大中型火電機組輔機在線監測診斷系統改造及實現

閻濤

（大慶油田電力集團油田熱電廠，黑龍江 大慶 163314）

1 概述

當今，大中型火力發電廠主機已經成功地進行了DCS、DEH控制系統的改造，使得主機設備和控制系統較為先進，但是，輔機系統的監測診斷水平仍然處于八十年代水平，顯現了先進的主機設備監控與落后的輔機設備管理不協調的局面。為此，經過我們的論證分析后，在油田熱電廠#1機組（單機功率在200MW）實施了“火電機組輔機在線監測診斷系統”技術改造。

目前，主輔設備狀態監測的薄弱環節恰恰是輔機的狀態監測。而輔機監測的主要信息是振動信息以及溫度信息。我廠輔機設備的現狀：輔機工況環境惡劣，監測手段大都停留在人工主觀經驗判斷或依靠人工現場測量方式采集信息，這種方式存在信息量小、信息誤差大，維護管理水平效率低下等問題。另外，這種現狀對于電廠風機、給水泵、磨煤機等重要輔機設備的安全可靠運行非常不利，這將直接關系到電廠的安全生產和經濟運行，對這些設備的狀態進行在線監測、故障診斷是具有非常重要的意義。

據統計，我廠每年由于輔機振動造成的燒瓦事故8起，其它輔機故障13起，每年造成直接經濟損失近20萬元，并且，也影響機組的安全經濟運行，間接的經濟損失也是巨大的。又如：元寶山電廠、雙遼電廠的輔機飛車事故，就是因為沒有輔機狀態的檢測手段，才造成巨大的損失。為此，設計安裝輔機運行狀態在線監測診斷系統勢在必行，系統實施后，可以最大限度地避免安全生產事故的發生，減少經濟損失。

我們這次開發的監測診斷系統由振動傳感器、溫度傳感器等多種傳感器、以及多通道信號變換器和在線數據采集模塊、現場總線轉換卡、工業控制計算機等組成，系統框圖如圖1所示。

2 主要研究內容

2.1 在本次輔機在線監測及診斷系統的設計中，我們采用DSP技術和FCS（現場總線監控）技術相結合的方案，各個輔機設備監測參數的采集采用模塊化設計，數據傳輸采用總線傳輸式設計。不僅可以節省大量的電纜，而且能夠提高數據傳輸的可靠性、及時性和準確性。

2.2 在輔機監控管理平臺的設計中，運用了c++、java和數據庫等軟件技術，設計了良好的人機界面、優異的系統構架、利用豐富的圖形、圖表，多層次、交互式、立體化地展示設備運行現狀、歷史數據、發展趨勢等信息化處理功能。

2.3 在專家診斷環節的設計中，我們結合電廠的實際情況，專門開發了專家軟件包系統，通過頻譜分析法提取出監測系統所涵蓋的更深層次的振動信息，使信息價值的利用大幅提高。

2.4 在數據發布方案的設計中，網站.Net部分由C#語言編寫，與硬件通信部分由一塊PCI接口的CAN總線板卡實現。該卡與總線上的數據進行通訊，并提供相應的API接口將在線監測數據在廠局域網上發布，實現資源共享。

2.5 監控系統與采集系統的數據接口設計。

2.6 下位機采集模塊采用DSP技術，16位A/D采樣，單點采樣率大于100KHz，將振動、噪音、溫度、電流等信號分別進行處理和采集。采用現場總線方式實現數據采集和整合。每一個采集模塊安裝在一個金屬密封盒中，抗干擾、防潮濕達到IP65標準要求。

3 輔機在線監測診斷系統技術指標

采集模件I/O模塊通道：16路；采集模件過程數據最大處理量：1024點；采集模件參數數據最大處理量：512點；歷史數據可存儲3個月；模塊標準信號輸出：4~20mA；振動測試范圍：0~2000μm；頻響特性：1Hz~10KHz；繼電器輸出接點容量：DC24V/3A，AC220V/1A；支持CAN總線通訊協議。

4 技術創新點以及解決的主要問題

開發專家系統軟件包，透過振動信息的表層提取基于頻譜分析法所涵蓋的更深層次的振動信息，使信息的利用大幅提高。

在數據發布方案的設計中，可接入DCS，并可通過廠MIS，將在線監測數據在廠局域網上發布，實現資源共享。

CAN（現場總線）技術的應用，充分利用CAN總線利用率高、傳輸距離遠、傳輸速率高、可靠性強等諸多優點。

信號處理模塊CPU采用DSP處理器，提高信號采集精度與速度。

提供強大的故障診斷專家系統判據及大量的旋轉機械標準故障圖庫。

振動情況分析

我們知道振動超標一直是轉機設備難于解決的技術難題，用什么來量化振動的指標，是有效值還是峰-峰值？怎樣進行頻譜分析更科學？經過反復試驗，最后我們采用振動的峰-峰值來量化振動的指標，結合頻響曲線對頻譜進行分析取得了良好效果。具體情況如下圖。

5 故障診斷

電廠各種類輔機采用速度傳感器進行在線檢測，并利用振動波形及頻譜進行故障原因分析。

故障診斷系統根據實例圖形與典型故障圖形進行對比分析后確定故障原因。

5.1 水泵、風機故障診斷

不平衡故障；不對中故障；軸頸與軸瓦摩擦；軸與葉輪松動；軸瓦枕斷裂故障；基礎松動故障；軸承蓋上螺栓松動故障；煙機殼體變形故障；由于軸承熱膨脹不均造成振動故障。

5.2 電動機故障診斷

電機靜止氣隙間隙增加故障；電機（鼠籠式）鑄條斷裂故障；動態偏心增加；滾動軸承故障根據滾動軸承的幾何尺寸計算各種故障的特征頻率，然后把實例頻率與特征頻率對比，兩者重合或接近的那個頻率代表發生故障（部位）頻率，從而找到發生故障部位，詳見下某軸承故障特征頻率表。

根據實測頻譜圖中的各種頻率值對照特征頻率值，最后確定故障原因是外圈發生故障。

6 經濟效益和社會效益分析

根據我廠的統計數據：由于監控不到，發現不及時，每年將造成的8次以上輔機軸瓦等設被損壞，直接經濟損失13萬元。該項目投入運行后，將會減少經濟損失近13萬元/每年，3到5年收回投資。

系統投入后，大大降低運行人員的勞動強度，并且對于事故的及時發現、及時處理以及事故的分析都具有重大的意義。

7 應用前景

輔機監控管理系統充分應用先進的FCS（現場總線監控技術），現場監控模塊替代監控儀表或單元組合監控裝置，現場模塊靈活方便的就地分散安裝，不需要眾多I/O機柜；監測信息通過共用數字總線進行信息傳輸，不需要敷設大量電纜，安裝、維護簡單、易行。數字信息傳輸的質量是模擬信息傳輸無法相比的。模塊化、總線式輔機監控管理系統具有很強的擴展能力，后續新增監控點，只需增加相應模塊和修改系統配置參數即可。

該系統結合計算機、總線通信方式等先進技術，具有良好的擴展性和升級能力，完全可以在國內同類型200MW機組中推廣。

[1]秦建明,范鑫.汽輪發電機組在線監測與遠程分析系統.期刊論文.船海工程2009

[2]原國成等.電廠輔機振動監測系統研究.期刊論文.黑龍江電力2007.