在線監測與頻譜分析在汽機故障診斷中的應用

張殿樹（上海塞維斯玻璃有限公司，上海201419）

0 引言

所在公司化工項目空氣壓縮機組于2006 年開車投用，是我國當時設計制造的最大成套工業壓縮機組之一，也是該項目的核心裝置，主要為CTA氧化反應提供空氣來源。同時還為整個項目所有儀表氣動閥門提供氣源，它的穩定運行是全裝置長周期運行的前提。空壓機組是一種多級離心式壓縮機，主要有定子（機殼、隔板、密封、平衡盤密封、軸端密封）、轉子（軸、葉輪、隔套、平衡盤、軸套、半聯軸器等）及支撐軸承、推力軸承等組成。壓縮機組由空氣壓縮機和增壓機組成，通過汽輪機拖動。汽輪機為雙出軸，一端直接帶動空壓機，另一端通過增速箱增速后拖動增壓機。空壓機分低壓缸、中壓缸，機殼為水平剖分式結構，增壓機機殼為垂直剖分結構。

1 機組監控系統

1.1 機組監測系統配置

為保證對機組的可靠檢測與控制，通過技改對3500 卡件配置進行優化改造。經過對機組出現卡件故障和回路故障的概率進行風險評估后，增加1 塊16 點繼電器輸出模塊，與原繼電器輸出模塊互為冗余；機組聯鎖設計為同部位振動、位移監測值二選二高高跳車，參與跳車的兩個振動或位移測點通道分配在同一卡件，故對原設計同部位振動、位移監測量共用同一卡件現象進行調整，通過分配不同卡件通道，做到單點或單卡故障，只報警而不跳車。

另外，原設計探頭檢測信號通過中間端子排硬線直接引入本特利卡件,在生產運行過程中曾多次出現卡件損壞的現象。經過對系統故障診斷軟件信息的收集整理，和本單位相關專業技術人員分析研討后制定了K空壓機控制系統升級改造方案。在機組振動、位移監測回路中間加入隔離柵，同時對安全柵供電進行優化，將安全柵供電回路改為5 個安全柵一組、首尾相連，實現分段、多回路供電，對儀表測量連鎖信號的安全柵分開供電，分擔電源故障的風險。本文不再對監控系統的技術改造進行深入探討，通過一系列的深層次的改造，提高了機組運行的可靠性。

1.2 機組監測系統可靠性改造

為保證對機組的可靠檢測與控制，通過技改對3500卡件配置進行優化改造。經過對機組出現卡件故障和回路故障的概率進行風險評估后，增加1 塊16 點繼電器輸出模塊，與原繼電器輸出模塊互為冗余；機組聯鎖設計為同部位振動、位移監測值二選二高高跳車，參與跳車的兩個振動或位移測點通道分配在同一卡件，故對原設計同部位振動、位移監測量共用同一卡件現象進行調整，通過分配不同卡件通道，做到單點或單卡故障，只報警而不跳車。

2 機組故障診斷頻譜分析技術

2.1 機組故障診斷技術理論基礎

汽輪機機組的傳動部件特別是高速軸軸系在高速運行時，機組存在異常振動和噪聲，這些異常參數信息，可以通過幅域分析、時域分析和頻域分析等信號處理技術，提取壓縮機的故障特征信息，進而了解故障狀態的振動機理，從而進一步全面準確判斷出壓縮機的故障原因[1]。

汽輪機振動的絕大部分信號是由多種激勵信號合成的復雜信號，利用傅里葉（Fourier）變換將時域信號x(t)變換成頻域信號X(f)。在實際應用中，對機組運行實時監控的振動、位移參數，即時域信號，先經數據采集成非連續的離散序列點x(n),在時窗范圍內N點的離散傅里葉變換[2]。

現在機組監控診斷頻譜分析儀都是在離散傅里葉變換DFT的基礎上，采用快速傅里葉變換FFT技術，將復合的時域信號分離出各頻率分量的幅值及相位信息。每一個諧波分量又含有幅值和相位特征量，均表征機組的各種運行狀態及故障特征，易于診斷機組故障。軸心軌跡表征軸心上的點相對于軸承座旋轉中心渦動的動作軌跡，它直觀地反映了轉子的實際振動情況[3]。

2.2 汽輪機組運行不良狀態及故障診斷分析

2016 年6 月開始，汽輪機變速箱側振值出現多次波動，工藝操作人員發現振值上升后通過提高潤滑油油溫和適當降低汽輪機組轉速的操作，機組振值回落到了正常值。汽輪機兩個互相這種垂直的測振點最大波動量達96μm 左右，逼近聯鎖跳車值。利用VMS-04B 振動監測分析與平衡系統，連接Bently 3500系統采集壓縮機相關軸系監控測量數據，對振動測量數據進行采集，通過時域、頻譜及軸心軌跡等處理手段進行分析，發現機組振動主要集中在汽輪機兩側軸，故以汽輪機變速箱側發生異常的振動，汽輪機的空壓機側振動異常的點為切入點通過不同狀態的頻譜、軸心軌跡分析如下：

汽輪機處于正常運轉工況時的轉速約為4340r/min=72.3Hz，即汽輪機基頻f=72.3Hz。齒輪箱高速軸正常工況的轉速約為10320r/min=172Hz，即齒輪箱高速軸基頻為172Hz。這些與汽輪機齒輪箱側振動異常點正常工況頻譜圖中的低速軸基頻f（72.5Hz）、2f（145Hz），高速軸基頻172.5Hz吻合。

汽輪機正常工況下在1倍頻（72.3Hz）處有較高振幅，在2倍頻和3倍頻處只有較低振幅。由于汽輪機與變速箱連接，結合圖2 出現豐富的17.5Hz、36.25Hz 等次諧波分量，說明變速箱高速軸存在稍微不平衡的情況[4]。

正常工況下，汽機的振值維持在可以接受的20～30um間，轉子不平衡的情況在正常允許范圍內。但是從汽輪機正常工況時軸心軌跡出現鋸齒尖角現象，時域信號周期重復性差，并出現消波現象，這也印證了正常工況下汽機存在轉子摩擦導致的不平衡的情況。

汽輪機在異常工況時，異常測振點振值波動幅度高達80um以上，并且頻譜圖上存在低頻次諧波6.25Hz、25Hz 和72.5Hz、173.75Hz分量。存在的低頻次諧波與正常工況時基本吻合，振幅無明顯增加。振幅大幅增加主要集中在72.5Hz處（即汽輪機基頻）和173.75Hz 處（即變速箱高速軸基頻），說明在異常工況下不平衡現象占主導作用。

異常工況下的汽機軸心軌跡橢圓增大且重復性好，說明汽輪機轉子振動大，機組運行相對穩定，無其他主導故障。

通過頻譜和工藝運行綜合分析，判斷汽輪機可能出現汽封漏，導致潤滑油碳化形成積碳，造成動靜部件發生碰磨。振值大幅波動可能原因為潤滑油碳化粘掛到轉子上導致轉子出現不平衡力導致，待碳化物脫落后，平衡狀態得到改善，機組恢復正常。

3 機組拆解驗證與處理方案

2016 年10 月裝置停車，空壓機組整體大修。對汽輪機拆開檢修時發現，進氣側汽封積碳嚴重，且汽封磨損嚴重，導致汽封失效，汽輪機轉子并無明顯結垢或磨損現象。

汽輪機更換汽封組件，并對轉子進行清理。在開車過程和正常生產中，汽輪機組振值正常穩定，運行至今未再次出現類似振動異常波動現象。

4 結語

在線監測與故障診斷技術作為機組監控系統的必要組成部分，是了解和掌握設備在使用過程中的狀態，確定其整體或局部運行狀況，并對可能出現的故障進行預判并幫助分析其故障機理。在實際生產運用中，頻譜分析診斷技術存在較大復雜性。特別是大型機組，既要結合機組實際運行工況，又要對頻譜分析的特征譜進行分析，同時存在設備相互關聯的情況。