慕慧娟，馬曉春(新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)試研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述汽輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)在線感知與診斷系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由下位機(jī)(數(shù)據(jù)采集箱)、上位機(jī)(服務(wù)器)、網(wǎng)閘等幾個(gè)部分組成，每臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組分別配置1臺(tái)下位機(jī)，兩臺(tái)下位機(jī)可共用一個(gè)上位機(jī)(服務(wù)器)。

系統(tǒng)的下位機(jī)安裝在機(jī)柜中，為便于維護(hù)和調(diào)試，機(jī)柜內(nèi)配置一臺(tái)482.6 mm(19”)LCD和鍵盤。原來TSI系統(tǒng)安裝的振動(dòng)傳感器不需要任何改動(dòng)，不影響TSI系統(tǒng)的正常工作，從TSI系統(tǒng)的緩沖輸出采集振動(dòng)和鍵相等信號(hào)，利用主機(jī)模塊完成與各數(shù)據(jù)采集子模塊和上位機(jī)的通訊功能。

下位機(jī)(數(shù)據(jù)采集箱)框架內(nèi)除了必須配置2個(gè)電源模塊和1個(gè)主機(jī)模塊外，還有12個(gè)模塊可以根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象需要進(jìn)行配置[1]。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

鍵相模塊：作為整周期采樣同步信號(hào)，必須安裝，2路。

振動(dòng)量模塊：可測(cè)量軸振、瓦振、軸向位移和脹差，4路。

過程量模塊：可測(cè)量溫度和負(fù)荷等4～20 mA信號(hào)，24路。

系統(tǒng)的上位機(jī)(服務(wù)器)通過一條以太網(wǎng)線與下位機(jī)通訊，除了完成振動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信號(hào)分析功能外，還實(shí)現(xiàn)了可視化監(jiān)測(cè)、故障自動(dòng)診斷、故障處理建議。

1.2 系統(tǒng)主要功能

(1)低速盤車時(shí)晃度監(jiān)測(cè)。在大機(jī)組低速盤車時(shí)監(jiān)測(cè)各轉(zhuǎn)子的晃度，可以糾正長期以來根據(jù)單個(gè)偏心判斷所有轉(zhuǎn)子是否存在熱彎曲的誤區(qū)，還可以判斷轉(zhuǎn)子是否存在初始彎曲和永久彎曲，測(cè)量表明是否存在機(jī)械缺陷，是否存在電磁干擾，軸系是否對(duì)中，轉(zhuǎn)子是否有效頂起，機(jī)組檢修情況，機(jī)組是否可以沖轉(zhuǎn)等。相關(guān)趨勢(shì)分析如圖2所示。

圖2 相關(guān)趨勢(shì)分析

(2)軸承圓周振幅監(jiān)測(cè)。在軸承上安裝兩個(gè)電渦流傳感器時(shí)，通過計(jì)算，可以得到軸承圓周方向任意角度轉(zhuǎn)子的振動(dòng)情況，可以確定軸承圓周振動(dòng)的極值，為機(jī)組保護(hù)、振動(dòng)分析、故障診斷和故障處理提供更有效的依據(jù)，如報(bào)警閾值的設(shè)置、不平衡位置確定、軸承剛度下降和松動(dòng)等。

(3)轉(zhuǎn)子在軸承中位置監(jiān)測(cè)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子在軸承中的位置，可以分析盤車和啟停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)子是否頂起，頂軸系統(tǒng)是否工作正常，軸承是否磨損、軸瓦是否松動(dòng)，軸系是否對(duì)中，軸系是否存在碰摩的可能以及碰摩的位置，閥序和閥門開度是否合理以及調(diào)整方向，熱膨脹是否合理，油質(zhì)劣化、軸瓦斷油，振動(dòng)和瓦溫變化與轉(zhuǎn)子負(fù)載的關(guān)系等。軸系位置圖如圖3所示[2]。

圖3 軸系位置圖

2 機(jī)組狀態(tài)可視化

2.1 事件列表

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系可視化智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)能夠顯示事件發(fā)生的時(shí)間和事件類型。時(shí)間清單如圖4所示。

圖4 時(shí)間清單

2.2 趨勢(shì)分析

系統(tǒng)可分析任一個(gè)或多個(gè)參量相對(duì)某個(gè)參量的變化趨勢(shì)，其中橫軸和縱軸可任意選定，時(shí)間段可任意設(shè)定。

3 三維可視化動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

汽輪發(fā)電機(jī)組軸系可視化智能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)可以通過對(duì)發(fā)電機(jī)組軸系各種動(dòng)靜間隙的實(shí)時(shí)計(jì)算，結(jié)合三維實(shí)際效果圖，可視化顯示軸承各間隙的變化，結(jié)合機(jī)組的振動(dòng)水平，根據(jù)最小間隙與相應(yīng)位置設(shè)計(jì)間隙的比值自動(dòng)識(shí)態(tài)，全面反映轉(zhuǎn)子頂起高度、轉(zhuǎn)子在軸承中的位置、油膜厚度，并以不同顏色顯示。生動(dòng)形象、準(zhǔn)確可靠地判斷常見的碰磨、松動(dòng)、不平衡、不對(duì)中、油膜渦動(dòng)、汽流激振、部件脫落等故障，具備顏色報(bào)警功能，并自動(dòng)推出故障部位。還能夠剔除振幅計(jì)算時(shí)直流部分的影響，防止誤報(bào)和漏報(bào)。以監(jiān)視圖、棒表、數(shù)據(jù)表格、曲線等方式實(shí)時(shí)顯示所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)，能夠自動(dòng)識(shí)別盤車、升降速、定速、帶負(fù)荷和正常運(yùn)行等狀態(tài)。系統(tǒng)獨(dú)創(chuàng)性的可視化功能，對(duì)電廠運(yùn)行人員來說有兩大關(guān)鍵作用：

(1)在機(jī)組啟動(dòng)前進(jìn)行一些十分關(guān)鍵又容易忽視的條件確認(rèn)。如轉(zhuǎn)子頂起高度、軸系晃動(dòng)度是否滿足機(jī)組安全啟動(dòng)條件，可視化畫面都給出了具體數(shù)值，通過數(shù)據(jù)定性直觀分析，可以提前發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在的一些潛在危險(xiǎn)源，避免事故的發(fā)生和擴(kuò)大化。

(2)對(duì)于機(jī)組整體的運(yùn)行狀況，系統(tǒng)也給出了綜合判斷，劃分為優(yōu)秀、良好、合格各等級(jí)，通過不同的顏色進(jìn)行顯示。運(yùn)行人員只需要觀察可視化畫面顏色變化，即可以在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)變化，并且可以直接獲取機(jī)組故障的結(jié)論和運(yùn)行指導(dǎo)建議，大大降低了電廠人員掌握汽輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析處理的難度。對(duì)一些隱蔽性較強(qiáng)(故障發(fā)生但是振動(dòng)幅值變化不明顯)的故障，系統(tǒng)可視化功能具有獨(dú)一無二的優(yōu)勢(shì)。

3.1 振動(dòng)和轉(zhuǎn)速

可視化監(jiān)測(cè)圖如圖5所示。其中B1～B8表示第1到第8號(hào)軸承，大寫的X、Y和V分別表示軸承水平方向、垂直方向軸振和垂直方向瓦振，單位是μm，正常字體顏色是黑色，超過警告值是黃色(為了對(duì)比，背景改為灰色)，超過危險(xiǎn)值是紅色，左邊中部顯示轉(zhuǎn)速，單位是rm-1，并顯示轉(zhuǎn)動(dòng)方向。轉(zhuǎn)動(dòng)體下方是軸向位移和脹差，單位是mm，正常色塊顏色是黑色，超過警告值是黃色，超過危險(xiǎn)值是紅色。

圖5 可視化監(jiān)測(cè)圖

3.2 軸系監(jiān)測(cè)

如上圖所示，在圖形中下部顯示汽輪發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子組成的軸系狀態(tài)，轉(zhuǎn)子、動(dòng)葉和發(fā)電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)部分用黑色表示，轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)動(dòng)越快。殼體和隔板等靜止部分用白色表示，各種密封狀態(tài)用七種顏色表示，除了停機(jī)時(shí)用黑色表示外，其他運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同顏色，如表1所示。

表1 運(yùn)行狀態(tài)下的對(duì)應(yīng)顏色

與目前常用的三級(jí)分類相似，優(yōu)秀和良好可看作正常，可以長期運(yùn)行；合格和警告可看作警告，可以在加強(qiáng)監(jiān)測(cè)的情況下運(yùn)行；危險(xiǎn)和建議停機(jī)處理可看作危險(xiǎn)，需要查找原因，調(diào)整運(yùn)行參數(shù)或停機(jī)處理。

3.3 軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)

如上圖所示，系統(tǒng)在圖形下方顯示各軸承的狀態(tài)，軸承的形狀與軸承類型有關(guān)。軸承油膜的顏色與密封狀態(tài)一樣，用七種顏色表示。大寫X、Y是傳感器位置，小寫x、y是物理水平與垂直方向坐標(biāo)。小寫x、y后而的數(shù)字是轉(zhuǎn)子中心在軸承中的偏移量(以物理坐標(biāo)為基準(zhǔn))，同時(shí)顯示合成后的大小和角度(以x軸正方向起點(diǎn)為零度，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))。

4 診斷分析

根據(jù)故障機(jī)理和現(xiàn)場(chǎng)診斷經(jīng)驗(yàn)，分析汽輪發(fā)電機(jī)組常見振動(dòng)故障存在的充要條件，通過對(duì)實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)的全面分析，根據(jù)通頻振幅和各頻段振幅、相位的大小和變化趨勢(shì)，計(jì)算常見振動(dòng)故障的充要條件的可信度，結(jié)合影響故障的因素，確定故障的嚴(yán)重程度，以圖形方式直接顯示故障結(jié)論和變化趨勢(shì)，使得所有用戶都可以根據(jù)系統(tǒng)的診斷結(jié)果判斷機(jī)組的狀態(tài)。汽輪發(fā)電機(jī)組故障診斷知識(shí)庫和算法庫由專家提供，在系統(tǒng)后臺(tái)運(yùn)行和維護(hù)，不需要用戶去掌握復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)分析方法。

5 應(yīng)用效果

汽輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)在線感知與診斷技術(shù)是輪發(fā)電機(jī)設(shè)備正常高效運(yùn)行的保障，而技術(shù)的應(yīng)用主要是基于汽輪發(fā)電機(jī)中的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)裝置，根據(jù)汽輪發(fā)電機(jī)的狀態(tài)與質(zhì)量，基于在線監(jiān)測(cè)與診斷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)的有效監(jiān)測(cè)效果。

5.1 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組安全事故的有效防御

基于在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，而監(jiān)測(cè)中所積累的信息數(shù)據(jù)可以為在線狀態(tài)維修與事故預(yù)測(cè)提供依據(jù)，進(jìn)而很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)安全事故的預(yù)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)引入到汽輪發(fā)電機(jī)中之后，其電網(wǎng)安全事故得到了有效的防御效果，許多事故都由于得到了提前的預(yù)測(cè)與解決被避免，為中國的電力系統(tǒng)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

5.2 實(shí)現(xiàn)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果

汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)各種狀態(tài)的變化及相關(guān)故障情況，而通過該技術(shù)的應(yīng)用不僅有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)，同時(shí)也很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行壽命的分析，避免了由于設(shè)備問題而出現(xiàn)的影響正常運(yùn)行的情況，提高了設(shè)備的使用效率與使用質(zhì)量。

5.3 為狀態(tài)維修提供了方向依據(jù)

狀態(tài)維修技術(shù)是指在針對(duì)設(shè)備運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題采取預(yù)防性措施就被稱為狀態(tài)維修，而維修的重點(diǎn)技術(shù)對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷與分析，明確設(shè)備運(yùn)行過程中的故障原因與故障性質(zhì)，然后分析其出現(xiàn)程度與設(shè)備的未來使用壽命。而通過在線監(jiān)測(cè)技術(shù)可以實(shí)時(shí)的獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)于設(shè)備未來可能出現(xiàn)的問題有著預(yù)判效果，同時(shí)也為其狀態(tài)維修操作提供了方向依據(jù)[3]。

6 結(jié)語

隨著現(xiàn)代信息科技的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)已經(jīng)成為企業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)依據(jù)和有效工具，對(duì)企業(yè)的壯大起到了非常重要的作用。計(jì)量數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用不僅能在現(xiàn)代高要求的壓力下為企業(yè)贏得更多新的發(fā)展機(jī)遇。同時(shí)，計(jì)量數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用也能高效幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)公司內(nèi)部所有領(lǐng)域的有效管理，也能最大程度地服務(wù)好企業(yè)外部的其他領(lǐng)域，獲得最新的發(fā)展咨詢，讓運(yùn)行處在穩(wěn)定的狀態(tài)，同時(shí)獲得更好的發(fā)展。