【正文】 國內外機組振動故障技術 , 包括當今故障診斷 理論研究現狀、 應用開發(fā)情況等 , 并對國內在此項技術發(fā)展中的一些相關問題進行了粗淺的討論 , 以期對今后的發(fā)展能有所啟發(fā)。 汽輪機發(fā)電機組故障診斷處理的意義 火力發(fā)電廠中的汽輪機、發(fā)電機都屬于旋轉機械，它們在電力生產中處于至關重要的的地位。汽輪發(fā)電機組一旦出現故障，不僅會帶來經濟損失，而且會引起很嚴重的安全隱患，甚至會導致事故的發(fā)生。 理論上講，轉子的外形是一個軸對稱的旋轉體，其轉子上面的葉輪、葉片都沿圓周均勻分布在轉軸上。但實際上，由于制造水平和裝備的誤差以及材質的不均勻，所以轉子的幾何中心 不重合產生了質量的偏差。在旋轉狀態(tài)下，偏心的質量是轉子產生離心力，此離心力在任何一個通過旋轉中心線的靜止平面上投影是一個周期性簡諧外力，這一簡諧外力就會引起轉子振動的激振力。由于轉子也是和其它彈性體一樣，有自己固有的自振頻率，當激振力頻率和轉子橫向振動的自振頻率相等時，會產生共振現象。由于共振時，整個彈性體的振幅最大，動應力也急劇增加。因此會對汽輪發(fā)電機組造成嚴重的影響，甚至發(fā)生事故。汽輪機事故中，尤其是以振動所發(fā)生的事故所占的比例最大，因此我們可以把振動作為設備安全評估的重要指標。一臺機組正常運行，其振動 值和振動變化是比較小的。一旦機組振動值變大，或振動變得不穩(wěn)定，則說明了設備出現了一定程度的故障。 5 隨著國民經濟水平的提高和技術的進步，汽輪發(fā)電機組向高容量高參數的方向發(fā)展。蒸汽參數越高，容量越大，汽輪發(fā)電機組的故障就越復雜。而且由于旋轉機械故障的復雜性和多樣性，如果發(fā)生故障，影響范圍一般都比較大，同時這些引起故障的原因卻非常復雜且不明顯，要準確的判斷出汽輪發(fā)電機組故障類型及故障發(fā)生的部位相當困難，檢修時間和難度都會大大提高。我們可以通過采取對汽輪發(fā)電機組故障診斷來減少或者避免類似情況發(fā)生。 設備的故障診斷是 指在設備不解體的情況下，根據人類積累的經驗和數據，采用一定的技術手段對設備所處的狀態(tài)進行判斷、對設備的故障及其發(fā)展及其發(fā)展變化進行診斷和估計的技術。隨著傳感技術、微電子、計算機軟硬件和數字信號處理技術、專家系統、模糊集理論等綜合智能系統的應用，設備狀態(tài)監(jiān)測和先進診斷技術的研究得到發(fā)展，成為電力系統中的一個重要研究領域。故障診斷的一般內容是：確定設備故障的性質、程度、類別和部位，明確故障、征兆、原因和系統之間的相互關系，指明故障發(fā)展趨勢。 因此，通過對汽輪機發(fā)電機組運行過程中的故障診斷，及時有效的判斷其狀態(tài) ，將使汽輪發(fā)電機長期、安全可靠的運行成為可能。無論是從重要性還是具有的經濟效益來衡量，都將對電力系統的安全運行產生重要的意義。 國內外汽輪機組故障診斷處理發(fā)展狀況 我國對于故障診斷的研究開始于八十年代，初期主要應用于石化、鋼鐵行業(yè)，在九十年代以后，這一技術迅速的應用到我國工業(yè)領域。旋轉機械作為我國工業(yè)的原動機，使旋轉機械的故障診斷成為了此技術應用到我國工業(yè)領域。大型汽輪發(fā)電機組的在線監(jiān)測與故障診斷技術在當時成為了國家‘七五’、‘八五’重大科技攻關項目，并在‘九五’期間繼續(xù)受到支持，其重要意義是顯而易 見的。西安交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學等一些高校及西安熱工研究院等一些研究單位在大型汽輪發(fā)電機組故障機理及其診斷技術研究方面總體處于國內領先水平。但是，一方面由于研究的重點和目標受到某些方面的制約，僅僅局限在診斷技術的數學算法上，脫離或沒有重視現場實際情況，也沒有考慮實用性，導致偏離了故障診斷的研究本質，影響了故障診斷技術的推廣；另一方面，我國用電量的需求不斷增長，考慮節(jié)約能源及環(huán)保的要求，汽輪發(fā)電機組單機裝機容量的不斷增大，已有百萬機組投產，而對于百萬機組的故障診斷我國專家及公司尚未完全了解，許多常 見故障機理、故障特征及現場診斷方法的研究還有待進一步的深入。 國外的故障診斷技術的研究及應用比我國要早將近半個世紀。當前在國際故障診斷領域，美國在大型汽輪機組在線監(jiān)測與診斷技術研究方面成績突出，這些成績歸功于該國的信號與數據分析技術，因為這些技術是故障診斷技術的根本基礎，診斷結果的準確性完全取決于信號與數據分析的準確與否。在商業(yè)領域上，美國的幾大專業(yè)性極強的公司，如 Bently、IRD、 BEI，長期從事對汽輪機組的運行和監(jiān)控的研究，對機組可靠性、安全性與經濟管理技術方面有了深入的認識，已經建立了強大的數據庫 管理系統，專家系統的研究已然十分深入，再加上雄厚的軟件實力和龐大的實驗數據，其在故障診斷領域的地位是很堅固的。此外，在歐洲還有許多著名的故障診斷公司，如丹麥的 Bamp。K，德國的申克及日本的武田理研等，生產并維護著多種用于設備故障診斷的儀器及軟件系統。然而國外的在線監(jiān)測系統、現場診斷儀器及診斷管理軟件等一系列的診斷系統一般價格十分昂貴，且存在異地維修不便、缺少漢化而使用不便等問題，因此還難以在我國基層電廠普及。還有診斷思想上，國外的許多專家及公司已經不僅僅停留在典型故障診斷與分析上，其龐大的專家經驗已使故障診斷設 計更廣闊的領域。 快速傅立葉變換（ FFT）應用于汽輪機故障診斷的簡介 。此時，短時傅里葉變換（ STFT）可以被用來檢測瞬時突變。然而， STFT 中的固定的窗口意味著在時頻域內的固定時頻分辨率。頻率信息提取的精確性受限于窗口的長度。例如，在檢測汽輪機碰摩信號時，由于它是不穩(wěn)定的，而且重要的頻率信號在幾百 Hz 范圍內不均 6 勻分布，因此 STFT 很難精確確定窗口的大小，頻率信息提取的精確性也就受到很大限制。 為了克服 STFT 中的固定的時頻分辨率的問題， 本論文的主要工作 快速傅立葉變換（ FFT）在故障診 斷信號處理的應用上具有以下幾個優(yōu)點： 傅立葉變換是線性算子 ,若賦予適當的范數 ,它還是酉算子 。 傅立葉變換的逆變換容易求出 ,而且形式與正變換非常類似 。 正弦基函數是微分運算的本征函數 ,從而使得線性微分方程的求解可以轉化為常系數的代數方程的求解 .在線性時不變的物理系統內 ,頻率是個不變的性質 ,從而系統對于復雜激勵的響應可以通過組合其對不同頻率正弦信號的響應來獲取 。著名的卷積定理指出 :傅立葉變換可以化復雜的卷積運算為簡單的乘積運算 ,從而提供了計算卷積的一種簡單手段 。 離散形式的傅立葉變換可以利用數字計算機快速的 算出 (其算法稱為快速傅立葉變換算法 (FFT)). 7 第二章 汽輪發(fā)電機組常見的故障診斷技術 汽輪機組常見的故障類型及產生的原因 （ 1） 轉子不平衡的故障 轉子不平衡是由于轉子部件質量偏心或轉子部件出現缺損造成的故障，它 是旋轉機械最常見的故障。據統計，旋轉機械約有一半以上的故障與轉子不平衡有關。 目前 ，南京航空航天大學提出了一種基于模型的雙轉子不平衡故障的識別方法，該方法可以同時識別內外轉子不平衡故障的大小和相位，具有較高的識別精度 。 （ 2） 轉子 不對中故障 轉子不對中包括軸承不對中和軸系不對中兩種情況。軸頸在軸承中偏斜稱為軸承不對中。軸承不對中本身不會產生振動，它主要影響到油膜性能和阻尼。在轉子不平衡情況下，由于軸承不對中對不平衡力的反作用，會出現工頻振動。 機組各轉子之間用聯軸節(jié)連接時，如不處在同一直線上，就稱為軸系不對中。通常所講的不對中多指軸系不對中。造成軸系不對中的原因有 安裝誤差、管道應變影響、溫度變化熱變形、基礎沉降不均等。由于不對中，將導致軸向、徑向交變力，引起軸向振動和徑向振動。 消除此故障引起的振動策略： 消除低 /發(fā)轉子連接偏心，增加軸瓦油膜剛度，調整軸系平衡 [7]。 （ 3） 轉子彎曲的故障 轉子彎曲是指各橫截面的幾何中心連線與旋轉軸線不重合。轉子彎曲有永久性彎曲和臨時性彎曲兩種情況。永久性彎曲是指轉子軸呈弓形彎曲后無法恢復。造成永久彎曲的原因有設計制造缺陷（轉軸結構不合理、材質性能不均勻）、長期停放方法不當、熱態(tài)停機時未及時盤車等。臨時性彎曲是指可恢復的彎曲。造成臨時性彎曲的原因有預負荷過大、開機運行時暖機不充分、升速過快局部碰磨產生溫升等致使轉子熱變形不均勻等。 目前，對轉子系統故障診斷的研究主要集中在三個方面：①從理論上分析各類故障，尤其是非線性故障的特性并確定故障特征量；②利用先進的信號采集和處理技術提取故障特征；③研制故障診斷軟、硬件系統和建立專家?guī)欤糜趯嶋H轉子系統。 （ 4） 油膜軸承的故障機理與診斷 隨著工作轉速的升高，半速渦動頻率也不斷升高，頻譜中半頻諧波的振幅不斷增大，使轉子振動加劇。如果轉子的轉速升高到第一臨界轉速的 2 倍以上時，半速渦動頻 率有可能達到第一臨界轉速，此時會發(fā)生共振，造成振幅突然驟增，振動非常劇烈。同時軸心軌跡突然變成擴散的不規(guī)則曲線，頻譜圖中的半頻諧波振幅值增大到接近或超過基頻振幅，頻譜會呈現組合頻率的特征 [8]。若繼續(xù)提高轉速，則轉子的渦動頻率保持不變，始終等于轉子的一階臨界轉速，即 Ω＝ wc1，這種現象稱為油膜振蕩。 起始失穩(wěn)轉速與轉子的相對偏心率有關，輕載轉子在第一臨界轉速之前就可能發(fā)生不穩(wěn)定的半速渦動，但不產生大幅度的振動；當轉速達到兩倍第一臨界轉速時，轉子由于共振而有較大的振幅；越過第一臨界轉速后振幅再次減少，當轉速達 到兩倍第一臨界轉速時，振幅增大并且不隨轉速的增加而改變，即發(fā)生了油膜振蕩。 油膜振蕩和油膜渦動產生的故障原因：軸承參數設計不合理，軸承制造不符合技術要求，軸承間隙不符合要求，軸瓦參數不當，軸承殼體配合過盈不足，軸溫或油壓不當，潤滑不良，軸承磨損，疲勞損壞、腐蝕、氣蝕等。選用抗振性 8 好的軸承 。 油膜振蕩的防治措施： 提高軸的臨界轉速，使軸的轉速不超過 2 倍臨界轉速， 設計上盡量避開油膜共振區(qū)，增加軸承比壓，減小軸承間隙，調整油溫。 目前，可以使用 2130 振動專家診斷系統、 V B 3000 振動診斷專家診斷系統對滑動軸承振 動數據予以采集，并通過 PC 顯示軸心軌跡圖，能準確識別滑動軸承振動故障。 （ 5） 動靜件摩擦的故障機理與診斷 轉子與靜止件發(fā)生摩擦有兩種情況：一種是轉子在渦動過程中軸頸或轉子外緣與靜止件接觸而引起的徑向摩擦；另一種是轉子在軸向與靜止件接觸而引起的軸向摩擦。 轉子與靜止件發(fā)生的徑向摩擦還可以進一步分為兩種情況：一種是轉子在渦動過程中與靜子發(fā)生的偶然性或周期性的局部碰磨；另一種是轉子與靜子的摩擦接觸弧度較大，甚至發(fā)生 360176。的全周向接觸摩擦。 動靜件摩擦的故障原因：設計間隙不當，偏??；轉子與定子 不同心；對中不良；機組熱膨脹不均勻；轉子撓度大，不均勻。 （ 6） 轉子熱套配合過盈不足的故障機理 高速旋轉機械轉子的葉輪、軸套等旋轉體通常是采用熱壓配合的方式安裝在轉軸上，其配合面要求為過盈配合。當過盈量不足而發(fā)生松動時，轉子在高速運行中由于動撓度以及交變激振力的作用，轉軸材料內部以及轉軸與旋轉體配合面之間會發(fā)生摩擦而影響轉子的穩(wěn)定性。 （ 7） 轉子支承部件松動的故障機理 轉子支承部件連接松動是指系統結合面存在間隙或連接剛度不足，造成機械阻尼偏低、機組運行振動過大的一種故障。支承系統結合面間隙過大， 緊力不足，在外力或溫升作用下產生間隙，固定螺栓強度不足導致斷裂或缺乏防松措施造成部件松動，基礎施工質量欠佳等都是造成松動的常見原因。由于存在松動，極小的不平衡或者不對中都會導致支承系統產生很大的振動。 常見故障診斷技術 與方法的介紹 設備 故障診斷 的技術和 方法 有很多，而且必須結合設備故障的特點，采用不同的診斷技術和 方法 。 下面介紹幾種典型的診斷技術與方法： （ 1） 振動診斷技術 振動診斷技術就是對設備的振動信號進行檢測、分析處理，故障識別和預報的一種技術。 為了更好地研究振動分析診斷技術，首先應對波形 理論、機械理論、以及計算機應用等有一定的了解。振動的參數指標 有 很多， 如 時域波譜圖、頻域波譜圖、軸心軌跡圖、脈沖指標、峭度指標等對設備的故障分析很有效果 [2]。 振動診斷技術包括四個方面：振動信號的采集 ； 振動信號的處理 ； 故障識別 ； 故障預報 。 振動診斷技術有很多方法可以采用，例如：振動特征分析，振動譜分析，振動倒譜分析，振動包絡分析，振動全息譜分析，振動三位譜圖分析，振動超工頻或亞工頻諧波分析，振動時域分析，振動模態(tài)分析等。 （ 2） 智能 診斷 技術 隨著現代化生產的發(fā)展，設備復雜程度增大，對設備的運行要求也不斷提高，就促使診斷技術向智能化、自動化方向發(fā)展。目前，國內外主要應用和開發(fā)的 智能 診斷 技術 有下列九種，并分別對其進行簡單的介紹。 （ 3） 專家系統 診斷 專家系統是應用大量人類專家的知識和推理方法求解復雜實際問題的一種人工 智能 計算機程序。一般包括知識庫、數據庫、推理機、人 機接口及知識庫管 9 理系統、解釋系統等。故障 診斷 專家系統是專家系統應用的一個重要分支。 （ 4） 人工神經網絡 診斷 人工神經網絡以其大規(guī)模并行處理能力、自適應學習能力、分布式信息存儲、魯棒性、容錯性和推廣能力等特