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2号汽轮发电机组在线振动监测与分析系统

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2008/3/7 11:50:01   

  所属频道:  火力发电    关键词:  汽轮发电机 发电机 电机

中国石化金陵分公司热电分部2号汽轮机是上海汽轮机厂于上世纪80年代制造的50MW2级调整抽汽的凝汽式汽轮机,型号为CC50-90/42/15。由于生产的实际需要,热电分部与浙江大学合作,研制开发了2号汽轮发电机组的CMD-3N型在线振动监测系统。此系统通过机组的相关信号,监测汽轮发电机组转子-轴承系统的运行状态,并依据轴系振动特性,对常见的机械故障如不平衡、不对中、机械松动、油膜失稳等作出判断。系统采用出现异常预兆阶段的状态预测新技术,尽可能做到防患于末然,确保机组的安全运行,减少非计划停机,既可对维修计划作出更为合理的安排,又可使机组延长运转周期。
1振动监测与分析系统硬件结构及原理
2号汽轮发电机组振动监测与分析系统如图1所示。系统主要由本特利3500监测仪表(包括现场探头、前置器、接口模块、信号模块等)、CMD-3N网络化在线数据采集器、监测系统上位计算机组成。
(1)本特利3500监测仪表本特利3500监测仪表完成对现场运行参数的测量。该仪表共设有16个现场监测探头,探头布置示意见图2。其中,键相位信号探头1个(P1测点),该键相位信号作为监测系统的外触发同步采样与振动分析时的相位基准。

轴向位移信号探头2个(ZW1,和ZW2,测点)。3跨转子6个轴承处轴向、径向振动信号探头12个(Z1x、Z1y~Z6X、Z6X测点),每个轴承处安装2个测点,其为相互垂直的X、Y2个径向振动传感器。胀差信号1个(ZC1,测点)。16个传感器均采用电涡流传感器。传感器监测探头信号经前置器放大后,分别送至本特利3500监测仪表键相器模块、轴位移、轴振、胀差模块,通过各模块的缓冲输出口,把信号送至CMD-3N网络化在线数据采集器。

(2)CMD-3N网络化在线数据采集器汽轮发电机组的12路径向轴振动信号,1路键相位信号、2路轴位移信号和1路胀差信号,从本特利3500信号模块的缓冲输出口输人到CMD-3N网络化在线数据采集器,然后对信号进行调理、采样、存贮和通信。CMD一3N网络化数据采集器在整个系统中只是1个模块,也是一个独立的系统。该系统采用了分布式结构(图3),由相对独立的3个数据采集子模块和1个通讯子模块组成。3个数据采集子模块分别对汽轮机、发电机和励磁机振动单独采样,从而实现采集模块化,功能分散化,保证系统运行的可靠性。3个子模块硬件和程序上的构建基本相同。

图4为采集子模块的内部结构。信号调理电路接收的信号有交流信号和直流信号,因此,系统中必须具有既能分离这两种信号,又不能引起相位改变的调理电路,为此,在本系统中设计了通过1个滤波和1个减法运算电路来实现上述目的的信号调理电路。

通讯子模块通过RS485从数据采集子模块采用轮询的方式获得数据。通讯子模块有2个主要功能,数据的存储和通讯。当前数据、报警数据、机组起停数据和趋势数据都保存在该模块中,并为上位计算机的数据请求提供服务,从这个角度看,它是1个以太网络服务器设备。
(3)监测系统上位计算机,采用个人PC,用于系统各种参数的设置并显示机组运行状态的各种图形、数据,即实现客户端功能。
2系统软件设计
2.1操作系统选择
CMD-3N的整体网络拓扑结构,采用基于以太网络服务器/客户端模式,从内存、CPU、存储空间等儿个关键要素来分析,对于这类结构形式的系统,采用嵌人式操作系统是最符合该项目要求的。应用于嵌人式系统的操作系统种类繁多,比较著名的有PalmOS、VXWorkS、pSOS、NeCuleuS,WindowsCE和LinuX。相比之下,由于LinuX实现嵌人式操作系统成本低、效率高、开发周期相对较短,安全性能高。因此,从技术、成本、安全还是兼容性等方面考虑,选择LinuX作为操作系统,以实现所需功能。
2.2应用软件设计
(1)程序总体构架程序的总体流程见图5。程序设计的基本思路是:
1)通过视速判断目前所处的状态(起停状态,稳定状态,停机状态,高速状态);
2)根据目前的状态和速度分别确定采样的方式和频率;
3)判断是否发生报警和起停事件,保存相应数据;
4)进行网络通讯。

(2)测速模块该程序不仅负责测试速度,还要根据测试的速度和保存的参数迸行比较,判断现在的转子正处于稳态、起停、速度无效、停机等某一种运行状态下,程序的采样方式将根据该运行状态来确定,而采样频率则根据测试得到的速度确定。
(3)停机和高速摸块当作为监测对象的转子进人停机和高速状态时,超过了采样规定的范围:速度过高,对应的采样的频率也就较高,AD板的AD采样频率是有上限的,超过这个上限,将无法准确采样;而速度过低,AD板上的计数器会因时司过长,而计数溢出,就会得到1个错误的速度。因此,在这2种状态下进行采样是不准确和没有意义的,故此时程序不采样,并对以前的采样值清零。
(4)稳态和报警模块程序采样的步骤为:
1)稳态的采样分辨率是2S)未到2S,不做采样处理。
2)采集的波形点数是固定的,每个周期采64点,采集32个周期,总共2048点。要做到比较准确的整周期采样,就要计算好每个采样点之间的时间间隔。时间司隔的计算是根据上面的测速模块得到的速度数据除以每个周期采样点数。
3)波形数据采样结果处理主要是分析4个通道的波形数据;
4)静态数据采样主要是采集间隙电压数据和轴位移。
5)通过采集的波形数据和静态数据计算8个静态值:通频峰-峰值、0.5和1倍频幅值、1倍频相位、2倍频幅值、间隙电压、轴位移和转速。
6)判断是否发生报警事件,并保存报警时刻的波形数据和该时刻前后30,共30点的静态数据。
(5)起停摸块当转子运行迸大起停状态后,程序就要按照起停状态下的模式进行采样,然后分析4个通道的波形数据,并计算静态数据。
(6)通信模块通信模块的结构较简单,主要是充分利用了AD板上用于串口通信的16C55OUAR-Ts,该芯片自带16字节的FIFO,而用于通信的命令最长就12字节,利用这个功能后,避免了采用查询方式产生的难以同步的缺点,以及采用中断方式系统资源占用过多的缺点。
3系统功能
分析系统功能的基础是区别测试对象的运行状态,根据不同的状态实现相对应的功能。
3.1机组稳态运行时的系统功能
(1)确保全部监测参数每2,采集一次(测速每秒钟1次,以保证及时采集停机数据)。
(2)提供的状态信息:1)静态参数为间隙电压、0.5X幅值、lX幅值和相位、2X幅值、转速,轴位移/胀差和振动的通频峰-峰值;2)动态参数为不经滤波的径向轴振动时间历程。
(3)实时显示用于分析机组运行状态的各种图谱,如棒图,轴心轨迹与时基图,频谱图和快速趋势图。
(4)可显示机组各测点参数的报警值、灵敏度等,并可以进行修改。
(5)可直接显示机组测点的瞬时参数值,每25刷新一次。
(6)可以冻结并保存任一时刻的振动波形数据,迸行细化谱分析。
(7)判断报警事件并记录相关数据。
3.2机组瞬态(升、降速)运行时的系统功能
在机组升、降速过程中(包括机组跳机),可以在设定的转速间隔中自动采集32组动态波形和静态参数数据,并可在上位计算机中进行信号的特征分忻处理,包括三维瀑布图、波特图、奈魁斯特图、轴心轨迹图及轴心位置图等。
3.3机组报警时的系统功能
(1)越值报警(报警限设置按API670标准)任何测点的振动超过了设定的报警限时,CMD-3N数据采集模块进行报警事件记录。
(2)事故追忆机组任一测点报警时,将自动记录报警前后各305(共30组静态数据)内所有测点的静态数据和报警时刻的动态波形数据,越值报警将作为一个事件而被记录。
3.4趋势分析功能
对每个径向振动测点的静态参数(间隙电压、工频幅值和相位、通频峰-峰值)、转速、轴位移和胀差信号进行各种时间段的趋势分析。
3.5远程通讯功能
由于系统是网络化的结构形式,因此,随时可以联大热电分部的局域网,也为远程诊断提供了可能。此外,系统具有完善的文档管理功能。
4结语
CMD-3N在线振动监测系统采用虚拟仪器系统设计思想,建立系统的网络结构,分散进行数据采集和数据监控,从而使系统风险分散,结构模块性强,便于系统本身的故障定位和维修。其具有以下特点。
(1)系统的整体网络拓扑结构采用基于以太网络的服务器/客户端模式开发,具备远距离监控,多用户并发监控等优点。
(2)客户端采用美国NationalInstrument公司提供的组态软件LabVIEW开发,界面清晰,功能强大,对数据的分析放在客户端,从而减速轻了服务器的负荷,提高了系统可靠性。
(3)服务器采用分布式结构,提高了系统的可靠性,增加了系统应用的灵活性,同时为提高实时响应时间打下基础。
该项系统于2002年12月正式投入运行操作简单、功能齐全、稳定性好。系统投运半年来,能直观地观察到汽轮发电机组轴承系统的运行状态。

来源:中华电力网
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