（检测技术与自动化装置专业论文）基于dsp的汽轮机转子工作状态监测与分析.pdf

s 嗍析嬲黜必 学科：检测技术与自动化装置 研究生签字： 芜避 指导教师签字：仰乞勇 摘要 汽轮机是发电系统中的重大资产设备，机组必须长期运行，而汽轮机转子作为汽轮机 的核心部件之一，它的可靠性时刻影响着发电系统的正常工作，因此，作为重要资产，汽 轮机必须长期进行维护和监测，同时配以大量的监测设备作为维护的手段，各种在线保护 仪表应用到监测和分析汽轮机转子的工作状态，反映故障信息，预测潜在的危险，避免事 故的发生。 本论文针对汽轮机转子在运行中所出现的轴向位移和轴振动作为研究对象，对于正常 运行和可能出现的常规故障进行分析，在此基础上以电涡流作为位移传感器，精确测试轴 向和径向位移值，通过双二次滤波、1 2 位刖d 转换，并以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主要数据 处理芯片，实时计算轴向和径向位移的有效和峰峰值，并结合上位机组态软件的控制，完 成与上位机之间通信、以及故障报警等功能。论文为了实现完整的实验测试，设计了专用 的测试平台，以交流电机作为驱动装置，5 0 m m 的圆柱形钢柱作为被测对象，在2 h z - 6 0 0 h z 范围之间进行运转，提供转子轴振动和轴向位移两种状态信号，在实际运行过程中，测试 平台可以模拟提供汽轮机转子在轴向和径向方向的位移值，同时经过特殊处理可以模拟转 子在故障时所具有的一些特征信号。 系统完整设计了p c b 版图，并进行了软硬件的调试，通过在测试平台上的检验，可 以精确测试轴向振动和径向振动，精度在1 以内，同时系统可提供实时的监测信息，并 在出现故障时，以指示灯闪烁的方式报警，基本达到监测系统要求，并可长期可靠运行。 关键字：d s p ；监测系统；轴振动；轴向位移；数据处理 m o n i t o r i n ga n da n a l y s i so f t h ew o r k i n g c o n d i t o nf o r s t e a m t u r b i n er o t o r b a s e do nd s p d i s c i p l i n e ：d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n d a u t o m a t i ce q u i p m e n t s t u d e n t s i g n a t u r e ：乃，“c 岣 p e r v i s o rs i g n a 饥r e 豳锡呀 a b s t r a c t a sak i n do fs i g n i f i c a n tc a p i t a le q u i p m e n ti np o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m ，s t e a m - t u r b i n e m u s tl u l lf o rl o n g h o w e v e r , s t e a m - t u r b i n er o t o ri sr e g a r d e da st h em a i np a r to ft h eu n i t h i s r e l i a b i l i t yi n f l u e n c e st h en o r m a lw o r ko fp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，b e i n ga ni m p o r t a n t a s s e t ，s t e a m t u r b i n em u s tb el o n g t e r mm a i n t e n a n c ea n dm o n i t o r i n g ，w h i l ec o m b i n e d 谢t ha l a r g en u m b e ro fm o n i t o r i n ge q u i p m e n ta sam e a l l st om a i n t a i n a l lk i n d so fo n l i n ep r o t e c t i o n d e v i c e sc a l lb eu s e dt om o n i t o ra n da n a l y z et h ew o r k i n gc o n d i t i o no ft h es t e a m - t u r b i n er o t o r r e f l e c t i n gt h ef a i l u r ei n f o r m a t i o na n df o r e c a s t i n gt h ep o t e n t i a ld a n g e ri no r d e rt oa v o i d a c c i d e n t s i nt h et h e s i s ，a x i a lv i b r a t i o na n da x i a ld i s p l a c e m e n tw h i c hs t e a m - t u r b i n er o t o ro c c u r si n t h e o p e r a t i o na n a l y z e n o r m a l o p e r a t i o n a n dc o n v e n t i o n a lf a i l u r ew h i c hi s p o s s i b l e h a p p e n i n g o nt h eb a s i s ，t h ee d d yc u r r e n ti s s e r v e da sad i s p l a c e m e n ts e n s o rt om e a s u r e d i s p l a c e m e n tv a l u e so fa x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o na c c u r a t e l y t h eo u t p u ts i g n a lp a s s e sd o u b l e s e c o n df i l t e r i n ga n d12 - b i ta dc o n v e r s i o n t h et m s 3 2 0 f 2 812i su s e da st h em a i nc h i pt o p r o c e s sd a t a sa n dc o u n t se f f e c t i v ea n dp e a k p e a l 【v a l u eo ft h ea x i a la n dr a d i a ld i r e c t i o n w i t h t h ec o n t r o lo fc o f i g u a t i o ns o r a r e ，t h em o n i t o r i n gs y s t e mc a l lr e a l i z ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e n p ca n df a u l ta l a r ma n ds oo n u s i n gt h ea cm o t o ra sad r i v e ，t h et h e s i sd e s i g n e ds p e c i a lt e s t p l a t f o r mi no r d e rt oa c h i e v eac o m p l e t el a b o r a t o r y c y l i n d r i c a ls t e e lc o l u m nf o r5 0 m m i su s e d 鹊 t h em e a s u r e do b j e c t ，o p e r a t e si nt h er a n g eo f2 h zt o6 0 0 h za n dp r o v i d e st w oc o n d i t i o n so fa x i a l v i b r a t i o na n da x i a ld i s p l a c e m e n t i nt h ea c t u a lo p e r a t i o np r o c e s s ，t e s tp l a t f o r mc a l ls i m u l a t e d i s p l a c e m e n tv a l u ei nt h ed i r e c t i o no fa x i a la n dr a d i a ls o m ef e a t u r es i g n a l so ft h er o t o rf a u l t s a l s oc a nb es i m u l a t e da f t e rs p e c i a lp r o c e s s i n g n l es y s t e mc o m p l e t e l yd e s i g n e dap c bd i a g r a ma n dd e b u g e dt h es o r w a r ea n d h a r d w a r eb yt h et e s tp l a t f o r m i tc a nm e a s u r ea c c u r a t e l ya x i a la n dr a d i a lv i b r a t i o nf o rt h e a c c u r a c yw i t h i n1 ，m e a n w h i l e ，p r o v i d e sr e a l - t i m em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o na n df a u l ta l a r mb y t h ew a yo fi n d i c a t o rl i g h tf l a s h i n g t l l i sm o n i t o r i n gs y s t e mr e a c h e sb a s i c a l l yt h er e q u i r e m e n t a n do p e r a t e sf o rl o n ga n df o rr e l i a b l e k e yw o r d s ：d s p ；m o n i t o r i n gs y s t e m ；a x i a lv i b r a t i o n ；a x i a ld i s p l a c e m e n t ；d a t ap r o c e s s i n g 目录 1 绪论l 1 1 引言l 1 2 课题国内外研究现状2 1 3 课题的目的与意义3 1 3 1 论文工作目的3 1 3 2 论文工作意义3 1 4 课题的主要研究内容4 1 5 论文的结构安排5 2 汽轮机故障机理与转子监测技术研究6 2 1 汽轮机的故障机理与监测流程6 2 1 1 轴振动特征6 2 1 2 轴向位移特征7 2 2 3 汽轮机故障监测流程8 2 2 轴振动分析法8 2 3 传感器的选型及应用1 1 2 3 1 电涡流传感器工作原理。 2 3 2 电涡流传感器选型 2 3 3 电涡流传感器安装要求。 2 4 转子工作状态的测量方案 2 4 1 转子轴振动测量方案 2 4 2 转子轴向位移测量方案 2 5 数据信号处理方法 2 5 1 数据的非线性补偿技术 2 5 2 信号的预处理 2 6 本章小结 3 系统硬件设计与实现 3 1 汽轮机监视保护仪表 3 2 系统硬件总体设计方案 3 3 系统硬件电路组成与实现 3 3 1 信号调理电路设计 3 3 2 通讯接口电路设计 3 3 3 液晶显示电路设计 3 3 4 其它硬件电路设计 i 3 4 硬件抗干扰设计3 3 3 5 本章小结3 4 4 系统软件设计与实现。3 5 4 1 软件开发环境与设计原则3 5 4 1 1c c s 集成开发环境。3 5 4 1 2 软件设计原则3 6 4 2 系统软件总体设计思想3 7 4 3s c i 通信子程序3 9 4 4 键相信号处理子程序3 9 4 5a d 采样子程序4 0 4 6 转子工作状态查询子程序4 2 4 6 1 监测系统测量方式。4 3 4 6 2 数据处理子程序4 4 4 7 液晶显示子程序设计。4 5 4 8 软件抗干扰设计4 6 4 9 本章小结4 6 5 实验与分析4 7 5 1 汽轮机转子模拟测试平台。4 7 5 2 实验与分析4 7 5 3 本章小结5 2 6 结论与展望5 3 6 1 全文工作结论。5 3 6 2 未来工作展望5 3 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的论文5 7 致谢! ；8 学位论文知识产权声明5 9 学位论文独创性声明6 0 附录6 1 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 电力工业是其它工业生产的基础，直接影响着一个国家的工业生产力水平和经济发 展，一直受到人们的重视。当前电力生产的主要形式是火力发电、水力发电、核电站和风 力发电等，其中火力发电的比重最大，由于受自然条件影响较少，所以常常做为一个国家 主要的发电方式，其次是水力发电和核电站。在当前火力发电厂和核电厂中，绝大多数是 以汽轮机带动发电机组进行电能生产的，在工业上和民用上所使用的电能多数是由汽轮机 组产生的，所以在发电厂，汽轮机是最重要的设备，同样在一个国家中，汽轮机也作为重 要的动力机械设备之一n 儿羽。 汽轮机主要功能是通过旋转动作而完成的，工作原理是将蒸汽的热能转换成机械能的 一种旋转动机组，与其它类型的原动机进行比较，具有一些优点如单机功率大、热经济性 高、具有高可靠性、单位功率制造成本低等特点。所以在火力发电和核电站被普遍采用， 而且在冶金、化工和船运等领域也有广泛的应用，它通过拖动压缩机、鼓风机、泵以及船 舶的螺旋桨等设备进行工业生产，是一个企业工业生产的重要设备，当故障发生后，将会 影响企业的经济效益。随着机械和电子领域的高速发展，汽轮机的性能和功能大大提高， 自动化程度的提高，使工作人员更方便操作。为了提高汽轮机运行的安全性、稳定性以及 工作效率，必须降低汽轮机的故障率，提高汽轮机的运行时间。然而，通过现代化监测方 式，实时监测设备的工作状态，有效地预测设备故障，将事故提前消除，使设备的运行时 间延长，并提供故障的产生原因，缩短了维修时间，最大限度的提高了设备的工作效率， 使企业和社会的经济效益得到提高。随着人们对设备管理的不断提高，设计现代化监测系 统，实现设备的实时监测和故障诊断，以变得很迫切。所以汽轮机监测保护仪表( t s i ) 正在受到广大科研人员的高度重视。 汽轮机的生产是一个很复杂的工作，经过诸多很多环节，加工完成。任何一个环节不 合格，都会使汽轮机的运行存在安全隐患。另外，汽轮机常常工作的环境较恶劣，内部受 到各种物理量的干扰，可能会使设备由于故障停运，严重时，可危及人身安全。典型的事 故如前苏联的切尔诺贝利核电站爆炸核泄漏事故等等。 在过去，只有在设备出现运行问题或者设备检查时，才能发现设备内部的故障。为了 保证设备正常运行，工作人员必须定期对设备停机检测，这样使汽轮机的工作效益大大降 低，既不经济又不合理。随着技术的不断发展，在线故障监测和诊断技术应用到汽轮机故 障监测领域，典型的设备是汽轮机监测保护仪表，它对汽轮机的整个运行过程进行监测， 通过对故障产生的振动、温度、噪声、压力等信号的测量，获得设备状态特征，进一步判 断和识别设备的运行状态和故障，并预测设备的安全隐患。这样保证了设备安全、稳定的 西安工业大学硕士学位论文 运行，通过预测故障，避免事故的发生。所以汽轮机在线监测系统在近年不断受到高度重 视。 总之，对汽轮机工作状态进行在线监测，是为了了解汽轮机在启动、停机和运行时的 状态，得出汽轮机的运行情况，当故障时，判断原因和故障部位，使对汽轮机的维护变得 更有效，更方便。 1 2 课题国内外研究现状 近年来，汽轮机工作状态在线监测技术是国内外发展较快的一个领域，从技术发展过 程来看，现代监测技术大致分两个阶段乜3 第一阶段主要是以传感器为测量手段，实现设备的监测。在这段时期，传感器的性能 得到迅速发展，测量类型也不断增加，例如涡流式位移传感器、磁电式速度传感器、压 电式加速度传感器、磁阻式速度传感器、线性可变差动变压式传感器等，一般具有高的可 靠性和较宽的线性范围，可实现对振动、力、噪声、温度、光等多种模拟量的采集，使现 握。 2 1 绪论 成为大型设备设计、评估的重要依据，也越来越为人们所重视。 从八十年代后期开始，由于微处理芯片的性能不断提高，价格迅速下降，为在线监测 系统的研发提供了有利的条件。国外逐渐研发各种以数据处理为核心的状态监测系统，并 成功地应用于工业生产，伴随着d s p 芯片的出现，以及它所具有的高可靠性和高速运算 的性能，基于d s p 的工业测试设备大量应用于工业生产实际。例如：美国本特利b e n t l y 公司的汽轮机监测仪表( t s i ) ，为汽轮机发电机组和其他关键设备提供所需要的监测、诊 断和预测性维修的信息h 3 。 2 ) 国内研究状况 我国对大型旋转机械状态监测技术研究较晚 3 1 。第一个阶段是从上世纪7 0 年代末到 8 0 年代初，在此期间，主要是吸收国外技术，对状态监测和诊断方法进行引入和研究； 第二个阶段是从8 0 年代初期到现在，我国很多研究机构和高等院校先后进行了大量的研 究和开发，例如清华大学、西安交通大学、浙江大学、华中理工大学、西安热工所、哈尔 滨电工仪表研究所、上海发电设备成套所、河北电力试验研究所等单位都相继研制了各种 监测诊断系统，如西安交通大学的r b 2 0 系统，哈尔滨工业大学的m m m d 2 系统、 m m m d 3 系统等，并在很多领域得到实际应用m 1 。 近年，我国有关工厂逐渐采用现代监测系统，实现对旋转机械的在线监测。但由于我 国在大型旋转机械状态监测研究方面起步较晚，大多仅是在理论上的发展，独立研制的监 测系统，在可靠性和测量精度方面还存在缺陷，而且大多是以单片机为核心的监测系统， 系统可扩展性差，随着汽轮器性能不断提高，已不能适应工业监测要求。 目前，国内电力工业或其它相关工业大多采用国外进口的汽轮机监测系统，这些产品 价格昂贵，且维修费用高，不利于市场化。所以使国外产品国产化是很有必要的。 1 3 课题的目的与意义 1 3 1 论文工作目的 在汽轮机转子监测方面，国外一直处于技术领先的地位，发展到今天已有多种类型 汽轮机状态监测系统，这些产品大都具有高可靠性，高精度等优点。国内在这方面发展较 晚，自行研制开发的监测系统装置较少，所以国内电力或其它工业生产部门只能选择国外 汽轮机监测系统，这些产品通常价格昂贵而且维修费用高，所以开发出具有成本低，实用 性强、可靠性高并能满足高精度的国产化监测系统具有重要的意义。 在借鉴国内外同类产品基础上，研发具有同等监测能力，实现对汽轮机转子轴振动和 轴向位移状态监测的高可靠系统，以及故障判断和报警功能。同时降低汽轮机监测系统的 成本和维修费用，促进具有完全国产化的高端设计，能在汽轮机行业获得广泛应用。 1 3 2 论文工作意义 在电力生产上，安全性是非常重要的。汽轮机是电力生产的核心设备，如果长时间故 3 西安工业大学硕士学位论文 障不能排除，可能给电力生产以及工作人员带来危险。如果在汽轮机生产、运行、维护等 一系列过程中，有着较好的监测方法和工具，将很大程度上减少经济损失，维护设备的生 产运行的安全。汽轮机监测系统是对汽轮机生产运行整个过程的在线监测，实现故障报警 和预测，发现故障部位，将故障消灭在无形之中，以保护生产的正常运行和汽轮机的生产 安全。在实际生产中，一旦汽轮机出现故障问题导致生产无法正常进行，将带来巨大的经 济损失和一定负面的社会影响。所以电力企业提高生产运行的自动化水平，对重大设备进 行全面管理，使汽轮机安全、稳定的运行。 对电力企业管理水平的提高也是很重要的。中国电力市场的飞速发展，对电力企业的 生产运营提出了越来越高的要求。随着厂网分开、竞价上网等一系列现代电力管理思想的 进一步深入，对电厂的自身管理和运营也提出了较高的要求。在引入竞争机制后，电厂如 果想取得较好的生产效益，必须想尽办法降低生产成本，提高电厂的生产运行自动化水平。 在实际生产经营中，引入符合现代设备管理体制的方法和手段，对设备和生产进行全过程 跟踪处理，以期达到对设备生命周期中使用和管理及维护的最优化，这同样是降低成本， 提高效益的手段。 1 4 课题的主要研究内容 本论文研究的主要目标是通过对汽轮机转子工作状态的监测分析，实时提供转子的运 行状态。本系统是汽轮机监测保护仪表的振动单元，实现对转子轴振动和轴向位移两状态 的监测。本系统采用d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为处理器，选用内部a i d 转换器进行数据进行采 集、数据显示，以及与上位机组态软件通讯，选用电涡流传感器测量转子的机械信号。本 文在对国外先进监测设备研究基础上，研制出实用性强、成本低、可靠性高的汽轮机监测 系统，实现对国外同类产品的替代。 论文研究的主要内容有以下几个方面： 1 )简要地回顾当前汽轮机等旋转机械监测技术的发展与现状，对比国内外几种典型 的汽轮机监测系统的功能和优、缺点，着重分析了国内监测装置存在的问题。 2 )为满足在线监测的实时性、精确性的要求，本课题中选用了t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为处理器，设计监测系统。 3 )对汽轮机转子工作状态中轴振动和轴向位移理论的研究，以及传感器的选择。 4 )对数据的信号处理和振动测量方法的研究。 5 )完成振动单元的硬件及软件设计，内容包括信号调理电路的设计、通讯接口电路、 液晶显示电路及其它硬件电路的设计等。 6 )在汽轮机模拟测试平台上，通过实验，验证监测系统的各项功能和稳定性，并通 过测量数据，完成显示和故障报警。 4 1 绪论 1 5 论文的结构安排 第一章主要介绍课题来源以及汽轮机监测系统的国内外研究现状和课题的目的和意 义，最后介绍课题的主要研究内容和论文的结构安排。 第二章介绍了汽轮机故障机理与分析方法，详细阐述了轴振动和轴向位移的特征，轴 振动的分析法，以及传感器的选择，并介绍了工作状态的测量方案，最后阐述了数据的信 号处理。 第三章阐述了系统硬件设计与实现。首先简要介绍了汽轮机监测保护仪表的组成和作 用，然后详细介绍了硬件系统的各功能模块设计原理，并提供各模块电路原理图，主要功 能模块包括信号调理电路、通讯接口电路、液晶显示电路和其它硬件电路，最后介绍了电 路板的抗干扰设计。 第四章阐述了系统软件设计。介绍了d s p 软件开发环境与设计原则，系统软件总体 设计思想，然后介绍了各功能子程序的设计流程，并设计流程图，子程序主要包括键相信 号处理子程序、a i d 采样子程序、转子工作状态查询子程序和液晶显示子程序。最后介绍 软件抗干扰设计。 第五章简要介绍了汽轮机模拟测试平台的设计，以及实验与分析。 第六章为课题总结和展望部分，总结了汽轮机监测技术，并对未来工作进行了展望， 并分析了本系统需要改进的地方。 西安工业大学硕士学位论文 2 汽轮机故障机理与转子监测技术研究 2 1 汽轮机的故障机理与监测流程 汽轮机属于旋转机械，它由转动部件和非转动部件构成，转动部件包括转子及转子 联接的联轴器、齿轮、滚动轴承等；非转动部件包括滑动轴承、轴承座、机壳以及地基等。 汽轮机的故障是指机器的功能发生异常，动态性能差，不满足安全生产的要求。汽轮机发 生故障的原因不同，所产生的特征信息不同，根据汽轮机特征信息，可以对汽轮机进行诊 断。但是，汽轮机发生故障的原因常常是由多种因素产生的，所以对其进行故障诊断，必 须进行全面的综合分析研究陋m 1 。 汽轮机的故障来源与产生原因n 们： 1 ) 在设计制造上，由于设计不当，动态特性不良，运行时发生强迫振动或自激振动； 零部件加工制造不良，精度不够；转子动平衡不符合技术要求。 2 ) 在运行操作上，由于机器在非设计状态下运行( 如超转速、超负荷或低负荷运行) ， 改变了机器工作特性；旋转体局部损坏或结垢；启动、停机或升降速过程操作不当，各金 属部件受到剧烈的加热，因温度、应力变化引起的汽轮机疲劳。 3 ) 机器劣化，由于长期运行，转子挠度增大；旋转体局部损坏、脱落或产生裂纹； 机器基础沉降不均匀，机器壳体变形。 汽轮机的主要功能是由旋转动作完成，转子是其最主要的部件，转子的工作状态直接 影响着汽轮机的正常运行。它包括轴振动、轴向位移、胀差、转速、零转速、偏心键相、 汽缸膨胀、油动机行程、阀位开度等状态。对汽轮机故障来源的分析，大致分为系统失稳 和异常振动。系统失稳通常由于发生轴向位移或者转轴偏心，而异常振动通常由于转轴或 轴承发生剧烈振动。这两种故障相互影响，彼此加剧。如：转轴偏心必然会使轴振动加剧， 而异常振动会使轴心更加偏离原来的平衡位置。若想全面掌握设备的运行状态，应对这两 方面同时考虑。 本系统从两种故障来源中，选择转子工作状态中轴向位移和轴振动两状态作为监测对 象，实现对汽轮机转子运行状态的在线监测。 2 1 1 轴振动特征 汽轮机转子轴振动监测主要是测量转子轴向振动信号，它的特征值包括振动幅值、振 动频率、相位等。对应测量量分别位移、速度和加速度。这三个量是反映转子振动的重要 参数，而位移量更能直观准确的反映振动程度，通常用振动信号的峰峰值和有效值来反映 转子的运行情况。 转子轴振动的原因多种多样，可以是某一个因素引起的，也可以是多种因素引起的。 6 2 汽轮机故障机理与转子监测技术研究 主要原因有：1 ) 机组运行中中心不正，2 ) 转子质量不平衡，3 ) 转子发生弹性弯曲，4 ) 汽轮 机内部发生摩擦等因素。由于机组运行中中心不正引起的故障较多，所以进一步分析。 轴振动增大主要原因有n 们： 1 ) 汽轮机启动时，如暖机时间不够，升速或加负荷太快，将引起汽缸受热膨胀不均 匀，或者滑销系统卡涩，使汽缸不能自由膨胀，均会使汽缸对转子发生相对歪斜，从而使 机组产生不正常的位移造成振动。 2 ) 机组在运行中若真空下降，将使排汽温度升高，后轴承上抬，因而破坏机组的中 心，引起振动。 3 ) 联轴器安装不正确，中心没找准，因此运行时产生振动，且此振动随负荷的增加 而增加。 4 ) 机组在进汽温度超过设计规范的条件下运行，将使膨胀差和汽缸变形增加，如高 压轴封向上抬起等。这会造成机组中心移动超过允许限度，引起振动。 汽轮机组主要功能是由转子旋转来完成的，转子的轴振动大小是汽轮发电机组的安 全、稳定运行的重要因素之一，也是判断机组检修质量的重要指标。如果设备在运行中转 子振动过大，可能造成危害和后果。例如可使紧固螺钉松动、断裂：转动部件材料强度降 低，而损坏，调速系统不稳定，将引起调速系统事故等。由此可知，汽轮机转子运行中发 生振动，直接影响着设备和人员的安全，因此，对转子振动信号实时监测是至关重要的。 2 1 2 轴向位移特征 转子轴向位移的监测主要是测量转子与推力轴承相对位置的变化，即通过两者相对位 移的大小来反映汽轮机转子的运行情况，通过监测消除转子和定子之间的轴向摩擦。测量 方法是通过两个传感器同时测量推力轴承的平面，获得转子相对推力轴承位移n 1 3 。 汽轮机叶片具有一定的反动度，叶片和叶轮前后两侧存在着差压，形成一个与气流方 向相同的轴向推力，以及轮毂两侧转子轴的直径不等，隔板汽封处转子凸肩两侧压力不等， 也会产生轴向力，还有其他方面产生的轴向力，这些力的合成为总的轴向推力n 羽。 为了防止转子在轴向发生移动，在汽轮机上安装了推力轴承，用于承受转子的轴向推 力，保证转子与汽缸及其他静止部件的相对位置。有时候汽轮机发生故障以后，转子有向 前窜动的可能，主要原因是：1 ) 当汽轮机转子与连接的负荷突然断开，由于负荷的减少， 使转子产生向前的轴向推力。2 ) 由于汽轮机中高压轴和凝汽器的损坏，使转子产生向前的 轴向推力。另外，转子还有向后窜动的可能，主要原因是：1 ) 转子的轴向推力不断增大， 导致推力轴承超过安全范围，以及推力瓦块乌金的烧毁等。2 ) 汽轮机中润滑油系统中压力 和温度均不在安全范围，导致推力瓦块乌金烧毁。对转子轴向位移的长期分析下，多数故 障是由于向后窜动引起的，所以对发生故障的原因进行详细说明，通常轴向位移增大的原 因包括以下几点n 引： a 、汽轮机发生水冲击。由于含有大量水分的蒸汽进入汽轮机内，水珠冲击叶片使轴向 推力增大，同时水珠在汽轮机内流动速度慢，堵塞蒸汽通路，在叶轮前后造成很大的压力差， 7 西安工业大学硕士学位论文 使轴向推力增大。 b 、隔板轴封间隙增大。由于不正常的启动汽轮机或机组发生强烈振动，将隔板轴封的 梳齿磨损，间隙增大，漏汽增多，于是使叶轮前后压力差增加，致使轴向推力增大。 c 、动叶片结垢。蒸汽品质不良，含有较多的盐分时，会使动叶结垢。动叶结垢后，蒸汽 流通面积缩小，引起动叶片前后蒸汽压力差增大，增大了转子轴向推力。 d 、新汽温急剧下降，通常是水击的先兆，这时转子温度也跟着急剧降低，于是转子的收 缩量大于汽缸的收缩量，致使推力轴承的负荷增加；此外，在同等条件下，新蒸汽压力急剧下 降时，由于流量的增大，转子的轴向推力也会增大。 e 、真空下降，增大了级内反动度，使轴向推力增加。 f 、汽轮机超负荷运行，蒸汽流量增加，使轴向推力增大。另外，在汽轮机启停和增减负 荷时，轴向位移也会随之变化，这是由于推力盘和工作推力瓦块后的轴承座、垫片、瓦架等 在汽轮机工况发生变化时，产生的弹性形变引起的。 在汽轮机运行中，如果由于多种因素造成轴向推力过大时，当推力轴承超负荷后，就 会破坏油膜，将使推力瓦块乌金熔化，此时汽轮机转子轴向移动增大，致使机组动静部分 摩擦和碰撞，情况严重时将造成设备损坏和运行事故。 2 2 3 汽轮机故障监测流程 汽轮机故障诊断技术的实现，主要包括四个部分，一是信息的采集，它是分析汽轮机 故障的原始信号，它包含各种干扰信号，通常由传感器来完成采集；二是信号调理，是将 原始信号中的干扰信号进行滤除，输出有用信号，并根据a d 转换器的测量范围，将信 号比例转换，以满足a d 转换器的要求。三是信号处理，实现模拟量到数字量的转换， 以及相关算法的变换，四是依据得到的数字信息，对设备的状态( 含故障状态) 进行判断， 并通过终端进行分析和显示。工作人员通过系统终端获得汽轮机的运行情况n 铂n 副。故障监 测方案流程如图2 1 。 2 2 轴振动分析法 电 信 监涡号监 测流 调测 计 对传理系 算 象 感 电统 机 器路 图2 1 故障监测流程 轴振动信号的不同分析方法，反映了汽轮机不同的运行特征，时域分析法是最常用的 种方法。它以时间为变化量，分析信号的幅值，进行各种方式的分析。例如通过观察和 8 2 汽轮机故障机理与转子监测技术研究 分析轴振动信号的波形，可以获得轴振动信号的类型、频率和幅值等特征信息。另外，可 以对波形分析，判断共振现象和拍频现象等。但是时域分析也存在缺陷，例如传感器输出 信号是由多种频率分量信号叠加而成，时域分析法是不能了解其它的频率成分的特性。信 号时域分析的主要方法有以下几种n 町： 1 ) 波形分析法 电涡流传感器输出的轴振动信号一般都是随时间变化的波形，这些波形是轴振动最原 始的信息。如果具有明显的时间波形，可以直接用来对设备故障进行判断和分析。例如输 出一些等间距的尖脉冲，通常是由于冲击引起的。时间波形的分析具有简单、直观等优点。 通过波形的分析可以区分不同的故障。在工程上经验可知，转子单纯不平衡产生的信号基 本是正弦波；单线性不对中产生的轴振动波形比较光滑，具有可重复性；转子组件发生松 动或者发生干摩擦产生的振动波形不平滑、较毛糙，有时还会出现削波现象等，这些具有 特征的信号给汽轮机故障的诊断提供了方便。 2 1 轨迹分析法 采用轴的相对振动的测量方式，可以获得轴承座相对与转子轴心的运动轨迹，它反映 了转子相对轴承的运动状态，它包含了汽轮机运行状态的有关信息，帮助对故障的分析， 所以轴心轨迹分析法是汽轮机故障分析的一种方法。转子轴心轨迹包括未滤波轴心轨迹和 提纯的轴心轨迹两种。未滤波轴心轨迹是由两个电涡流传感器与转子垂直，并互成9 0 。 测量得到的。输出信号成分比较复杂，含有大量的干扰信号，所以不易获得轴振动的特征。 提纯的轴心轨迹是在频谱分析的基础上，设计信号调理电路，提取了反应信号特征的信号 量。另外一种方法是通过带通保相滤波对轴心轨迹进行重构，获取转子轴心轨迹，这种方 式获得的轴心轨迹较原始轨迹更能反映汽轮机的故障。所以转子的轴心轨迹对汽轮机的故 障分析是很重要的分析方法。 在电厂，一些故障分析专家通过观察转子轴心轨迹的重复性，可对汽轮机运行状态作 出判断。另外，一个电涡流传感器不能全面的获取轴振动的大小，所以在监测系统中，采 用两个互相垂直的电涡流传感器进行测量，获取转子轴心的轨迹信号。 3 ) 轴心位置分析 轴心位置常常用两个指标量来衡量，分别为转子轴心到轴承中心的距离r 和与轴承 垂直线的夹角e 来表示。轴心位置表示如图2 2 所示。 在图2 2 中，大圆代表的是轴承，小圆代表的是转子的轴心。轴心位置是判断汽轮机 转子运行是否平衡的重要指标。 9 西安工业大学硕士学位论文 图2 2 轴心位置表示图 4 ) 轴振动信号主要特征值 轴振动测量信号是由电涡流传感器获得，它包含了转子的大量信息，通常具有周期性， 通过简单的观察，很难观察转子的内在规律。为了通过轴振动信号来发现汽轮机的运行情 况，通常用轴振动的特征参数来衡量。常常采用振幅的变化、振动频率变化、振动相位变 化和振动方向变化等来分析轴振动特征。 a 、振幅 振幅是表示转子轴振动强烈程度的一个重要指标。是汽轮机故障诊断的特征量，通常 用位移、速度或者加速度来表示。通过对轴振动振幅值的测量，可以了解汽轮机转子的运 行情况，根据振幅值的大小，可以判断转子是否正常工作，或者发生故障。表示形式有： 峰峰值、有效值和平均值。峰峰值是指信号最大和最小值之差，排除了直流成分的影响； 有效值是轴振动测量中用得最多的特征参数之一，它反映了信号功率的大小。 b 、振动频率 振动频率是指信号的整个频率范围，分为基频和倍频。通过分析轴部件故障产生的信 号特征频率，可以有效地发现故障位置，减小维修时间。所以对轴振动频率的监测与分析 是非常重要的。由于轴振动信号的频率等于转子的特征频率，所以通常以转子特征频率的 整数倍或者分数倍用来作为轴振动信号的特征频率，转子的特征频率也就是转速。 依据汽轮机转子特征频率的特性，可将轴振动测量信号输出分为两种形式，分别为同 步振动和非同步振动。同步振动是指轴振动的测量信号与转子的特征频率有着紧密的联 系，通常二者频率关系是整数倍和分数倍。非同步振动是指轴振动信号中参杂了一些故障 产生的信号，这些信号的频率与转子特征频率没有对应关系，可以用来分析故障，所以轴 振动频率可作为汽轮机故障的分析。 c 、相位 相位测量是用来判断汽轮机转子在任意时刻的位置，当发生故障时，可以确定故障发 生的时刻，进一步可以精确转子故障位置，所以相位测量也是汽轮机故障分析的重要参数。 相位测量是依靠键相器来完成，确定初始时刻和终止时刻，以及振动最大值的时刻， 如果转子的平衡位置发生变化，将影响转子相位值。 d 、转速 1 0 2 汽轮机故障机理与转子监测技术研究 转速是对转子旋转速度的测量，是一个很重的物理量，它决定转子的特征频率，进而 决定着a d 转换器的采样频率，直接应影响着轴振动的信息量。它通常转速的测量是依 靠键相信号来完成，记录连续的两个键相信号的间隔时间得到转速值。 本系统采用轴振动主要特征值的方法，选用振幅量来反映轴振动的强烈程序，这是时 域分析中的主要方法，可以直观有效地反映汽轮机的运行情况，以及汽轮机的故障问题。 2 3 传感器的选型及应用 汽轮机转子工作状态的测量主要依靠各种传感器，传感器质量的优劣直接关系到汽轮 机监视保护仪表能否精确、实时地获取设备的运行状态。优良传感器应具有高可靠性，较 强的抗干扰能力，高的测量精度，以及宽的线性范围。本监测系统采用电涡流式位移传感 器。它是一种非接触式测量技术，采用电磁感应的方式进行测量的，将机械设备的间隙值 转换成电压值，在传感器的线性区，被测物体与传感器探头的间隙值的大小与传感器输出 的电压值大小成正比，二者是一一对应的，通过这种转换正确反映汽轮机振动状态。如果 在传感器的非线性工作范围内，传感器的测量灵敏度大大下降，影响测量的精确性。电涡 流传感器具有结构简单、高灵敏度、测量线性范围大和抗干扰能力强等优点，所以在汽轮 机等大型旋转机械状态在线监测系统中得到了广泛的应用n 7 1 。 2 3 1 电涡流传感器工作原理 电涡流传感器的前置器为探头中线圈提供高频信号，该频率一般为1 m h z 2 m h z 的 交变电压，当传感器探头平面靠近测量体时，线圈磁通链穿过测量体的表面，使测量体的 表面层感应出涡流，涡流所形成的磁通链又穿过原线圈，这样原线圈与涡流“线圈”形成了 有一定耦合的互感、耦合系数的大小又与二者之间的距离及转子的材料有关，转子的材料 确定后，耦合系数k 仅与间隙d 有关，k _ k ( d ) ，间隙d 增大，耦合减弱，k 值减少，使等效 电感增加，因此，测定等效电感的变化，也就间接测定d 的变化。所以输出电压是正比于 间隙值。二者关系为2 1 式。 u = f ( d )( 2 1 ) 电涡流传感器输出电压是调幅信号，经检波后，得到间隙值随时间变化的电压波形， 由前置器输出的电压分为两部分：一部分为直流电压，对应于测量体初始间隙，另一部分 为交流电压，对应于测量体振动间隙的变化。前置器包含信号振动器电路和检波电路，有 两大功能：提供等幅的高频信号和对探头输出信号进行检波n 。 2 3 2 电涡流传感器选型 电涡流传感器是通过电磁感应的原理来测量的，所以在传感器选型及安装时，应重点 考虑电磁场的影响范围及被测表面的尺寸和大小。 假设被测面直径为d 或被测宽度为y 探头直径为d ，在选择传感器时应确保d 3 d 或 y 3 d 。如果不能满足上述条件，将直接影响到传感器的输出的线性范围。但由于d 和y 是 西安工业大学硕士学位论文 机组结构决定的，所以一般情况下，d 和y 尺寸是定值，因此，应尽量选用小探头，以确保测量 精度n 8 1 。 本系统的初步实验是在汽轮机转子模拟测试平台上完成的，其中转子的直径为 5 0 m m ，另外，本系统主要是借鉴本特利公司的监测系统，进行设计的。由于北京波普公 司的h z 8 5 0 0 系列传感器与本特利b n 7 2 0 0 系列传感器技术指标完全相同，探头直径为 l l m m ，满足测量要求，所以选择了该型号传感器。电涡流传感器实物如图2 3 所示，技 术指标如表2 1 所示： 表2 1 ：h z - 8 5 0 0 系列技术指标 技术指标( m m ) 4 灵敏度( m v u m ) 分辨率( u m ) 线性度( 哟 工作频率( h z ) 前置器工作温度( 度) 温漂( 度) 工作电压( v