詹普元

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)，湖北 宜昌 443002)

1 引言

計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展為保證這些旋轉(zhuǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行提供了可能。采用計(jì)算機(jī)對(duì)電力設(shè)備實(shí)施在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)，不僅能及時(shí)了解設(shè)備當(dāng)前的工作狀況，進(jìn)行報(bào)警監(jiān)測(cè)，還可將設(shè)備各種工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù)、信息進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和分析，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)報(bào)和早期診斷，并視情指導(dǎo)和安排維修計(jì)劃，提高設(shè)備利用率，增加產(chǎn)值，減少人力物力的浪費(fèi)。對(duì)于發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，振動(dòng)故障原因及其狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)對(duì)于其正常運(yùn)行意義重大。

2 發(fā)電機(jī)組不正常振動(dòng)的危害

發(fā)電機(jī)組不正常振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，其危害有［1］:

(1)使機(jī)組各連接部件松動(dòng)，各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至產(chǎn)生“掃膛”而造成部件損壞，機(jī)組高速轉(zhuǎn)動(dòng)部分的相互磨損，會(huì)讓軸承燒毀;

(2)導(dǎo)致機(jī)組各部件金屬和焊縫疲勞破壞區(qū)的形成，振動(dòng)劇烈時(shí)會(huì)導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)油管路接頭部分松動(dòng)脫落，使機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行，縮短了機(jī)組的使用壽命;

(3)使機(jī)組各部位緊密連接部件松動(dòng)，不僅會(huì)導(dǎo)致緊固零件本身的斷裂，而且會(huì)加劇被其連接部分的振動(dòng);

(4)當(dāng)其振動(dòng)頻率與發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時(shí)，將發(fā)生共振，引起機(jī)組出力不正常波動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組從電力系統(tǒng)中解列，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

3 發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分類

對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)極其重要，而發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的正確分類是機(jī)組振動(dòng)故障的識(shí)別與診斷的第一步。根據(jù)其發(fā)生的原因不同可分為:機(jī)械振動(dòng)故障和電磁振動(dòng)故障。

3.1 機(jī)械振動(dòng)故障原因

(1)轉(zhuǎn)子不平衡。由于轉(zhuǎn)子本身的制造誤差、裝配誤差、材質(zhì)不均勻等各種原因引起的。另一方面可能由于轉(zhuǎn)子在運(yùn)行中由于腐蝕、介質(zhì)、磨損以及受疲勞力的作用，使轉(zhuǎn)子的零部件局部損壞、脫落而造成的不平衡［3］。

(2)轉(zhuǎn)子彎曲。由于制造誤差大、轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)不合理、長(zhǎng)期運(yùn)行后自然彎曲等方面的原因?；蛘呤怯捎陂_機(jī)時(shí)暖機(jī)不足、轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸有較大預(yù)負(fù)荷、轉(zhuǎn)軸變形不均勻等造成［4］。

(3)轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)松動(dòng)。轉(zhuǎn)子支撐系統(tǒng)松動(dòng)是指配合過(guò)盈量不足或支承系統(tǒng)配合間隙誤差大，或是配合面的聯(lián)接螺栓緊固不牢產(chǎn)生的異常振動(dòng)。

(4)轉(zhuǎn)子不對(duì)中。由于機(jī)器的安裝誤差、機(jī)器基礎(chǔ)的沉降不均以及承載后的變形等，使機(jī)器工作時(shí)各轉(zhuǎn)子軸線之間產(chǎn)生角度位移、平行位移或綜合位移等對(duì)中變化誤差［5］。

(5)油膜振蕩。主要由軸潤(rùn)滑油不良、承間隙不當(dāng)、油溫和油壓不當(dāng)?shù)仍蛞穑?］。

(6)碰摩。由于軸承間隙小、密封間隙等原因而引起的發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間的摩擦碰撞。

表1 7種機(jī)械振動(dòng)故障的特征量［7］

3.2 電磁振動(dòng)故障原因

(1)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路。由內(nèi)冷轉(zhuǎn)子繞組局部過(guò)熱導(dǎo)致匝間絕緣燒毀、繞組銅線蠕變留下的殘余塑性變形而導(dǎo)致的匝間絕緣損傷等。

(2)定轉(zhuǎn)子之間氣隙不均。定轉(zhuǎn)子之間氣隙不均有轉(zhuǎn)子鐵心不圓、定子中心和轉(zhuǎn)子中心不重合等原因。

(3)定子繞組端部振動(dòng)。由于定子繞組所承受的電動(dòng)力在兩導(dǎo)體之間的作用和電流的平方成正比，如果固定不好，短期就可能使絕緣磨損甚至擊穿的程度。

(4)轉(zhuǎn)子中心位置偏移。由于轉(zhuǎn)子中心位置偏移引起的磁通分布不均勻，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致軸承油膜擊穿，并使軸振動(dòng)加劇，形成軸電流而燒傷軸瓦［8］。

(5)不對(duì)稱負(fù)荷。當(dāng)定子各相電流的對(duì)稱度被破壞時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序磁場(chǎng)，產(chǎn)生負(fù)序電流，由于負(fù)序磁場(chǎng)與正序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)之間相互作用而產(chǎn)生兩倍基頻的附加振動(dòng)。嚴(yán)重不對(duì)稱時(shí)，振動(dòng)可能影響發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行［9］。

(6)電磁諧振。電磁諧振是當(dāng)其他振源的振動(dòng)頻率與發(fā)電機(jī)本身的固有振動(dòng)頻率相接近甚至重合時(shí)而發(fā)生的振幅增大現(xiàn)象。

表2 7種電磁振動(dòng)故障的特征量［7］

4 振動(dòng)參數(shù)

為了正確對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)故障進(jìn)行診斷，必須對(duì)其振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這些參數(shù)包括描寫設(shè)備振動(dòng)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，描寫位置的靜態(tài)參數(shù)和其它參數(shù)。

4.1 動(dòng)態(tài)參數(shù)

(1)振幅:振幅是表示機(jī)組振動(dòng)嚴(yán)重程度或烈度的一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)對(duì)振幅的監(jiān)測(cè)，可以判斷機(jī)組是否在平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。通常高頻取加速度，中等頻率的振動(dòng)取速度，對(duì)于頻率比較低的振動(dòng)取位移或速度為測(cè)定的參數(shù)［9］。

(2)頻率:由于不同的振動(dòng)源，振動(dòng)頻率不同，因此頻率常作為分析振動(dòng)原因的重要依據(jù)。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)頻率，通常用機(jī)械運(yùn)行轉(zhuǎn)速的倍數(shù)或分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

(3)相角:相角測(cè)量可用來(lái)描述某一特定時(shí)刻轉(zhuǎn)子的位置，一個(gè)好的相角測(cè)量系統(tǒng)能夠確定每一傳感器信號(hào)上對(duì)應(yīng)的機(jī)器轉(zhuǎn)子的“高點(diǎn)”相對(duì)于轉(zhuǎn)子上某一固定點(diǎn)的位置。機(jī)器轉(zhuǎn)子的平衡狀態(tài)改變將引起高點(diǎn)的變化，這種變化能通過(guò)相角變化顯示出來(lái)。

(4)振動(dòng)形式:通過(guò)對(duì)振動(dòng)形式的觀測(cè)，能直觀地了解某機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)。振動(dòng)形式是顯示在示波器上的原始振動(dòng)波形。振動(dòng)形式無(wú)論對(duì)預(yù)防性維修和預(yù)測(cè)性維修都是最基本的參數(shù)。

(5)振型:所謂振型是轉(zhuǎn)軸在一定轉(zhuǎn)速下，沿軸向的一種變形。

4.2 靜態(tài)參數(shù)

(1)偏心位置:偏心是測(cè)量軸承磨損，預(yù)加負(fù)荷狀態(tài)的一種指示。定期測(cè)量偏心位置是絕對(duì)必要的，另外在機(jī)器的啟動(dòng)期間，也應(yīng)該密切注意偏心位置。

(2)軸向位置:軸向位置測(cè)量可用來(lái)描述止推盤和止推軸承之間的相對(duì)位置。對(duì)于蒸汽透平或離心壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，軸向位置可能是最重要的測(cè)量參量。

(3)差脹:對(duì)大型蒸汽透平等機(jī)組，要求啟動(dòng)時(shí)機(jī)殼與轉(zhuǎn)子必須以同樣的比率受熱膨脹。如果機(jī)殼與轉(zhuǎn)子受熱膨脹的比率不同，就可能發(fā)生軸向摩擦造成振動(dòng)而使機(jī)器受到損害［10］。

(4)機(jī)殼膨脹:對(duì)某些大型機(jī)組，除了監(jiān)視差脹外，還要監(jiān)視機(jī)殼膨脹。知道了機(jī)殼膨脹和差脹，就可以確定轉(zhuǎn)子和機(jī)殼的膨脹率。如果機(jī)殼膨脹不正常，機(jī)殼的“滑腳”就會(huì)被卡住。

(5)對(duì)中:在壓縮機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)泵機(jī)組的安裝過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)這種故障。通常利用機(jī)組中各種不同機(jī)器的膨脹資料，并經(jīng)過(guò)計(jì)算畫出一份安裝對(duì)中圖紙，作為一種粗略的參考，最后還要用儀器來(lái)確定機(jī)組的熱運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)［11］。

4.3 其他參數(shù)

(1)轉(zhuǎn)速:轉(zhuǎn)速即為每分鐘轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)數(shù)，單位r/min。大多數(shù)機(jī)組都要求連續(xù)顯示其轉(zhuǎn)速在對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析中找出振動(dòng)和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系是很重要的。

(2)溫度:溫度也是分析機(jī)器某些特定部件狀態(tài)的重要參數(shù)，尤其是軸向和徑向軸承中巴氏合金襯套的溫度要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。同時(shí)分析溫度和振動(dòng)、位置參數(shù)關(guān)系，有助于我們發(fā)現(xiàn)機(jī)器可能存在的故障。

(3)相關(guān)性:在對(duì)運(yùn)行中機(jī)器進(jìn)行全面系統(tǒng)分析時(shí)，弄清溫度、壓力、流量和其他一些可能影響機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)的外部參量之間的相互關(guān)系是非常重要的。它有助于最終確定某一特定機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，并制訂一個(gè)較好的預(yù)測(cè)維修方案。

5 測(cè)點(diǎn)設(shè)置和參數(shù)獲取

5.1 測(cè)點(diǎn)設(shè)置

容量小于30MW的發(fā)電機(jī)組一般只設(shè)軸徑向振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，在各導(dǎo)軸承處設(shè)置兩個(gè)傳感器，進(jìn)行相對(duì)值測(cè)量。

容量為30～100MW的發(fā)電機(jī)組固定部件測(cè)點(diǎn)設(shè)置:對(duì)裝有帶推力軸承的支架安置一個(gè)垂直振動(dòng)傳感器，裝有導(dǎo)軸承的支架安置一個(gè)水平振動(dòng)傳感器。固定部件的測(cè)點(diǎn)全部進(jìn)行絕對(duì)值測(cè)量。

軸徑向振動(dòng)在各導(dǎo)軸承處設(shè)置兩個(gè)傳感器，進(jìn)行相對(duì)值測(cè)量。

容量為100～300MW的發(fā)電機(jī)組軸徑向振動(dòng)在各導(dǎo)軸承處安置兩個(gè)傳感器，進(jìn)行相對(duì)值測(cè)量。固定部件測(cè)點(diǎn)設(shè)置:水輪機(jī)頂蓋安置一個(gè)垂直振動(dòng)傳感器;對(duì)裝有導(dǎo)軸承的支架安置一個(gè)水平振動(dòng)傳感器;定子鐵心或機(jī)座安置垂直、水平振動(dòng)各一個(gè)傳感器;裝有帶推力軸承的支架安置一個(gè)垂直振動(dòng)傳感器。固定部件的測(cè)點(diǎn)全部進(jìn)行絕對(duì)值測(cè)量。

容量大于300MW的機(jī)組軸徑向振動(dòng)在各導(dǎo)軸承處設(shè)置兩個(gè)傳感器，進(jìn)行相對(duì)值測(cè)量。固定部件測(cè)點(diǎn)設(shè)置:對(duì)裝有帶推力軸承的支架設(shè)置兩個(gè)垂直振動(dòng)傳感器;裝有導(dǎo)軸承的支架設(shè)置兩個(gè)水平振動(dòng)傳感器;定子鐵心或機(jī)座設(shè)置垂直、水平振動(dòng)各兩個(gè)傳感器;水輪機(jī)頂蓋設(shè)兩個(gè)垂直振動(dòng)傳感器。固定部件的測(cè)點(diǎn)全部進(jìn)行絕對(duì)值測(cè)量，互為備用。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝布置圖

圖1表示的是風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝布置圖，其中編號(hào)為①表示速度傳感器;編號(hào)為②的是加速度傳感器;編號(hào)為③的是轉(zhuǎn)速傳感器?？筛鶕?jù)各傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。

5.2 參數(shù)獲取

振幅:由于傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)開始采用非接觸式的電渦流傳感器直接測(cè)量轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)狀態(tài)，以得到有關(guān)轉(zhuǎn)軸振動(dòng)幅度的更精確數(shù)據(jù)，從而得到機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的確切信息。

相角:目前測(cè)量相角的最準(zhǔn)確可靠的方法是利用非接觸式或光電式傳感器(鍵相器)，感受固定在軸上的鍵或槽產(chǎn)生的每轉(zhuǎn)一次的脈沖信號(hào)，作為相位測(cè)量的基準(zhǔn)信號(hào)，此時(shí)相角的定義可修正為鍵相器脈沖和振動(dòng)的第一正峰(相應(yīng)于機(jī)器轉(zhuǎn)子的高點(diǎn)位置)之間的角度差［12］。

軸向位置:監(jiān)視軸向位置至少要安裝一個(gè)電渦流傳感器，最好是兩個(gè)，以便提供可靠的信息。測(cè)量軸向位置的電渦流傳感器還能同時(shí)測(cè)量軸向振動(dòng)，在分析某些機(jī)械故障狀態(tài)時(shí)，軸向振動(dòng)是一個(gè)很有意義的參數(shù)。

偏心位置:偏心位置的測(cè)量是通過(guò)安裝在軸承處的監(jiān)測(cè)徑向振動(dòng)的同一傳感器進(jìn)行的，其輸出信號(hào)的直流成分即代表偏心位置(徑向間隙)。偏心度:偏心度一般由安裝在遠(yuǎn)離軸承處的傳感器來(lái)測(cè)量。

差脹:測(cè)量差脹時(shí)要把電渦流傳感器安裝在機(jī)器末端與止推軸承相反的一側(cè)。

振型:測(cè)量振型的方法是沿轉(zhuǎn)軸的軸向每一固定間距放置一組互成90度的X－Y傳感器，分別測(cè)得相應(yīng)轉(zhuǎn)軸截面的中心線振動(dòng)情況，綜合所測(cè)量的這些數(shù)據(jù)便能得到轉(zhuǎn)軸的振型。

機(jī)殼膨脹:機(jī)殼膨脹的監(jiān)測(cè)通常由安裝在機(jī)殼外部，以地基為參考基準(zhǔn)的線性可變差動(dòng)變壓器(LVDT)來(lái)完成的。

對(duì)中:在熱對(duì)中測(cè)量技術(shù)方面，可以利用類似于大地測(cè)量用的光學(xué)儀器或激光技術(shù)來(lái)測(cè)量不同機(jī)殼的轉(zhuǎn)軸之間的相對(duì)位置的變化。

加速度:加速度傳感器可以將振動(dòng)的加速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的傳感器，其輸出量與輸入的振動(dòng)加速度成正比。

轉(zhuǎn)速:轉(zhuǎn)速的測(cè)量可以通過(guò)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)引起的周期信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量，如下圖所示，通過(guò)公式計(jì)算出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速:

i:測(cè)速盤上的小孔數(shù);

t:采樣時(shí)間，單位為s;

m:t時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的信號(hào)數(shù);

n=轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖2 轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

6 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)正處在一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，一些耐高溫、高壓的傳感器得到了應(yīng)用，能夠更加精確的測(cè)得各種參數(shù)，同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為數(shù)據(jù)分析提供了一個(gè)良好的基礎(chǔ)，使得故障前的預(yù)防和故障后的檢修更加精確、便利。另一方面，振動(dòng)參數(shù)的測(cè)點(diǎn)設(shè)置、傳感器的選擇也是影響所獲取的參數(shù)是否正確的重要因素，而且也是對(duì)故障原因的分析和診斷檢修的重要依據(jù)。由于個(gè)人水平有限，本文在技術(shù)層面不夠深入，有待改進(jìn)。

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