CFB锅炉的磨损形式84297.doc

CFB锅炉的磨损形式、机理及防护措施初探内容摘要本文综述了CFB锅炉各部位的磨损形式，分析了其磨损机理，并提出了有效的防范措施，均具有一定的代表性，对解决当今迅速发展的CFB锅炉运行中出现的磨损问题有一定的参考意义。 关 键 词流化床、磨损、壁面流、涡流、浇注料。 一、前言 近年来，由于循环流化床（CFB）锅炉具有的燃烧效率高，煤种适应性广，负荷调节范围大，有利于环保等优点，而备受青睐，在我国热电行业得到了迅速的推广使用，但是CFB锅炉的磨损问题比较突出，严重制约了该炉型长期经济地运行。本文就长期在75t/h流化床炉实际检修工作发现的各受热面的磨损状况进行了总结分析，供同行参考借鉴，借以抛砖引玉，希望大家共同来研究探讨CFB锅炉的磨损问题。二、GFB锅炉磨损概况 CFB锅炉的磨损主要发生在：膜式壁、过热器、省煤器、空气预热器、风帽及浇注料。 1、膜式壁的磨损 膜式壁的磨损位置主要是：与卫燃带交界处；下部密相区；膜式壁对接焊缝处；四角缝；与炉膛出口、看火孔浇注料相邻处；布风板与落渣管接合处；膜式壁上的凸起物处。 1.1膜式壁与卫燃带交界处及密相区的磨损此种磨损方式比较严重，且较难处理。如果浇注料与膜式壁是如图一形式，那么沿膜式壁面下降的物料流（即壁面流）在碰到凸起的浇注料时，会改变流向形成涡流，使与浇注料相接处的管壁受到磨损而形成凹沟，形如八字胡，时间长了，管壁会逐渐减薄而泄漏。防范措施：方法一，将凹沟补焊磨平后，贴紧管壁加焊防磨盖板，但运行一周后，会发现盖板与水冷壁上部焊接缝被磨开，并逐渐下磨，直至磨尽，同时管壁也因盖板凸台形成的小涡流而磨损减薄，看来加盖板的方法效果是有限的，需要定期维护和修补。方法二，目前新型的CFB锅炉（如济锅75t/h炉466型），采用了将膜式壁折弯，使该处浇注料与膜式壁肋片形成上下一致的垂直平面，如图二： 这样物料流沿壁面平直下滑，消除了局部涡流区，使磨损量大大减轻，甚至基本看不出磨损。打卫燃带时，在浇注料施工完毕后拆模板时，一定要检查浇注料与折弯上部膜式壁肋片过渡要平滑，不能出现台阶或渗浆造成的棱角，可趁浇注料尚未硬化前及时修理，运行一个周期后，要在卫燃带上涂刷一层防磨涂料，以增强耐磨效果。但是此交界处以上1-2m处于密相区，管壁磨损量相对较大，经过2-3年的运行，下部管壁可能减薄到 2.0-3.0mm（标准壁厚5mm），如果不采取措施，此区域管壁的大面积均匀减薄将达到不得不割换膜式壁的程度，及早预防大面积减薄的最好办法是采用电弧喷涂法，在管壁上形成一层致密耐磨的合金涂层，可大大减轻交界处以上密相区膜式壁的磨损程度。但是我们看到有的电厂掌握不好喷涂高度，先喷了20-30cm，发现不行，又向上喷了20-30cm，我们在这里介绍一种方法，可用测厚仪从交界处在管壁上向上逐点测量，记录下厚度，你会发现越向下壁厚越薄，越向上越厚，到达某个高度上，厚度基本变化不大，此处即可选为喷涂的上限。我们采用了江苏南通高欣金属陶瓷复合材料公司提供的超高速高性能电弧喷涂技术，在有下煤口的一面膜式壁上喷了70-80cm ，（因为此侧物料浓度相对较高，磨损稍重）其余三面喷了50-60cm，目前运行一年后，涂层仍然完好铮亮，管壁未受任何磨损，只需要在每次停炉后把涂层上缘稍微打磨使其过渡平滑即可。经过处理后，膜式壁与卫燃带交界处及密相区的磨损得到了很好的除锈强度控制。新炉的喷涂最好在一个运行周期过后再进行，一则可磨掉微小不平处，二则可显示出重大凸起和凹陷处便于修补，三则使管壁光滑明亮。 1.2膜式壁对接焊缝处的磨损 膜式壁的垂直度对磨损程度至关重要，任何倾斜和壁面凸起物都将带来严重的磨损。我们在一次测厚中，发现一根管子下部向内倾斜，结果管壁减薄程度（剩2mm）大大超过其它管子（平均剩4.1mm）管子对接焊缝的小凸台也会导致焊缝被磨平并使焊缝上部管壁轻微减薄，如图三所示： 在一次泄漏停炉检查中我们发现，安装公司为了膜式壁对接，将肋片割开，管口对接焊好后，再将肋片焊好，但留下了一道道垂直方向的焊瘤凸起带，使物料流沿焊瘤形成的沟槽向下冲刷管壁，使管壁减薄而泄漏。可见膜式壁垂直面上必须保证绝对平直光滑，才能有效避免局部磨损的发生。但有一种特殊情况，如果在膜式壁上设置足够宽度的挡板或圈梁（个别电厂采用）却可使面壁物流远离管壁而使壁面冲刷磨损减轻，但磨损区域略为上移一段距离，仍有磨损，而且会明显降低物料与管子的对流辐射传热效果，从而降低了热负荷。 1.3 四角缝的磨损 膜式壁四角缝由于物料浓度相对较高，焊缝不平整焊道迸溅等因素，而出现局部磨损现象，因此每次停炉检查不可忽视四角缝的检查，要将焊缝打磨平整滑。1.4与炉膛出口、看火孔浇注料相邻处的磨损、凸起物处的磨损 炉膛出口、看火孔的浇注料的边缘面应该刚好包覆膜式壁管子，如图4，这样可使物料流沿浇注料边缘面冲刷肋片，而不是冲刷相邻的管壁，浇注料施工时应注意这一点，一定要使浇注料边缘垂直平齐。由于膜式壁上的看火孔无甚用途，笔者建议：取消或减少看火孔的数量，拉直此处膜式壁。以消除局部涡流区。按照历次积累的经验，我们在CFB锅炉每运行3-4个月后例行检查，即搭脚手架至炉膛出口处，从上至下对膜式壁进行全面彻底的检查，每根管子都要摸查一遍，不放过任何凹沟和凸起。因为我们曾经因为锅炉安装公司遗留在膜式壁上的角铁头而出现了几次局部磨损泄漏停炉，犯了不该犯的错误。 因此，锅炉竣工后应认真检查。1.5布风板与落渣管接合处的磨损 CFB锅炉落渣管由于高温和渣料的磨损和来回膨胀，使其与布风板连焊处很容易开焊断裂，从而使渣料漏入风室，不但使一次风短路影响流化效果，而且落入风室的渣料小颗粒还容易堵塞风帽小孔。防治措施：每次停炉应注意检查，修补交接处断裂的落渣管；实践证明落渣管膨胀节膨胀量不够是交接处断裂的主要原因，我们采用在落渣管与水冷风室下层交接处膨胀节上再加一个金属波纹管膨胀节，彻底解决了断裂的问题。还可以在落渣管（风室段）上垂直方向焊上4-6道肋片，不但可增强落渣管散热效果，加热一次风，还可防止落渣管因受热不均产生的弯曲变形（油枪火焰直冲一侧），从而减轻与布风板焊接处的断裂程度。 2、过热器管子的磨损 从旋风分离器中心筒出来的烟气会因惯性偏向过热器室顶棚，因此对过热器上部管子冲刷较重，一般在此处顶棚上设一道高30cm宽20cm的圈梁和在过热器上部加防磨护瓦来防护。但为了保险起见，我们在过热器下部也增设了防磨护瓦，另外，每次停炉要认真检查管排是否整齐而无错排出列的管子。为防止烟气走廊的形成，我们在管排中间插上几根水平的不锈钢铁板固定好，强制使管排整齐，并在磨损严重的前三排管子上加焊护瓦，有效的减轻了磨损情况。 3、省煤器管子的磨损 省煤器管系最上边两排一般设计有防磨护瓦，可有效地保护下面的管子，但由于烟气的折流冲刷，应注意第三排管子的磨损情况，一旦泄漏，只有将泄漏的管子堵死弃用。省煤器管系与联箱相连的穿墙管段都设计有直形护瓦，一般正常运行2-3年后，会有少数护瓦磨穿，甚至磨透管子而泄漏停炉，因此，应注意停炉时定期检查，及时补焊或更换护瓦。另外我们还遇到过这么一种磨损导致泄露停炉情况，由于弯头护帘过长，直接抵到穿墙管护瓦上，由于护帘的导向作用，烟气颗料径直冲刷穿墙管直形护瓦，以致磨穿护瓦和管壁而泄漏停炉，如图5。处理方法是：将如图所示护帘最下段割去，减轻其导流作用，在直形护瓦上再加焊一层护瓦，并定期检查即可。 4、空气预热器管子的磨损 卧式空预器管子上口都应加防磨套管，因为离管口以下300-400mm处为最大磨损点，磨损后会造成送风外逸，风量减少，影响燃烧。而有的锅炉厂只为其中的一组空预器管箱配带防磨套管，造成未配带防磨套管的空预管箱子的磨损，应注意检查是否有此现象，并及时补加套管。 5、风帽的磨损 由于风帽处于沸腾的床料激烈的摩擦中，因此磨损较为严重。CFB锅炉物料流动的一个特点是炉膛中心的物流上升速度较快，接触四周膜式壁的物料流速较慢，且沿壁面向下流动（即壁面流）。上升中心流与下降环流在炉内形成内循环，因此布风板边缘上的风帽朝向炉墙的一侧磨损相对偏重，且靠近下煤口和返料口处的风帽磨损更为严重些。笔者提出一个合理建议：在三个下煤口以下1米处将浇注料筑成一凸球状，使下落的煤粒碰溅到凸球处而扩散开，可以使煤粒扩散范围加大，有利于流化燃烧更充分。同时，使风帽磨损更均匀些。凸球还可阻止上窜火焰使煤结焦堵塞下煤口。笔者还建议：将风室中间隔板割开相通（但要避开风道进风口），使左右风室压力均等，防止因风门误关导致布风板上风力不等流化不均，造成燃烧不好，磨损不均的现象，而且还可通过割开口便于检修检修。在风帽类型的选择上，可以选用迷宫式钟罩型风帽，此种风帽对帽顶的冷却能力好，使用寿命明显延长。风帽顶形式最好采用子弹头式或菌状式。 6、浇注料的磨损 浇注料磨损最厉害的地方是炉膛出口至旋风筒之间的水平过渡烟道的顶棚和旋风筒的顶棚，往往被烟气冲刷成蜂窝状，很容易脱落。可以在此水平过渡烟道外侧炉墙上自行打开并砌筑一个小型人孔门，运行时用耐火砖堵死，检修时可通过此人孔门直接进入水平过渡烟道内对上述顶棚的浇注料进行修补，而无需搭架，顶棚如严重脱落的需编织不锈钢骨架用可塑料重砌。同时要注意检查中心筒的磨损情况和椭圆度情况，并及时清除筒壁上的挂渣，以保证良好的烟尘分离能力，从面减轻对尾部受热面的冲刷磨损。 安装时，中心筒的中心线与返料器中心线应重合，否则，中心的偏移将影响分离的效果，导致烟尘排出浓度增加，加大尾部受热面的磨损。 另外，为防止中心筒吊挂的上边缘变形（因重力、温度而向内收缩甚至断裂），在安装时应适当增加连接中心筒和八卦梁圆环的不锈钢带铁（材质:1Cr25Ni20Si2）;中心筒内上部增加一道十字不锈钢支撑。在焊接不锈钢时，要注意不要错用焊条，应使用耐900-1100高温的A402焊条，焊后应保温退火。对埋在浇注料内的不锈钢网格，浇注前应涂刷=2mm的沥青，防止膨胀导致浇注层脱落。 7、影响磨损的另外几个因素 7.1 燃料的配比 劣质煤、煤矸石、掺炉渣及灰分大的煤，燃烧时烟气中灰浓度高，对受热面的磨损将增大，而且锅炉的热效率也相对较低，因此使用合适的煤种对磨损和热效率都有利。7.2 颗粒度 当燃料颗粒度较大时，密相区燃烧份额增大，对风帽和下部膜式壁的磨损增加。 7.3 送风、引风 当燃料粒径一定时，风速增加，引风加大时，则烟气流速增加，密相区燃烧份额下降，对上部膜式壁磨损增加，因为磨损量与烟气流速的3.6次方成正比。 送、引风是一个相对稳定的平衡状态，使炉膛负压维持在-20-100Pa,若引风过大，则烟气夹带颗粒浓度增大，增加尾部受热面的磨损。 三、结束语。 总之，CFB锅炉的磨损问题经过我们多年来的摸索治理，泄漏事故率显著下降，使CFB锅炉的连续运行时间一般可以达到3-4个月，甚至更长，收到了良好的效果和经济效益，以上观点和经验仅供同行参考。 参考文献1、循环流化床锅炉理论设计与运行。北京中国电力出版社 1998.5 2、锅炉运行辽宁省电力工业局汽轮发电机组监测及检修技术的研究进展 本文介绍了几种常用的汽轮发电机组状态监测和分析诊断技术、远程监测与故障诊断以及当今国内外汽轮机组状态监测的现状等，为如何加速开展这一工作提供参考。 关键词:汽轮机组；状态监测；状态检修；远程监测；故障诊断 汽轮发电机组能否得到正确维修是决定发电厂经济效益高低的一个关键性问题。长期以来，汽轮发电机组采取坏了再修的事后维修方式，十分被动，后来逐渐被计划性检修所替代，提高了检修的主动性，但是计划性检修往往会造成检修过度或检修不足，于是状态检修也就应运而生。所谓状态检修就是根据设备的实际运行状态合理确定检修项目、检修时机以及检修所需的时间，也被称之为预测检修，这是一种适应现代化电力生产的较为合理的检修方式，能够降低检修费用，提高设备的投用率和汽轮发电机组运行的安全性、可靠性以及经济性。 1 汽轮发电机组状态监测技术 设备的状态监测和分析诊断是状态检修的先决条件。目前国内外常用的状态监测和分析诊断技术有以下几种。 1.1 振动分析振动分析是汽轮发电机组状态评估和故障诊断的主要手段，能够判断出汽轮发电设备内部的状况，确定是否出现故障以及故障的严重程度和发展趋势。连续振动监测系统能够连续监测设备的振动特性并收集、贮存和分析振动数据，发现早期振动故障，判断发展趋势，为合理组织检修提供依据。 1.2 轴承磨损监测在汽轮发电机组的各组轴承内装上能够发射超声波的探头，通过检测超声波遇到轴承表面后的反射时间，计算出轴承磨损的程度。它能够在机组正常运行的状态下，直接、准确地检测出各轴承的磨损情况，并在轴承的磨损状况尚未造成设备故障停机前及时发现并进行针对性检修，避免造成损失。 1.3 叶片寿命动态分析系统 叶片寿命动态分析系统根据汽轮发电机组制造厂家提供的相关数据和发电厂的运行检测参数，并结合汽轮机叶片的自振频率、叶片材质的退化程度、蒸汽对叶片的影响和蒸汽夹带的杂质流过汽轮机叶片时产生的损伤，计算出易发生裂纹的叶片各部分的动静态应力，推测出叶片何处可能出现裂纹以及产生裂纹后的使用寿命。根据这些参数，电厂的工程技术人员就能够诊断出造成叶片故障的根本原因，并有效地预测叶片的剩余寿命，及时更换损坏的叶片，保证机组的安全、经济运行。 1.4 转子、汽缸应力监测仪 通过安装在机组不同位置的应力监测仪来检测各部件所受的应力，转子、汽缸应力监测仪能够为汽轮发电机组的运行操作人员提供汽轮机在预热、启动、负荷调整和停机时的应力信息和建议，将各部件所受的应力控制在一个合理范围内，延长汽轮机的使用寿命。 1.5 转子应力和裂纹评价系统 转子应力和裂纹评价系统根据声波检测的结 果，分析转子温度和应力分布，计算裂纹发展到极限尺寸的时间，从而综合判断转子的剩余寿命。它综合暂态热弹性应力分析、断裂机理、材质数据和检查结果，评估汽轮机和发电机转子的剩余寿命，以及转子随着运行时间的推移而发生故障的概率。 1.6 蒸汽流程保护系统 蒸汽流程保护系统包括进水监测系统和蒸汽管路状态监测仪，它能够测量给水加热器蒸汽入口的温度和压力，比较不同位置实测值与设计值的差别，及时发现异常情况并发出警告。同时该系统能够跟踪各蒸汽管道的进出温度、压力变化，判断管道是否存在泄漏以及各处泄漏的程度等。 除了上述技术外，热成像分析法、电冲击比较法、磨损微粒分析、污染物分析、电机电流特征分析等状态监测和分析诊断技术也已经逐渐被各个电厂采用，经济效益十分明显。 2 远程监测与故障诊断2.1 远程监测 远程状态监测与故障诊断是指在异地利用现代通讯技术实现的监测与诊断。目前，各发电厂均采用DCS等自动检测控制系统，在设备运行现场通过由工业PC机组成的数据采集系统对设备运行参数进行采集、信号处理、显示，然后通过局域网将采集到的数据发送到电厂的数据库，远程诊断中心的专家通过网络或者电话线等多种方式与企业局域网中的服务器进行交互，就能得到各被监测设备的实时运行数据，在线掌握设备的运行状态；或者企业通过Web服务器将现场监测到的信息发布到互联网上，远程故障诊断中心的专家通过授权，使用浏览器浏览其网页，对设备进行实时监测与诊断。前一种是客户机/服务器模式，后一种是浏览器/服务器模式，无论哪种模式都能够在电厂和远程故障诊断中心之间形成一个跨地域的互联通讯网络。 目前能够实用的客户机/服务器模式的远程监测诊断系统有数种，它们大都存在实时性较差的问题，大量客户同时访问时，服务器因要同时处理各个客户的联接致使系统性能下降。近年来随着网络技术的发展，基于浏览器/服务器模式的远程状态监测诊断系统显示出了独特的优势，已被多数企业逐渐采用。该模式的远程诊断系统为客户提供了一个跨平台的、统一的应用环境，使开发环境独立于应用环境，避免了为多种不同操作系统开发同一应用系统时需要开发不同的客户端程序的重复操作。同时，由于客户端的内容是从服务器动态下载的，给系统的后期维护或升级带来了极大的方便，只需要维护和升级服务器端程序，因此便于系统的扩展、维护以及管理。客户端只需要安装浏览器，运行时从服务器下载网页，并建立与服务器端的连接，设备运行数据实时显示可以通过ActiveX或Java Applet来实现。 2.2 故障诊断 目前故障诊断方法中实用性较好的有专家系统故障诊断法、神经网络故障诊断法、数据融合故障诊断法等。由于现场设备故障的发生原因非常复杂，即使状态监测参数相同，随故障变化的过程以及故障发生的主要原因也可能不同。仅仅依靠单一的参数是不能正确做出故障诊断的，为了减少误诊还必须利用各相关过程参数，并参考历史记录，采用数据融合法进行故障诊断。 目前，数据融合故障诊断法主要有Bayes推理、D-S证据理论和神经网络数据融合等。在D-S证据理论中，用信度函数表达故障发生概率的大小，通过多传感器测试被诊断对象，得出每一传感器在某症状下属各类故障的信度函数，然后用D-S组合规则进行信息融合，得到融合后症状分布属于各类故障的信度函数，最后根据判定准则确定故障类型。 3.国内外汽轮机组状态监测现状美国西屋汽轮机/发电机人工智能监测中心，利用在线专家系统对电厂的设备进行远程诊断。每个电厂都装有监视器和数据中心，电厂数据中心的作用是作为一个就地监视系统和数据采集系统，将采集的数据通过网络传送到诊断中心。诊断中心的人工智能程序将接收到的数据进行解释并做出诊断，然后将诊断结果送回电厂。电厂把这个诊断结果连同解决问题的建议和步骤一起显示出来。 在美国，电厂设备应用预测检修技术虽已非常普遍，但并非所有情况都采用状态检修。对一个企业来说，应根据设备本身的特点、状况、在系统中的地位以及经济效益而采用不同的检修方式，有的是计划检修，有的是状态检修，有的可能一直用到坏。因此在美国的电厂中，实际实施的是多种检修方式并存的综合检修方式。 英国中央电力局80年代初建成一个可对所属电厂有关运行部分进行集中控制的监测试验中心。它既可调用电厂的测试数据进行分析，又能将分析结果反馈给有关电厂。 从国外引进的汽轮发电机组一般都装有较完善的监控系统，国产大机组也选配一些进口的监控设备。此外，我国还自行开发了故障诊断仪器，并达到了一定的水平，其中振动诊断技术较为成熟。如南京汽轮发电机厂开发的以微机为核心的多功能振动分析系统，其中旋转机械振动状态监视及预测维修系统包含5个软件：振动监测软件、稳态分析软件、瞬稳态分析软件、振动数据采集及管理软件、趋势分析软件等，其性能可与国外产品相媲美。 4.结束语 汽轮发电机组状态检修是电厂检修技术的发展方向，在现阶段可以采取分步实施的方法。对于被监测的设备，应该选择好适用的监测技术以及配套应用软件。在状态监测的实施过程中，要考虑好监测点、报警值、停机值、监测频度的设定。 由于我国汽轮机组故障诊断技术的研究晚于国外多年，目前虽已取得一定的成绩，但与国外相比还有一定的差距。笔者建议为配合设备进行监测诊断，应尽快筹建电网的诊断中心和建立故障档案库，同时还需建立一支从事维修方式选择、监测诊断系统设计以及具体实施的专业技术队伍。旋转机械状态监测及预测技术的发展与研究北京机械工业学院 徐小力梁福平许宝杰韩秋实王为真摘要旋转机械是工业上应用最广泛的机械，为了对其 进行安全生产和实行科学维护，需要研究旋转机械在线监测及预测技术。采用 了综述该技术发展趋势与介绍该技术研究工作相结合的方法。在大型机组上施 行的实践验证结果表明：所研究的技术是有效的，分析手段是适用的。关键词旋转机械；工作状态；监测及预测0引言旋转机械状态监测技术，是近年来研究的热门课题，这里着重考虑的是避免设备的随机性故 障。自动在线监测方式与定期监测方式、在线检测离线分析监测方式相比技术水平先进，既 避免设备突发性故障又无需专业人员现场操作。旋转机械状态在线预测技术，是研究的新 兴课题之一，这里着重考虑的是预测设备的时间依存性故障和改变设备的维护方式。该技术 是在状态监测及故障分析基础上发展起来的，是实现以先进的预知维护取代以时间为基础的 预防性维护的关键技术。本课题着重研究的是设备状态在线监测及趋势预测的方法。1旋转机械状态监测技术的发展 1.1旋转机械状态监测技术的发展历程旋转机械是工业上应用最广泛的机械。许多大型旋转机械，如：离心泵、电动机、发动机、 发电机、压缩机、汽轮机、轧钢机等，还是石化、电力、冶金、煤炭、核能等行业中的关键 设备。 本世纪以来，随着机械工业的迅速发展，现代机械工程中的机械设备朝着轻型化、大型化、 重载化和高度自动化等方向发展。出现了大量的强度、结构、振动、噪声、可靠性，以及材 料与工艺等问题，设备损坏事件时有发生，国内外大型汽轮机严重事故是其典型实例。大型旋转机械状态监测技术研究是国家重点的攻关项目，目的是提高大型旋转机械的 产品质量，减少突发性事故，避免重大经济损失。50年代，各种类型和性能的传感器和测振 仪相继研制成功，并开始应用于科学研究和工程实际。六七十年代，数字电路、电子计算机 技术的发展、“信号数字分析处理技术”的形成，推动 了振动检测技术在机械设备上的应用。70年代至80年代，机械设备的状态监测与故障诊断 技术在许多发达国家开始研究。随着电子计算机技术、现代测试技术、信号处理技术、信号 识别技术与故障诊断技术等现代科学技术发展，机械设备的监测研究跨入系统化的阶段，并 把实验室的研究成果逐步推广到核能设备、动力设备以及其它各种大型的成套机械设备中去， 进入了蓬勃发展的阶段。例如：日本三菱公司的“旋转机械健康管理系统”（machinery health monitoring，简称MHM），美国西屋公司的“可移动诊断中心”（mobile diagnosi s center，简称MDC），丹麦BK公司的2500型振动监测系统等，都具备了机组 信号数据的采集、分析、计算、显示、打印、绘图等功能，并配有专项诊断软件。先进的状 态监测系统把体现机械动态特性的振动、噪声作为主要监测和分析的内容。由 于振动、噪声是快速的随机性信号, 不仅对测试系统要求高，而且在分析中要进行大量的数 据处理， 国内外在80年代用小型计算机或专用数字信号处理机做为主机完成机械动态特性 的数据处理（如:HP5451C）, 该类主机不仅价格昂贵（一般价格为数十万元）而且对工作环 境要求苛刻（需要专用机房），因而通常采用离线监测与分析的方式。90年代以来，高档微机不断更新且价格迅速下降，适合数字信号处理的计算方法不断优化， 使数据处理速度大为提高，为在工业现场直接应用状态监测技术创造了条件。丹麦、美国、 德国、日本等发达国家的专家学者对旋转机械工作状态监测技术进行了深入研究，研制出不 同系统。该类系统以丹麦 B&K公司的2520型振动监测系统、美国BENTLY 公司的3300 系列振动监测系统、美国亚特兰大公司的M6000系统为代表已经达到较高的水平 。在功能上比较典型的系统之一是丹麦B&K公司的2520型振动监测系统(vibrati on monitor-type 2520)，主要功能有：自动谱比较并进行故障预警报警；对6和23恒百 分比带宽谱进行速度补偿；幅值增长趋势图显示； 三维谱图显示；振动总均方根值（振动 烈度）计算；支持局域网。美国IRD公司的IQ2000系统可认为是至今为止有报道的功能最齐 全的监测与诊断系统。我国在工业部门中开展状态监测技术研究的工作起步于1986年，在此之前从国外引进的大型 机组，一般都购置了监测系统。而在自行研制的国产设备上，若选用国外的监测系统，由于 价格异常昂贵而难以接受。80年代中后期以来，我国有关研究院所、高等院校和企业开始自 行或合作研究旋转机械状态监测技术，无论在理论研究、测试技术和仪器研制方面，都取得 了成果，并开发出相应的旋转机械状态监测系统。如：西安交通大学、浙江大学、北京理工 大学、北京机械工业学院等。国内主要有几种类型：a.哈尔滨工业大学等单位联合研制的3MD-、3MD-、3MD-系统 ；b.西安交通大学机械监测与诊断研究室的RMMDS系统；c.西安交通大学润滑理论及轴承研 究室的RB20-1系统；d.郑州工学院的RMMDS系统；e.重庆太笛公司的CDMS系统；f.浙江大学 的CMD-I型及II型系统；g.西北工业大学的MD3905系统；h.北京机械工业学院的BJD-Z、BJ D-Z、BJD-Z系统。其中比较典型的系统有：1985年10月通过鉴定的由哈尔滨工业大学等 单位联合研制的3MD-微机化“汽轮发电机组振动监测与故障诊断系统”，以及后来进一 步开发的汽轮机故障诊断专家系统3MD-、3MD-；1987年通过鉴定的由西安交通大学机械 故障诊断研究室研制的RMMD-S化肥五大机组“微机状态监测与故障诊断系统”等。这些系统 的主要功能有：轴振动监测，包括轴心轨迹分析、轴向串动、轴振动位移峰-峰值计算；壳 体振动监测；频谱分析，包括频率细化、阶比谱分析、阶跟踪谱、三维功率谱分析；自动预 、报警；故障特征提取及诊断。以上系统的软件功能比较丰富，硬件性能也不断改进，但基本上仍处于研究发展阶段，且价 格依然昂贵，这些系统主要应用于国家重点企业中关键设备的监测或特定设备的监测，如大 型汽轮机组、大型水轮机组等。从技术发展过程看，现代监测技术大致经历了两个阶段。第一阶段是以传感器技术和动态测试技术为基础，以信号处理技术为手段的常规技术发 展阶段，这一阶段的技术已在工程中得到了应用，它吸收了大量的现代科技成果，传感器技 术的飞跃发展，使之可以利用振动、噪声、力、温度、电、磁、光、射线等多种信息。由此 产生了设备的振动、噪声、光谱、铁谱、无损检测、热成像等监测和故障分析技术。信号分 析与数值处理技术的发展，结合微计算机技术的发展，使各种方法应运而生，如：状态空间 分析、对比分析、函数分析、逻辑分析、统计和模糊分析方法。近年来，各种数据处理软、 硬件的出现使实时在线监测及故障分析技术成为可能。人工智能技术为设备监测和故障分析的智能化发展提供了可能，使得现代监测技术发展 步入第二阶段。这一阶段的研究内容与实现方法已开始并正在继续发生着重大变化，以 数据处理为核心的过程将被以知识处理为核心的过程所替代，开展了专家系统、神经网络和 模糊分析等理论、方法和应用技术的研究。这阶段起主导作用的将是人类 专家的知识，包括人类专家所拥有的领域知识、求解问题的方法等。由于实现信号检测、数 据处理与知识处理的统一，使得先进技术不再是少数专业人员才能掌握的技术，而是一般操 作人员所能使用的工具。 1.2旋转机械状态监测技术的发展趋势机械设备运行状态的监测技术，已经从单凭直觉的耳听、眼看、手摸，发展到采用现代 测量技术、计算机技术和信号分析技术的先进的监测技术，诸如超声、声发射、红外测温等 ，层出不穷。人工智能、专家系统、模糊数学等新兴学科在机械状态监测技术中也找到用武 之地。在机械动态信号分析方法和应用技术上，新近的发展有：采用空间域滤波的预处理、采用Vo ldKalman滤波的多轴阶比信号分析技术、适于非平稳信号的基于WignerVille分布分析、小波(wavelet)变换方法、混沌分析方法、智能 传感与检测技术、以及与VXI总线仪器平台相关的技术等。现今，国内外较典型的状态监测方式主要有3种。(1)离线定期监测方式。测试人员定期到现场用一个传感器依次对各测点进行测试，并用磁带机记录信号，数据处理 在专用计算机上完成，或是直接在便携式内置微机的仪器上完成；这是当前利用进口监 测仪器普遍采用的方式。采用该方式，测试系统较简单，但是测试工作较烦锁，需要专门的 测试人员；由于是离线定期监测，不能及时避免突发性故障。(2)在线检测离线分析的监测方式。亦称主从机监测方式，在设备上的多个测点均安装传 感器，由现场微处理器从机系统进行各测点的数据采集和处理，在主机系统上由专业人员进 行分析和判断。这种方式是近年在大型旋转机械上采用的方式。相对第一种方式，该方式免 去了更换测点的麻烦，并能在线进行检测和报警；但是该方式需要离线进行数据分析和判断 ，而且分析和判断需要专业技术人员参与。(3)自动在线监测方式。该方式不仅能实现自动在线监测设备的工作状态，及时进行故障 预报，而且能实现在线地进行数据处理和分析判断；由于能根据专家经验和有关准则进行智 能化的比较和判断，中等文化水平的值班工作人员经过短期培训后就能使用。该方式技术最 先进，不需要人为更换测点，不仅不需要专门的测试人员，也不需要专业技术人员参与分析 和判断；但是软硬件的研制工作量很大。本课题研究的是这种方式。今后，旋转机械状态监测技术趋向由离线定期监测方式、在线检测离线分析监测方式，发展 为自动在线监测方式。随着人工智能理论的发展及其在实际中的应用、数据处理软件的大量 开发，今后旋转机械状态监测技术正向多目标、多层次监测和网络化方向发展 。2旋转机械状态预测技术的发展 2.1旋转机械状态预测技术的发展历程当机械设备发生故障时,不仅物质财富遭到破坏，服务逼迫中断，甚至连人员的生存也会受 到威胁。在工业史上，由于机械设备故障造成的灾难和环境事故频频发生。例如，美国阿莫 科.卡迪斯号油轮原油泄漏事故，前苏联的切尔诺贝利核电站事故等等，了解这些事故发生 的过程以及如何加以防范，成为要考虑的重要问题。尤其这些故障大都是由于人为干预和不 当措施所造成的，因而减少维护次数和提高维护的科学性是预防恶性事故发生的重要方面 。传统的机械设备维护方式概括为：运转至损坏再维护和以时间为基础的预防性维护；前者一 般用于廉价的小型机器，采用后备设备来保证生产；后者也称定期维护，一般用于大中型设 备，不论设备是否有故障都按人为计划的时间定期检修80年代以来，以建立新 的维修体制为目标形成了综合工程学科，这一工程学科在欧美、日本以不同的形式获得了推 广。近年来丹麦、美国、德国、日本等发达国家的专家学者进一步提出了预知维护的基本概 念。90年代以来，开始研究新型旋转机械工作状态分析和状态预测技术，研究采用专家系统 、神经网络等新的应用技术。但是，人工智能状态在线预测和预知维护的研究尚处于研究发 展的起步阶段。设备预知维护是通过对机械设备运行状态做监测及预测来取代定期检修方式，其原则是：只 有当监测、分析和预测结果表明有必要维修时才进行维修。这种现代化维护方式能监测和预 报设备的故障，在发现故障前兆时能及时停机，甚至能按判别出的故障的性质和部位，有目 的地进行检修。其检测方式通常是定期检测，但理想的方式是在线实时检测；其分析预测方 式通常是在计算机上由专业人员评定完成，但理想的方式是由人工智能系统实时在线判断完 成。因此，若能在线实时检测和以人工智能分析机械设备经历的和当前的状态，并预测随后的发 展，则可以随时、科学、有效地揭示机械设备当前的工作状态，并预测今后多长时间设备状 态将达到不可接受的程度而应当停机维修，从传统的预防维护上升到预知维护。若对旋转机 械设备实行预知维护，需要在旋转机械状态监测和故障分析的基础上，进一步通过对设备状 态进行频域、时域的综合分析判断以及状态的趋势预测来实现。国际上有代表性的预测系统是美国Entek Scientific Corporation的预测维修系统(pre ventive maintenance system)，其主要功能有：幅值趋势图显示；时域波形显示，频谱显 示；六段频率频谱自动报警，窄带频谱自动报警；两频谱幅值比显示，两频谱幅值差显示； 三维谱图显示；用旋转机械故障诊断专家系统进行离线故障诊断；支持铁谱分析；支持局域 网。该预测系统，能对频谱进行自动比较，能识别由于旋转机械转速变化所引起的频率漂移 ，并提供报警信号。随着我国科学技术的发展，一些大型企业正在从单纯的振动测量或巡回检测、定期检测和检 修，逐渐向长期连续监测和预测性维修过渡。有的高等院校和科研院所的研究方向也开始相 应变化，有代表性的是天津大学的基于Windows的IDPM智能诊断与预测维修软件系统的研究。但是国内当前研究的重点仍集中在旋转机械设备的状态监测和故障分析方面 ，而对大型旋转机组的以预知维护为目标的智能状态在线预测技术尚待系统地研究。国内许 多厂家和研究单位研制的监测系统，大多数测量项目单一，甚至还往往限于对温度、压力、 液位、电量等常规参数的检测，不具备对振动量为主的机械动态特性进行检测和分析的功能 ，因而无从反映旋转机械设备重要的工作状态；即便具有检测振动量的功能，尚限于状态的 监测和故障分析，不能对旋转机械设备工作状态发展趋势进行预测。 2.2旋转机械状态预测技术的发展趋势从机械设备的检修历史和现状来看，设备检修方式大致有：发生事故停机检修，定期停 机检修亦称预防性维修(preventive maintenance)，预知维修(predictive maintenance)亦 称状态维修或视情维修(condition maintenance or condition-based maintenance)。预知维修方式可以从根本上改变原有的设备维修制度。在保证设备安全运行、避免人员 伤亡、减少环境污染和避免巨大的经济损失方面将产生巨大的作用。据有关文献介绍，在设 备上应用预测技术，获利与投资比可达17:1。因而，以预知维护取代以时间为基础的预防性 维修，成为关键设备和大中型设备维护方式的发展趋势。国外有代表性的采用旋转机械状态 预测先进技术的系统是美国Entek 公司的IRD890 PM预测维修系统、丹麦B&K公司的COMPAS S TYPE 3540系统、TYPE3560系统，这些系统一般用于设备的离线预测。在线的预测技术越来越受到人们的重视，并成为目前技术攻关的课题。在现有的设备状态在 线监测系统上附加状态预测功能，由于具有较高的性能价格比，而成为实现设备状态在线监 测及预测的优选方案，本课题研究的是这种采用在线方式的同时进行监测及预测的方案。具 有人工智能的状态在线监测和预测技术是国内外研究的新课题，也是本课题研究的内容。由于机组状态在线智能化趋势预测技术是国际上90年代以来发展的一项先进技术，国家 自然科学基金工程与材料科学部确定，国内大型旋转机械状态监测及预报研究课题主要针对 大中型旋转机械，研究智能化在线的状态分析和状态预测的有关理论、方法，研究在线检测 、人工智能分析设备经历的和当前的状态并预测发展趋势。国家机械工业技术发展基金委员 会提出的“九五”期间研究工作目标也确定在大型旋转机械状态监测和故障分析的基础上， 研究大型旋转机械状态预测系统，研究大型旋转机械状态趋势预示的技术，开发大型旋转机 械状态趋势预测的系统。3旋转机械状态在线监测及预测技术的研究 3.1问题的提出以往在工业现场通常通过值班人员对大型机械设备的状态进行监测，监测项目除温度、压力 、电机功率、电流等常规项目外，按规定振动、噪声通常也是需监测的项目，但往往没有检 测手段，只能靠值班人员手摸或耳听；由于缺乏可靠的科学依据，对其状态评价也往往是不 准确的，因而设备损坏等恶性事故时有发生。因停机维修而造成的经济损失往往是很惊人的 。同时，当前大型机械设备的维护方式通常采用的是周期性强制维护，该维护方式到时即更 换零部件，维护费用巨大，停机时影响正常生产，并且仍避免不了恶性事故的发生。此外， 工业现场往往装有若干台大型机械设备，现场噪声很高，通常大大超过国家工业企业噪声 卫生标准。在机械设备状态监测技术应用方面：如我国大型油田以前建的大型采油注水站没有装备 状态监测及预测系统。有的新建注水站虽装备了微机巡检系统，但该系统通常仅对压力、温 度等常规项目进行监测，没有包括机械振动特性的检测，不能进行机组重要状态的监测和分 析。近年来，有的油田输油站等大型设备上，采用了新研制的包括对振动特性进行检测的系 统，实现了在线监测和分析，但尚没有建立机组机械动特性档案，因而难以进行自动在线的 状态判断，而需要专业人员离线进行分析。在机械设备状态预测技术应用方面：如在我国大型油田广泛使用的大型注水机组的维护 方式仍采用上述的传统的预防性维修。近年来有的维修部门进口了美国Entek 公司预测维修 系统，可对机组进行定期检测和离线分析。但是该仪器内置的预测对象是通用电机，对注水 机组故障率较高的离心泵的预测针对性不强，同时又是定期离线预测方式，不便于进行短期 预测，不能防止机组突发性事故，并且得由专业人员进行检测和分析；因而应用受到限制， 也不能从根本上改变注水机组的维护方式。当前工业生产越来越注重降低成本 ，特别是要求在能避免机械设备突发事故的同时尽量延长设备运行周期。为此，迫切需要研 究大型旋转机械状态自动在线监测及预测技术。 3.2研究的意义对旋转机械状态进行在线监测及预测可以有效地避免意外事故，消除续发损坏，节约大 量维护费用；由于减少维修次数，从而增加设备正常运转时间，提高设备利用率，缩减维修 备件的库存及库存时间。对机械设备状态进行机械动态特性以及压力、温度、流量、液位、电量、润滑油含水等 常规项目的综合自动监测; 同时可进一步研究增加控制功能，调整设备输出使 设备在效率较佳、能耗较低的状态下运行。利用主机系统进行统计和打印日常 报表以及故障报表, 能为生产部门提供现代化的科学管理手段，通过微机联网通讯，还可以 使设备状态监测及预测