在线监测与频谱分析在汽机故障诊断中的应用

张殿树（上海塞维斯玻璃有限公司，上海201419）

0 引言

所在公司化工项目空气压缩机组于2006 年开车投用，是我国当时设计制造的最大成套工业压缩机组之一，也是该项目的核心装置，主要为CTA氧化反应提供空气来源。同时还为整个项目所有仪表气动阀门提供气源，它的稳定运行是全装置长周期运行的前提。空压机组是一种多级离心式压缩机，主要有定子（机壳、隔板、密封、平衡盘密封、轴端密封）、转子（轴、叶轮、隔套、平衡盘、轴套、半联轴器等）及支撑轴承、推力轴承等组成。压缩机组由空气压缩机和增压机组成，通过汽轮机拖动。汽轮机为双出轴，一端直接带动空压机，另一端通过增速箱增速后拖动增压机。空压机分低压缸、中压缸，机壳为水平剖分式结构，增压机机壳为垂直剖分结构。

1 机组监控系统

1.1 机组监测系统配置

为保证对机组的可靠检测与控制，通过技改对3500 卡件配置进行优化改造。经过对机组出现卡件故障和回路故障的概率进行风险评估后，增加1 块16 点继电器输出模块，与原继电器输出模块互为冗余；机组联锁设计为同部位振动、位移监测值二选二高高跳车，参与跳车的两个振动或位移测点通道分配在同一卡件，故对原设计同部位振动、位移监测量共用同一卡件现象进行调整，通过分配不同卡件通道，做到单点或单卡故障，只报警而不跳车。

另外，原设计探头检测信号通过中间端子排硬线直接引入本特利卡件,在生产运行过程中曾多次出现卡件损坏的现象。经过对系统故障诊断软件信息的收集整理，和本单位相关专业技术人员分析研讨后制定了K空压机控制系统升级改造方案。在机组振动、位移监测回路中间加入隔离栅，同时对安全栅供电进行优化，将安全栅供电回路改为5 个安全栅一组、首尾相连，实现分段、多回路供电，对仪表测量连锁信号的安全栅分开供电，分担电源故障的风险。本文不再对监控系统的技术改造进行深入探讨，通过一系列的深层次的改造，提高了机组运行的可靠性。

1.2 机组监测系统可靠性改造

为保证对机组的可靠检测与控制，通过技改对3500卡件配置进行优化改造。经过对机组出现卡件故障和回路故障的概率进行风险评估后，增加1 块16 点继电器输出模块，与原继电器输出模块互为冗余；机组联锁设计为同部位振动、位移监测值二选二高高跳车，参与跳车的两个振动或位移测点通道分配在同一卡件，故对原设计同部位振动、位移监测量共用同一卡件现象进行调整，通过分配不同卡件通道，做到单点或单卡故障，只报警而不跳车。

2 机组故障诊断频谱分析技术

2.1 机组故障诊断技术理论基础

汽轮机机组的传动部件特别是高速轴轴系在高速运行时，机组存在异常振动和噪声，这些异常参数信息，可以通过幅域分析、时域分析和频域分析等信号处理技术，提取压缩机的故障特征信息，进而了解故障状态的振动机理，从而进一步全面准确判断出压缩机的故障原因[1]。

汽轮机振动的绝大部分信号是由多种激励信号合成的复杂信号，利用傅里叶（Fourier）变换将时域信号x(t)变换成频域信号X(f)。在实际应用中，对机组运行实时监控的振动、位移参数，即时域信号，先经数据采集成非连续的离散序列点x(n),在时窗范围内N点的离散傅里叶变换[2]。

现在机组监控诊断频谱分析仪都是在离散傅里叶变换DFT的基础上，采用快速傅里叶变换FFT技术，将复合的时域信号分离出各频率分量的幅值及相位信息。每一个谐波分量又含有幅值和相位特征量，均表征机组的各种运行状态及故障特征，易于诊断机组故障。轴心轨迹表征轴心上的点相对于轴承座旋转中心涡动的动作轨迹，它直观地反映了转子的实际振动情况[3]。

2.2 汽轮机组运行不良状态及故障诊断分析

2016 年6 月开始，汽轮机变速箱侧振值出现多次波动，工艺操作人员发现振值上升后通过提高润滑油油温和适当降低汽轮机组转速的操作，机组振值回落到了正常值。汽轮机两个互相这种垂直的测振点最大波动量达96μm 左右，逼近联锁跳车值。利用VMS-04B 振动监测分析与平衡系统，连接Bently 3500系统采集压缩机相关轴系监控测量数据，对振动测量数据进行采集，通过时域、频谱及轴心轨迹等处理手段进行分析，发现机组振动主要集中在汽轮机两侧轴，故以汽轮机变速箱侧发生异常的振动，汽轮机的空压机侧振动异常的点为切入点通过不同状态的频谱、轴心轨迹分析如下：

汽轮机处于正常运转工况时的转速约为4340r/min=72.3Hz，即汽轮机基频f=72.3Hz。齿轮箱高速轴正常工况的转速约为10320r/min=172Hz，即齿轮箱高速轴基频为172Hz。这些与汽轮机齿轮箱侧振动异常点正常工况频谱图中的低速轴基频f（72.5Hz）、2f（145Hz），高速轴基频172.5Hz吻合。

汽轮机正常工况下在1倍频（72.3Hz）处有较高振幅，在2倍频和3倍频处只有较低振幅。由于汽轮机与变速箱连接，结合图2 出现丰富的17.5Hz、36.25Hz 等次谐波分量，说明变速箱高速轴存在稍微不平衡的情况[4]。

正常工况下，汽机的振值维持在可以接受的20～30um间，转子不平衡的情况在正常允许范围内。但是从汽轮机正常工况时轴心轨迹出现锯齿尖角现象，时域信号周期重复性差，并出现消波现象，这也印证了正常工况下汽机存在转子摩擦导致的不平衡的情况。

汽轮机在异常工况时，异常测振点振值波动幅度高达80um以上，并且频谱图上存在低频次谐波6.25Hz、25Hz 和72.5Hz、173.75Hz分量。存在的低频次谐波与正常工况时基本吻合，振幅无明显增加。振幅大幅增加主要集中在72.5Hz处（即汽轮机基频）和173.75Hz 处（即变速箱高速轴基频），说明在异常工况下不平衡现象占主导作用。

异常工况下的汽机轴心轨迹椭圆增大且重复性好，说明汽轮机转子振动大，机组运行相对稳定，无其他主导故障。

通过频谱和工艺运行综合分析，判断汽轮机可能出现汽封漏，导致润滑油碳化形成积碳，造成动静部件发生碰磨。振值大幅波动可能原因为润滑油碳化粘挂到转子上导致转子出现不平衡力导致，待碳化物脱落后，平衡状态得到改善，机组恢复正常。

3 机组拆解验证与处理方案

2016 年10 月装置停车，空压机组整体大修。对汽轮机拆开检修时发现，进气侧汽封积碳严重，且汽封磨损严重，导致汽封失效，汽轮机转子并无明显结垢或磨损现象。

汽轮机更换汽封组件，并对转子进行清理。在开车过程和正常生产中，汽轮机组振值正常稳定，运行至今未再次出现类似振动异常波动现象。

4 结语

在线监测与故障诊断技术作为机组监控系统的必要组成部分，是了解和掌握设备在使用过程中的状态，确定其整体或局部运行状况，并对可能出现的故障进行预判并帮助分析其故障机理。在实际生产运用中，频谱分析诊断技术存在较大复杂性。特别是大型机组，既要结合机组实际运行工况，又要对频谱分析的特征谱进行分析，同时存在设备相互关联的情况。