大型旋转机械的状态监测与保护

收稿日期:2003203221作者简介:霍　倡(1968-),男,甘肃靖远人,1991年毕业于石油大学(华东)生产过程自动化专业,在兰州炼油化工总厂监理公司从事仪表安装监理工作,任工程师;程向东(1958-),男,1982年毕业于兰州炼油化工总厂职工大学,曾任中油二建副总经理,现任兰州炼油化工总厂监理公司经理,任工程师。

大型旋转机械的状态监测与保护霍　倡,程向东,张　军(兰州炼油化工总厂,甘肃兰州　730060) 摘要:大型旋转设备的状态监测与保护是非常必要的,监测的手段多种多样。

介绍了Bentl y Nenada 的在线监测与故障诊断保护系统,并列举部分故障现象,引起的可能原因及检查、处理方法。

关键词:传感器;振动;状态监测;故障诊断 中图分类号:TP212112;TP273 文献标识码:B 文章编号:100727324(2003)0420083204The Large R otary Machine Monitoring and Protect HUO Chang ,CHEN G Xiang 2dong ,ZHAN G J un (Lanzhou Petrochemical Complex ,Lanzhou ,730060,China )Abstract :Large rotary machine status monitoring and protect ,various varieties of survey is very important.The Bentley Nevada on 2line monitor and trouble diagnosis system ,in order to understand with study ,and goodlier serve for production is introduced.K eyw ords :sensor ;vibration ;status monitoring ;trouble diagnosis 为了确保大型旋转设备的安全运行,减少非正常停车,节约维修费用,对大型旋转机械的运行状态必须进行状态监测。

通过对监测系统多种参数的综合分析,为旋转机械故障早期判定提供关键信息,满足工厂管理和维护的需要,使大型旋转机械危险情况或灾难性事故的发生减少到最小,增加工厂设备的安全性。

合理安排维修或小修,最大限度地延长机器的长周期维修,降低运行成本。

旋转机械的状态监测系统是多种多样的,目前工厂采用较多的是Bently Nenada 的在线监测系统,该公司状态监测与故障诊断保护系统全面、安全、可靠。

1　系统的构成与作用该系统主要由传感器系统、监测器系统和故障诊断保护系统组成。

传感器系统主要是对各种各样的参数采集转换,监测器系统对传感器采集的信号进行运算处理,较直观真实地通过显示器系统地反映出旋转机械的运行状态,根据使用要求做出早期运行状态,对运行机械进行快速保护。

故障诊断保护系统主要有监视仪、便携式监测仪、计算机在线监测诊断管理设备,通过对参数的离线分析或长期连续在线监测,得出设备运行是否正常,若异常,是什么现象的故障,可能原因是什么,并预测出设备的运行趋势和提出治理建议。

2　传感器的工作原理211　监测的基本参数1)振动参数:振动参数主要包括振幅、频率、相角等。

振幅是振动强度的标志,通过对振幅的大小分析判断机器是否运行正常。

振动的频率表示为机器转速的倍数,通过对机壳振动频率的分析,帮助判定故障发生的类型。

2)位置参数:位置参数有轴的径向位置(偏心度)、轴向位置(位移量)、胀差、机壳膨胀等。

径向位置是指转子在轴承中的径向平均位置(偏心位置),偏心位置是随机器负荷,轴线对中心线的偏移。

径向位置的变化反映出轴承磨损、负荷变化的状态。

轴向位置测量主要用来描述止推轴承的相对位移。

监测的主要目的是为了消除机器转子和定子之间的轴向磨擦。

3)其他测量参数:包括转速、温度等。

转速的测量对机器的运行状态分析也十分重要,通过分析安装调校维护与检修 石　油　化　工　自　动　化,2003,4:83AU TOMATIONIN PETRO 2CHEMICAL INDUSTR Y振动与转速的关系,设计计算出机器的临界转速。

在机器运行时,尽量避免在临界转速范围内运行,另外根据机器运行的状态,进行超速联动保护,防止机器超速飞车。

212　传感器传感器是将机械振动量转换为电量的机电转换装置。

传感器的性能和传感器的选用直接影响整个测试系统的功能。

在旋转机械测量装置中,常用的传感器有3类:电涡流非接触式传感器、惯性式速度传感器、压电式加速度传感器。

兰州炼油化工总厂常用的为电涡流非接触式传感器,该传感器具有非接触测量、测量范围宽、动态响应好、长周期工作、长线传输抗干扰能力强等优点。

传感器由探头、延伸电缆、前置器三部分组成。

从接头到前置器总的电缆长度分别为5m 和9m 两种规格。

1)传感器的工作原理电涡流传感器是通过传感器端部线圈内高频(1～2MHz )的交变电压(由前置器提供)与被测物体间的间隙变化来测量物体的振动和静态位移的,为了将频率变化转变成某一输出电压的变化,在线路结构中添加适当的电路,即前置器。

从前置器输出的电压正比于间隙的电压,而这一电压包括一直流电压对应的初始间隙和一交流电压对应的振动间隙。

这样经过一定的转换就可直观地在监视器上反映出振动的变化情况。

电涡流传感器都有系统响应特性的问题,即间隙与输出电压的关系曲线。

不同直径的探头,其线性范围不同,在探头安装时,要注意平均间隙(即安装间隙)的选取,要求平均间隙加振动间隙后的值还在线性范围,否则会带来测量误差。

安装间隙在安装调试时表现为安装间隙电压,不同规格不同用途的探头,安装间隙电压的要求不一样。

2)轴振动测量在测量轴振动时,把探头安装在轴承壳上,探头与轴承变成一体,因此所测得结果为轴相对于机壳的相对振动。

由于轴在垂直方向与水平方向的振动并没有必然的联系,因此在垂直和水平方向各装一个探头,用以分别测量垂直和水平方向上的振动,其安装示意图如图1所示。

3)轴位移测量轴在运行中,由于各种因素都会使轴在轴向有所移动,如果移动间隙过大,轴与轴承发生摩擦,后果不堪设想。

因此把探头安装在机壳上,探测轴轴向移动的大小。

其安装示意图如图2所示。

图2　轴向位移测量4)轴转速测量在轴上开一个键槽或装一个健,当探头探测到一个键槽或一个健时,前置器输出一个负脉冲或正脉冲,这样两个脉冲为一转,根据频率的变化测得转速变化。

转速测量的安装图如图3所示。

有的转速测量是探测轴多个齿的齿数或轴上的凹数,频率与齿数的关系式为f =n (S 上限-S 下限)/60式中　f ———频率,Hz ;n ———齿数;S 上限———转速范围上限;S 下限———转速范围下限。

图3　转速测量5)其他测量胀差测量的是轴和机壳体之间的相对变化,当热增长的差值超过间隙时,可能会产生磨擦,胀差测量一般使用在高速运转的汽轮机上。

键相测量的安装及测量方法和转速相似,相位角标明轴承重点的位置,通过对振动信号和键相器检测的频率进行分析,可得出轴不平衡质量点位置。

引起相位角变化的原因一般有叶片丢失或积垢、轴变曲、轴裂纹等。

轴心轨迹测量是通过对轴心轨迹分析,判断出轴变曲的性质、轴不平衡质量点位置、轴承油膜的不稳定等。

213　探头的安装探头的安装要注意两点:1)探头安装不受其他48石油化工自动化 2003年探头或周围其他金属及支架的影响;2)如何调整初始位置。

探头的安装相互距离不能太小,否则会互相干扰,图4所示的探头安装中,3000系列探头d 约为25mm ,7200系列d 约为40mm 。

距离太小,探头磁场互相影响,测量不准确。

图4　探头的安装距离探头安装位置开孔不当,探头未伸出安装支架,由于受支架的影响,测得的值不是被测目标的真实值。

轴位移测量时,探头最好直接探测止推轴承的端面,安装位置要便于调整。

探头的调整要根据不同测量来调整,不同用途的探头调整的间隙电压不同,间隙电压调整的依据是传感器校验曲线。

3　监测器系统Bently 公司的监测器系统有7200系列、3300系列、3500系列。

7200系列和3300系列可在监测器上直观地显示出各监测参数,3500系列通过组态后与DCS 或上位机通讯,显示监测参数。

监测器主要由框架、电源部分、系统监测器、振动监测器、位置监测器、转速监测器等组成,如有特殊需要,还可灵活地配置Bently 公司的其他监测器。

框架是监测系统的一个重要组成部分,安装监测器的位置可扩展。

每个框架可容纳电源及系统监测器,监测器的多少根据需要而定,在框架的后面,每个监测器都有对应的信号输入/继电器模块,3300系列配置了计算机接口电路。

电源部分为监测器提供-24V 或-18V 直流工作电压。

电源的输入模块都有一个O K 继电器系统,它通过系统监测器与其他监测器中所有的O K 电路相连,当发生故障时,它发出红色信号。

系统监测器主要是对整个系统的运行状态进行监测,它连续监测框架中所有电源的电压是否正常。

按下面板按钮,可对框架中任一监测器的报警设置点进行调整,报警复位键可对所有监测器报警信号进行复位。

振动监测器具有微处理功能,它接受两个来自传感器的信号,对报警和危险报警点可进行设置和调整,对振动信号的峰—峰值的振幅两通道连续独立地显示。

位置监测器功能与振动监测器相似,它用于监测所有旋转机械的轴向移动。

转速监测器能连续地测量轴的转速,转速测量两个键相脉冲之间的时间,然后以每分钟的转数计算出来。

4　诊断系统诊断系统主要是指对运行机械的数据管理与分析,预测出机械运行的状态,为操作和维护提供建议,及时解决机械运行中存在的隐患问题,为大型机械长周期运行提供保障。

诊断技术最初使用固定式监视仪和便携式仪器,发展到目前计算机长期连续的在线监视、离线分析及故障诊断。

Bently 公司最新开发研制了DM2000和MCM2000数据管理系统。

DM2000在现有的机械保护系统硬件的基础上,增加了管理硬件,可以连续在线进行数据采集、归档和显示等管理,即机械状态管理系统MCM2000(Machime Condition Manager 2000)。

它是一种工程化的解决方案,也可以使用其知识库和规则处理器自动对DM2000数据库中的数据及图形进行分析,然后在很短的时间(几秒或几分钟)内为操作人员、管理人员及维护人员提供合理建议。

5　保护功能监测器除具有数据监测功能外,本身具备多种保护功能。

当监测信号达到或超过预先设定的报警设定点后,AL ER 发光二极管发亮,相应的报警继电器动作。

当监测信号达到或超过危险报警点时,DAN GHR 发光二极管就会发亮,相应的危险报警继电器动作,通过对继电器输出接点的选择,可输出所需要的联锁保护接点,参与机组的联锁保护。