1、最新实施方案华能弯扭耦合振动系统目 录1 振动问题概述 12 机组轴系弯扭耦合振动监测分析系统（VTMAS）实施方案 22.1 VTMAS系统工作原理 22.1.1弯振系统工作原理 32.1.2扭振系统工作原理 42.2 VTMAS系统组成 52.2.1 本地监测诊断子系统 62.2.2 数据通信网络系统 72.2.3 远程分析诊断中心 72.3 VTMAS系统功能 72.3.1 现场数据采集 72.3.2 数据通讯接口 82.3.3 运行状态监视 82.3.4 运行状态分析 92.3.5 数据库管理 92.3.6 系统组态 102.3.7 报表打印 112.3.8 故障诊断 112.4 VT
2、MAS系统功能规范 112.4.1 系统信号部分 112.4.2 总的性能指标 133 VTMAS系统数据采集站 133.1 信号处理单元 143.2 数据采集工控机 154 VTMAS系统工程师站 164.1 功能概述 164.2 工程师站作用 174.3 功能模型 174.3.1 温度压力 174.3.2 母线电流 174.3.3 母线电压 194.3.4 扭振波形 194.3.5 转速变化 194.3.6 实时振动棒图 194.3.7 振动趋势分析 194.3.8 振动报警监视 204.3.9 振动波形 204.3.10 频谱分析 204.3.11 单幅轴心轨迹图 204.3.12 过程
3、量趋势分析 204.3.13 波德图 214.3.14 级联图 214.3.15 极坐标图 215 系统实施条件 215.1 装置安装地点及要求 215.2 转速传感器的安装 225.3 其它测量信号要求 235.4 现场信号接线 236 设备报价 241 振动问题概述汽轮发电机组轴系振动，是影响发电机组安全运行的主要问题之一。激烈的振动有可能造成轴系断裂，导致机毁人亡的重大事故，带来巨大的经济损失。近年来，随着电力工业的发展，汽轮发电机组的容量越来越大，机组轴系越来越复杂，轻质柔性多支承大跨距高功率密度的结构特征更加明显，诱发机组振动的潜在因素日益增加，且诱发能量条件相对较低，振动问题更显突
4、出。轴系弯曲振动(以下简称弯振)和扭转振动(以下简称扭振)是轴系振动的两种运动形式。其中弯振由于其振动现象较为明显，早在上世纪初就已引起人们的关注并开始研究；而扭振由于其隐蔽性，对它的研究工作开展相对较晚。但这两种振动形式，近几十年来，都曾引发过若干断轴或其它严重的事故。如：1956年3月4日，美国亚利桑那Arizoha电站，GE公司生产的147MW发电机组在平衡过程中，当转速达到3400r/min时，发电机转子发生断裂；同年3月18日，美国匹兹堡电站，GE公司生产的169MW发电机组在进行超速实验时，发电机转子发生断裂；1969年到1970年，美国Cleeo一coughlin电站，西屋公司制
5、造的6号机组，低压缸末级(第23级)扭叶片两次发生叶根大量断裂事故；1972年，日本海南电厂的一台600MW汽轮发电机组在试运行过程中，发生异常振动，长达51米的主轴断裂飞逸，整台机组全部毁坏；同年12月，美国Mohave电站，GE公司生产的790Mw双轴机组，发电机与励磁机之间的主发电机集流环处的主轴突然断裂，研究表明，它是由电气系统和机械系统产生共振，净负阻尼使系统失稳造成的；1973年原西德Niederaussen电站，一台600MW机组在进行135度非同步实验时，发电机端部线圈遭到损坏，联轴器螺栓开裂；1986年4月，前苏联切尔诺贝利核电站，4号机组发生严重振动导致核泄露，致使两千人死
6、亡，经济损失高达数十亿美元。进入80年代后，我国投运的大容量机组也相继发生了多起断轴及其它严重事故。如：1985年，山西大同第二热电厂，一台国产200MW汽轮发电机组在移交电厂投运10个月后，发生断轴事故；山西神头电厂在汽轮机快控汽门时，发生了苏制200MW汽轮机组高、中压缸转子一号对轮的12只联接螺栓不同程度断裂的严重事故，螺栓断口的金相分析表明这是典型的疲劳损伤；1988年2月，陕西秦岭电厂，一台国产20OMW机组在移交电厂投运两年后，由于油膜失稳导致轴系失稳，轴系断为13段；全国各电网中在役大机组因出现振动故障而影响电力生产的事故更是屡屡发生，1988年6月，在1个网局曾出现同时有5台2
7、00MW以上的大型机组由于振动原因停机处理的紧急局面；1988年10月，北仑电厂1号600MW东芝机组发生高压缸叶片断裂重大事故，直接损失2400万人民币。上述故障案例，绝非全部的振动故障记录，这些故障所带来的损失是惨重的，这就促使人们对汽轮发电机组振动机理开展深入的研究，并积极探寻有效的故障预防和诊断方法。目前，人们对弯振和扭振已有比较成熟的理论认识，并发展了多种故障诊断方法，如振动诊断法、噪声诊断法、温度诊断法以及油液分析诊断法等，相对来说，振动诊断法由于其独特的优点而得到最为广泛的应用。但对于汽轮发电机组这样的大型旋转机械，发生故障时，振动征兆与故障间往往不是简单的一一对应关系，而呈现出
8、交错复杂的情况。一种故障可能对应多种征兆，一种征兆也可能对应多种故障。因此，目前大多数的诊断系统对典型故障能作出正确的识别，而对于故障特征相似或接近的，以及多特征对单故障映射的则难以诊断准确，这就要求人们寻找更多的辅助诊断手段，提高诊断准确性。以往，人们通常认为弯振和扭振作为轴系的两种运动方式，它们之间是独立的，是互不关联的。但有资料研究表明，轴系弯振和扭振之间并非毫无联系，这两种形式的振动之间存在相互耦合的可能。虽然二者的耦合不足以威胁机组的安全，但有可能对机组的故障诊断提供有益的信息。基于此，建议在华能发电集团内针对有发生扭振，尤其是次同步振荡可能性的机组，安装轴系弯扭耦合振动在线监测与分
9、析系统（VTMAS），对避免出现机组设备严重损毁的重大事故，保证电力系统安全稳定运行，具有理论和工程应用上的重要价值。2 机组轴系弯扭耦合振动监测分析系统（VTMAS）实施方案2.1 VTMAS系统工作原理汽轮发电机组轴系弯扭耦合振动监测分析系统（VTMAS）的组成包含弯振和扭振两部分。2.1.1弯振系统工作原理弯振系统包含两个部分：状态在线监测、故障数据分析与诊断。其中在线监测部分主要包含振动实时显示和实时启停机分析。故障数据分析，主要包含启停机记录分析和故障记录分析。弯振系统基本运行原理见图1：系统运行时连续在线监测机组轴系的弯振状态，同时显示汽轮机的转速。当监测部分确定振幅或状态参数超过
10、设定的阈值，在声光报警的同时，记录各采集通道振动发生前后的数据。分析过程包括振动信号的频谱分析、振动趋势分析、轴心轨迹分析和振动波形，结合机组的状态参数量 （如转速、胀差、轴向位移等）与振动幅值的关系，启动专家诊断系统，进行机组振动故障识别与分析。2.1.2扭振系统工作原理扭振系统总体上由四部分组成：轴系两端的扭振角位移测量；机组状态参数采集处理与传输；扭振模型分析与安全评价；数据存贮、报警、显示及打印输出。其中，轴系扭振分析与安全评价模型包括：快速扭振响应模型、电气及机械激励模型、状态预调及参数识别模型、雨流法载荷简化模型、应力应变分析和疲劳损伤模型、频谱分析模型、故障识别模型。系统基本运行
11、原理如图2：系统运行时连续在线监测机组轴系的扭振状态，同时显示汽轮机的转速。当监测部分确定扭振振幅或状态参数超过设定的阈值，在声光报警的同时，记录各采集通道扭振发生前后的数据，并进行扭振响应和安全分析。分析过程包括故障形式判定、轴系温度状态确定、机械力矩及电磁力矩合成、扭振模型仿真和应力损伤分析等。其中扭振响应的准确程度是由实测扭振信号进行自适应在线调整来加以保证的，轴系两端实测值与计算值的偏差作为反馈，经参数辩识可得正确的响应模型。 图2 汽轮发电机组轴系扭振监测分析系统原理示意图2.2 VTMAS系统组成VTMAS系统总体结构如图3所示，由图可见，系统由三大子系统构成：本地监测诊断系统、数
12、据通信网络系统、远程分析诊断中心。系统连续在线采集现场机组振动数据，在本地监测诊断节点站进行机组振动运行状态监测、故障诊断与设备的管理和控制。根据需要，系统可通过通讯微机、MODEM或Internet网，把现场数据传送到远程诊断中心站作进一步的分析判断，也可把远程中心分析结果传送到现场。图3 汽轮发电机组轴系弯扭耦合振动监测分析系统（VTMAS）结构图2.2.1 本地监测诊断子系统采用分布式模式构建，可分为设备层、网络通讯层和功能层三层结构。系统基本配置包括了传感器群、信号处理单元、振动下位机、工程师站等。其中，传感器群、信号处理单元和振动下位机组成了设备层，工程师站组成了功能层。从各设备的物
13、理空间布置来看，信号处理单元、振动下位机布置在同一机柜内，该机柜位于机组集控室后的电子设备间，而工程师站则布置在机组集控室内，供运行人员使用。1）设备层设备层由传感器群、信号处理单元和振动下位机组成，直接面向机组设备，以数据采集为核心，通过采样驱动程序，完成各通道级的数据采集，并与功能层监测系统进行双向通讯，上传采样数据，为上层系统提供可靠的实时信息。传感器群负责现场原始信号的拾取、传送，实现对每台机组的数据采集功能，前置信号处理器的所有振动信号以及部分过程量信号来自TSI系统，部分过程量信号来自现场DCS系统变送器输出的1-5V或4-20mA的标准信号，部分信号需要加装传感器。如：测速齿轮处
14、的扭角测量传感器一般需要单独加装，发电机三相电流电压信号需要加装二次CT、PT，而其它参量信号则无须安装传感器，一般可由TSI、DCS系统提供。系统监测参数包括： 弯振信号，包括汽轮发电机组各瓦瓦振、各瓦X、Y向轴振； 扭振信号，机头机尾处测速传感器； 过程参数。包括负荷、轴位移、差胀、绝对膨胀、发电机三相电流电压、励磁电流、三缸温度压力、蒸汽流量等。信号处理单元信号处理单元负责处理所有来自现场的信号，包括从传感器群接入的现场信号和来自DCS系统的相关信号，然后经过信号调理，输出标准信号。振动下位机振动下位机是一台数据采集工控机，它直接接受信号处理单元输出的标准信号，完成数据采集，对各信号进行
15、初步处理，并定时将采集数据上传。2）功能层功能层由工程师站组成，对采集信息进行分析处理，其内核程序完成数据处理、数据存储管理、状态分析、故障诊断等功能。关键功能有：实时和历史数据的记录与管理、数据实时处理、报警功能和报警管理、故障诊断、与其他系统的数据交换和信息集成能力。工程师站上运行通讯软件和振动在线监测与分析软件。通讯软件一方面直接与下位机通讯，将各种实时数据及时传送到上位机；一方面将各种运行数据写入上位机数据库中，同时还与主局域网内的数据库服务器进行双向的数据交换。振动在线监测与分析软件以友好的界面、人机交互、机组工作状况显示分析为核心功能，其图形功能强大，分析手段多样，显示内容丰富，界
16、面直观、精致。其实时数据来自于同机运行的通讯程序，而历史数据和各种事件数据则来自于本机数据库管理程序。2.2.2 数据通信网络系统本地监测诊断系统中，下位机与工程师站间距离短的用网卡组成局域网系统，距离长的用MODEM组成局域远程登录系统或通过Internet组成广域监控诊断系统。与远程诊断中心服务器的互连，采用基于Internet的连接，使得本系统具有很强的开放性和扩展性。2.2.3 远程分析诊断中心远程诊断中心是一个小局域网，由几台微机组成了网络系统和智能诊断专家系统。通过Internet与生产现场的监测系统连接，可同时在线监测与分析多个电厂多台机组的运行状态，并利用功能强大的数据库管理软
17、件，对各种原始数据和分析结果进行存储、备份管理。2.3 VTMAS系统功能本系统由数据采集硬件和监测诊断软件构成，从功能结构上，包括如下几部分：2.3.1 现场数据采集（1）信号前置处理对来自现场传感器群的振动和相关过程信号进行隔离、滤波、抗混滤波、积分、衰减/放大、整形等调理，使得这些信号变为数据采集板能直接采集的标准信号。其中，振动信号有等时间采样和等角度采样两种方式，后者要求对振动信号同步整周期采集，通过对键相信号锁相倍频实现。（2）信号实时采集将机组运行的工作状态分为三种：正常工况、启停机和异常工况，信号实时采集部分能对这三种状态自动准确识别，且进行不同方式的处理。当机组为正常工况时，
18、系统定时采集所有数据，采样时间间隔可动态修改；当机组为启停机工况时，系统按转速每升（或降）一定转数方式采集（如：每升速20转采集一批）；当机组为异常工况时，则系统全力进行数据的不间断采集，且写入故障追忆数据库中。2.3.2 数据通讯接口实现设备层与功能层间的正常通讯，通过以太局域网，将数据采集站所采集的实时数据上传到数据库服务器并保存，同时将系统组态信息动态下载到数据采集站，决定采集站的采集状态和采集方式；实现本系统与厂MIS系统和DCS系统间的数据交流，达到数据共享目的。2.3.3 运行状态监视实现机组运行状态的实时连续监视功能以主监视图、测点分布图、机组状态数据列表等多种形式监视机组状态，
19、各测点报警限用绿、黄、红三种颜色分别代表正常、越限报警和打闸报警三种状况，界面丰富直观。安全有效的报警及报警屏蔽机制仅简单根据振动幅值是否越限来判断机组状态正常与否，往往容易造成误报警动作，本系统提供了安全有效的报警机制。同时，为避免报警事故后的长时间高速连续数据采集存储，在采满一定量数据，系统将自动屏蔽报警状态而进入正常状态，屏蔽达到一定时间后再自动消除该屏蔽，屏蔽报警时间可由操作人员设置。2.3.4 运行状态分析提供了多种时域、频域以及趋势信号分析算法，对数据库里的历史数据和启停机数据等进行分析，并以直观的分析图表显示，以掌握设备当前状态和变化趋势，常规的分析手段有： 时域波形图 频谱图
20、棒图 轴心轨迹图 多轴心轨迹图启停机过程瞬态分析手段有： 波德图 级联图 Nyquist图2.3.5 数据库管理将系统所有数据进行有机的存储管理，按数据不同特征，数据库又具体划分为系统信息数据库、实时数据库、历史数据库、启停机数据库、报警数据库、故障数据库、诊断知识库等。 系统信息数据库管理和维护系统基本信息和控制信息，其中的数据或由实践得来、或由人为定义，只能以手工方式输入。通过系统基本信息维护，运行人员可以根据实际运行需要增、删或更改测点，使得系统具有很大的灵活性和可扩充性；通过系统控制信息，运行人员可以根据机组当前状态，方便快捷地进行系统工作方式调整。 实时数据库负责存储数据采集站上传的
21、实时数据，为状态监测模块提供数据来源，既包括测点特征数据，也包括某些类测点的原始波形数据。 历史数据库包括测点特征数据和原始波形数据两部分。本系统对历史数据采用了分级结构，即将历史数据库分成四级：日库、周库、月库和年库，每一级库的存储时间间隔各自不同，日库、周库、月库采用循环滚动存储方法，而年库存满一年数据后，将重新生成一新的年库表。表1描述了历史数据库的分级结构及各级库的情况。 启停机数据库只保存振动信号的原始波形数据和慢变信号的特征数据。该库存放的数据直接来自于数据采集站的启停机数据，库中最多存放200次启停机数据，超过200次后，采用循环滚动存储方式。表1 历史数据库的分级结构表数据库名
22、称存储时间间隔最大记录数存储时间长度数据入库规则日库1分钟14401天直接来自采样值周库15分钟6721周来自日库月库1小时7441月来自周库年库6小时14641年来自月库 故障数据库负责机组异常情况下的数据存储和管理，它将保存振动信号的原始波形数据和慢变过程信号的特征数据。2.3.6 系统组态该功能使得系统灵活性大大增强，不但能动态修改系统采集、运行方式，也能灵活方便地进行图形显示方式选择。（1）系统设置动态修改系统信息、机组信息（如测点类别、测点通道、报警上限等）以及系统相关属性（如振动采样点数、频谱分析窗函数选择等），使系统能适应不同机组、不同运行状态的需要。（2） 图形设置根据系统分析
23、需要，操作员可动态修改图形显示的数据源、横纵坐标含义及刻度范围、界面风格等。2.3.7 报表打印根据用户需求，可提供详尽的机组运行状态报表，以便于存档管理。提供各种图形界面的打印功能提供班报、日报、周报、月报和年报等手动和定时打印功能提供历史数据、启停机数据以及机组报警列表和故障诊断结论等报表打印功能。2.3.8 故障诊断根据采集的机组实时数据和存储的历史数据，判断设备运行状态是否异常，并给出故障原因与维修对策。 简易诊断将采集数据的分析结果与预设的越限值比较，告诉用户机组运行是否正常，它只是机组异常的一种定性判断，可以给出异常的测点位置、异常振动的频率性质，但不能给出运行不正常的原因。 精密
24、诊断在简易诊断基础上，从系统数据库中获取更多的数据和故障征兆，利用人工智能方法，对机组常见故障和一些复杂的故障情况提供详细的诊断报告。2.4 VTMAS系统功能规范2.4.1 系统信号部分为了全面掌握机组弯振、扭振状态，正确分析机组故障原因，VTMAS系统不仅需要监测常规TDM系统所需的各轴承处轴振、瓦振和过程量信号，还需要监测扭角信号和与扭振相关的各种过程量信号。（1）扭角信号机组的机头、机尾齿轮处分别安装两只测速齿轮。为了消除横向振动干扰，每只齿轮处各对置装设两只磁阻或涡流式位移传感器（共4路信号），由传感器获得的脉冲串信号被调理成标准信号进入计算机数据采集系统，通过相应解调处理可间接测量
25、得到扭角。（2）扭振相关的过程量信号将机组的高、中、低压缸蒸汽压力，高、中、低压缸蒸汽温度，励磁电流，发电机三相电流（经一次、二次CT），发电机三相电压（经一次、二次PT）等过程量信号，经过信号调理后转换成标准信号，送入计算机数据采集系统。为尽量减少现场干扰，所有过程量信号都经过光电隔离，并采用双端输入方式。每台汽轮发电机组振动系统所需采集的现场信号相同，如表2所示。表2 单台机组系统振动采集参数测点名称信号来源信号类型信号终止备注键相信号1（主机）主机TSI缓冲端子脉冲电压振动机柜键相信号2（汽动给水泵组）辅机TSI缓冲端子脉冲电压振动机柜键相信号3（汽动给水泵组）辅机TSI缓冲端子脉冲电压
26、振动机柜机头转速1（主机）磁阻传感器，就地脉冲电压振动机柜需单独安装磁阻传感器，测量扭角机头转速2（主机）磁阻传感器，就地脉冲电压振动机柜机尾转速1（主机）磁阻传感器，就地脉冲电压振动机柜机尾转速2（主机）磁阻传感器，就地脉冲电压振动机柜轴承垂直方向瓦振（主机）主机TSI缓冲端子交流电压振动机柜测点数量由轴承数量决定轴承X向轴振（主机）主机TSI缓冲端子交流电压振动机柜轴承Y向轴振（主机）主机TSI缓冲端子交流电压振动机柜轴承X向轴振（汽动给水泵组）辅机TSI缓冲端子交流电压振动机柜电泵、汽泵数根据由实际情况确定轴承Y向轴振（汽动给水泵组）辅机TSI缓冲端子交流电压振动机柜轴承X向轴振（电动给
27、水泵组）辅机TSI缓冲端子交流电压振动机柜轴承Y向轴振（电动给水泵组）辅机TSI缓冲端子交流电压振动机柜轴向位移（主机）主机TSI缓冲端子直流电压振动机柜汽缸胀差主机TSI缓冲端子直流电压振动机柜左、右侧热膨胀主机TSI缓冲端子直流电压振动机柜小机轴位移（汽动给水泵组）辅机TSI缓冲端子直流电压振动机柜发电机有功DCS系统4-20mA或1-5V，来自电厂DCS系统振动机柜发电机无功DCS系统振动机柜调节级后压力DCS系统振动机柜中压缸进汽压力DCS系统振动机柜低压缸进汽压力DCS系统振动机柜调节级后温度DCS系统振动机柜中压缸进汽温度DCS系统振动机柜低压缸进汽温度DCS系统振动机柜发电机三相
28、电压一次PT副边交流电压波形振动机柜需加装二次PT/CT发电机三相电流一次CT副边交流电流波形振动机柜励磁电流DCS系统4-20mA或1-5V振动机柜2.4.2 总的性能指标弯振信号采集最大幅值：（pp）相 位：0360采样速率：500KHz通道数： 64路，单端输入输入信号：电涡流传感器、速度传感器、加速度传感器采集方式：同步整周期采样测量精度： 峰值误差1m 相位误差2 间隙误差0.1V过程量信号采集采样速率：单通道最大600Hz通道数： 32路，单端输入输入信号：1-5V或4-20mA测量精度：0.1%扭振信号采集表3 测量参数动态范围及分辨率监测数据动态范围分辨率发电机三相电流8标幺值
29、1%发电机三相电压2标幺值0.2%扭角0101%扭角频响范围：5Hz300Hz扭应力应变分析误差：5%3 VTMAS系统数据采集站VTMAS系统数据采集站由一个信号处理单元和一台数据采集工控机组成。信号处理单元对现场信号进行调理，输出标准信号；数据采集工控机则接受信号处理单元输出的标准信号，完成数据采集。3.1 信号处理单元信号处理单元负责将各模拟量信号转换为标准电平信号、将转速信号转换为TTL电平的标准信号，并将各类信号按采集顺序整理归类。其中， A/V变换将4-20mA信号变换为1-5V电压信号、前置电路将扭振信号转换为脉冲信号，二次PT/CT将发电机三相电流电压信号进行变比，它能在工频（
30、50H）条件下，将大电流（50A）、大电压（200伏）的一次PT/CT输出转换成峰值为0-5伏的小电压信号。根据信号类型不同，前置处理电路板分成四类，分别是轴振、瓦振、转速键相和过程量处理板，这些处理板都采用总线方式设计，安装在信号前置处理箱中。（1） 轴振处理板能同时处理4路轴振信号，轴振信号采集过程中，为避免出现频率混叠现象，在对轴振信号进行隔离后，设置了抗混滤波环节。 振动信号（包括轴振和瓦振）有两种采集方式：等时间间隔采样和等角度间隔采样。稳定工况时，由于机组转速基本恒定为3000rpm，两种采样方式均可采用，而当机组处于启停机工况时，则只采用了等角度间隔采样方式。（2）瓦振处理板能同时处理4路瓦振信号，由于机组的瓦振信号来自于振动速度传感器，其处理相对复杂，除了滤波等常规处理手段外，还需增加积分环节，以将速度信号转换为位移信号。（3）转速键相处理板为获得准确的相位、转速信息，要求对振动信号实现同步整周期采样方式采集，它是通过把键相信号作为外部触发源来实现的。键相信号一般直接来自传感器，是负极性脉冲信号，如果转子轴径部位损伤或有径
