可靠的機(jī)組狀況檢測(cè)系統(tǒng)

文/伍友武 張珂

本特利3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大機(jī)組上的應(yīng)用——本特利3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大機(jī)組上的應(yīng)用十分廣泛，對(duì)大機(jī)組進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，為機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行及預(yù)測(cè)維修提供支撐。空壓機(jī)K6601是己內(nèi)酰胺生產(chǎn)線上的核心設(shè)備，本文介紹了本特利3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該機(jī)組上的應(yīng)用，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的組成、功能及特點(diǎn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取及其安裝位置、故障診斷的方法和案例分析等。

在連續(xù)生產(chǎn)的化工裝置中，大機(jī)組是核心設(shè)備，地位十分突出，作用非常關(guān)鍵，其運(yùn)行狀況的好壞，直接關(guān)系到生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，對(duì)大機(jī)組進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，評(píng)估其運(yùn)行狀況以及預(yù)測(cè)故障是很有必要的。空壓機(jī)K6601是中石化巴陵分公司磷酸羥胺裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，2017年采用本特利3500系統(tǒng)對(duì)該機(jī)組實(shí)施在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷。本文對(duì)該系統(tǒng)的組成、功能及特點(diǎn)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選取及其安裝位置、故障診斷的方法及案例分析等進(jìn)行了較詳細(xì)的介紹，System 1管理系統(tǒng)是本特利公司獨(dú)有的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的軟件平臺(tái)。

空壓機(jī)概況

K6601是從德國阿特拉斯（Atlas）公司引進(jìn)，1993年 投運(yùn)，蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，尾氣膨脹透平輔助作功，三級(jí)壓縮，排氣壓力5.6 MPa，最大排氣流量26 000 Nm3/ H，蒸汽透平工作轉(zhuǎn)速5 200 r / min，三級(jí)轉(zhuǎn)子工作轉(zhuǎn)速23 000 r / min。傳動(dòng)鏈由4個(gè)部分組成：汽輪機(jī)、齒輪箱、壓縮機(jī)（內(nèi)部齒輪傳動(dòng)）和膨脹透平。機(jī)組示意圖見圖1。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

該狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由探頭（振動(dòng)、位移、加速度以及鍵相）、前置器、BN3500框架和System1管理系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖見圖2。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

BN3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用非接觸式電渦流傳感器（探頭）測(cè)量，并通過BN3500系統(tǒng)監(jiān)測(cè)模塊獲得的鍵相、振動(dòng)、位移等測(cè)量信號(hào)，經(jīng)過3500 / 22 TDI 瞬態(tài)數(shù)據(jù)接口模塊，按照TCP / IP的通信方式發(fā)送到System 1數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。從傳感器的測(cè)量原理可知，傳感器輸出的交流分量和直流分量分別表示軸的徑向狀態(tài)變化和軸向狀態(tài)變化。system 1軟件管理系統(tǒng)將測(cè)量的各種參數(shù)進(jìn)行組合、分析，可判斷軸的運(yùn)行趨勢(shì)、故障類別及位置。

圖1 K6601空壓機(jī)總貌簡圖

圖2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

System 1 軟件是一個(gè)模塊化的機(jī)械管理平臺(tái)，易于擴(kuò)展數(shù)據(jù)采集功能和添加機(jī)組管理工具。可將多種狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備和技術(shù)集成到單一系統(tǒng)中，并具有單一的顯示界面和通用數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)還提供多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，可以與外部控制和自動(dòng)化系統(tǒng)集成，作為全廠的設(shè)備監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)全廠設(shè)備的信息進(jìn)行采集、存貯和分析。

設(shè)備啟、停（瞬態(tài)）數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)功能

在機(jī)組升、降速時(shí)，根據(jù)轉(zhuǎn)速變化率進(jìn)行采集，除存儲(chǔ)振動(dòng)向量外，還存儲(chǔ)振動(dòng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制出波形圖、頻譜圖、軸心軌跡圖、軸中心線圖、三維頻譜圖、瀑布圖、波德圖以及極座標(biāo)形式的可接受區(qū)圖。

各圖形作用如下：

（1）波形圖顯示了通頻振動(dòng)位移（總振值）與時(shí)間（周期）的關(guān)系，又稱幅值時(shí)域圖可用于分析動(dòng)不平衡、對(duì)中不良和摩擦等故障；

（2）頻譜圖是顯示各振動(dòng)分量的頻率及振幅值,用于提取異常的振動(dòng)分量，是最常用的分析圖形；

（3） 軸心軌跡圖是功能最強(qiáng)大的機(jī)械管理圖形，它將振動(dòng)幅值、相位和頻率集成到單一的圖形中，更易于理解；

（4）軸中心線圖，用于觀察機(jī)器轉(zhuǎn)子在軸承內(nèi)的平均位置；

（5）極坐標(biāo)形式的可接受區(qū)圖，是一個(gè)將1X或2X振動(dòng)矢量(幅值和相位角)以極坐標(biāo)、直角坐標(biāo)的形式表現(xiàn)出來，或者在直角坐標(biāo)系中將轉(zhuǎn)軸平均中心線位置表現(xiàn)出來的趨勢(shì)圖，主要用于分析軸裂紋；

（6）瀑布圖可判定各種不同的振動(dòng)頻率成分的變化；

（7）波德圖由實(shí)時(shí)瞬態(tài)數(shù)據(jù)生成。波德圖用于確定慢轉(zhuǎn)速范圍平衡共振頻率、同步放大因子、重點(diǎn)位置以及轉(zhuǎn)子模態(tài)等。

報(bào)警、危急識(shí)別和事故追查（包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)）

具有超限和危急二級(jí)報(bào)警識(shí)別功能，并會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入超限和危急采樣、存儲(chǔ)以及存儲(chǔ)振動(dòng)故障的原始波形及動(dòng)態(tài)信號(hào)，供詳細(xì)的頻譜分析，為查找振動(dòng)故障提供重要的數(shù)據(jù)。

設(shè)備日常運(yùn)行（穩(wěn)態(tài)）數(shù)據(jù)采集、分析和存儲(chǔ)

在日常運(yùn)行中不斷地進(jìn)行振動(dòng)數(shù)據(jù)采樣、分析并定時(shí)地存儲(chǔ)，以建立設(shè)備運(yùn)行的歷史資料和建立年、月以及日的運(yùn)行資料，供繪制趨勢(shì)圖及查找振動(dòng)故障時(shí)所用的歷史資料。

歷史資料存儲(chǔ)

自動(dòng)識(shí)別運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)間，并進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)，按年、月、日、時(shí)以及分來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件，供以后作趨勢(shì)分析。

在System 1中，保存歷史數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)容量由用戶定義。用戶可以以任何希望的方式利用所有的存儲(chǔ)空間。這意味著用戶可以采集、存儲(chǔ)和查看高分辨率的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

例行報(bào)告、報(bào)表輸出

可根據(jù)用戶的要求，定期地打印輸出，可以打印報(bào)表、波形和頻譜圖，報(bào)警事件列表。

系統(tǒng)特點(diǎn)

BN3500狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)：

（1）人機(jī)界面友好，操作使用方便；

（2）以用戶為導(dǎo)向的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷工作流，用戶自主性極強(qiáng)；

（3）靈活的數(shù)據(jù)采集路線管理；

（4）內(nèi)置組態(tài)模板庫十分豐富，新增功能組態(tài)相當(dāng)方便；

（5）圖形功能豐富，分析手段多樣化；

（6）軸承診斷功能很強(qiáng)；

（7）易于擴(kuò)展，每個(gè)System 1服務(wù)器最多可與12個(gè)BN3500框架進(jìn)行接口，可同時(shí)監(jiān)測(cè)管理多臺(tái)設(shè)備；

表1 機(jī)組監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

（8） 內(nèi)置 ISO10816-3,10816-7,14964等國際標(biāo)準(zhǔn)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)及位置分布

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的參數(shù)有：振幅、頻率、相角以及轉(zhuǎn)速等，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位號(hào)及名稱見表1。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)在機(jī)組的位置分布見圖3。

故障診斷方法

查詢故障時(shí)，應(yīng)首先了解當(dāng)時(shí)的工藝情況，詢問工藝系統(tǒng)有無較大的波動(dòng)和調(diào)整；其次，在線檢查儀表探頭的間隙電壓是否正常；最后，還要看其它相關(guān)聯(lián)的參數(shù)是否跟著發(fā)生了變化。排除以上因素后，調(diào)看監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)和圖形，進(jìn)行診斷分析。典型故障有：動(dòng)不平衡、不對(duì)中、油膜渦動(dòng)、動(dòng)靜摩擦、旋轉(zhuǎn)失速以及軸裂紋等。常用的故障分析方法有：振動(dòng)分析法，軸位移分析法，軸承回油溫度及瓦溫分析法，油液分析法等。下面以最為常用的兩種分析法為例，進(jìn)行簡要說明。

振動(dòng)分析法

通過將正常時(shí)與故障時(shí)的頻譜圖進(jìn)行對(duì)照分析，根據(jù)振幅、相位和頻率，查找出主要異常的振動(dòng)分量，即幅值相對(duì)變化最大的頻率成分及新出現(xiàn)的頻率成分，此為引起振動(dòng)故障的主要原因。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分布圖

（1） 振動(dòng)分量工頻異常大：觀察振動(dòng)值能否再回到原振值，如回不到原振值，而且低頻不活躍、工頻相位無變化，則必定是動(dòng)不平衡所引起。

（2）振動(dòng)分量低頻異常大：可能是軸承問題或是喘振前兆。

（3）2倍頻和軸心軌跡圖則是判定轉(zhuǎn)子不對(duì)中的主要依據(jù)。

軸位移分析法

軸位移過大的原因有2個(gè)。一是轉(zhuǎn)子的軸向力增大；二是止推軸承發(fā)生摩損。

軸向力增大的原因，對(duì)汽輪機(jī)而言，有進(jìn)氣溫度、壓力過低，排汽壓力過高，通流部分結(jié)垢，蒸汽帶水以及流量過大等；對(duì)壓縮機(jī)而言，則有進(jìn)出口壓差過大，流量過大，分子量過大，氣體帶液，軸封漏氣嚴(yán)重和轉(zhuǎn)速過低等。

軸承磨損的原因是機(jī)組在開/停過程中，轉(zhuǎn)子與缸體受熱和冷卻不均而產(chǎn)生差脹。

雖然此類故障發(fā)生的概率很低，但危害性其極嚴(yán)重，所以一定要避免發(fā)生。

案例分析

下面列舉了某次K6601壓縮機(jī)開機(jī)過程中，三級(jí)轉(zhuǎn)子振值高高聯(lián)鎖停機(jī)的整個(gè)過程趨勢(shì)記錄，從頻譜圖對(duì)照分析（以下圖形均取自于system 1系統(tǒng)），再結(jié)合故障發(fā)生的時(shí)間，可以清楚地看出，此次事故先表現(xiàn)為先旋轉(zhuǎn)失速，后出現(xiàn)磨擦，再出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡，接著喘振，磨擦，直至機(jī)組降速。結(jié)論為：此次機(jī)組出現(xiàn)三級(jí)振值高高聯(lián)鎖的原因是由于開機(jī)過程發(fā)生了喘振造成。

結(jié)語

圖4 三級(jí)轉(zhuǎn)子正常頻譜圖

圖5 旋轉(zhuǎn)失速頻譜圖

圖6 旋轉(zhuǎn)失速與磨檫頻譜圖

圖7 嚴(yán)重不平衡頻譜圖

圖8 喘振頻譜圖

狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是機(jī)組運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)和判別的重要手段，通過數(shù)據(jù)和圖形分析，可以預(yù)測(cè)故障的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)為分析故障發(fā)生的時(shí)間、類別以及部位等提供了極大的方便，對(duì)機(jī)組的安穩(wěn)運(yùn)行、合理檢修和預(yù)防性檢修起著積極的作用，對(duì)提高機(jī)組的性能和優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)也有很大幫助。當(dāng)然，在實(shí)際工作中，還需要結(jié)合機(jī)組的油溫、瓦溫、軸承溫度及工藝情況等進(jìn)行綜合分析，以便更準(zhǔn)確地進(jìn)行分析判斷。