燃气发电机组状态监测及故障诊断监控系统研究

安维峥（中海油研究总院，北京 100027）

1 引言

燃气轮机是以连续流动的气体为工质，将燃料的热能转变为有用功的动力机械，由于其具有功率大、体积小、效率高、排放气体污染小等众多优势，所以其广泛应用于航空、工业和舰船等领域，成为国民经济乃至国防工业的重要装备。尤其是在石油石化领域，燃料可以就地取材，避免了燃料运输过程中带来的不便和危险以及高昂的运输费用，燃气轮机发电机组及其它燃气轮机设备越来越得到很好的应用[1]。

工业生产中，燃气轮机在运行期间一旦出现非正常停机，造成的经济损失是无法估量的。而恶劣的工作条件和复杂结构使燃气轮机成为整个装备系统中故障的敏感多发部位，因此，对燃气轮机进行状态监测和故障预测就尤为必要。状态监测是掌握机械系统运行状态与功能特性的必要环节，对提高其运行可靠性具有重要的基础作用，对故障的早期预警是实现机械系统防/减灾害性事故，保障其安全可靠运行的重要保证。

目前，国际上较著名的燃气轮机状态监视系统有美国普惠（PW）公司的TEAM III，GE 公司的GEM 以及英国Rolls-Royce（RR）公司的COMPASS 系统。国内对燃气涡轮机械的故障监测与预警技术尚处于起步阶段，高参数的燃气轮机仍依赖进口，相应的监视系统也由国外配套。

本燃气发电机组状态监测及故障诊断系统是自主研发，通过振动信号采集设备，运用频谱分析、阶次分析、轴心轨迹、瀑布图等振动信号分析方法，同时结合相关性能参数（入口压力、入口温度、出口压力、出口温度等），对燃气透平发电机组运行故障进行分析，及时地在故障早期对故障进行预防和处理，保障机组的长时间安全运行，以达到降低维修成本，提高经济效益的目的。

2 系统硬件实现

本燃气发电机组状态监测及故障诊断系统采集硬件采用业内国际知名企业产品，功能强大，性能稳定，使用可靠，主要包括：笔记本工作站、美国NI公司四插槽NI cDAQ机箱、美国NI公司±5V四通道采集卡、特定的AB-PLC网卡等，如图1所示。其中采集卡的性能指标如下：

至少具有13通道振动数据采集功能，并能同步采样模拟输入以满足机组振动监测的基本要求。

每通道最高51.2 kS/s采样速率；交流耦合（0.5 Hz）；24位分辨率；±5 V输入范围。

电压DC、AC输入/抗混叠滤波/110dB动态范围/增益1～100/USB2.0/耐温-40～70℃/抗振动 5g10Hz～500Hz。

图1 燃气发电机组监测诊断系统硬件主要部分

3 系统软件实现

3.1 功能介绍

本系统利用LabVIEW 作为开发平台[2]，实现了振动数据和性能参数同时采集，共同分析，整体诊断的功能。软件可以划分为四大功能：系统概况图、实时分析、离线分析以及故障诊断。

系统概况图：总体功能效果。

实时分析：具有信号采集设置、状态监测、趋势分析、时间波形、频谱分析、阶次谱图、波德图、轴心轨迹、瀑布图等信号分析功能。

离线分析：能够离线分析数据，具有和实时分析一样的功能效果。

故障诊断：通过故障识别特征选择得到可能的故障诊断结果并提出故障处理方法及维修策略。

3.2 振动数据读取

本系统振动信号采集采用N I公司的数采卡，因为So lar Titan130机组控制柜的本特利1701在线振动监测模块有预留的BNC口，所以可以直接通过BNC线将NI采集卡和本特利在线振动监测模块相连，进行数据的传输共享。

本系统软件具有13个振动信号输出采集通道，但可扩展为16通道的振动信号输出采集，很好地满足了透平发电机组现阶段在线监测的使用要求。根据本系统的特殊性，采集通道设置已经配置完成，只需按照下列要求连接信号线到采集卡上即可，本文针对的是Solar130单轴燃气透平机组，采集的信号包括：转速信号（key），1号轴承X方向振动信号（GpB1x），1号轴承Y方向振动信号（GpB1y），2号轴承X方向振动信号（GpB2x），2号轴承Y方向振动信号（GpB2y），3号轴承X方向振动信号（GpB3x），3号轴承Y方向振动信号（GpB3y），电机驱动侧轴X方向振动信号（Gen Dr Axis x），电机驱动侧轴Y方向振动信号（Gen Dr Axis y），电机外侧轴X方向振动信号（Gen Ex Axis x），电机外侧轴Y方向振动信号（Gen Ex Axis y），齿轮箱上加速度信号（GrBx Accel），轴位移信号（Axial）。

3.3 性能参数读取

在Titan130机组控制柜AB公司PLC中安装一块1756网卡模块（注：如果PLC中本身带有此模块则不需另加），本监测诊断系统可以通过网线直接从PLC中读取状态性能参数数据 ，将其汇集到软件中进行监测分析，并将其与振动信号融合进行综合故障诊断，如图2所示。

图2 燃气发电机组状态监测及故障诊断系统与PLC通讯

4 现场测试实例

本系统对中海油某作业区燃气发电机组进行测试，采样频率2048，具体数据如图3～图5所示。

图3 燃气发电机组性能状态参数

图4 燃气发电机组振动数据分析

图5 燃气发电机组状态监测及故障诊断系统故障诊断界面

5 结语

通过本状态监测及故障诊断系统对燃气发电机组进行运行状态监测，并能够对机组异常状态或者故障进行早期预警，依据故障诊断数据库初步判断故障发生的原因，预报机组的维修建议，为后期进行的状态检修提供科学依据。该系统保证了燃机的安全、可靠运行，延长燃机的使用寿命，节约了相应的维修成本。

[1] 李作琨, 王大勇, 莫文涛, 屈会智, 孙维. 燃气轮机在海洋石油平台上的应用[J]. 中国修船. 2008, 21 (4) : 55-58.

[2] 邓森, 杨军锋. 基于LabVIEW的航空发动机滑油故障检测系统设计[J]. 电子测量技术. 2009, 32 (9) : 89-93.

[3] 凯旗, 任兴民, 秦卫阳. 燃气轮机发电机组的振动信号监测与分析系统[J].噪声与振动控制, 2007, (2) : 40-42.