楊明軒

(南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 南充 637000)

煙氣輪機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

楊明軒*

(南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 南充 637000)

為準(zhǔn)確判斷煙氣輪機(jī)中煙機(jī)轉(zhuǎn)子存在的不平衡、不對(duì)中、動(dòng)靜碰摩、油膜渦動(dòng)等故障，利用BENTLY3300監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供參數(shù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)作時(shí)域波形、頻譜和軸心軌跡等圖形分析，研究故障特征，運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)找到故障產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的改造措施。

煙氣輪機(jī)；振動(dòng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷

煙氣輪機(jī)(煙機(jī))依靠催化裂化裝置生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高溫，再生煙氣余熱作為動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)葉輪輪盤帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。其催化裂化壓縮機(jī)通常串連成三機(jī)組、四機(jī)組的型式，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力、帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，所節(jié)約的電能約占到煉油廠耗電量的25%左右。

煙機(jī)是石油化工重點(diǎn)而關(guān)鍵的設(shè)備，屬大型高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其狀況的好壞關(guān)系到整個(gè)催化裂化機(jī)組能否可靠和穩(wěn)定地運(yùn)行，尤其對(duì)煉油廠電網(wǎng)安全運(yùn)行和企業(yè)效益意義重大[1-3]。對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械采用振動(dòng)分析法作故障診斷是最有效的，本文從監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)入手，研究故障類型和特征，結(jié)合個(gè)案診斷，從而達(dá)到準(zhǔn)確、有效地診斷故障的目的。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷

故障診斷技術(shù)是在狀態(tài)監(jiān)測(cè)與信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)振動(dòng)幅值、頻率、相位、轉(zhuǎn)速、位移量、振動(dòng)形態(tài)等參數(shù)的多種信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，從故障的性質(zhì)、程度、產(chǎn)生的原因或發(fā)生的部位來(lái)確定其整體或局部是否正常，把當(dāng)前與歷史狀態(tài)作比較，并判斷出故障部位及輕重程度，及早、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)設(shè)備的性能和故障發(fā)展趨勢(shì)[2，4-6]。

1.1 離線監(jiān)測(cè)與診斷

離線監(jiān)測(cè)與診斷由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)(包括監(jiān)測(cè)、通訊、分析和診斷軟件)等構(gòu)成機(jī)械故障巡檢系統(tǒng)，其中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-232C接口或其他專用接口連接。

1.2 在線監(jiān)測(cè)與診斷

在線監(jiān)測(cè)與診斷是將傳感器采集的信號(hào)通過(guò)處理和傳輸設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或?qū)Ｓ梅治雠c診斷儀器中，把分析診斷結(jié)果接入電控部分，以便監(jiān)測(cè)設(shè)備的異常征兆，預(yù)知將要發(fā)生的故障，為分析、診斷故障發(fā)生部位、種類和程度提供依據(jù)，并且與記錄系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)接起來(lái)，若發(fā)現(xiàn)故障或測(cè)量參數(shù)超過(guò)報(bào)警值，立即發(fā)出停機(jī)指令，使電控部分動(dòng)作，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的[6，9]。

2 重油催化裝置AV45-14主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)

監(jiān)控系統(tǒng)的主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)大小，并及時(shí)控制停機(jī)。該系統(tǒng)不具備分析故障發(fā)生的原因和位置的功能。

圖1 監(jiān)測(cè)重油催化裝置AV45-14系統(tǒng)軸振動(dòng)、軸位移和轉(zhuǎn)速、鍵相位置圖

表1所示為監(jiān)測(cè)重油催化裝置AV45-14主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、軸振動(dòng)和軸位移傳感器測(cè)點(diǎn)。

表1 重油催化裝置AV45-14主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)傳感器振動(dòng)測(cè)點(diǎn)

圖2所示為圖1的重油催化裝置AV45-14主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型圖和測(cè)點(diǎn)布置，圖3為傳感器安裝方向。

圖2 重油催化裝置AV45-14主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)模型和測(cè)點(diǎn)布置

圖3 傳感器安裝方向

在重油催化裝置AV45-14主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，煙機(jī)的工作環(huán)境極其惡劣，轉(zhuǎn)速高，工作介質(zhì)為煙氣，不僅溫度高達(dá)600～700 ℃，并且還含有多種腐蝕性組分，大量的Al2O3和SiO2等硬質(zhì)催化劑粒子在煙氣輪機(jī)工作時(shí)均呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性。

3 煙機(jī)故障特征分析

分析煙機(jī)振動(dòng)故障有時(shí)域波形圖、波特圖、極坐標(biāo)圖、瀑布圖、軸心位置圖、軸心軌跡圖、頻譜圖、相位分析及趨勢(shì)分析等圖形方法。

煙機(jī)振動(dòng)故障特征[4-10]有以下幾種：1)轉(zhuǎn)子不平衡故障。這是由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量和幾何中心不重合(即質(zhì)心不在旋轉(zhuǎn)軸上)所引起的故障，其后果是增加附加載荷而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損壞。頻譜圖由轉(zhuǎn)子工頻為主，時(shí)域圖近似為正弦波，軸心軌跡穩(wěn)定，其橢圓偏心率較小，而振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化明顯，通常徑向振動(dòng)大于軸向。2)轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障。在頻譜圖中，平行不對(duì)中故障以2倍頻為主，反映在徑向振動(dòng)上；角度不對(duì)中故障以1倍頻為主，軸向振動(dòng)明顯大于徑向，波形在基頻正弦波上存在2倍頻次峰，振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化明顯，隨負(fù)荷增大而增大。軸心軌跡為月牙狀、香蕉狀，嚴(yán)重時(shí)為“8”字形；發(fā)生摩擦?xí)r，會(huì)出現(xiàn)多處鋸齒狀尖角或小環(huán)。3)動(dòng)靜碰摩故障。轉(zhuǎn)子在渦動(dòng)過(guò)程中，軸頸或轉(zhuǎn)子外緣與靜止件接觸而引起的徑向摩擦，發(fā)生偶然性或周期性的局部碰摩，轉(zhuǎn)子摩擦接觸弧度較大，甚至發(fā)生360°的全周向接觸摩擦，或轉(zhuǎn)子在軸向與靜止件接觸而引起的軸向摩擦等故障。4)油膜渦動(dòng)故障。油膜渦動(dòng)以薄的油膜支承軸頸，油膜速度為零(軸瓦靜止)，而在軸頸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，油膜速度與軸頸表面相同，而油膜厚度隨楔形變化。當(dāng)振動(dòng)升高時(shí)，頻譜圖上0.5倍頻突然出現(xiàn)；軸心軌跡由穩(wěn)定的橢圓逐漸擴(kuò)大形成雙復(fù)合橢圓，當(dāng)軸心軌跡擴(kuò)散到不規(guī)則形狀時(shí)，瞬間突爆，產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。

4 煙機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷事例

4.1煙機(jī)振動(dòng)及判別

表2 煙機(jī)軸瓦正常與異常時(shí)的振動(dòng)值

YLⅡ-4000煙機(jī)與軸流風(fēng)機(jī)前后軸承的振動(dòng)出現(xiàn)波動(dòng)，有緩慢上升的特征，主要監(jiān)測(cè)煙機(jī)振動(dòng)狀況較嚴(yán)重的4個(gè)通道(XT-2710A、YT-2710B，XT2711A、YT-2711B)。

圖4 煙機(jī)不對(duì)中時(shí)的全息譜圖

判別煙機(jī)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)有：振動(dòng)峰-峰值低于50 μm為良好；介于50～80 μm應(yīng)引起注意，屬于危險(xiǎn)邊緣；超過(guò)80 μm屬于不合格，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)警。

4.2 煙機(jī)振動(dòng)故障診斷

表2是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，可以看到多數(shù)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)峰-峰值都小于50 μm，振動(dòng)合乎要求；但煙機(jī)后軸承YT-2711B由41 μm突升至89 μm，超過(guò)報(bào)警值80 μm，在整個(gè)振動(dòng)變化過(guò)程中YT-2711B達(dá)最高，煙機(jī)軸向振值也偏高，處于危險(xiǎn)之中，若不及時(shí)采取措施，降低煙機(jī)軸瓦振動(dòng)值，將導(dǎo)致機(jī)組事故。

煙機(jī)中靠聯(lián)軸器的振動(dòng)明顯大于另一側(cè)，煙機(jī)軸向振動(dòng)明顯偏高，頻譜中以工頻振動(dòng)為主，2倍頻明顯，初步判斷為不對(duì)中故障，圖4所示為不對(duì)中故障的特征。開(kāi)機(jī)后發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)排氣端(靠煙機(jī)端)機(jī)殼中心線偏移，此處供油管發(fā)生過(guò)堵塞，因潤(rùn)滑不周在熱應(yīng)力作用下出現(xiàn)不對(duì)中故障。

煙機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為葉輪輪盤置于2個(gè)滑動(dòng)軸承支撐的外側(cè)，轉(zhuǎn)子呈懸臂型式，如圖5所示。

圖5 煙機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖6所示為煙機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡時(shí)的軸心軌跡，其軌跡成香蕉形或倒“8”字形，在額定轉(zhuǎn)速下煙機(jī)前后軸承振動(dòng)均以工頻振動(dòng)為主，可診斷為煙機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡故障。

圖7、圖8為煙機(jī)XT-2711A和YT2711B振動(dòng)突變前后的波形頻譜圖，發(fā)現(xiàn)2倍頻和其他諧波幅值變化不明顯，時(shí)域波形未見(jiàn)異常，振動(dòng)波形是比較典型的正弦波，結(jié)合軸心軌跡圖，可進(jìn)一步診斷為轉(zhuǎn)子不平衡故障。

(a)XT-2710A和YT2710B

(b)XT-2711A和YT2711B

檢修煙機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)：煙氣粉塵高速通過(guò)葉片，對(duì)通道產(chǎn)生沖刷，渦輪盤間及動(dòng)葉片表面存在大量催化劑粉塵粘附結(jié)垢，磨損大多出現(xiàn)在動(dòng)葉片的葉頂、葉片根部和榫槽部位，當(dāng)沖蝕日益嚴(yán)重，葉片受損較重，且結(jié)焦物大量不均勻附著通道及葉片上，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡嚴(yán)重破壞，振動(dòng)值大幅上升。

4.3 煙機(jī)振動(dòng)故障的處理

改變吹掃蒸汽的流量及溫度，以改變煙機(jī)輪盤及葉片的溫度，使結(jié)焦物在交替變換的溫度環(huán)境下松動(dòng)直至脫落，或更換新的氣封和備用轉(zhuǎn)子，加強(qiáng)工藝控制等措施，使轉(zhuǎn)子振動(dòng)值下降至正常，煙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

圖7 煙機(jī)YT2711B振動(dòng)突變后的波形-頻譜圖

圖8 煙機(jī)YT2711B振動(dòng)突變前的波形-頻譜圖

5 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究了YLⅡ-4000煙機(jī)的振動(dòng)，在信息收集、分析判斷、推理驗(yàn)證的循環(huán)反復(fù)中，剖析產(chǎn)生故障的原因和處理措施，這對(duì)保證大型煉油化工機(jī)組的正常運(yùn)行，乃至大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的研究均具有現(xiàn)實(shí)和積極的意義。

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ConditionMonitoringandFaultDiagnosisforFlueGasTurbines

YANGMingxuan*

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Nanchong Professional Technical College, Nanchong 637000, China)

The flue gas turbine (Turbine) is not only the core oil refining equipment of a company, but also the large-scale energy-saving equipment.However, there is smoke rotor imbalance, misalignment, rubbing movement, oil whirl and other failures, downtime and maintenance of the loss will be huge. By using the BENTLY3300 monitoring system to provide parameters for the data collected for the time-domain waveform, spectrum and orbit and other graphic analysis, the author researches fault characteristics, uses condition monitoring and fault diagnosis technology to find fault causes, puts forward the corresponding transformation measures.

flue gas turbine; vibration; condition monitoring; fault diagnosis

2013-10-21

楊明軒(1964- )，男(漢族)，四川南部人，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械制造技術(shù)，通信作者郵箱：2050317648@qq.com。

TH455

A

2095-5383(2013)04-0063-04