工业汽轮机状态监测分析系统的应用及思考

沈勤华

（浙江汽轮成套技术开发有限公司，杭州 310012）

随着社会工业化的不断发展，工业汽轮机由于高转速、变转速运行以及可变进汽参数等特点广泛应用于石油、化工、冶金、电力和造纸等领域，用于驱动压缩机、水泵或发电机等旋转设备。工业汽轮机是工厂工艺流程的关键设备，为了确保其长期稳定可靠运行，必须对设备的轴系各项参数和运行状态进行监测。随着自动化技术、检测技术以及信号处理技术的发展，状态监测分析系统也已经从传统的单机监测发展到集成化、智能化、远程诊断的专家系统。状态监测分析系统为工业汽轮机性能测试及故障分析提供了技术保障，已经得到广泛应用。根据个人工作经验，笔者对状态监测分析系统在工业汽轮机中的应用进行分析。

1 状态监测分析系统的应用分析

工业汽轮机作为一种大型旋转机械设备，无论是转子还是轴承座都存在机械振动，这是一种随时间变化的物理现象。振动数值的大小是衡量设备能否长期稳定运行的重要指标。振动将影响设备的使用期限，振动过大会严重影响设备的正常运行。转子弯曲变形、出现裂缝、叶片损坏或断裂等因素都会导致汽轮机振动过大，利用振动故障分析这种技术手段可以快速、正确地分析汽轮机的运行情况，确保汽轮机组的正常安全运行。当汽轮机状态发生变化，振动频谱图等将产生变化。根据这些监测到的数据和信息进行分析，可判断振动的起因，对故障进行分析及预测。因此，设备在线状态监测与分析系统，可以及时掌握设备运行状态异常或故障的早期征兆，及时分析故障原因，采取相应的措施，将故障消灭在萌芽状态，避免和减少重大事故的发生。现代工业汽轮机结构复杂，各个零部件之间的相互联系非常紧密。出现故障跳闸将引起整个工艺过程的中断，损失巨大。同时，故障也增加了设备的维修费用，单位时间造成的损失也成倍增加。工业汽轮机作为工厂关键设备，状态监测分析系统的应用已经成为确保工厂正常运行的必备系统，具有重要意义和价值。

2 状态监测分析系统的组成

状态监测分析系统由一次仪表、二次监视仪表和分析管理系统三部分组成，如图1所示。

2.1 一次仪表

采用电涡流传感器测量轴振动、轴位移以及键相位信号。传感器利用电涡流测量原理经过高频放大、检波、滤波后得到一个和位移大小成正比的输出电压，电压的直流分量表示探头和被测物之间的静态间隙。如果存在振动，则有交流电压输出。由于测量所得的交直流信号容易受干扰，需经前置器放大器检出后传送到二次仪表。为了保证数据的线性度，传感器安装时一定要有间隙电压，安装间隙一般小于1mm。轴振动测量通常采用两个互成90°的电涡流传感器，称为X和Y。键相位是指基频信号相对于转子键相槽之间的相位滞后，键相传感器测得的脉冲和基频同步，这样测出的相位也就是基频相位，利用这个相位做基准点可以进行振动故障分析。一次仪表测量所得的各种信号必须送到二次仪表才有测量监控作用。

图1 状态监测分析系统组成

2.2 二次监视仪表

二次监视仪表也称作汽轮机安全监视及保护系统，简称TsI。TsI系统能连续地对汽轮机各种状态参数进行在线监测，如振动、位移、键相、胀差、转速和温度等，为早期识别机械故障提供重要信息，帮助运行人员及时处理故障，保证机组运行安全。

TsI采用框架结构，系统高度模块化。TsI框架用于安装所有的监测模块及框架电源，采用背板通信。框架接口模块（TDI）提供用于TsI组态软件上载/下载的接口，国外品牌的TsI（如Bently 3500）还提供和管理分析软件system 1的瞬态数据接口。TDI和框架内其他监测模块配合使用，连续采集稳态和瞬态数据，并通过瞬态数据接口传送到TDM系统进行数据分析和故障预测。国产品牌TsI仪表没有瞬态数据接口，需通过各个监测模块的缓冲输出提供瞬态数据。

从现场传感器检测的信号经前置器连接到TsI监测模块的相应通道，经TsI组态软件进行功能和逻辑组态，输出信号给工厂DCs系统。当参数高出报警值，触发机组报警。当参数到达停机值，保护系统动作，触发汽轮机组跳闸。TsI所有监测信息都可以通过通信送到DCs进行参数显示、报警、棒状图显示、历史和实时趋势显示以及数据记录等。

2.3 分析管理系统

分析管理系统简称TDM，TDM是瞬态数据管理系统，为汽轮机等旋转机械提供在线振动状态监测和分析，属于工厂设备管理系统的一部分。TsI对汽轮机组的运行起监测和安全保护作用，但无法对机组振动数据进行分析。而TDM系统可以通过对波形、频谱、幅值及相位等数据的分析，为故障分析人员提供专业的分析数据和频谱图，帮助他们分析可能存在的机械故障，提出合理的解决方案。当事故发生后，TDM系统能够减少查找故障时间，尽快恢复生产，减少故障导致的损失。而且，TDM系统通过趋势、频谱分析以及对异常信号的监测及记录，早期发现可能的故障，及时采取措施，避免或减少故障的产生，提高设备的使用期限。同时，根据设备的运行状态，合理检修，尽可能减少不必要的停机。

TDM系统的瞬态数据来自TsI，国外的TDM系统，如Bently的system1软件可以通过Bently 3500/22的瞬态数据接口直接读取数据。但国内的TDM系统需要另配一个数据采集箱，通过TsI监视模块的每个缓冲通道采集瞬态数据，再通过通信传送到数据管理分析软件。

3 应用项目

工业汽轮机作为工艺流程的关键机械设备，或者作为热电联产及垃圾发电等发电项目的主设备，相应的状态监测分析系统需要高精度、高稳定性及高可靠性，一般采用Bently系列产品。为了实现状态监测和安全保护，一次仪表和TsI系统是每台工业汽轮机必须配置的。而TDM系统，可以根据用户需求选配。

澳洲纸厂一台10MW汽轮发电机组，状态监测系统基本配置：一次仪表采用Bently 3300XL系列传感器，二次监视仪表（TsI）采用Bently 3500。由于纸厂大型旋转机械设备比较少，用户没有配置TDM系统。

Bently 3500框架安装了电源模块3500/15、TDI模块3500/22M、键相模块3500/25、轴位移和轴振动模块3500/42M、转速模块3500/50、继电器模块3500/33、通信模块3500/92。人们通过3500组态软件可以对整个框架进行组态，定义每个模块及通道的功能，设定报警值和停机值。对通信模块进行通信数据组态，定义通信数据表。

图2 汽轮发电机组轴系参数监测

为了减少机组误跳，停机逻辑组态如下：轴位移为X×Y（X和Y分别是两路轴位移停机值）；轴振动为XbYa+YbXa（Xa为X向报警值，Xb为X向停机值，Ya为Y向报警值，Yb为Y向停机值）。

为了减少现场传感器干扰以及传感器探头表面划痕产生的瞬间尖脉冲导致的机组误跳，停机继电器输出采用故障安全型设计。

通过通信模块TsI和DCs通信，采用Modbus RTU协议。DCs经通信采集机组运行状态参数，在DCs画面显示、记录。

汽轮发电机组轴系参数监测如图2所示。由于机组配置了TsI系统，运行状态参数一直持续被监测，确保机组正常运行。但由于没有配置TDM系统，当机组由于振动过大而跳闸时，人们不能及时准确地分析查找振动过大的原因。由于是海外项目，当故障发生时，汽轮机制造厂无法得到运行状态参数，用户由于不具备专业知识，无法正确描述故障情况，也无法自己解决问题，这样导致机组停机时间延长。由于汽轮发电机组的排汽用于造纸工艺流程供热，机组发出的电量需给工厂大容量电机等设备供电，机组的故障停机导致了纸厂的正常生产流程受到影响。当汽轮机制造厂服务人员到达现场，汽轮机再次开机，用便携式故障分析仪采集瞬态数据，通过频谱分析、波特图和动平衡图等波形分析工具，分析故障原因是油膜振荡。根据这个原因继续查找故障源，很快解决了问题，机组重新正常运行，这次故障停机说明了TDM系统的重要性。如果安装TDM系统，维护人员可通过监视运行状态参数及各种频谱图，根据趋势预警，制定维修计划，定期设备检修，从而确保汽轮发电机组一直稳定良好运行。当故障产生时，要提供详细的波形及图形，以便及时查找原因，减少解决问题的时间。

4 发展前景

状态监测分析系统的基础是数据采集，随着检测技术的发展，信号采集的速度、精度和可靠性将进一步提高，工业汽轮机TDM系统将得到广泛应用。随着网络技术、大数据和人工智能技术的发展，基于互联网的远程诊断系统将成为工业汽轮机状态监测分析系统的发展方向。远程诊断系统可以同时对多个工厂的多台汽轮机组进行在线状态监测及参数采集，并且可以在线进行振动故障分析及趋势分析。远程诊断系统由工厂TDM系统、网络系统、远程诊断中心组成。工厂TDM系统包含了数据采集及数据服务器功能，网络系统把工厂采集的数据传输到远程，远程诊断中心由数据服务器和分析诊断软件组成。

工业汽轮机振动故障目前仍需人工判断，诊断分析软件只能指出可能的故障原因和潜在可能发生的故障。故障诊断要求很强的专业知识，大部分汽轮机用户没有这方面的专业技术人员，发生了振动故障，用户基本上只能依靠汽轮机制造厂。作为设备制造商，汽轮机厂拥有扎实的强度、振动和流体等方面的知识，还积累了处理各种汽轮机组故障的经验。汽轮机制造厂建立远程诊断中心，利用技术优势为用户提供在线、长期及高效的服务是未来的发展趋势。

5 结语

工业汽轮机状态监测分析系统对汽轮机组故障的诊断作用非常重要，该系统的可靠性及正确性直接影响机组的长期稳定运行。从单机状态监测到分布式状态监控，再发展到网络远程诊断，工业汽轮机状态监测分析系统将更可靠、更智能、更准确地解决和预测故障，提高设备的可利用率，避免不必要的停机，为用户创造巨大的经济效益，具有良好的应用前景。