高速渦輪機械振動監測組態技術要點簡述

陳明華，劉紅彥，李政

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300452）

石油石化行業高速渦輪機械，包括蒸汽輪機、燃氣輪機、離心壓縮機、軸流壓縮機等，在生產流程中屬于關鍵動設備，通常采用振動實時在線監測技術監測其運行、評估其狀態。下文將就振動參數數據采集與數據分析組態技術要點進行討論。

1 設備運行狀態及其轉子動力學特性

設備運行狀態可從多角度進行分類，設備負載狀態、設備故障狀態、設備不同轉速運行狀態等。本文主要從設備轉子轉速變化狀態進行分類，包括啟車提速狀態、穩定轉速運行狀態、降轉速狀態（包括被動停機及主動降速運行）。啟車提速、停車降轉速過程中，轉子系統動力學剛度及振動處于連續動態變化狀態，稱為瞬態運行狀態；穩定轉速運行時，轉子動力學剛度及轉子振動變化很小，稱為穩態運行狀態。

通過簡化的轉子振動數據分析模型，對于振動監測數據進行分析討論。對于使用動壓滑動軸承的旋轉機械，其簡單模型中在不平衡力作用下強迫振動的振動響應數學表達式：

由式（1）可知，轉子的振動大小取決于不平衡力與轉子的動態剛度之比k動=k-MΩ2+jD(1-λ)Ω。

1.1 瞬態運行狀態轉子振動特性

對于高速渦論機械，大多數轉子的運行轉速設計在一階臨界轉速上，轉子在啟車提速過程中，都要經歷三個典型階段，低于臨界轉速階段，臨界轉速附近階段（通常在臨界轉速正負20%～30%范圍內），以及高于臨界轉速階段。由式（1）可知，在低于臨界轉速階段轉子動態剛度以徑向彈性剛度為主，升速過程中由于與彈性剛度反向的質量剛度逐漸增大，徑向剛度逐漸減小，在不平衡離心力的激勵下，振動值則逐漸增大。當進入臨界轉速附近，徑向剛度趨于零，轉子剛度主要表現為切向剛度，振動達到峰值，相位角變化約90°。當轉子轉速進入高于臨界轉速階段，轉子剛度以徑向的質量剛度為主，其方向與彈性剛度相反，振動相位角變化約180°。轉子在降速過程中，則反向經歷上述過程。

1.2 穩態運行狀態轉子振動特性

高速渦輪機械正常運行時，轉子通常穩定運行在一階臨界轉速以上的區域，轉子動態剛度穩定。

但高速渦輪機械在穩態運行過程中，因設備故障導致激勵力與轉子動力學剛度的變化，也會改變轉子各部件振動大小、方向以及轉子振動模態。如轉子不平衡故障將改變轉子重點位置與不平衡力的大小，從而改變振動大小與方向；轉子受到的渦動力與轉子系統的固有頻率一致時，會產生自激振動，此時，振動頻率、振動大小、振動方向、轉子回轉的軸心軌跡大小與形狀都會改變。

2 轉子振動監測參數

高速渦輪機械的轉子主要振動監測參數包括振動位移、軸向位移、相位、轉速；設備殼體的主要振動監測參數包括振動速度（軸承座、設備殼體）、振動加速度（齒輪箱）。第一類參數通常采用采用渦流位移傳感器測取，直接反應轉子相對軸瓦動態運行情況；第二類參數，通常采用速度、加速度傳感器在軸瓦或設備殼體測取，反映了軸承座及殼體在轉子的動態作用力下的動態運行情況。本文僅討論第一種參數的數據采集與應用要點。

3 振動數據采集及基本要求

高速渦輪機械的振動數據主要采集兩類數據，鍵相數據和振動時域波形數據。

數據采集的過程是通過對傳感器測得的模擬信息進行高頻數字化采樣，得到與模擬信號接近的數字化信息；確保采集到的數字化信息不丟失設備故障信息是數據采集的基本要求。

4 數據分析圖譜及繪制圖譜的振動數據需求

4.1 數據分析圖譜

高速渦論機械數據分析圖譜采集的信號時域波形圖、軸心軌跡圖、半頻譜圖、全頻譜圖、伯德圖、極坐標圖等，各圖譜圖例如圖1 ～6。

圖1 時域圖

圖2 軸心軌跡圖

圖3 半頻譜圖

圖5 伯德圖

圖6 極坐標圖

4.2 繪制數據分析圖譜的數據需求

時域波形圖：鍵相參考點、每個采樣點對應的時間及振動值大小。

軸心軌跡圖：鍵相參考點，X 方向，Y 方向的時域波形數據。

半頻譜圖：由時域波形傅里葉變化得到頻率與振動值大小的數據。

全頻譜圖：由繪制軸心軌跡圖的X 方向和Y 方向的時域圖轉換得到，它將每個單一頻率的軸心軌跡考慮為一個正向矢量與一個反向矢量的合成，對每個可能的單個頻率（激振力）都做上述的分解，就得到每個頻率下的正進動分量和反進動分量，放在頻率-幅值坐標中，就得到了全頻譜圖。

伯德圖：振動值與相位隨轉速的變化數據，并分別繪制在相位/轉速，振動大小/轉速圖內。

極坐標圖：振動值與相位隨轉速的變化數據，直接以矢量繪制，并連接其矢量頂點形成矢量變化曲線。

5 數據采集組態技術要點

依據高頻數據采集定理，振動數據采樣頻率應大于數據分析頻率的兩倍，實際應用通常取2.56 倍。對于啟車與停車這樣的瞬態過程，數據分析頻率的范圍是動態變化的，應通過鎖定測取的鍵相信號動態調整采樣頻率，以滿足采樣定理要求。因鍵相點在時域波形與軸心軌跡分析中可起到分辨振動周期差的作用，所以高速渦輪機械振動數據采集對于頻率分辨率沒有嚴格要求，可根據數據分析需要，設定在800 ～3200 線。

5.1 穩態數據采集與數據分析圖譜組態要點

對于穩態過程的振動數據，相位參考點是固定的，此時，轉子系統剛度也是相對穩定的，時域波形數據采集僅需滿足采樣定理、頻率分析分辨率即可。

由于渦流位移傳感器測取的信號包括機械與電磁噪聲帶來的干擾，因此應采集低頻段的振動矢量或低頻含鍵相點的時域波形，并補償穩態過程測取的振動信號。一般將一階臨界轉速的10%的振動矢量或時域波形作為慢滾動補償數據。

慢滾動補償數據包括慢滾動矢量、滿滾動時域波形數據，如時域波形圖可用低頻時域波形圖補償，穩態軸心軌跡圖可同時采用含鍵相點的X 軸、Y 軸低頻時域波形波補償；軸心軌跡圖及伯德圖可采用，慢滾動矢量數據進行補償。對于頻譜數據，失去了相位參考點，無法直接補償，可采用補償后的時域波形數據轉化，獲得新的頻譜圖形。

5.2 瞬態數據采集與數據分析圖譜組態要點

瞬態過程中，轉子轉子系統剛度隨轉子的轉速在動態變化，此時，動態數據采集頻率應與鍵相點動態關聯，如通過跟蹤濾波的方式，動態鎖定轉子瞬態轉速，并據此調整采集頻率，獲得動態的時域波形信號。由于數據采集的時間與頻率分辨率成反比，因此，為保障數據采集能夠在轉子提速或降速的瞬態過程中完成，振動數據分辨率不宜設置太高，應與數據采集頻率匹配，一般設置為800 線。

與穩態過程相同，瞬態過程的振動數據也可通過帶相位參考點的時域波形補償，去除機械與電磁噪聲的影響；如軸心軌跡圖，可同時采用含鍵相點的X 軸、Y 軸低頻時域波形波補償；伯德圖與極坐標圖可采用慢滾動矢量進行補償。實際上，慢滾動矢量，還包括轉子機械故障本身在低頻段的振動表現，如軸彎曲、軸裂紋等；因此，在數據分析時，應考慮補償后對數據的影響。

6 結語

綜上所述，對于高速渦論設備，在對數據采集與數據分析圖譜的組態過程中，應依據設備的實際運行狀態，均衡考慮采集頻率、分辨率、數據補償方法，切忌突出單一采集參數高指標，才能保障數據的真實性、可靠性、可用性。