振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)在陡河泵站的應(yīng)用

王巖波 于海忠 王澤民 郎華偉 常亞林

摘 要：主要介紹了在泵站設(shè)備上應(yīng)用狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷技術(shù)的必要性，并對(duì)振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)在泵站設(shè)備管理中的具體應(yīng)用和產(chǎn)生的實(shí)際效果進(jìn)行了分析和總結(jié)。

關(guān)鍵詞：泵站;設(shè)備狀態(tài);狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷

中圖分類號(hào)：TH17? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）07-0052-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.07.014

0? ? 引言

曹妃甸陡河泵站位于燕山南麓的陡河上游，距離唐山市區(qū)15 km，距離曹妃甸工業(yè)區(qū)99 km，以4組水泵向曹妃甸區(qū)進(jìn)行供水。

根據(jù)陡河泵站設(shè)備特點(diǎn)及機(jī)組本身的機(jī)械特征，在每臺(tái)機(jī)組及電動(dòng)機(jī)上加裝了一套實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測機(jī)組的振動(dòng)、壓力、流量、功率等穩(wěn)定性參數(shù)，聯(lián)合計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的信息，針對(duì)機(jī)組建立功能較為完備的在線監(jiān)測分析系統(tǒng)，提供振動(dòng)監(jiān)測、靈敏監(jiān)測、狀態(tài)分析、性能評(píng)價(jià)、故障診斷等一系列工具和手段[1]。

安裝在線監(jiān)測系統(tǒng)并對(duì)機(jī)組進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)研究，能夠進(jìn)一步保證機(jī)組的安全生產(chǎn)運(yùn)行，為實(shí)現(xiàn)“少人值班、無人值守”及機(jī)組遠(yuǎn)程診斷、狀態(tài)檢修的目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1? ? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

泵站振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)由機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測傳感器、信號(hào)傳輸電纜、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集站（W-DAS）、廠內(nèi)局域網(wǎng)、現(xiàn)場服務(wù)器、輔助設(shè)備等組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（1）現(xiàn)場服務(wù)器：該服務(wù)器具備監(jiān)測系統(tǒng)的所有圖譜分析功能，可以對(duì)每臺(tái)W-DAS進(jìn)行設(shè)置及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程中心服務(wù)器。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：包括各設(shè)備至中控室內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，負(fù)責(zé)信息的傳遞和防護(hù)，如交換機(jī)、網(wǎng)線等。

（3）數(shù)據(jù)采集監(jiān)測站（W-DAS）：16路信號(hào)通道（可接入加速度、速度、位移傳感器、過程量20 Vpp或4～20 mA信號(hào)），2路鍵相信號(hào)，1路繼電器輸出信號(hào);通過TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

（4）傳感器：每臺(tái)設(shè)備需要安裝用于機(jī)組監(jiān)測的傳感器，并可加裝專門用于轉(zhuǎn)速測量的傳感器。

單臺(tái)機(jī)組測點(diǎn)布置及數(shù)量如表1所示。

2? ? 傳感器安裝與信號(hào)接入

傳感器安裝主要包含以下部分：傳感器安裝及傳感器電纜鋪設(shè)，流量信號(hào)與功率信號(hào)的采集，采集器的安裝及供電，監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)服務(wù)器的安裝。

2.1? ? 振動(dòng)加速度傳感器安裝

振動(dòng)信號(hào)采集方式：在4臺(tái)泵組上安裝5支振動(dòng)傳感器，分別布置于電機(jī)上端軸承、電機(jī)下端軸承、電機(jī)底座、泵組上端軸承、泵組下端殼體處。傳感器通過1/4-28轉(zhuǎn)M6的螺柱固定在磁座上，磁座通過專用膠水粘貼在電機(jī)與泵組外殼上。

電機(jī)上端軸承、電機(jī)下端軸承、泵組上端軸承、泵組下端殼體處的傳感器為徑向安裝，電機(jī)底座的傳感器為軸向安裝。

2.2? ? 轉(zhuǎn)速傳感器安裝

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，決定在泵組上加裝轉(zhuǎn)速接近開關(guān)用以采集轉(zhuǎn)速信號(hào)，并在泵組上端安裝轉(zhuǎn)速支架用于固定轉(zhuǎn)速傳感器，在聯(lián)軸器上靠近轉(zhuǎn)速傳感器的位置安裝一個(gè)鐵材質(zhì)的鍵相片，鍵相片與轉(zhuǎn)速接近開關(guān)的間隙為5 mm。轉(zhuǎn)速傳感器以鍵相片為參照物，采集泵組的轉(zhuǎn)速。

2.3? ? 壓力傳感器安裝

對(duì)于壓力信號(hào)的提取，解決方案是加裝壓力傳感器。在現(xiàn)場泵組壓力傳感器處所安裝的四分管上加裝一個(gè)三通，將泵組原有的壓力傳感器安裝在方向、位置不變的地方，加裝的壓力傳感器安裝在三通的側(cè)邊。

2.4? ? 流量信號(hào)與功率信號(hào)接入

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，在流量計(jì)的IC+與IC-端采集流量信號(hào)，并將流量信號(hào)接入采集器。功率信號(hào)通過現(xiàn)場已有功率表采集。

2.5? ? 傳感器技術(shù)參數(shù)

振動(dòng)傳感器的靈敏度為500 mV/g，測量范圍為±10g，頻響范圍為0.1～10 kHz，工作溫度為-50～121 ℃，工作電壓DC24 V;轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速范圍為0～60 kHz，測量范圍為0～5 mm，重復(fù)性0.3%，工作溫度為-30～90 ℃，工作電壓DC18～30 V;壓力傳感器輸出范圍為4～20 mA，頻響范圍為0～1 kHz，線性度1%，工作溫度為-40～120 ℃，工作電壓DC24 V。

3? ? 數(shù)值分析

根據(jù)國標(biāo)《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評(píng)價(jià)機(jī)器的機(jī)械振動(dòng) 第3部分：額定功率大于15 kW額定轉(zhuǎn)速在120 r/min至15 000 r/min之間的在現(xiàn)場測量的工業(yè)機(jī)器》（GB/T 6075.3—2001），機(jī)組的預(yù)警門限設(shè)置為4.5 mm/s，報(bào)警門限設(shè)置為7.1 mm/s，對(duì)在線振動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行如下分析。

3.1? ? 3#機(jī)組數(shù)據(jù)分析

3#機(jī)組各測點(diǎn)所測得數(shù)據(jù)：電機(jī)上端1.35～1.52 mm/s RMS，電機(jī)下端0.58～0.45 mm/s RMS，電機(jī)底座0.38～0.48 mm/s RMS，水泵上端2.1～6.8 mm/s RMS，水泵下端>100 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：報(bào)警。診斷結(jié)論：電機(jī)幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率;水泵振動(dòng)幅值超標(biāo)，可見較高的轉(zhuǎn)頻2X、6X振動(dòng)分量。出現(xiàn)軸不對(duì)中和葉輪通過頻率故障特征[2]。運(yùn)行維護(hù)建議：調(diào)整電機(jī)和水泵的聯(lián)軸器的對(duì)中;如果對(duì)中后水泵振動(dòng)仍然很大，現(xiàn)場可采取結(jié)構(gòu)調(diào)頻處理、運(yùn)行方式優(yōu)化、檢修安裝調(diào)整等措施。

3.2? ? 4#機(jī)組數(shù)據(jù)分析

4#機(jī)組各測點(diǎn)所測得數(shù)據(jù)：電機(jī)上端0.84～0.91 mm/s RMS，電機(jī)下端0.28～0.34 mm/s RMS，電機(jī)底座0.22～0.32 mm/s RMS，水泵上端0.61～0.93 mm/s RMS，水泵下端0.25～0.60 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：正常。診斷結(jié)論：電機(jī)幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率;水泵幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率和明顯葉輪通過頻率。

3.3? ? 5#機(jī)組數(shù)據(jù)分析

5#機(jī)組各測點(diǎn)所測得數(shù)據(jù)：電機(jī)上端1.23～1.62 mm/s RMS，電機(jī)下端0.54～0.80 mm/s RMS，電機(jī)底座0.35～0.83 mm/s RMS，水泵上端0.78～1.36 mm/s RMS，水泵下端0.30～3.30 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：正常。診斷結(jié)論：電機(jī)幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率;水泵幅值平穩(wěn)，未見軸承缺陷頻率和明顯葉輪通過頻率。

3.4? ? 6#機(jī)組數(shù)據(jù)分析

6#機(jī)組各測點(diǎn)所測得數(shù)據(jù)：電機(jī)上端0.38～3.80 mm/s RMS，電機(jī)下端0.30～1.08 mm/s RMS，電機(jī)底座0.48～1.94 mm/s RMS，水泵上端0.64～1.04 mm/s RMS，水泵下端0.18～1.09 mm/s RMS。設(shè)備狀態(tài)：注意。診斷結(jié)論：在917 r/min時(shí)，電機(jī)上端和下端測點(diǎn)振動(dòng)有很大增長，接近預(yù)警門限值，懷疑該轉(zhuǎn)速為水泵臨界轉(zhuǎn)速。運(yùn)行維護(hù)建議：運(yùn)行時(shí)避開917 r/min一定區(qū)間（10 r/min）。

4? ? 振動(dòng)頻譜詳細(xì)分析

分析3#水泵上端測點(diǎn)振動(dòng)波形，可見較高的轉(zhuǎn)頻2X、6X振動(dòng)分量，2X幅值大，代表水泵和電機(jī)聯(lián)軸器存在不對(duì)中，6X可能是水泵的葉輪通過頻率（葉輪中有6支葉片）。誘發(fā)劇烈的葉片通過頻率振動(dòng)的原因比較復(fù)雜：常見原因?yàn)楣苈坊蝻L(fēng)道設(shè)計(jì)不合理、葉片未在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行、安裝偏差或運(yùn)行磨損等[3]。振動(dòng)波形如圖2所示。

4#機(jī)組電機(jī)部分振動(dòng)正常，整體振動(dòng)幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X為主，未見明顯軸承故障頻率。水泵部分振動(dòng)正常，整體振動(dòng)幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X以及諧波為主，未見明顯軸承故障頻率。

5#機(jī)組電機(jī)部分振動(dòng)正常，整體振動(dòng)幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X為主，未見明顯軸承故障頻率。水泵部分振動(dòng)正常，整體振動(dòng)幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X以及諧波為主，未見明顯軸承故障頻率。

6#機(jī)組電機(jī)部分振動(dòng)正常，整體振動(dòng)幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X為主，未見明顯軸承故障頻率。水泵部分振動(dòng)正常，整體振動(dòng)幅值較小;頻譜成分以轉(zhuǎn)頻1X以及諧波為主，未見明顯軸承故障頻率[4]。

5? ? 工況趨勢分析

5.1? ? 3#機(jī)組

由于3#機(jī)組振動(dòng)一直很大，開機(jī)時(shí)間短，且轉(zhuǎn)速、流量一直保持穩(wěn)定，因此不做工況趨勢分析。

5.2? ? 4#機(jī)組

4#機(jī)組在運(yùn)行過程中，因工藝需要轉(zhuǎn)速在826～920 r/min范圍波動(dòng)。電機(jī)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)發(fā)生相應(yīng)變化，但變化幅值不是很明顯，均在正常運(yùn)行允許范圍內(nèi)。水泵測點(diǎn)振動(dòng)隨著轉(zhuǎn)速波動(dòng)會(huì)發(fā)生明顯變化，尤其是在920 r/min時(shí)，水泵下端振動(dòng)幅值有間或跳躍，但幅值仍然在正常范圍內(nèi)。轉(zhuǎn)速、流量、壓力和功率呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，水泵的效率基本維持在74%～76%。

5.3? ? 5#機(jī)組

5#機(jī)組在運(yùn)行過程中，因工藝需要轉(zhuǎn)速在762～932 r/min范圍波動(dòng)。電機(jī)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)發(fā)生明顯變化，但均在正常運(yùn)行允許范圍內(nèi)。

5.4? ? 6#機(jī)組

6#機(jī)組在運(yùn)行過程中，因工藝需要轉(zhuǎn)速在716～917 r/min范圍波動(dòng)。由圖3可以看出，電機(jī)振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速波動(dòng)發(fā)生明顯變化，在917 r/min時(shí)電機(jī)上端和下端測點(diǎn)突然有較大跳躍，接近報(bào)警門限值。

分析圖4所示917 r/min時(shí)電機(jī)振動(dòng)波形頻譜，1X為主要能量。由于電機(jī)底座的振動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速不敏感且維持在較小的振動(dòng)幅度，因此懷疑電機(jī)在917 r/min時(shí)振動(dòng)突然增加是由于接近臨界轉(zhuǎn)速所致，運(yùn)行時(shí)建議避開917 r/min轉(zhuǎn)速一定區(qū)間（10 r/min）。

機(jī)組流量、壓力和功率呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，如圖5所示，水泵的效率基本維持在68%～81%[5]，呈現(xiàn)的規(guī)律是水泵流量越大，效率越高。

6? ? 結(jié)論

總結(jié)振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)在陡河泵站的應(yīng)用，得到以下啟示：

（1）振動(dòng)在線監(jiān)測系統(tǒng)可以不間斷地采集泵站機(jī)組數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，避免重大設(shè)備事故發(fā)生，降低維修費(fèi)用，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)效益;

（2）通過振動(dòng)和工藝參數(shù)的相關(guān)性分析，找到設(shè)備振動(dòng)增加的不穩(wěn)定區(qū)域，從而劃定設(shè)備運(yùn)行的正常工藝范圍，可以保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行;

（3）接入水泵的壓力、流量和功率信號(hào)，系統(tǒng)可以計(jì)算、記錄單臺(tái)水泵的工作效率，為進(jìn)一步建立泵站尋優(yōu)調(diào)度機(jī)制、研究機(jī)組運(yùn)行的工作組合方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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收稿日期：2022-01-25

作者簡介：王巖波（1971—），男，河北文安人，高級(jí)工程師，從事水處理技術(shù)研究和工程管理等工作。