在線監測診斷系統應用案例

張世偉(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017317)

1 概述

本特利在線監測系統及傳感器在壓縮機啟停和正常運行中，實時檢測轉子(軸承)振動、轉速、軸向位移、偏心等重要參數，并提供超限報警、停機保護等功能。這樣既保護機組也保護生產系統，防止造成大的損失，甚至發生事故。壓縮機軸系振動、位移、油壓等必須聯鎖，這對壓縮機組的安全穩定運行起著至關重要的作用，特別是空分裝置的機組軸系，如果出現任何問題，都將影響后系統裝置的生產，在安全、環保及經濟方面帶來無法估量的損失。

2 在線診斷系統Systemone系統特點

2.1 機組在線診斷的檢測系統典型配置

本裝置中有四套機組，下面以兩套機組為例，配備4個3500標準框架。系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2.2 Systemone系統軟件和硬件組成

采用傳感器＋3 500(檢測和保護)＋Systemone(分析和處理)，由3 500監測模塊測量獲得的鍵相、振動、位移、軸瓦溫度等測點，不同條件下3 500/22TDI TDI數據采集分為四種條件：穩態數據采集、瞬態數據采集、報警數據采集和實時數據采集。通過3 500/22TDI瞬態數據接口模塊，按照TCP/IP的協議和交換機的集成，統一上傳到Systemone數據采集服務器。在3 500框架中的3 500/22M，負責完成框架內各模塊之間的通訊，同時提供與Systemone通訊的接口。壓縮機的運行狀態、壓力、溫度、流量等信號是由DCS/ITCC控制系統數據采集，并通過DCS的以太網OPC服務器，采用OPC標準通訊協議將過程量信號傳送到Systemone服務器。TDI為全部框架提供通訊功能，但并不是關鍵監測通道的組成部分，不影響整個監測系統的正確和常規運行。為了保證Systemone數據采集服務器的時間與DCS/ITCC控制系統時間同步，應通過3 500/22TDI瞬態數據接口模塊按照TCP/IP的協議將時鐘源引入Systemone服務器，便于整個系統的問題分析和生產運行[1]。

3 Systemone對儀表故障案例分析

3.1 傳感器探頭和卡件失效

由于傳感器造成的振動及軸位移增大的假象較多，振動位移傳感器、延長電纜、振動位移3 500/42M模塊、3 500/92M通訊模塊等整個回路的元器件上都有可能出現問題。一旦出現問題，需要辦理聯鎖票據和3 500組態軟件里解除聯鎖等工作，如果負責人員不清楚聯鎖邏輯關系，存在非常大的停車風險。因此，通過查看Systemone提供的振動傳感器間隙電壓趨勢圖和頻譜圖來判斷傳感器是否故障，是一種非常簡單、直觀、準確的方法。

3.1.1 間隙電壓變化判斷振動傳感器的故障

(1)振動儀表探頭故障現象。2016年6月24日，現場某汽輪機的前軸承振動值VIAS2013201B變為零，并卡件報警。經過仔細分析，趨勢圖如圖2所示，某汽輪機的前軸承振動值VIAS2011302B逐漸變為零。從間隙電壓和通頻值的趨勢分析，由于間隙電壓的變化導致振動值變為零。該汽輪機其它測點的振動值、位移值和軸瓦溫度都正常無變化。

圖2 振動儀表探頭故障現象趨勢圖

(2)判斷振動儀表探頭故障的依據。針對壓縮機軸系的振動探頭(本特利產品)，其間隙電壓與間隙的線性特性為200 mV/mil，換算成公制為7 V/mm或0.00787 V /μm。但是在實際使用中，由于軸系振動間隙的變化，間隙電壓按線性特性發生變化。案例中可能存在的狀況有：①振動探頭的安裝有一定的誤差性；②運轉后轉子被油膜托起，處于兩側45°上方的探頭間隙電壓會有所變化(約0.4 V左右)；③假如振動值超過100 μm，其間隙電壓的變化值不會超過0.8 V。

因此，振動儀表探頭運行時的間隙電壓與初始安裝電壓相比較，偏差應該在±2～3V 以內。因此，超過2 V振動儀表很可能存在故障，超過3V基本失靈。通過在線狀態監測系統存儲間隙電壓趨勢檢查，則消除了上述因素的問題，則間隙電壓的判斷將更為精確、可信。如果間隙電壓的變化關系不符合探頭特性(7.87 V/mm)，超過±0.5 V，那么振動儀表探頭很可能已故障。

根據以上理論依據確認儀表探頭故障。儀表人員拆下該探頭，通過TK-3振動校驗后，發現該探頭間隙電壓忽有忽無，忽正常忽降低。該探頭故障是由于探頭的絕緣層在汽輪機中環境溫度較高，導致絕緣層碳化嚴重，造成振動值變化[2]。

3.1.2 間隙電壓變化判斷3500卡件故障

(1)故障現象。2017年9月2日，現場氮氣壓縮機的1#大齒輪兩個位移同時報警并聯鎖跳車。經過仔細分析發現，趨勢圖如圖3所示，兩位位移值同時變化并達跳車值。儀表人員現場檢查位該壓縮機其它測點的振動值、位移值和軸瓦溫度都正常無變化。

圖3 故障現象趨勢圖

(2)判斷振動卡件故障的依據。發現位移卡件的2個通道的振動值都在無規律地變化，通過間隙電壓趨勢檢查發現，間隙電壓值呈現下降趨勢，最低時僅有2～3V，不符合其間隙電壓與間隙的線性特性。

根據以上的現象，確認該振動卡件出現故障，更換卡件后，故障消除。因此當控制系統卡件上發現有問題時，還應到現場進行對照檢查。

3.1.3 頻率成分判斷徑向振動儀表探頭的故障

(1)故障現象。2013年6月7日，現場某汽輪機機的前軸承振動VIAS2011302A報警并聯鎖跳車。具體情況如圖4，該汽輪機機其它測點的振動值、位移值和軸瓦溫度都正常無變化。

圖4 瀑布圖

(2)判斷振動探頭故障的依據。我們知道，對于一個復雜、非諧和、周期性的振動信號，可以用傅立葉級數展開的方法得到一系列的頻率成分。對振動波形進行 FFT 處理，則得到振動的頻譜分布，即頻譜圖。各種不同類型的故障所引起的振動都有各自的特征頻率。根據振動的信號特征，區分出具體的振動故障類型。對于如何判斷虛假信號干擾，①波形瞬間急劇變化，甚至呈直線狀；②在極低頻率處(零頻附近)幅值最大。在大機組在線狀態監測圖譜中，這種現象除齒輪和滾動軸承故障外，多數是由干擾信號所引起的假象。根據以上理論依據確認儀表探頭故障。儀表人員拆下該探頭，發現振動探頭尾線自身鎧甲及絕緣破損。

因此，在進行機組故障故障診斷時，必須確認機組儀表上位機的指示值是否真實可靠、確保儀表自身無故障，避免因振動儀表故障造成機組停車，甚至大修機組。

4 結語

機組診斷系統(SYSTEMONE)造價雖高，但是其數據采集的穩定性、采樣精度高，數據分析功能豐富，可以結合過程量數據、振動波形等多種狀態監測參數。該系統可以有效地鑒定分析機組振動問題，同時降低維修成本，進而減少甚至可以避免生產過程中意外停機或強制停機等情況產生的重大損失，提高工廠的經濟效益和社會效益。