大型機泵健康診斷與評估系統在原水廠的應用

顧 卿

(上海城投原水有限公司長江原水廠，上海 200949)

隨著上海城投水務集團設備檢修體制改革的推進，水務集團設備科學管理水平和整體經濟效益的提高，原水公司從歷年的機泵計劃檢修體制中不斷總結經驗，提出了原水廠逐步實現狀態檢修的設想。上海城投原水有限公司機泵健康診斷與評估系統在充分分析現場設備管理的需求基礎上，提出了一整套針對大型水泵的健康監測、綜合評價、趨勢預測的解決方案，形象直觀，深入淺出地展現設備狀態，為提升上海城投原水設備管理水平做出了積極的探索。

1 系統概況

長江原水廠機泵健康診斷與評估系統是一套以振動診斷技術和電氣診斷技術為主的監測評估系統。該系統有兩個方面的功能：一是狀態監測，即實時監測機泵的振動、溫度、電流等動態數據；二是對機泵進行健康評估，綜合機泵的振動評價、溫度評價、電氣評價、潤滑評價、效率評價、運行時間6大評價功能，給出機泵總體健康狀態評價結果，深入淺出，結果以簡單的綠、黃、橙、紅4態顯示。

長江原水廠機泵健康診斷與評估系統的應用讓機泵狀態檢修成為可能，在設備正常運轉沒有發現故障時可以不檢修，在發現故障前兆時能及時發出報警信息。按診斷出故障的性質和部位，可以有目的地進行檢修。把計劃檢修改為狀態檢修，不但節約了大量的維修費用，而且由于減少了許多不必要的維修時間，大大增加了機泵的運轉時間，大幅度地提高生產率，產生巨大的經濟效益[1-2]。

2 硬件配置

機泵健康診斷與評估系統需要配置傳感器、采集器、交換機、服務器、工作站，根據機泵設備診斷需求，選擇的傳感器包括：加速度傳感器、電渦流傳感器、溫度傳感器、霍爾感應傳感器、鍵相傳感器等。

長江原水廠一共有5個泵站，第一取水泵站、第二取水泵站、第一輸水泵站、第二輸水泵站、泰和泵站，現有主機泵30臺，已全部安裝了在線監測設備。除了對機泵的振動、擺度情況進行在線監測，對機泵的電流、功率、溫度、轉速、流量、出口壓力、進口壓力(進口水位)等也進行了在線監測。

第一輸水泵站和泰和泵站為臥式離心泵，共14臺，振動傳感器測點布置為：電機前軸承，徑向2個，軸向1個；電機后軸承，徑向2個；水泵前軸承，徑向2個；水泵后軸承，徑向2個。臥式離心泵測點位置如圖1所示。第二輸水泵站和取水泵站為立式斜流泵，共16臺，振動傳感器測點布置為：電機上軸承，徑向2個，軸向1個；電機下軸承，徑向2個；水泵與電機的聯軸器處，有1個鍵相傳感器和2個徑向非接觸式(電渦流)傳感器。立式斜流泵測點位置如圖2所示。霍爾感應電流傳感器接在電機電源線外壁(3相)。其中振動、擺度、轉速和電流等數據直接由ICS3000采集器采集，溫度、壓力、液位和功率等數據由OPC接口輸入，點檢潤滑類信息由人工交互輸入，運行時間由系統自動統計。系統的總體拓撲結構如圖3所示。

圖1 臥式離心泵測點位置示意圖Fig.1 Diagram of Monitoring Point Positions of Horizontal Centrifugal Pump

圖2 立式斜流泵測點位置示意圖Fig.2 Diagram of Monitoring Point Positions of Vertical Diagonal-Flow Pump

圖3 系統的總體拓撲結構Fig.3 Overall Topology of System

3 分析評價

3.1 振動分析和振動評價

3.1.1 振動分析

振動信號是反映機械設備運行狀態最靈敏、最直接的信號。引起機泵振動的因素很多，由機械振動、水力振動、電氣振動，甚至是多種因素造成[3-4]。

長江原水廠機泵健康診斷與評估系統中使用的振動分析方法有很多，在實際應用中主要使用波形圖分析、頻譜圖分析和軸心軌跡分析。波形圖是直接在時域中對信號進行分析的方法，時域分析具有直觀、準確、易于理解等優點[5]。

頻譜圖是機械故障診斷中用得最廣泛的信號處理方法之一。對振動信號進行頻譜分析，可以確定最大頻率分量，從而找出故障所在。在實際應用中，值得注意的是，頻譜圖中所說的工作頻率(工頻)，不是指機泵變頻器的運行頻率，而是指工作轉速除以60所得的轉速頻率，如“5X”代表“5倍工頻”，以此類推。常見振動故障頻譜特征，如圖4所示。滑動軸承油膜渦動的頻率通常略低于轉速頻率的一半，油膜渦動與油膜振蕩是高速滑動軸承特有的一種故障，長江原水廠機泵轉速比較低，故一般不會產生這類故障。滾動軸承故障的特征頻率為0.5倍滾動體數目乘以轉速頻率。滾動軸承保持架不平衡故障的特征頻率為0.5倍的轉速頻率。

圖4 常見振動故障頻譜特征Fig.4 Frequency Spectrum Characteristics of Common Vibration Faults

軸心軌跡是機泵運行狀態的重要參數，正常運行的機泵軸心所產生軌跡是略成橢圓形(近似圓形)，如果出現故障，則其軸心軌跡將發生明顯的改變。常見振動故障軸心軌跡，如圖5所示。轉子碰摩是轉子與固定部件之間產生的接觸摩擦，當出現轉子局部碰摩時，軸心軌跡是一個內“8”字形或花瓣形；當出現轉子全周碰摩時，軸心軌跡是一個圓形或橢圓形，且軸心軌跡比較雜亂，全周碰摩對機泵的損害很大[6]。

圖5 軸心軌跡圖Fig.5 Axis Trajectory

汽蝕振動主要產生于離心泵。汽蝕產生的水錘壓力很高，使水泵的邊壁遭受侵蝕和破壞，引起離心泵強烈的振動和噪聲，使水泵的揚程、流量和效率下降，因此離心泵應盡量避免在汽蝕狀態下運行。

引起電磁振動的主要原因有定子鐵芯松動、定子繞組松動、定子與轉子的空氣隙不均勻、轉子線圈短路、電機在不對稱工況下運行、變頻器引起的共振等。偶數倍轉速頻率是電機電磁振動的主要特征。

3.1.2 振動評價

振動評價是選取徑向通道相對于報警值比值最大的通道作為代表，通過復雜計算獲取轉子相關評價結論、軸承相關評價結論、擺度相關評價結論。振動評價標準如表1所示。

表1 振動評價標準Tab.1 Vibration Evaluation Standard

3.2 電機診斷和電氣評價

3.2.1 電機診斷

系統的電機診斷功能，是在電機運行過程中，高速采集三相動態電流，細化分析其頻率成份，來評價電機工作狀態。電機診斷可以對電機的電氣相不平衡，過載，缺相，轉子斷條，匝間短路和動態偏心等常見電機故障進行識別和嚴重程度的判斷。

通過PARK矢量法，將定子三相電流從三維坐標系轉到二維坐標系中，正常狀態下形成的矢量軌跡是一個圓，通過長短軸的長度和偏轉方向變化來判定故障類型和程度。用此方法可顯著提高電氣診斷的準確性，且更形象直觀，可以及時發現電機早期故障，避免重大損失。常見電機診斷中三相動態電流的PARK矢量軌跡如圖6所示[7]。

圖6 三相動態電流的PARK矢量軌跡圖Fig.6 PARK Vector Trajectory of Three-Phase Dynamic Current

3.2.2 電氣評價

系統通過對電機動態電流的細化分析提供相不平衡評價、過載評價、缺相評價和匝間短路評價，通過電源頻率FL處幅值與其電機通過頻率FP處幅值之比進行轉子斷條評價，通過電機動態電流的頻譜分析進行動態偏心評價。

(1)相不平衡

電機三相電流不平衡度Imbalance如式(1)。

Imbalance=(Imax-Imin)/Imax

(1)

其中：Imax——最大電流，A；

Imin——最小電流，A。

相不平衡評價標準如表2所示。

表2 相不平衡評價標準Tab.2 Evaluation Standard of Phase Imbalance

(2)過載

電機過載Overload如式(2)。

Overload=(Imax-IN)/IN

(2)

其中：Imax——最大電流，A；

IN——額定電流，A。

過載評價標準如表3所示。

表3 過載評價標準Tab.3 Overload Evaluation Standard

3.3 溫度評價

系統對于監測溫度均進行預處理后參與評價，預處理主要考慮環境溫度的影響，同時考慮轉速對其的影響。得出歸一化的溫度值，然后進行評價。以上導溫度為例，進行溫度數據預處理：取上導的最近10個測溫值，從中去除最大值和最小值，剩余8個做平均處理。其平均值減去環境溫度，差值再乘以環境溫度系數(比如1.5)，其結果作為上導的歸一化溫度,如式(3)。

(3)

其中：Ti——上導測得的溫度，℃；

Tenv——環境溫度，℃；

Kenv——環境溫度系數，根據Tenv的大小可以設為1.5(Tenv>30)或者0.6(Tenv<10)，中間Tenv的范圍Kenv約為1；

Krpm——轉速溫度系數，以495～490 r/min為系數1.0，以330～350 r/min為系數1.132，中間每隔5轉為一級，每級相差約0.004，用插入法設定。

下導、推力、定子等溫度處理方法相同。溫度評價標準如表4所示。

3.4 潤滑評價

系統帶有潤滑提醒功能，3#鋰基脂的潤滑周期為2 000 h，46#汽輪機油的潤滑周期為8 000 h。潤滑評價舉例：上次潤滑時間2018年11月21日12∶00，加油后累計運行1 990 h，潤滑周期為2 000 h，還可以繼續運行10 h。

表4 溫度評價標準Tab.4 Temperature Evaluation Standard

長江原水廠每年保高峰過后都會對機泵軸承的潤滑油進行取樣送檢，檢測項目為理化分析、發射光譜分析和直讀鐵譜分析，分析潤滑油中的水份、運動粘度、15種金屬元素的含量、金屬顆粒的小磨粒讀數值、大磨粒讀數值、磨粒濃度值、磨損烈度指數值。通過對潤滑油的檢測，了解機泵軸承的磨損狀態，并及時采取有效措施，扼制惡性事故的發生，確保機泵處于正常工作狀態。

3.5 運行評價

根據機泵累計運行時間長短進行運行時間評價，運行時間評價標準如表5所示。

表5 運行時間評價標準Tab.5 Evaluation Standard of Operation Time

3.6 效率評價

根據機泵的轉速、功率、前池液位、流量、壓力等信息計算機泵運行效率,如式(4)。

(4)

其中：η——機泵效率；

H壓力——揚程，通過測得的壓力值(kPa)/10即可換算出揚程值，m；

H前池——前池液位，m，H壓力與H前池兩者之差為凈揚程；

Q瞬時——瞬時流量，m3/h；

P輸入——機泵輸入功率，kW，公式的分子部分為計算功率。

效率評價標準如表6所示。

表6 效率評價標準Tab.6 Efficiency Evaluation Standard

4 綜合評價

(1)根據水桶原理(短板效應)，設備運行健康狀態取決于狀態最差的環節，構成評價要素的各個部分往往是優劣不齊的，而劣勢部分往往決定了整個機泵的設備健康水平。

(2)機泵的綜合評價(H)主要由6個分項評價綜合得出，這6個分項評價分別是振動評價(V)、溫度評價(T)、電氣評價(C)、潤滑評價(R)、運行時間評價(RT)和運行效率評價(N)。其中第一輸水泵站和泰和泵站因沒有單泵流量儀，故沒有運行效率評價。

(3)依據各項指標對設備健康狀態的影響程度，設置權值系數(W)，綜合評價的各項指標權重系數如表7所示。

表7 綜合評價的各項指標權重系數Tab.7 Weight Coefficient of Each Index in Comprehensive Evaluation

(4)各項指標按一定邏輯計算出機泵設備健康綜評值(H),計算如式(5)。

(5)

其中：WV——振動權重系數；

WT——溫度權重系數；

WC——電氣權重系數；

WR——潤滑權重系數；

WS——點檢權重系數；

WRT——運行時間權重系數；

WN——運行效率權重系數。

代入權重系數后，如式(6)。

(6)

其中：S——點檢評價值，用1、2、3、4分別代表評價狀態為良好、可用、需檢查、需停機。

點檢評價是由人工輸入點檢情況并進行評價，長江原水廠暫時沒有使用點檢評價，故假設點檢評價狀態為良好，點檢評價等級值S=1，然后代入前面各分項評價等級值，算出的設備健康綜評值對應一個設備健康綜合評價，如表8所示。

系統的評價結論劃分4檔：H1—良好(綠色)、H2—可用(黃色)、H3—需檢查(橙色)和H4—停機(紅色)。綜合評價結果如圖7所示。

表8 設備健康綜評值對應表Tab.8 Corresponding Table of Equipment Health Comprehensive Assessment

圖7 綜合評價結果Fig.7 Comprehensive Evaluation Result

5 技術難題

(1)臥式離心泵可以監測水泵軸承和電機軸承的振動，但是立式斜流泵只能監測電機上導軸承、下導軸承、推力軸承的振動，聯軸器上部的擺度，無法監測水泵軸承支架處的振動。

(2)電流監測顯示值與機泵變頻器輸出的電流值有偏差，電流監測值只能看趨勢，不能作為電流大小的依據。

(3)系統數據庫中的健康評估、振動、擺度、轉速、電流、環境溫度等數據暫時不能被其他生產系統讀取，計劃構建物聯網平臺，完善資源共享功能。

(4)由于機泵的機械振動所產生故障具有一定復雜性，該故障不僅包含了機械因素，還應綜合流體因素、動壓力因素、泵機的電磁力因素等重要影響因素，進而推測判斷其故障。長江原水廠的第一輸水泵站、第二輸水泵站、泰和泵站都是并聯多臺水泵的運行工況，并聯運行需要出口壓力相同，由于水泵揚程不一樣，搭配不合理造成的振動，系統無法分析識別。

(5)系統對機泵基礎傾斜、管網共振、葉輪氣蝕情況、填料磨損情況等無法進行分析判斷。

(6)由于機泵的故障診斷具有較強實踐性技術，其研究者應盡可能結合現場診斷的實際經驗，由具備豐富知識的診斷專家提出診斷的實際方法或思維，進而構建智能化的診斷推理機制。但目前大多數的研究者都極度缺少診斷現場實際經驗，并對故障的特點掌握甚少，故難以把實際經驗運用相關手段轉變成有利于診斷的推理機制。

6 結語

長江原水廠機泵健康診斷與評估系統通過采集現場振動、擺度等反映機泵的振動信號和來自控制系統電氣、工藝以及環境參數等信息進行綜合連續在線監測，其核心思想是將設備的振動、溫度、電氣、潤滑、運行時間、效率等項目進行分項評價，將這6項的評價總體結果作為機泵設備的健康狀態。

隨著機泵健康診斷與評估系統的廣泛應用，維修方式正在發生著深刻的變化，狀態檢修已成為今后企業設備維修的發展方向，這使得設備故障在未發生前得到恰當的處理，大大節省了維修時間和維修成本。可以預知，機泵健康診斷與評估系統在未來水務行業將發揮越來越大的作用。