电厂辅机振动监测系统研究.doc

2012-07-19#电#厂#辅#机#2振01动2-0监7-测19系#统#研#2#0究#1#2-07-19#原国成 1 ,于达仁 2 ,郭金光 3( 1. 牡丹江第二发电厂 ,黑龙江 牡丹江 157015; 2. 哈尔滨工业大学能源学院 ,黑龙江 哈尔滨 150001;3. 黑龙江省电力科学研究院 ,黑龙江 哈尔滨 150030 )摘 要 : 电厂主要设备的可靠性分析和故障诊断技术已经得到普遍的重视 ,然而对辅机设备的状态监测与故障分析技术还没有充分展开 。因此 ,经过调研开发了电厂辅机设备振动状态监测系统 ,应用传感器技术 、网络技术 和数据库技术 ,实现了辅机设备振动量的实时发布 、分析和存储 。关键词 : 电厂 ;辅助设备 ;振动监测中图分类号 : TK39文献标识码 : A文章编号 : 1002 - 1663 ( 2007 ) 02 - 0086 - 05Study on v ibra tion m on itor ing system ofaux iliary equ ipm en ts in electr ic power plan tYUAN Guocheng1 , YU D a ren2 , Guo J inguang3( 1. M udan jiang No. 2 E lec tric Powe r P lan t, M udan jiang 157015 , Ch ina;2. Schoo l of Powe r Sc ience and Enginee ring, H a rb in In stitu te of Techno logy, H a rb in 150001 , Ch ina;3. H e ilongjiang E lec tric Powe r R e sea rch In stitu te, H a rb in 150030, Ch ina)A b stra c t: The fea sib ility ana lysis and fau lt d iagno sis techn ique fo r the p rim a ry equ ipm en t in an e lec tric powe rp lan t ha s been p a id m uch a tten tion, howeve r, the cond ition - ba sed mon ito ring and fau lt d iagno sis techn ique fo r auxilia ry equ ipm en ts ha s no t. Pu t fo rwa rd and deve lop ed a cond ition - ba sed mon ito ring system fo r vib ra2 tion of auxilia ry equ ipm en ts, wh ich can tim e ly re lea se, ana lyze and save the vib ra tion da ta of auxilia ry equ ip 2 m en ts w ith sen so r, ne two rk and da taba se techno logy.Key word s: e lec tric powe r p lan t; auxilia ry equ ipm en ts;vib ra tion mon ito ring状态监测和故障诊断系统 ,为提高电厂设备安全和可靠性提供了技术支持 。近年来 ,一方面 ,由于机组不断朝高参数 、大 容量和自动化方向的发展 ,人们对电厂的可靠性 提出了更高的要求 ;另一方面 ,大量老电厂辅机设 备日益老化 ,机组参与调峰设备不断启停引起寿 命损耗 ,辅机设备进入故障高发期 ,辅机的可靠性 技术开始引起人们的关注 。电厂从零散的分析风 机 、水泵 、磨煤机的单个故障开始系统地开发整个 辅助系统经济性 、厂用电 、负荷优化分配 、状态监 测和故障诊 断 技 术 3 。东 南 大 学 开 发 了 电 厂 辅机设备运行管理系统 ,负责收集和分析与辅助设0 引言火力发电厂是由锅炉 、汽轮机 、发电机 、励磁 机和若干辅助系统构成的大型复杂系统 ,由此实 现燃煤的化学能向电能的转化 。由于各子系统之 间存在串 、并联结构 ,系统中某些重要设备发生故 障将会引起整个机组的非计划停运 ,给电厂和国 民经济带来损失 。因此 ,电厂设备的可靠性技术 一直是科研机构和生产单位关注的重点 。从 20 世纪 80年代初开始 ,国内对汽轮机轴系振动 1 、 汽轮机调节系统不稳定 、锅炉四管泄漏等问题开 展了大量的理论探讨和应用研究 2 ,开发了各种2012-07-19#2012-07-19#2#0#1#2-07-19#收稿日期 : 2006 - 11 - 28备相关的运 行 数 据 4 。嵩 屿 电 厂 技 术 人 员 描 述的信号接入 Enwa tch在线采集模块 ,见图 2。这些设备在线测点包括 : 7A 给水泵 ( 6 个测点 ) 、7B 给 水泵 ( 6 个测点 ) 、7A 循环水泵 ( 4 个测点 ) 、7B 循 环水泵 ( 4 个测点 ) 、7A 凝结水泵 ( 2 个测点 ) 、7B 凝结水泵 ( 2个测点 ) 。锅炉重要辅机的监测 : 7 号锅炉的辅机包括 引风机 、送风机 、磨煤机 、排粉机各两台 ,振动传感 器安装在主要支撑轴承处 ,并将这些传感器的输 出信号接入 Enwa tch在线采集模块 ,见图 3。这些 设备在线测点包括 : 7A 送风机 ( 4 个测点 ) 、7B 送 风机 ( 4 个测点 ) 、7A 引风机 ( 4 个测点 ) 、7B 引风 机 ( 4个测点 ) 、7A 排粉机 ( 4 个测点 ) 、7B 排粉机( 4个测点 ) 、7A 磨煤机 ( 6 个测点 ) 、7B 磨煤机 ( 6个测点 ) 。由于水泵 、风机 、磨煤机分布在不同位置 ,需 要将各地的传感器数据收集 ,同时上传到辅机状 态监测中心 ,并在中心侧实时分析和发布数据 。9200 传感 器 的 信 号 都 接 入 Enwa tch 在 线 采 集模块 ,汽机主机的信号由保护表的背后缓冲输 出端子引出来 ,接入 Enwa tch。每个 Enwa tch模块 具有 16通道输入 ,现场一共需要 6 个 Enwa tch模 块 。9200 传感器输出端接附带的 4 m 长传感器 电缆 ,每台机组方便处安装了传感器接线端子排 , 各个传感器电缆联入端子排由端子排输出多芯分 屏总屏电缆 。若 4 m 长传感器电缆长度不够 ,可 采用双芯屏蔽电缆加以延长 。由端子排输出的多芯分屏总屏电缆直接接入 Enwa tch 数据采集模块的相应通道 , 该段电缆长 度应小于 300 m ,以防信号衰减 。另外 ,该段电缆 走线时 ,应尽量避免与强电电路平行 ,否则需距其1 m以上或另加金属套管加强屏蔽 。Enwa tch模块具有以太网 RJ45 接口 ,并且直 接可以与 En sha re软件通信 ,因此从 Enwa tch到监 测服务器的数据通信 , 可以通过基于 TCP / IP 的 以太网结合 En sha re 软件实现 。 Enwa tch 接入以太网要通过两种方式 :了恩泰克公司辅机状态检修系统在该电厂的应用情况 5 。牡丹江第二发电厂 7号机是俄制 210 MW 凝 汽式机组 。该机组的汽机侧有 2 台给水泵 、2 台 凝结水泵 , 2 台 循 环 水 泵 ; 在 锅 炉 侧 有 2 台 磨 煤 机 、2 台送风机 、2 台排粉机 。厂内由于这些设备 的故障多次引起机组停运 。为了提高系统的可靠 性 ,在 7号机辅机重要旋转设备上安装了振动传 感器 。结合恩泰克状态监测系统和数据库技术 、 网络技术 ,研究辅机振动监测系统 。1 系统结构和硬件设置电厂辅机振动状态监测系统分为数据采集模 块 、数据存储与管理模块 、数据分析与发布模块和 报警与故障分析模块四个部分 。数据采集模块实 现重要旋转部件振动参数的测量 ,并将测得的数 据通过网络传输到数据服务器 。数据存储与管理 模块定时地保存振动实测数据和报警数据 ,并提 供检索功能 。数据分析与发布模块将测量的振动 数据进行滤波处理 ,提取振动峰峰值 ,进行快速傅 里叶变换得到频谱信息 ,并将这些信息实时发布 在网页上 。报警模块通过用户设置振动峰峰值报 警 ,当采集数据峰峰值超过阈值时进行报警 、产生 一条报警记录 ,并将报警数据保存下来 。系统的 功能框架如图 1 所示 。通过调研 ,将 7号机的设备进行分类和筛选 ,最 终选择在线监测的重点设备和关键设备列举如下 。 汽机主机振动监测 : 7 号汽轮发电机组已装有 6 个轴振动传感器和 6 个轴瓦振动传感器 ,并 已将这些信号接入在线保护表 。为详细分析上述 信号的构成和判断汽机主机运行状况 ,可将上述 在线信号由保护表的背后缓冲输出端子连出来 , 接入一个 Enwa tch在线采集模块 。汽机重要辅机的监测 : 7号汽机的辅机包括 2台汽动给水泵 、2台凝结水泵 、2台循环水泵 ,振动 传感器布置在主要支撑轴承处 ,并将这些传感器图 1 系统框图图 2 汽机侧数据采集与传输a. 直接用网线 ( 5 类双绞线 ) 接入以太网 (较近距离 ) 。网线受其电子特性 限 制 , 传输 距离 不 能超过 100 m ,对于较近距离的数据通信 ,可采用 这种方式 。b. 利用光纤接入以太网 (较远距离 ) 。对 于 传输超过 100 m 的情况 , Enwa tch 应采用 光纤 接入以太网 。图 ,具体应用时可根据实际情况进行组合连接 。该系统配备多个 Enwa tch 模块 , 所以需要用 交换机连接 Enwa tch与监测服务器 。对应汽机主 机的 Enwa tch l距离监测服务器较近 ,可采用网线 直接连接到交换机 ; 而辅机对应的 Enwa tch 模块 都安装在距离监测服务器较远的生产现场 ,因此 , 从现场到交换机前采用了光纤传输 ,再配以光纤收发器接入交换机 。图 4是几种Enwa tch输出到网络的连线方式图 3 锅炉侧数据采集与传输图 4 Enwa tch数据采集模块接入局域网的拓扑图MUL T I_VALU E _DA TA 表中找到测点对应的所有数据 。由于数据库操作需要访问硬盘 ,速度较慢 ,而 网站在线监测需要快速频繁地获取数据 ,现有数 据库系统无法满足要求 。因此 ,用实时数据服务 模块解决这个问题 。实时数据服务模块在内存中建立小型实时数 据库 ,把从 En sha re 中接收 到的 每个 测 点的 最新 数据存储起来 ;当在线监测模块连续发来数据请 求指令时 ,实时数据服务模块根据指令要求读取 数据并发送回去 。2. 2 数据分析将时域信号转换为频谱信号进行分析方法称 为频谱分析 ,其理论基础是傅里叶变换 。快速傅 里叶变换 ( FFT)的思想就是将一般时域信号表示 为具有不同频率的谐波函数的线性叠加 。时域信号的频谱表示就是把信号分解成一族 不同频率的信号 ,对于周期为 T的信号都有 :x ( t) = x ( t nT )还可以用一些等间隔的频率成分来表示 ,即2 数据分析与管理2. 1 数据接收采用 En tek系统中的 En sha re软件 ,可以通过 网络对 Enwa tch的 IP地址 、通道参数 、采集方式 、 标定系数 、采样频率 、上传周期等参数进行配置 。 配置完成后 , Enwa tch独立进行工作 ,接收传感器 传来的连续模拟信号 ,转换完成后上传给 En sha re 软件 。En sha re软件 可 以直 接 解 析 Enwa tch 模 块 发 来的振动数据包 ,同时存入数据库 ,并可以进行在 线实时监测时域波形图 、频谱图 、三维谱图 、波特 图等分 析 图 谱 。因 此 , 振 动 数 据 接 收 就 选 择 由 En sha re来完成 。与 En sha re配套 的 是 Cen tu ra 数 据 库 管 理 系 统 ,在其中建立 En tek数据库用于存储振动数据 , 通过 ODBC接口访问 。振动数据的信息在 En tek数据库中是存储在 CHANN EL _ NOD E、M EA SUR EM EN T _ D EF 和 MUL T I_VALU E_DA TA 这三张表中的 。读取数据 时 ,先 根 据 测 点 在 En sha re 中 的 配 置 得 到 其 在 CHANN EL _NOD E 表 中 的 IN STRUM EN T _ ID 和 CHANN EL _ ID , 从而得到 LOCA T ION _ ID; 根据 测点中采集定义的数据类型 ,得到其在 M EA SUR E2M EN T_D EF 表中的 DA TA _ TYPE, 再结 合 LOCA 2T ION _ ID ,得到该测点下该种数据类型的唯一标 识 M EA SD EF _ ID; 根 据 M EA SD EF _ ID 即 可 在- T= 1 2e - j2f t( 1 )X ( f)T( )x td t-T2其时间信号可以从逆变换中得到 ,即+ j2f tx ( t) = X ( f) e( )2- 上式表明 ,一个连续的 、周期的时间函数 ,可以用频域中的一组离散的级数来表示 。如果动态信号是非周期的瞬变函数或随机函数 ,考虑 T 趋向于无穷大时 ,式 ( 1 )和式 ( 2 )变为 :应于采样起点的初始相位 。功率谱是该频率分量对应的振动能量 。由相位谱的含义可知 ,在振动信号转变为离 散信号时 ,只要起始的采样点相对于转子上某个 参数点不变 ,那么就可以求得各阶频率分量的振 动相对于该参数的相位 。3 结论应用成熟的传感器技术实现振动数据的在线 连续采集 ,应用以太网数据通信技术实现振动数 据传输 ,选用 Pockwe ll公司的 En tek 系统 。 En tek 系统在现场配备 Enwa tch 模块 ,可以把振动信号 接入并进行模数转换 ,然后通过以太网接口送出 ; 在监测服务器上使用配套的 En sha re软件可以和 Enwa tch模块 通 信 , 既 可 接 入 Enwa tch 发 来 的 数 据 ,也可向 Enwa tch发送参数设置指令 ,应用数据 库技术可实现大批量数据的连续存储和查询 。该 系统中使用与 En tek 系统配套的 Cen tu ra 数据库 存储振动数据 ,使用 SQL Se rve r数据库存储故障 诊断与分析分析结果 ,而实时数据服务需要通过 另行开发模块来实现 。通过以上工作 ,实现了电 厂辅机振动信号的在线采集 、实时发布和实时分 析 。授权用户可以通过网络在线浏览各辅机的振动状态 ,大大提高了工作效率 。+ X ( f) = - x ( t) ed t- j2f t+ x ( t) = - X ( f) edf- j2f t上式互为傅里叶变换对 ,用符号表示为 :x ( t) X ( f)有限长离散时间序列的傅里叶变换为 :N - 1- j2ft tXc ( f) = x ( nt) et( 3 )n = 0 x ( nt) , n = 0 , 1 , 2 , N - 1 为连续时间信号经过采 样后 得 到的 有限 长 离散 时间 序列 。其 中 , N 为采样点数 , T 为窗函数的宽度 (即采样长 度 ) ,t为 采 样 间 隔 , n = T /t。同 样 地 , 在 频 域中 ,也只能对有限个频率进行运算 ,一般取长为 f = 1 / ( n t) ,这样式 ( 3 )表示为 :f 的步N - 1 - j 2 k nXc ( kf) t x ( n t) e( 4 )Nn = 0令 Xc ( kf) = tX ( kf) ,并将 X ( kf)简记为X ( k ) ,将 x ( n t)简记为 x ( n ) ,从而有 :N - 1 2X ( k ) x ( n ) e - j N kn , k = 0 , 1 , 2 , , N - 1n = 0( 5 )式 ( 5 )为 x ( t) 的离散傅里叶变换 。其意义在于 : 将时域中周期的或非周期的连续函数 x ( t) 离散 成时域中的序列 x ( n ) ,并变换成频谱中与纵轴 对称 、离散或连续的周期复数序列 X ( k ) ,频域 中谱线的分布周期为 fs , fs 为采样频率 。窗函数 的意义是 :对于连续的周期信号 ,外推为周期的取 样窗宽度 T 的周期信 号 ; 对于 非 周期 连续 信 号 , 外推为窗口之外为零的一般信号 。将式 ( 5 )中复指数展开 ,即将 X ( k ) 表示成实 部和虚部的形式 ,即 X ( k ) = U ( k ) + jV ( k ) 。定义 幅值谱 G ( k ) 、相位谱 ( k )和功率谱 S ( k )为 :G ( k ) = | X ( k ) | =U2 ( k ) + V2 ( k )参考文献 : 1 蒋东翔 ,倪维斗. 大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与 诊断网络系统