在线监测诊断系统应用案例

张世伟(中煤鄂尔多斯能源化工有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017317)

1 概述

本特利在线监测系统及传感器在压缩机启停和正常运行中，实时检测转子(轴承)振动、转速、轴向位移、偏心等重要参数，并提供超限报警、停机保护等功能。这样既保护机组也保护生产系统，防止造成大的损失，甚至发生事故。压缩机轴系振动、位移、油压等必须联锁，这对压缩机组的安全稳定运行起着至关重要的作用，特别是空分装置的机组轴系，如果出现任何问题，都将影响后系统装置的生产，在安全、环保及经济方面带来无法估量的损失。

2 在线诊断系统Systemone系统特点

2.1 机组在线诊断的检测系统典型配置

本装置中有四套机组，下面以两套机组为例，配备4个3500标准框架。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

2.2 Systemone系统软件和硬件组成

采用传感器＋3 500(检测和保护)＋Systemone(分析和处理)，由3 500监测模块测量获得的键相、振动、位移、轴瓦温度等测点，不同条件下3 500/22TDI TDI数据采集分为四种条件：稳态数据采集、瞬态数据采集、报警数据采集和实时数据采集。通过3 500/22TDI瞬态数据接口模块，按照TCP/IP的协议和交换机的集成，统一上传到Systemone数据采集服务器。在3 500框架中的3 500/22M，负责完成框架内各模块之间的通讯，同时提供与Systemone通讯的接口。压缩机的运行状态、压力、温度、流量等信号是由DCS/ITCC控制系统数据采集，并通过DCS的以太网OPC服务器，采用OPC标准通讯协议将过程量信号传送到Systemone服务器。TDI为全部框架提供通讯功能，但并不是关键监测通道的组成部分，不影响整个监测系统的正确和常规运行。为了保证Systemone数据采集服务器的时间与DCS/ITCC控制系统时间同步，应通过3 500/22TDI瞬态数据接口模块按照TCP/IP的协议将时钟源引入Systemone服务器，便于整个系统的问题分析和生产运行[1]。

3 Systemone对仪表故障案例分析

3.1 传感器探头和卡件失效

由于传感器造成的振动及轴位移增大的假象较多，振动位移传感器、延长电缆、振动位移3 500/42M模块、3 500/92M通讯模块等整个回路的元器件上都有可能出现问题。一旦出现问题，需要办理联锁票据和3 500组态软件里解除联锁等工作，如果负责人员不清楚联锁逻辑关系，存在非常大的停车风险。因此，通过查看Systemone提供的振动传感器间隙电压趋势图和频谱图来判断传感器是否故障，是一种非常简单、直观、准确的方法。

3.1.1 间隙电压变化判断振动传感器的故障

(1)振动仪表探头故障现象。2016年6月24日，现场某汽轮机的前轴承振动值VIAS2013201B变为零，并卡件报警。经过仔细分析，趋势图如图2所示，某汽轮机的前轴承振动值VIAS2011302B逐渐变为零。从间隙电压和通频值的趋势分析，由于间隙电压的变化导致振动值变为零。该汽轮机其它测点的振动值、位移值和轴瓦温度都正常无变化。

图2 振动仪表探头故障现象趋势图

(2)判断振动仪表探头故障的依据。针对压缩机轴系的振动探头(本特利产品)，其间隙电压与间隙的线性特性为200 mV/mil，换算成公制为7 V/mm或0.00787 V /μm。但是在实际使用中，由于轴系振动间隙的变化，间隙电压按线性特性发生变化。案例中可能存在的状况有：①振动探头的安装有一定的误差性；②运转后转子被油膜托起，处于两侧45°上方的探头间隙电压会有所变化(约0.4 V左右)；③假如振动值超过100 μm，其间隙电压的变化值不会超过0.8 V。

因此，振动仪表探头运行时的间隙电压与初始安装电压相比较，偏差应该在±2～3V 以内。因此，超过2 V振动仪表很可能存在故障，超过3V基本失灵。通过在线状态监测系统存储间隙电压趋势检查，则消除了上述因素的问题，则间隙电压的判断将更为精确、可信。如果间隙电压的变化关系不符合探头特性(7.87 V/mm)，超过±0.5 V，那么振动仪表探头很可能已故障。

根据以上理论依据确认仪表探头故障。仪表人员拆下该探头，通过TK-3振动校验后，发现该探头间隙电压忽有忽无，忽正常忽降低。该探头故障是由于探头的绝缘层在汽轮机中环境温度较高，导致绝缘层碳化严重，造成振动值变化[2]。

3.1.2 间隙电压变化判断3500卡件故障

(1)故障现象。2017年9月2日，现场氮气压缩机的1#大齿轮两个位移同时报警并联锁跳车。经过仔细分析发现，趋势图如图3所示，两位位移值同时变化并达跳车值。仪表人员现场检查位该压缩机其它测点的振动值、位移值和轴瓦温度都正常无变化。

图3 故障现象趋势图

(2)判断振动卡件故障的依据。发现位移卡件的2个通道的振动值都在无规律地变化，通过间隙电压趋势检查发现，间隙电压值呈现下降趋势，最低时仅有2～3V，不符合其间隙电压与间隙的线性特性。

根据以上的现象，确认该振动卡件出现故障，更换卡件后，故障消除。因此当控制系统卡件上发现有问题时，还应到现场进行对照检查。

3.1.3 频率成分判断径向振动仪表探头的故障

(1)故障现象。2013年6月7日，现场某汽轮机机的前轴承振动VIAS2011302A报警并联锁跳车。具体情况如图4，该汽轮机机其它测点的振动值、位移值和轴瓦温度都正常无变化。

图4 瀑布图

(2)判断振动探头故障的依据。我们知道，对于一个复杂、非谐和、周期性的振动信号，可以用傅立叶级数展开的方法得到一系列的频率成分。对振动波形进行 FFT 处理，则得到振动的频谱分布，即频谱图。各种不同类型的故障所引起的振动都有各自的特征频率。根据振动的信号特征，区分出具体的振动故障类型。对于如何判断虚假信号干扰，①波形瞬间急剧变化，甚至呈直线状；②在极低频率处(零频附近)幅值最大。在大机组在线状态监测图谱中，这种现象除齿轮和滚动轴承故障外，多数是由干扰信号所引起的假象。根据以上理论依据确认仪表探头故障。仪表人员拆下该探头，发现振动探头尾线自身铠甲及绝缘破损。

因此，在进行机组故障故障诊断时，必须确认机组仪表上位机的指示值是否真实可靠、确保仪表自身无故障，避免因振动仪表故障造成机组停车，甚至大修机组。

4 结语

机组诊断系统(SYSTEMONE)造价虽高，但是其数据采集的稳定性、采样精度高，数据分析功能丰富，可以结合过程量数据、振动波形等多种状态监测参数。该系统可以有效地鉴定分析机组振动问题，同时降低维修成本，进而减少甚至可以避免生产过程中意外停机或强制停机等情况产生的重大损失，提高工厂的经济效益和社会效益。