趙永強(qiáng),陳丹峰,黃秀梅,李永耀

(1.國(guó)家電投河南電力有限公司 技術(shù)信息中心,鄭州 450001; 2.鄭州恩普特科技股份有限公司,鄭州 450001)

狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)對(duì)保證電廠安全運(yùn)行非常重要.隨著電廠機(jī)組朝著高速化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,各電廠對(duì)設(shè)備的安全性要求也越來越高[1].振動(dòng)監(jiān)測(cè)是保障電廠機(jī)組安全運(yùn)行的重要手段之一.隨著近幾年計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展,遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)日趨成熟和完善,可有效提高設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測(cè),保障機(jī)組正常安全運(yùn)行,在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)組、工廠關(guān)鍵設(shè)備中的應(yīng)用尤為廣泛[2].

電廠設(shè)備維護(hù)方式的發(fā)展可概括為3個(gè)階段：從早期的事后維修階段,發(fā)展為定期維修,到現(xiàn)在的基于狀態(tài)維護(hù)階段[3].對(duì)于大型電廠的機(jī)組來說,影響機(jī)組正常運(yùn)行的故障因素有很多,大多數(shù)屬于漸進(jìn)性故障[4].平時(shí)的點(diǎn)檢及一般性檢查根本對(duì)這些故障無從下手,這就需要借助于有“慧眼”功能的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)對(duì)機(jī)組整體進(jìn)行在線監(jiān)測(cè).

本文提出的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)是用于電廠機(jī)組的振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、故障診斷和運(yùn)行維修指導(dǎo),避免突然停機(jī),降低不必要的損失,減少維修費(fèi)用,獲取機(jī)組當(dāng)前運(yùn)行振動(dòng)數(shù)據(jù),積累歷史數(shù)據(jù),保存振動(dòng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)科學(xué)化管理和決策.

1 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)

圖1是狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷的流程圖.本系統(tǒng)通過搭設(shè)監(jiān)測(cè)機(jī)組狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫(kù),應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)[5],發(fā)揮大數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì),打破“信息”傳遞的孤島效應(yīng),及時(shí)、全面監(jiān)測(cè)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)全過程,預(yù)測(cè)機(jī)組運(yùn)行趨勢(shì)及故障的分析診斷,進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)組的預(yù)知維修和狀態(tài)維修發(fā)展過程,防止維修不足或者過剩維修,從而保障發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期的運(yùn)行[6-7].本系統(tǒng)共有4個(gè)模塊組成:監(jiān)測(cè)概貌、分析/評(píng)價(jià)、綜合報(bào)告、系統(tǒng)管理.

圖1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷流程圖Fig.1 Flow chart of condition monitoring and fault diagnosis

1.1 監(jiān)測(cè)概貌

監(jiān)測(cè)概貌總的對(duì)機(jī)組目前包含的多少機(jī)組、機(jī)組目前的運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組各測(cè)點(diǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)等信息,能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)參數(shù).另外設(shè)置了監(jiān)測(cè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的報(bào)警上下限,通過棒圖監(jiān)測(cè)顯示出機(jī)組測(cè)點(diǎn)是否在正常運(yùn)行范圍內(nèi).

1.2 分析/評(píng)價(jià)

分析/評(píng)價(jià)模塊包含了以全矢譜分析方法為核心的多種故障診斷分析方法,以及對(duì)機(jī)組未來的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)功能,還可以綜合專家系統(tǒng)知識(shí)對(duì)機(jī)組目前運(yùn)行狀態(tài)給出結(jié)果[8].該模塊是遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的核心部分,涵蓋了目前常用的故障診斷方法,并融合了全矢譜分析技術(shù)[8].全矢譜技術(shù)為目前公認(rèn)的世界三大同源信息融合技術(shù),其基本原理為:轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)現(xiàn)象是各諧波頻率下的綜合作用,轉(zhuǎn)子的渦動(dòng)軌跡是一系列的橢圓,定義這些軌跡橢圓的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度為評(píng)價(jià)振動(dòng)強(qiáng)度的主振矢,短軸長(zhǎng)度為振動(dòng)強(qiáng)度的副振動(dòng)矢,而把轉(zhuǎn)子在各諧波頻率下的渦動(dòng)強(qiáng)度作為故障判斷和識(shí)別的基本依據(jù).

1.3 綜合報(bào)告

綜合報(bào)告包含了對(duì)機(jī)組的實(shí)時(shí)報(bào)警、報(bào)警預(yù)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能.實(shí)時(shí)報(bào)警可對(duì)機(jī)組目前的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)給出自適應(yīng)判斷,便于設(shè)備維護(hù)人員進(jìn)行判斷.

1.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊包含了軸承管理、轉(zhuǎn)子管理、組態(tài)管理、專家自診斷等功能.該功能模塊可將機(jī)組現(xiàn)有的軸承及齒輪進(jìn)行配置,在分析方法中可根據(jù)故障頻率分析方法有效看出故障頻率所在位置.另外，專家自診斷根據(jù)專家規(guī)則庫(kù)對(duì)機(jī)組故障進(jìn)行判斷,得出機(jī)組目前運(yùn)行狀態(tài).圖2為該系統(tǒng)采用的故障診斷專家系統(tǒng)規(guī)則[9-10].

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)規(guī)則Fig.2 Rules of fault diagnosis expert system

2 遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在電廠設(shè)備中的應(yīng)用

該系統(tǒng)目前在某電廠大部分機(jī)組上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷,實(shí)際中得到了良好的應(yīng)用,以下是該系統(tǒng)在某電廠#2B送風(fēng)機(jī)設(shè)備運(yùn)行中的實(shí)際應(yīng)用情況.

2.1 某電廠應(yīng)用

某電廠#2B送風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測(cè)分析,圖3為#2B送風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖.#2B送風(fēng)機(jī)為軸流式風(fēng)機(jī),電機(jī)額定轉(zhuǎn)速600 r/min,因葉輪支撐軸承在流道中被風(fēng)機(jī)外殼包裹,速度傳感器無法直接測(cè)量里面的軸承座位置.振動(dòng)測(cè)點(diǎn)選擇在外面殼體盡量靠近軸承座位置,分別測(cè)量水平、垂直和軸向3個(gè)方向振動(dòng).圖4為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警界面,監(jiān)測(cè)到#2B送風(fēng)機(jī)軸承水平方向報(bào)警,達(dá)到4.6 mm/s.圖5為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專家自診斷,根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),提取故障征兆,由專家診斷規(guī)則,得出#2B送風(fēng)機(jī)為轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障,可信度為0.95.

圖3 #2B送風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 #2B fan structure schematic diagram

圖4 #2B送風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)報(bào)警畫面Fig.4 #2B fan real-time alarm screen

圖5 #2B送風(fēng)機(jī)專家自診斷畫面Fig.5 #2B fan expert autodiagnostic screen

由表1可明顯看出,檢修前測(cè)試時(shí)該測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)較大超過標(biāo)軸承準(zhǔn)范圍,達(dá)到4.6 mm/s,測(cè)點(diǎn)垂直振動(dòng)2.9 mm/s,軸向振動(dòng)1.5 mm/s.

表1 2#B送風(fēng)機(jī)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 2#B fan test results mm/s

注:報(bào)警值為4.5/7.1.

采用振動(dòng)分析模塊,觀察風(fēng)機(jī)殼體水平、垂直、軸向方向的振動(dòng)波形頻譜圖,分別如圖6～圖8所示.由圖6可以看出,測(cè)點(diǎn)水平方向振動(dòng)頻譜圖中,主要頻率成分為10.2,19.9,259.4 Hz,10.2 Hz頻率成分幅值為2.7 mm/s,19.9 Hz頻率成分幅值為2.8 mm/s,259.4 Hz頻率成分幅值為2.4 mm/s.由于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為600 r/min,可以計(jì)算出風(fēng)機(jī)的工作頻率為10 Hz,可以判斷出圖6中19.9 Hz頻率成分為風(fēng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)的二倍頻,查相關(guān)資料得知風(fēng)機(jī)葉片數(shù)26,考慮到測(cè)試精度等因素的影響,推斷出259.4 Hz為風(fēng)機(jī)葉片的通過頻率,說明風(fēng)機(jī)內(nèi)部對(duì)中存在問題,應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪的對(duì)中情況進(jìn)行檢查.

針對(duì)此情況進(jìn)行對(duì)中處理后,該測(cè)點(diǎn)各方向水平振動(dòng)值降到2.9 mm/s,測(cè)點(diǎn)垂直方向振動(dòng)值降到2.4 mm/s,軸向振動(dòng)未發(fā)生變化.各點(diǎn)振動(dòng)值均已在正常范圍之內(nèi),處理后該測(cè)點(diǎn)各向的波形頻譜圖如圖9和圖10所示,此時(shí)振動(dòng)頻譜圖中工頻和二倍頻均已經(jīng)很小,頻譜主要表現(xiàn)為葉片的通過頻率.

圖6 風(fēng)機(jī)殼體水平方向振動(dòng)波形頻譜圖(處理前)Fig.6 Fan housing horizontal direction vibration waveform spectrum(before treatment)

圖7 風(fēng)機(jī)殼體垂直方向振動(dòng)波形頻譜圖(處理前)Fig.7 Fan housing vertical direction vibration waveform spectrum(before treatment)

圖8 風(fēng)機(jī)殼體軸向振動(dòng)波形頻譜圖(處理前)Fig.8 Fan housing axial vibration waveform spectrum(before treatment)

圖9 風(fēng)機(jī)殼體水平方向振動(dòng)波形頻譜圖(處理后)Fig.9 Fan housing horizontal direction vibration waveform spectrum(after treatment)

圖10 風(fēng)機(jī)殼體垂直方向振動(dòng)波形頻譜圖(處理后)Fig.10 Fan housing vertical direction vibration waveform spectrum(after treatment)

3 結(jié)語(yǔ)

為提高電廠機(jī)組設(shè)備運(yùn)行的安全性,提升電廠機(jī)組的科學(xué)管理水平,提出了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng).系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù),獲取電廠機(jī)組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),打破了“信息”傳遞孤島效應(yīng).采用監(jiān)測(cè)技術(shù)、專家診斷技術(shù)、故障診斷技術(shù)對(duì)電廠機(jī)組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷.實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)在確保電廠機(jī)組安全可靠運(yùn)行方面是行之有效的,具有很好的電力行業(yè)推廣和應(yīng)用前景.

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