成。在各部位軸承位置或各傳動連接端（高速端）安放振動加速度傳感器采集它們的加速度信號，同時在漿液泵機組各接口處安放壓力、流量、電流、溫度等信號采集裝置。

2.4 數據采集

數據采集需要考慮采集的數據的尺寸，在實際中，應以采集最小的數據量為原則設置好合適的采樣頻率。并采用數字信號包絡解調、復雜工況多條件觸發數據采集、信號調理、抗干擾、鍵相的有鍵與無鍵采集等技術對各部件的振動數據進行實時采集。鑒于數據的采集周期存在差異，特將所采集數據分為兩類：一類是實時數據，該數據可以在時間維度上盡可能地反映部件的振動信息，反映信息的多寡取決于采樣頻率的設定;而另一類是波形數據，它是指將某段時間內的振動數據存儲而形成的數據。如圖3所示為在華電襄陽發電有限公司5#機組吸收塔漿液循環泵E上信號圖。

2.5 數據存儲與上傳

信號數據采集至現場監測站，經現場監測站調理、分析后通過光纖傳輸至脫硫企業中心服務器，最后通過互聯網將數據上傳至五二五泵業遠程中心服務器。系統采用基于工況與事件的數據存儲策略：對于機組日常（穩態）情況下，系統采用基于時間的數據存儲方式;振動、工藝量等變工況下，系統采用智能監測時間的數據存儲方式。該策略大大醬燒了存儲量，保證沒有多余的與診斷無關的信息存儲，從根據上解決了數據完整性與數據有效性之間的矛盾。數據上傳采用了10到20倍的高保真數據壓縮技術，使一臺機組上傳數據量只有幾K/秒，確保流量數據的刷新速度。

2.6 時域分析

中央服務器對所上傳現場數據首先執行時域處理，即根據預先定義好的性能指標對數據進行聚類統計。五二五泵業在其水泵測試中心采用在線振動監測系統對6個系列147種泵型近700臺次脫硫漿液泵機組振動數據進行采集分析，一方面，根據行業標準設定各機組的振動閾值，另一方面，基于所采集數據實時動態調整振動閾值，有針對性地對不同型號機組設置不同的范圍，從而實現根據范圍對數據進行分組識別。通常可以分為正常和故障兩種狀態，在此基礎上還可以往下細分，例如故障狀態還可以分為一般故障或嚴重故障。

2.7 頻域分析

2.7.1 傳統頻譜分析法

傳統頻譜分析法局限于針對設備運行過程中所產生的不平衡、不對中、機械松動、動靜碰磨和共振等機械故障而導致的低頻振動問題（0～300Hz），當且僅當軸承出現嚴重損壞時才表現為低頻振動問題，進而被檢測到，無法在軸承故障初期對其進行故障預警。如圖4所示為所采集時域數據經過傳統頻譜處理方法得到的頻譜圖。

2.7.2 包絡譜法

周期性沖擊振動所產生的帶寬較寬的沖擊信號，往往是由于設備的嚴重損傷類故障而導致的。該信號實質上是由多個信號疊加產生，除包括故障信號外，也有可能夾雜了其它部件的振動信號。因此，為實現對齒輪、軸承等零部件的早期缺陷與潤滑問題進行及時檢測與預警，須將包絡檢測技術融入傳統的頻譜分析技術。即利用包絡檢測技術中對高頻段信號中瞬態畸變小信號能量進行加強，從而實現故障的檢測。圖5展示了使用上述技術處理得到的頻譜圖。

3 現場應用

華電襄陽發電有限公司5#機組吸收塔漿液循環泵E運行時泵驅動端存在異常的振動和噪聲，減速機高速端軸承位溫度高，對漿液循環泵E進行解體檢查，泵軸承內外圈軌面無明顯缺陷，重新更換葉輪轉子后故障現象無明顯改觀。為了對故障源進行定位，2016年4月華電襄陽發電有限公司為5#吸收塔漿液循環泵安裝了襄陽五二五泵業有限公司脫硫漿液泵機組綜合在線狀態監測系統。

漿液循環泵驅動端配對軸承型號分別為SKF29340E、NJ238ECJ。對軸承振動監測對漿液循環泵機組葉輪、軸、軸承、齒輪箱、電機等零件故障進行監測，不同零部件所對應的振動特性頻率在包絡頻譜中均有體現。基于線性系統對數據進行跟蹤分析，發現漿液循環泵振動稍高，泵連接端振動超過6mm/s，且有增大趨勢，頻譜表現為隨機寬帶信號，有明顯的汽蝕現象，從加速度包絡可以看到，泵軸承內圈存在缺陷頻率。齒輪箱高速端振動在5mm/s左右，頻譜能量主要表現為1X嚙合頻率，說明齒輪箱負載過重，軸承齒輪無明顯缺陷。根據上述診斷結論對泵驅動端軸承進行更換，對齒輪箱油潤滑系統進行了檢修改造，同時適當調整了吸收塔石灰石漿液參數及液位，再次運行后，泵驅動端存在異常的振動和噪聲消除，減速機高速端軸承位溫度恢復到正常水平。

4 結論

綜合在線狀態監測系統基于振動分析的原理，替代人工點巡檢，實現設備早期預警和保健，及時發現并解除設備問題，有效避免設備重大故障與運行風險，降低檢修費用，真正實現設備狀態檢修與優化維修，提升設備管理與信息化水平，對現場脫硫漿液泵機組的維護和管理具有指導意義。

參考文獻：

[1]張來斌，王朝輝，張喜廷，等. 機械設備故障診斷技術及方法[M].北京：石油工業出版社，2000：55-87.

[2]丁康.齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術[M].北京：機械工業出版社，2005：4-11.

[3]盛迎新，周繼威，Sheng Yingxin，Zhou Jiwei.風電機組在線振動監測系統及現場應用[J]-振動測試與診斷，2010（6）.

[4]黃澄，朱雪明，肖澤.設備在線振動監測與故障分析診斷技術在大型水泵機組中的應用[J]-給水排水，2010（5）.