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空压机在线分析系统的应用 |
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摘 要：本文对高压站离心式空气压缩机在线分析系统进行了详细论述，介绍了系统的结构及其主要功能，同时举出了使用该系统后进行故障诊断的一个实例。现场应用表明，该系统技术先进、性能可靠、使用方便，为提高大型设备的运行管理以及为建立科学的设备诊断方式提供了重要的技术手段。
关键词：在线分析；故障诊断；空压机；振动信号
概述
中州分公司现有4台离心式空气压缩机，属于分公司大型A级设备，负责向氧化铝生产流程中的种分系统、碳分系统和料浆槽系统提供高压风搅拌以及全厂供风。由于生产工艺流程的需要，压缩机组需长期连续、高效地运转，这种高速旋转设备在长期高负荷工作状态下容易出现磨损、窜动、不平衡、轴承超温、振动异常等机械故障。
在传统的压缩机运行状况检查中，主要使用便携式测振仪进行人工巡回监测，根据设定的标准或人的经验分析，了解设备是否处于正常状态。若发现异常则通过监测数据进一步了解其发展的趋势，这种监测方法比较原始粗放，只能掌握设备一般的运行趋势，不能分析判断故障的类型、程度、部位和产生的原因及故障发展的趋势等问题，无法根据设备运行状态实际劣化的程度以决定设备维修时间和维修的规模。
离心式压缩机采用在线分析系统具有重要的现实意义，能够预防设备事故，保证人身和设备的安全，推动大型设备的管理水平，以适应安全、优质、高效的生产目标。
1 在线分析系统的主要功能
空压机在线分析系统包含了在线监测与在线故障诊断2个方面的技术。在线监测由安装在每套空压机组各监测部位的信号传感器和数据采集箱组成，用于采集各种现场信号，如振动信号、轴位移、键相（兼转速测量）以及缓变量信号（如温度、压力等）；数据采集箱将上述信号统一转换为4～20mA标准模拟信号送入到计算机进行在线显示，通过显示屏就可以很清楚地看到风机现场运行状况，如前后轴承、变速机瓦座的振动值，转速测定值及轴位移变化情况等。
在线故障诊断由安装在计算机内的应用软件系统组成。软件从振动信号中全面地提取诊断信息，提供了包括波形频谱图、轴心轨迹图、振动趋势图、过程振动趋势图、极坐标图、轴心位置图等强大丰富的图谱分析和诊断功能，可以分析的数据类型包括实时数据、5种趋势数据（小时、天、周、月、年）、历史数据以及启停机等数据。
2 系统的结构和功能
2.1信号监测点的分布
系统监测的信号分为振动信号及非振动信号，其中非振动信号有排气温度和压力、瓦温、润滑油压、油箱油位、负压、冷却后油温、新水压力和温度、循环水压力和温度、电机瓦温、电机定子温度、电机电压和电流等大量信号。这些信号的一个共同特点是，信号的幅度相对于振动信号是缓慢变化的，因此在该系统中又称之为“缓变量”。
振动信号主要有增速箱和空压机转子的X和Y方向轴振动、瓦振、轴位移等信号，其共同特点是，在设备正常运转时，其传感器的输出幅度为零；当设备出现异常现象时，其幅度会在极短的时间内（毫秒级）出现急剧变化，因此在该系统中又称之为“瞬变量”。
图1是单台空压机组的监测点分布图。其中的1X、1Y，2X、2Y为增速箱壳体按照X、Y 2个方向以及低速端、高速端两个部位共选取的4个振动测点；W1、W2为2个轴向位移测点；11X、11Y，22X、22Y为轴两端的X、Y两个方向的轴向位移测点；J1为1路转速键相测点。
图1 中各个传感器的型号及灵敏度如表1所示。
表1 传感器的型号及灵敏度
 2.2 部分信号
2.2.1键相信号
键相信号是用来准确描述振动相角的，而相角的测量可用来描述某一特定时刻机器转子的位置。相角测量系统能够确定每一传感器信号上对应的机器转子的“高点”相对转子上某一固定点的位置，通过确定机器转子上“高点”的位置，就可能确定机器的平衡状态和机器转子上残留的非平衡重的位置。机器转子平衡状态的改变将引起高点的变化，这种变化通过相角变化而显示出来。
2.2.2轴位移信号
轴位移信号用来准确描述压缩机转子止推环法兰和止推轴承之间的相对位置。压缩机转子在高速运行中，由于各种因素，诸如载荷、温度等的变化，转子在轴向会有所移动。轴向位置监测的主要目的是为了保证消除转子和定子之间的轴向摩擦。轴向止推轴承的故障可能是压缩机最严重的故障。
2.2.3温度信号
径向和轴向轴承的巴式合金衬的温度现在正变得越来越重要，空压机运行时它们的温度不能超过80℃。找出温度数据和振动测量结果以及温度数据和位置测量结果之间的关系有助于及时发现机器可能存在的故障。
2.3系统设备的配置
该系统主要由1台服务器以及作为下位机的5台PLC组成，其结构图如图2所示。
1~4#PLC分别负责1~4#空压机组的机械振动信号的采集和处理，5#PLC则负责4个空压机组的所有缓变量信号（如温度、压力、流量和电流等）的采集和处理。
中心服务器是整个系统的核心部分。服务器基于客户机/服务器结构模式，采用标准的TCP/IP通信协议，向系统提供内部局域网功能。它具有齐全的信号分析功能，对各个机组在不同时刻、不同状态下的动态信号快速、准确地进行各种分析和数据处理，并以各种图谱表现在界面上。在服务器上配置的故障诊断专家系统具有征兆获取、自动诊断、对话诊断以及诊断结果的存储等功能，保证了系统的先进性和诊断结果的可靠性。
在系统局域网上，根据具体的使用需求以及岗位操作人员的分工情况，可以配置多台浏览站PC。采用工业组态方式，能够在线编辑所要监测的数据和表现形式（如结构示意图、棒图、表格和数字等），以及调用任意机组的各种数据和分析图形。
3 故障诊断的实例图形
在3#机某次停机之前，系统已经捕捉到大量故障信息。3#机（ZD3）11X测点的振动趋势图和波形频谱图分别见图3和图4
从ZD3-11X趋势图上可以看到，在5月8日左右，振动已经出现明显异常，对其进行波形频谱分析，发现振动波形有明显的冲击脉冲，显示有故障。
随后机组波形频谱图出现动静碰撞摩擦的显著特征（振动波形出现削波现象），其他振动测点也有类似现象（见图5）。由于故障进一步的恶化，最终不得不停机。
本次离心式压缩机转子碰磨设备事故的原因：压缩机定子部分的二级隔板存在制造缺陷，有明显的砂眼和裂纹，经过长期的振动，机壳上部隔板断裂、下落，造成转子与定子密封的轻微磨擦，此时压缩机的径向振动发生变化，有冲击脉冲出现，随着磨擦的进一步加剧，止推轴承损坏，转子发生轴向位移，继而导致转子与定子的全周磨擦，磨擦引起的热变形使转子弯曲，又加大了转子的偏心量，最终发展为压缩机振动突然变大，造成压缩机轴瓦、转子和隔板的损坏。
4 系统的应用效果
（1）实现了对设备运行状态的动态管理。系统能实现24h不间断地对现场机组各测点的振动数据及温度、压力、轴位移、流量、电流等过程参数进行在线监测，并通过各种图形、图谱及数据表格等形式进行动态显示，对有关数据进行存贮和分类管理，实现当班、当天、当月、当年等历史数据的再现，进一步形成各种趋势分析结果。
（2）提供了完善的保护功能。特别是在起停机阶段，能够提供整个过程各种信号参量之间的相关趋势及随时间变化趋势，非常直观。当机组运行异常时，还具有声、光超限报警和梯度报警功能，各种监测结果可以随时进行打印；同时能完成与管理机的实时通信，便于上级主管部门及时掌握机组的运行状况。
（3）为科学、准确的设备在线故障分析诊断提供了可能。系统配置的智能故障诊断系统能通过在线监测系统提供的运行机组各种特征参数变化的识别，运用故障诊断专家系统对这些变化进行综合分析，准确判断各种故障点及严重程度，为设备维护和管理人员合理决策提供可靠的依据。
（4）提高了设备运转率，减少了岗位操作人员的劳动强度，延长了设备的使用寿命，减少工作量。当机组个别部位发现异常时，根据在线数据对一些异常现象进行分析、判断，可以避免许多不必要的停机。这样使维护工作量较以前大大减少，也相应减少了设备的频繁起停次数和损耗。
（5）为确定最佳检修时机和制定合理检修方案提供了依据。利用在线监测数据结合故障诊断技术，在设备负载运行即不停机的情况下，对设备的各种状态参数进行监测和分析，判断其是否存在异常或故障，故障的部位、原因及严重程度，避免以前停机后检查才能发现确切故障原因的状况，不但为检修节约了时间，而且使检修方案的制定更加科学、合理，提高了设备的检修质量。
（6）系统具备强大的数据管理、高速传输和共享功能，为企业今后实现大规模设备远程集中管理和监测奠定了基础。
5 结语
在线分析系统在2006年初投用，经过不断的总结和摸索，取得了很好的效果。在此基础上，又对CO2压缩站的6台CO2压缩机进行了在线分析系统的改造，两个系统之间通过网络连接成一体，形成了一个完整的“中州分公司压缩机在线分析系统”，使得设备在线分析技术得到了推广应用。
参考文献
［1］ 严可国 旋转机械监测保护故障诊断系统[M].北京：北京英华达电力电子工程科技有限公司，1994
［2］ 杨叔子机械故障诊断的时序方法[M].西安：西安交通大学出版社，1989
［3］ 陈克兴 设备状态监测与故障诊断技术[M].北京：科学技术文献出版社，1991
［4］ 刘雄 转子监测和诊断系统[M].西安：西安交通大学出版社，1991
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(9/20/2011) |
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