NS2100大型汽轮发电机组监测和分析诊断系统的应用分析

祁月明

（内蒙古蒙西水泥股份有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 016014）

0 前言

随着电力工业的不断快速发展，达到百万千瓦级功率的电厂也不断涌现。由此也带来了一些问题：一方面，单机容量的增加使得大型汽轮发电机组轴系的结构变得更加复杂，也就更容易发生震动故障；另一方面，现役机组的老化时常带来一些突发事故，甚至引发部分原有的故障进一步扩大，最终造成设备报废、人员伤亡的灾难性事故。针对这一现象，国家有关部门通过进口大批振动监测装置的措施解决了振动监测的问题。可是，该现象的最大难题是怎样从监测的数据中快速的分析出机组振动大的真正原因。因此，如何实现在线诊断振动故障，是实现机组长期安全运行的重要保障。

1 NS2100大型汽轮发电机组状态监测和诊断分析系统

由于我国用电的需要和资金制约,降低老机组故障发生率,延长老机组的使用寿命是非常重要的。目前在国内电厂各类大型汽轮发电机组的运行监测方面,部分机组只装有汽轮机监测仪表系统，只是简单的通过连续监视汽轮机状态机械参数,并检测过程量达到报警、停机值时输出相应的报警、停机信号的系统。

电子技术、通信技术、网络技术及计算机软硬件技术的飞速发展，各种诊断理论的不断完善，为大中型机组进行在线振动监测和故障诊断技术提供了广阔的技术空间。电厂级别MIS系统的建设，为振动监测、分析、诊断、保护提供了强大的网络资源，使得企业各级领导和相关专家、技术人员都可以随时在提供网络接入的终端对当前机组的运行状态进行有效的监测、分析和诊断。

国旋新力公司推出的MV-NS2100大型旋转机械在线管理系统（以下简称 NS2100 系统）是集监测（TSI）、保护(ETS)、故障诊断分析(TDM)及事故追忆(SOE)高度一体化的系统，为华能乌海热电厂200MW汽轮机的安全运行和故障预警提供全面保护。

2 NS2100系统功能

NS2100振动监测分析系统功能结构图如下：

图1 NS2100振动检测分析系统结构图

NS2100振动监测分析系统均具有以下功能：

2.1 输入信号

可输入键相信号（脉冲信号）、振动信号、转速及其他信号，机组的有功和无功也可输入。

2.2 适当的时间内在线采样和显示

根据对输入信号的研究，可以自动的识别集速度、速度、带负荷和工作，与此同时，按照不同的采样速度和方式的前提下，对信号进行采样、分析和储存。

2.3 振动信号分析

具有快速傅立叶变换(FFT)使时域信号转换为频域信号,进而得到功率谱。按时、准确地确定轴系非稳态油膜振荡或振动。高次谐波共振故障诊断占据关键地位。

2.4 机组升、降速(即瞬态)振动数据整理、探索以及存储

机组升、降速时依靠转速变化率实施信息采集,除了存储振动谐波分量以外还存储振动动态数据，用来绘制波形图、频谱图、轴心轨迹图、三维频谱图、伯德图、极坐标图。

2.5 机组日常运行（即稳态）振动数据采样、分析、存储

在日常工作过程中，不断的通过振动数据来采样、分析，并定时地存储所采集数据，已达到完善历史资料的程度。建立年、月、周、日、小时的运行资料，用于趋势图的绘制和核对振动故障时所需要的历史资料。

2.6 报警、危急识别和事故追忆

振动故障的原始波形动态信号将被转移到溢出和临界采样、存储，并且它可以识别出机关的报警信号。它还可以用来实现详细的频谱分析，绘制波形图、三维频谱图和轴心轨迹图、趋势分析。同时能够通过振动故障的原始信息收集提供重要数据振动故障

2.7 历史数据存储

自动识别操作的状态和时间并对之进行压缩存储，按照年、月、日、小时这样的时间单位形式来存储文件以便用作分析趋势。

2.8 报告和报表输出

可打印输出报表、波形和频谱图。

2.9 振动特征分析

通过对以上数据的监测，振动监测系统还可以对机组振动进行初步的分析和处理，寻找机组故障原因。

（1）升、降速数据分析(即瞬态数据)可以绘制伯德图、极坐标图、级联图、波形图、频谱图、轴心轨迹图。如下列图表所示。

（2）日常运行数据分析(即稳态数据)可以绘制趋势图、快速趋势图、三维频谱图、频谱图。

（3）超限、危急数据分析可以绘制出三维频谱图、频谱图、波形图、轴心轨迹图。

（4）各种振动报表的打印输出。

（5）报警事件列表。可输出各台机组报警发生的日期、时间、运行转速和运行状态，建立机组振动故障的档案。

（6）可输出显示的图形有：

图2 汽轮发电机转子轴瓦分布及瓦振图

2.10 故障专家库诊断功能

通过对以上图表的分析，振动监测系统还可以实现自动诊断。可诊断的故障有不平衡、初始弯曲、热弯曲、对中度不好、轴瓦不稳定、油膜涡动、油膜振荡、汽流激振、电磁激振、摩擦、轴瓦松动、共振或高次谐波共振等。

图3 机组升、降速伯德图

图4 机组升、降速三维频谱图

2.11 人工神经网络诊断功能

根据人工神经网络和知识推理的理论来讲，组成因素分为：五个库和五个功能模块。在分析研究的基础上,各种异常症状的特征提取旋转机械，识别异常的原因和位置,并给出了解决方案。

2.12 转子平衡重量计算

系统配备了转速的多个平面多点最小二乘方法,影响系数法,如振动平衡重量计算程序，它可以使转子轴振动和轴承相同的相位和反相成分分析的振动，提供轴没有影响系数和影响系数的轴系统振动当平衡重量,并估算其剩余振动后加重

3 振动监测和故障诊断系统的作用和意义

振动监测系统的蒸汽轮机发电机组在启动速度、载荷、日常操作和负荷下,慢下来,停止在各种操作条件如全方位的振动监测和记录历史数据，可能发生在单位时振动故障的初步结论通过分析数据，指导检修人员到单位对机器进行处理，并估算处理后机组的残余振动。因此，振动监测系统在火力发电厂中占据着至关重要的地位。

对电厂而言，NS2100大型汽轮发电机组状态监测和诊断分析系统投入运行后有如下作用：

（1）提前做好故障存在和发展的预计工作，并在此基础上找出故障出现的原因以及类型，然后根据结果及时制定检验修理步骤和计划，在保证工作质量的前提下，合理压缩检修时间，降低维修所需费用；

（2）适当并及时准确的记录故障信息，避免因为寻找不到机组振动的故障而引起的重复启停机试验，提高故障诊断的准确性，使机组尽快正常运行；

（3）准确地提供不平衡振动的幅值和相位，减少找动平衡的停机次数，可以节约机组启动费用。

NS2100系统分析的失效机理和应用到故障诊断系统，从而及时发现早期的潜在故障,以防止不必要的重大恶性事故的发生,最终达到提高大型机组在运行期间的安全性与可靠性目的。因此,系统的故障机理及诊断技术将带来巨大的经济效益为发电厂。

［1］谷俊杰,等.汽轮机控制,监视与保护[M].中国电力出版社,2002.

［2］谢伯曾.汽轮机热工监视与保护[M].水利电力出版社,1990.

［3］黄秀珠.大型旋转机械振动故障特征分析与诊断[J].国家电力公司热工研究院技术资料,1996.