一種火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統

賈利峰，李洪泉，曹 軍

（1.山東省萊州市華電萊州發電有限公司，山東萊州 261400；2.西安熱工研究院有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

火電廠風機主要是為鍋爐提供燃燒需要的空氣，同時也可以調節鍋爐溫度，是火力發電的重要設備。風機主要由轉子、軸承、電機等組成。其中，轉子是由軸承支撐的旋轉體，在風機運行過程中會發生高速旋轉，容易產生共振形變。火電廠中的轉子和相關組件，在使用過程中發生故障的概率較高。因此，對于風機故障診斷研究是提升火電廠設備運行可靠性的主要方向。火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統主要由數據采集、在線診斷、故障預警3 個功能模塊組成，通過對火電廠風機設備狀態進行實時監控，采集設備運行狀態信息，完成對設備的故障診斷、故障定位，幫助維護人員制定有效的維護計劃，提高設備運行的可靠性。

1 設備狀態監測和故障診斷技術評價

火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統，能夠有效了解設備運行狀態，確定設備運行故障。設備狀態監測與故障診斷是設備維護保養中的兩個重要過程。其中，設備診斷需要對設備產生故障的原因、部位和嚴重程度做出判斷。設備運行過程中出現任何偏差，都會影響發電系統的正常運行。傳統的故障檢修方法以人工檢修為主，監測儀器在現場使用過程中，無法掌握設備運行狀態和故障發展趨勢，對于隱性故障不能準確、有效地監測出來。缺乏對設備故障的預測和診斷，往往是在設備出現故障時進行搶修，存在大范圍的停電風險。

火電廠風機故障診斷內容包括旋轉機故障、機械故障、零件故障、工程結構故障以及電氣設備故障等，故障產生的原因有設計缺陷、安裝維修、運行操作中的損壞等。火電廠風機在設計過程中在動力學方面存在缺陷或結構不合理，運行時容易產生強迫振動和自激振動，零部件加工制造工藝較差、材料存在嚴重質量問題，導致強度不夠也會導致風機故障。安裝過程中零部件出現錯位、軸承參數調整不當、管道應力過大等都會破壞風機運行過程中的動平衡，造成設備損壞。如果操作不當，導致設備預熱或降溫不充分，很容易造成局部損壞。此外，風機在超負荷狀態下運行，容易改變設備的工作特性，造成應力損傷。常用的診斷方式有振動診斷、溫度診斷、聲學診斷、強度診斷、壓力診斷、電氣參數診斷等。

現階段，我國對于設備狀態監測和故障診斷的研究主要集中在高校與企業聯合開發的小范圍內的機械設備狀態監測與故障診斷技術，對特殊故障原理、診斷方法和診斷儀器的研究，使用仍然處在發展階段。近年來，隨著我國綜合國力的發展，ANN（Artificial Neural Network，人工神經網絡）神經網絡算法、模糊診斷技術、虛擬技術等相關的研究也在不斷深入，一些研究成果和技術的應用，正在不斷縮小和西方發達國家之間的差距。基于互聯網技術開發的設備狀態監測和故障診斷系統的適用性越來越高，在性價比方面也具有較大優勢，在國內企業達到了有效的推廣和應用。

2 系統特性及作用

火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統，主要針對風機進行狀態監測和故障診斷。電廠設備長期工作在復雜、惡劣的環境中，對設備的工作性能和使用壽命會造成不同程度的影響，這些影響中有一些是隱性變化由于發生較為緩慢，無法通過傳統檢修方式進行排查，需要通過對設備運行的數據進行有效監測，判定其性能。火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統的設計與研發，可以有效解決設備監測、故障診斷、故障預警等問題，尤其對隱性故障有良好的監測效果，可以提前制定防范措施。

為提升火電廠風機設備狀態監控與系統故障監測范圍、診斷能力、預警準確性，需要對監測方法進行有效升級，通過仿真分析的方式模擬設備運行的工作條件，建立設備的健康數據檔案。通過設備的運行狀態數據，預測在未來一段時間內的變化趨勢，通過分析可以判斷設備的承受時間、安排適宜的檢修時間，最大限度降低故障對發電系統造成的影響。

此外，該系統可以在線實時采集、記錄和分析設備，掌握設備運行的狀態，預測設備的故障，提高發電系統運行的可靠性。火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統能夠監測到設備運動的實時數據，顯示不同工作狀態，同時具有數據管理功能，可以自動存儲設備的有關數據，建立風機振動等有關參數的變化趨勢和預測圖表，實現電廠設備的狀態管理，系統具有網絡通信功能，通過無線通信網絡實現遠程監控。

3 火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統設計

火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統，主要負責對火電廠風機設備運行狀態進行信息采集、監測、數據共享以及故障診斷等基本功能，利用信息化的通信系統，為風機設備的運行提供更加安全可靠的信息。

3.1 結構設計

火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統硬件結構，包括監測傳感器、信號調制解調儀、網卡等。在硬件結構設計過程中，需要考慮系統的擴展性和可維護性。系統采用模塊化結構設計，使用IEC61850 標準協議生成終端監測單元可以直接進行使用的數據信息，然后通過抽象通信服務接口提供模型訪問、數據獲取以及設置服務，完成數據下載和共享。

綜合監測單元支持監測數據的周期性上傳，對于故障預警類數據，通過數據庫存儲可以有效建立風機設備的健康數據檔案，對于火電廠風機設備測量類數據則采用非緩存方式進行存儲，通過分區存儲的方式便于信息的查找和校對。該功能主要通過抽象通信服務接口提供的報告服務實現，通過設置報告控制模塊的參數，控制火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統數據的分析處理功能，最大限度提升系統的維護性和擴展能力（圖1）。

圖1 系統架構

3.2 網絡接口設計

火電廠風機設備狀態監測與故障診斷系統的網絡接口，主要負責信號的傳輸，標準化的網絡接口可以實現計算機的網絡互聯，便于火電廠設備的數據共享，同時也具有較高的組網靈活性。火電廠風機設備狀態監測與故障診斷系統的網絡接口不僅負責對上層終端的數據信息傳輸，同時，還需要對相應的參數進行有效配置，可以說是火電廠風機設備狀態監測與故障診斷系統的核心部件。按照在線監測數據接入規范建立便準化的數據庫，并且將收集到的各種監測信息進行合理轉換并存儲到數據庫中，實現對風機設備運行狀態監測數據的集中管理和圖形化展示。火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統擁有CAC（Condition Information Acquisition Controller，狀態信息接入控制器）功能以及較高的抗干擾能力，可以適應火電廠惡劣的工作環境，在長時間連續工作的條件下也可以高效處理火電廠風機設備的數據。

3.3 傳感器設計

火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統傳感器通過監測風機振動信號，經過抗干擾屏蔽線路進行信號傳輸。當傳感器接通電流時，在其內部會產生一個高頻電流信號，該信號通過電纜傳送到傳感器探頭部位，此時探頭周圍會產生交變磁場，如果磁場周邊有金屬導體材料靠近，磁場會在導體表面產生電渦流，通過改變電磁線圈的有效阻抗以及監測該數值的變化趨勢來判斷風機振動頻率，預測設備的性能和故障發展的趨勢。

4 總結

綜上所述，火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統能夠掌握設備在運行過程在的振動、噪聲、溫度、壓力和電流等，通過分析數據信息判斷設備的可靠性，對故障產生的原因、部位、危害程度進行識別，預測故障的發展趨勢，制定有效的應對措施。本文通過對火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統進行深入研究，分析設備狀態監測和故障診斷的發展現狀，介紹設備狀態監控與故障預警系統的特點，通過融合最先進的通信技術、自動化技術以及分布式設計結構，實現了對火電廠風機設備的實時監控，對風機設備在運行過程中可能出現的故障進行預警，具有較強的適用性和安全性。隨著我國智能電廠建設的快速發展，火電廠風機設備狀態監控與故障預警系統的實際應用越來越普遍，其發揮的作用也越來越重要。