汽轮机轴系的状态检修

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摘要：分析了气轮机轴系状态检修的重要性，介绍了一种新颖的“气轮机轴系预测维修系统”，给出了其硬件和软件，该系统在电厂实际运行中取得了很好的效果。

关键词：气轮机轴系 状态检修

1、概述

汽轮机是机组安全、经济运行中最重要的设备之一，而汽轮机轴系动力系统的运行状态又是汽轮机这一设备中最关键、最难于分析的运行状态，其中与汽轮机轴系动力系统运行状态相关的数据更是很难获取。为了进一步提高汽轮机发电机组运行的经济性，达到实现状态检修的目的，我们根据多年来在电厂技术监督及基建调试的经验和理论的结晶，研制和开发了“汽轮机轴系预测维修系统”。该系统通过汽轮机监视和保护仪表(TsI)系统的缓冲接口，可以实时、自动、连续地采集和存储汽轮机轴系动力系统的各种数据，提供了完整的轴系运行档案；特别是它提供了目前国内外诸多系统所没有的、多种特殊的分析手段。

该系统具有下列功能和特点：

汽轮机停机时和正常运行中，轴瓦磨损的精确检测。为确定汽轮机是否需要揭开轴承盖检修而提供可靠的依据，检测精度达到微米级。 汽轮机的轴颈和轴瓦间最小油膜厚度的精确检测。观察最小油膜厚度长时间在径向轴承间隙内的变化情况和变化趋势，可以比其它参量提早很多显示许多振动故障的发展，为早期故障诊断和预测提供了确切可靠的数据，检测精度达到微米级。 汽轮机组油系统(油质)状态的在线诊断功能。为运行人员提供了油状态的实时在线监测，从而可以对汽轮机油系统故障进行早期预报，减少或避免被动停机故障的发生。

在事故状态下，利用状态检修的数据，汽轮机无需开缸，转子中心精确定位、快速更换轴瓦功能。(十几天的工作只需要 2 天就可以完成)。 提供传统的故障分析手段：转子位置图、轴心轨迹图、频谱图、波德图、级联图、极坐标图、瀑布图、时基图、事件异常等，可以在机组工作状态不正常的情况下，进一步分析振动的性质，诊断出汽轮机轴系的具体的故障原因。 采集汽轮机轴系的数据是同时采用两种方式：(任意设置)时间间隔和转速间隔，从而提供了一个实时的、全方位的轴系运行档案。 电厂普通的汽轮机检修人员使用该系统就可以进行汽轮机轴系的早期故障诊断和状态检修。避免了以前此类工作完全依赖汽轮机振动专业人员的情况。

该系统采集数据是通过 TsI 系统的缓冲接口，因而不会影响机组的安全运行。由于该系统使用的是 TsI 系统的传感器，因此汽轮机现场无安装工作，维护方便。 通过 TCP／IP 和以太网连接，其通讯速率可达 10Mbps。可以将上述各项功能在DCS 系统的操作员站上完成，即和 DCS 系统溶为一体，方便了运行人员的使用；也可以将上述各项功能组成一个单独的系统供检修人员使用，并把数据远传之电力诊断中心，请振动专家分析。

2、硬件部分

32个通道的高速同步瞬态数据采集系统是硬件部分的技术关键。该数据采集部分采用的是 12 位的 A／D 转换电路，考虑到涡流振动传感器的最高输出电压为 24V，因此，数据采集系统的分辨率为 5．859mv／LSB。由于汽轮机轴系振动传感器的灵敏度一般为 7．874mv／um，因此采集系统的精度可以达到 1 个微米。为了达到这个精度和减少 1LsB 波动所可能产生的误差，同时提高采集系统抗干扰的能力，在数据采集和予处理的软、硬件方面，根据采集数据信号的性质不同(主要是判定汽轮机是工作在升、降速状态，还是工作在稳定转速的情况下)，使用了多项特殊的方式自动切换不同的数据处理环节。 在数据采集系统中，采用一个同步脉冲的上升沿同时锁定 32 路数据信号的方法，以保证 32 路采集数据的同步精度。每路数据采集通道在汽轮机每转时采 32 个点。为了保证使用快速富氏变换(FFT)的 8 倍频信号的有效性，由锁相环等组成的瞬态数据采集系统的硬件同频带大于 400Hz。各路振动信号的相位角由 FFT 计算产生，这样通过系统的精细调试，可以严格保证振动信号相位角的精度。

3、软件部分

汽轮机轴系状态分析软件包是本项专题的研究重点。其中一个很重要的原因在于目前国内外在该领域中，大多数系统及软件是用于故障的诊断和分析。对于汽轮机轴系进行全方位在线状态检修(预测性维修)方面的软件还是一个空白，可以借用的技术手段也还很少，这就给我们研制和开发增加了很大的难度。汽轮机轴系状态分析软件包有十几种重要的功能，限于篇幅，本文将重点介绍其中的一种功能：SAPF 模型的允许区域判定法。

建立每个轴瓦的“同步振幅、相位因子”模型(简称：SAPF。即：SynchronousAmplitudeandPhaseFactor)，是国际上用于重型卧式机器状态检修时的一种方法。但实际使用时，有一定的困难，主要在于模型必须要建立得准确。我们根据多年的实际经验和理论分析，根据国内机组的实际情况，推出了我们自己的SAPF 模型，用于我电厂#4 机组。

该模型建立按照以下三个原则：

(1)小信号不监测相位。这是因为在小信号中往往含有大量的高次谐波(信噪比太小，误差大)，而且其振幅也小，相位信号参考意义不大。

(2)测量信号在使用机组负荷修正后，重点要判定该信号是否对其它轴段传递了不平衡量。

(3)建模信号经多种数理方法处理，并以欧洲标准 ISO／CDl0816―2 为建摸参考依据。

经过 20 个月运行，该模型准确地反映了机组的运行状态。表明：#4 机组轴系运行基本正常。顺便指出，美国 BENTLY(本特利)公司的 DM2000 系统也提供类似的功能。但其系统不提供 SAPF 模型，而是由使用者自行设置各个振动矢量的振幅和相位的报警值(即允许区域的边界)，这样软件编制容易，但在给使用者灵活性的同时，也要求使用者有很高的专业水平，给国内电厂的普通用户带来了困难。 机组中安装的 TsI 系统是仅用于监视汽轮机轴系振动的振幅，而 SAPF 模型的允许区域判定法则不仅监视振幅而且还监视相位角是提供给电厂汽机点检人员一种判定汽机轴系运行状态的最简便的方法。

4、结论

限于本文章的篇幅，其它功能无法逐一详述。实际上，机组轴系的状态检修不需要非常高深的汽机动力方面的专家来做，只需要把“汽轮机轴系预测维修系统”中的“最小油膜厚度和方位矢判定法”、“SAPF 模型的允许区域判定法”和“轴瓦的动、静态磨损判别”等等几种简单的功能用好，就能够发现机组轴系工作状态异常，就可起到事半功倍的作用，许多工作可以让计算机去做。在发现机组轴系工作状态异常后，下一步更具体的诊断工作可以交给振动方面的专业人员使用该系统(通过人机对话)去做。