燃氣輪機振動數據采集及分析

徐文濤

(南京汽輪電機(集團)有限責任公司，南京 210037)

在透平機械設備中，振動一直是一個影響機組安全運行的重要因素，更是影響機組壽命的關鍵因素。本文將以燃氣輪機為例，對振動的產生因素、降低方法、振動監測方面進行詳細說明。

1 燃氣輪機找中

對于燃氣輪機，找中是保證較小振動的首要工作。燃氣輪機在工廠組裝時，就應該對燃氣輪機進行工廠找中，到達現場后還應該對其進行現場找中，即為冷態找中。冷態找中數據是根據熱態對中狀態下預計的熱膨脹量而得出的最佳冷態找中值。找中設定值是依據適當的軸承負載、最小軸彎曲應力和軸穿過軸承時最小斜率的狀態確定的[1]。找中時應考慮軸系的臨界轉速，并留有安全余量。以江陰某6F.03現場找中為例，發電機對負荷齒輪箱的找中，其法蘭相對位置如圖1所示，圖中單位為mm。其中，現場實際所測數據中，底部開口為0.007 5 mm，發電機法蘭高出1.01 mm，端面平行右開口為0.012 5 mm，發電機法蘭靠右側0.08 mm，均在標準范圍內。

圖1 發電機對齒輪箱的找中位置示意圖

燃氣輪機對負荷齒輪箱的找中，其法蘭相對位置如圖2所示，圖中單位為mm。其中，現場實際所測數據中，底部開口為0.09 mm，燃氣輪機法蘭高出0.14 mm，端面平行右開口為0.005 mm，燃機法蘭靠右側0.57 mm，均在標準范圍內。

圖2 燃氣輪機對齒輪箱的找中位置示意圖

2 燃氣輪機啟動

為防止燃氣輪機啟動時振動過大，應注意以下幾個問題：

1) 盤車前必須提供足量的潤滑油至需要用油的部位，并檢查是否有潤滑油泄漏的情況。

2) 在所有條件具備的情況下，點動盤車電機，觀察盤車電機轉動方向是否正確，進而確定燃氣輪機的轉動方向是否正確。

3) 啟動盤車電機，查看啟動電機電流是否正常。

4) 盤車時檢查現場情況，是否有摩擦聲或過度振動的情況。

3 燃氣輪機停機

燃氣輪機停機時，需要特別注意燃氣輪機轉子的冷卻，轉子必須持續旋轉至少8 h，并且輪間溫度必須小于或等于150℉(65.6 ℃)。在強制冷卻期間，任何時候都不允許點火啟動燃氣輪機。停機期間持續盤車是為了防止燃氣輪機轉子從高溫到常溫時產生變形，從而引起下次啟動時燃氣輪機振動過大。

4 振動傳感器

燃氣輪機上的振動傳感器分為兩種。一種是安裝在軸承座上的振動傳感器，適用于測量垂直或水平方向振動，我們稱之為瓦振，用于發出報警和跳閘信號(見圖3)。當振動達到25.4 mm/s時，輸出電壓為(150±4.5)mV,輸出電壓達到峰值，監測系統發出燃氣輪機跳閘信號；當振動達到12.7 mm/s，監測系統發出燃氣輪機振動高的報警信號。還有一種是伸入到軸承箱里的振動傳感器，用于測量軸頸表面和軸承之間的相對運動，我們稱之為軸振，只參與報警而不作為跳機信號(見圖4)。探頭到轉子表面間隙的標定標準為：信號放大器的輸出電壓-10.5 VDC，允許偏差在0.5 VDC以內。

圖3 軸瓦振動傳感器

圖4 軸承振動傳感器

5 監測系統

燃氣輪機性能振動數據采集系統是可實現同步測量機組的轉速、通頻振幅、選頻振幅及相位，記錄完整的振動原始數據，不僅可提供轉速-時間曲線、振動-轉速曲線或振動-時間曲線，而且可提供振動的時基圖、軸心軌跡圖、頻譜圖、階次譜、升降速的波特圖、極坐標圖、三維轉速頻譜圖等。

在燃氣輪機上安裝了轉速傳感器，在1#、2#軸承安裝了振動速度傳感器。4個振動速度傳感器信號及燃氣輪機轉速傳感器信號進入數據采集箱。

數據采集箱記錄機組升速、穩速、降速全過程的振動、轉速數據，并可提供振動波形及頻譜、振動-轉速曲線或振動-時間曲線。由于采用了當前最先進的轉速跟蹤、整周期采樣及FFT分析技術，不僅可測量振動的通頻振幅，而且可以測量振動的工頻分量、相位及其高倍頻的幅值、相位。

在機組進行啟動程序時，需進行以下振動測量。

1) 1#軸承的垂直和水平方向(1Y、1X)、2#軸承的垂直和水平方向(2Y、2X)的振動速度在12～600 Hz范圍內的通頻振幅，且為振動速度的真單峰值，單位mm/s。

2) 振動速度測點1Y、1X、2Y、2X的選頻值，即工頻振幅，單位mm/s。

3) 1Y或2Y的工頻(或二倍頻)相角，以確定“異常點”即不平衡角的位置。

6 振動測量的原理

6.1 通頻振幅測量

來自燃氣輪機的振動速度信號經電壓放大和12～600 Hz帶通濾波器濾波后進入AD模數轉換卡。測試系統以2 560 Hz的采樣頻率對每路振動測點截取1 024個點的振動信號后，對所獲得的振動樣本通過全過程搜索得到振動的最大值(正峰或負峰)。此最大值即為此轉速(或此時刻)該測點的振動通頻振幅。

6.2 選頻振幅的測量

為了測試振動量，必須合理地在機組上安裝振動傳感器及轉速傳感器，將振動傳感器的測試信號及轉速信號接入一接口箱，在該接口箱中要完成帶通濾波、放大、轉速整形等功能處理。將處理后的振動信號送給模/數轉換板，通過模/數轉換后，將模擬信號轉換為數字信號給計算機處理。同時接口箱處理后的轉速通道的脈沖也要送給計算機進行處理，以便得到機組轉速及確定相角。

7 數據采集箱

數據采集箱是一個多功能的接口箱，該接口箱既是作為計算機連接的接口，也可以作為一臺獨立使用的儀器，數據采集箱作用如下：

1) 對振動信號進行濾波、放大，將處理過的模擬信號送到振動信號采集板中進行模/數轉換，變為計算機能處理的數字信號。

2) 對轉速信號進行整形、放大，產生標準的信號送到計算機的轉速卡中進行測速。

數據采集箱的主要技術指標如下：

1) 通道數：8個輸入通道的輸入/輸出。

2) 電壓放大：可以進行×1、×4、×16、×64四檔放大，誤差不高于1%。

3) 濾波：帶通濾波器，頻率12～600 Hz，帶通濾波器有直通和濾波二檔可選。

4) 轉速整形：輸出信號，脈寬1 ms。

另外數據采集箱具有與計算機連接的插口，可以將處理完的振動信號通過專用電纜與計算機連接，可以作為儀器輸出。

7.1 帶通濾波器

為了獲取有用的振動信號進行分析，必須對信號進行濾波，以達到抑制干擾和抗混疊的目的，使得分析可靠準確，必須設置一個頻率為12～600 Hz的帶通濾波器。

數據采集箱中帶通濾波器是由高通濾波器和低通濾波器組合而成，它們的截止頻率分別是由外部振蕩電路根據不同的頻率面提供的。

7.2 放大器

考慮到傳感器的靈敏度，在信號較小的情況下需要進行電壓放大，在數據采集箱中電壓放大器部分設置了四檔電壓放大，增益分別×1、×4、×16、×64。

由于考慮到信號的直流分量的疊加，因而在每一路的信號輸入加上了隔直流電容，有效地抑制了直流信號的輸入。放大器的主要器件采用了運算放大器，并采用了同相放大技術。

7.3 轉速整形電路

為了計算出有關相角及其他有用參數，必須要準確測量燃氣輪機的轉速。為了測量燃氣輪機轉速，我們會在燃氣輪機的測試點旁安裝一光電傳感器，在燃氣輪機轉子的端面貼上一反光標簽，轉子每旋轉一周則通過光電接收管發出一脈沖信號，進而得到了燃氣輪機的轉速。為了測試的精確，必須對該脈沖信號進行處理，數據采集箱中設計了轉速整形電路，它的原理圖見圖5。

圖5 數據采集箱原理圖

在整個線路中實現對信號隔直流和整形放大后，為了讓進入計算機的信號保證具有一定脈寬，所以加上單穩電路，單穩電路電容及電阻使得信號產生了脈寬1 ms的信號。為了保證可靠性，在其后加了一級射隨器。經過這樣的步驟，輸出的轉速信號抗干擾性強，可靠性高。

振動系統主要功能有：

1) 測量4個振動測點的通頻及選頻。

2) 當機組在升、降速過程中，記錄各測量參數及振動時域信號，當機組處于穩速運行(120 min考核運行)時，每間隔20 s(可設置)記錄一組測試數據。

3) 每個試車程序結束，可提供振動曲線報告，振動數據瀏覽、查詢、打印。

4) 當機組處于非重要運轉如冷拖，振動系統實時監測機組振動狀況。

振動系統首先進行數據處理，把試車程序中所記錄的振動信號進行處理，得到時間、轉速、各振動測點的通頻振幅、選頻振幅和相位。程序一般顯示時間、轉速、各振動測點的通頻振幅、工頻振幅和工頻相位。當程序以工頻來確定振動情況時，數據查詢將列出二倍的幅值及相位，而不是工頻的信息。這里的振動速度值均為真單峰值，而不是一般的有效值。

8 臨界轉速時的振動過大

在燃氣輪機過臨界轉速時，振動會突然增加(如圖6，bb4和bb5為燃氣輪機2#軸承兩個振動傳感器)。在燃氣輪機轉速達到1 485 r/min時，2#軸承振動突然增加，之后馬上回落到正常水平，我們稱為第一臨界轉速。臨界轉速是由燃氣輪機的物理特性決定的，包括重心分布、質量分布、工作條件等[2]。因此在運行過程中，要盡量減少燃氣輪機在臨界轉速時的運行時間。

圖6 高盤時振動隨轉速的變化

9 結論

燃氣輪機振動在其正常啟動和運行過程是不可能消除的，我們只能在生產、安裝、調試的過程中盡量減小，通過振動監測系統時刻監測并記錄振動的數據，設置其報警和跳機值，從而保證燃氣輪機在一個安全振動范圍內的正常運行。