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旋转机械的运行状态管理

洪士强/陕西鼓风机(集团)有限公司    

摘要: 从旋转机械运行状态管理的概念入手, 阐 述了旋转机械运行状态的特征参数、监测位置及几种管理模式,节约了维护成本,提高了生产线的安全性和可靠性。

关键词 旋转机械 ;运行状态;管理

中图分类号: TH133 文献标识码:A

文章编号: 1006-8155(2007)06-0064-04

The Operating Condition Management of Rotary Machinery

Abstract: The paper introduces the operating condition management of rotary machinery from the definition, and then specifies the characteristic parameters, monitoring positions and several management modes. It can improve safety and reliability of production-line based on saving cost of enterprise.

Key words: rotary machinery; operating condition; management

0 引言

  普遍用于石油、化工、化肥、制药、炼铁、发电诸国民经济关键领域装置及流程中的大型旋转机械(汽轮机、燃气轮机、发电机、电动机、离心鼓风机、离心压缩机、轴流压缩机、能量回收透平膨胀机、离心泵及其相关设备如变速机、液力耦合器、各式联轴器、危机遮断器等)是这些领域的心脏设备,其运行状态直接影响到企业的生产安全和经济效益。因此,有必要对机组的运行状态实行管理, 从事后维修过渡到事前预防、视情维修, 有效延长设备的使用寿命,提高设备的服役质量,防止和避免设备发生损害或灾难性的意外事故, 保证机组安全、高效运行。

1 旋转机械的运行状态

运行状态一般分为启动过程、正常连续运行状态、非正常运行状态、报警状态及停机过程。

1.1 启动过程

  启动过程是一台机器一个生命周期的开始,是机器由静态向动态,由冷态向热态转化的过程。在这个过程中,转速按一定梯度爬升,挠性转子还要通过各阶临界转速,机器的各部分都在发生着质的变化,经受着各种严格的考验。由于惯性的影响,力的影响,热胀的影响,原有的静态平衡被打破,机器各部分重新进行调整,以适应新环境的要求(这个过程也是机组比较容易发生问题的一个过程),这也就是制造厂家在产品出厂前必须进行机械运转试验的原因。新机组首次投入使用,停机后的重新启动或大修后投入使用,实际是在重复机械运转试验的过程,对启动过程的运行姿态及其姿态参数进行监测和调整,使机组在规定的启动时间内安全达到正常连续运行状态,正式投入使用。

1.2 正常连续运行状态

  正常连续运行状态是机组服役效力的主要状态,也叫无故障运行状态。在这个状态下,机组表现最为稳定,各部分、各系统、各部件之间最为协调,各种配合、功能处于最佳状态,同时也是设计者设计思想的集中体现。在这个状态下,应该说过程非常漫长,没有突变发生,操作台上一片绿灯,操作人员按有关运行维护规定,定期进行巡视、记录及填写运行日记,按装置要求手动或自动调节服役状态。

1.3 非正常运行状态

  机器在漫长的正常连续运行中,由于受到各种复杂环境(如频繁调节、润滑油污染变质、静动件之间磨损后间隙增大、转子磨损平衡状态破坏等)影响,原先所处的正常稳定状态被打破,机器慢慢脱离正常运行状态。由于这种变化过程非常缓慢,机器仍可连续运行,称为带病工作,也就是非正常连续运行状态 。虽然这个过程非常缓慢,但它是发展的、变化的。随着时间的推移和条件的继续恶化,这种发展和变化的速度会逐步加快,越来越快,总有一天会由量变发展到质变,问题越来越严重。所以非正常运行状态是进行状态管理的重点区段,必须高度重视,严密观察,分析每一点异常发生的真实原因,寻求解决方案。

1.4 报警状态

  当非正常运行状态由量变发展到质变,并呈线性趋势时,机器也就进入了报警状态。

  报警,只说明是一种临界,而绝非灾难点,当这种状态到来时,从理论上讲,机器仍可继续工作,但随时存在着发生事故或灾难的危险。在没有特殊需要的前提下,马上停机检修是一种合情合理的选择,损失最少,成本最低,风险也最小。

1.5 停机过程

  停机过程有两种,一种为正常停机,一种为非正常停机。这两种停机状态都需要进行状态监测。

  停机过程是一台机器一个生命周期的结束,是机器由动态向静态,由热态向冷态转化的过程。在这个过程中,动态平衡被打破,同样机器各部分需要重新进行调整。

  对正常停机过程进行状态监测,是为了防止发生意想不到的破坏,为重新启动作准备。

  对非正常停机过程进行状态监测,是为了验证非正常运行状态、报警状态的原因分析和采取应对措施的正确性,同时也防止发生新的破坏,使机组安全停机。

2 运行状态的基本特征参数

  运行状态要用基本特征参数来描述。描述运行状态的基本特征参数很多,涉及很多方面,但从运动学的角度考虑,主要有运转速度(频率)、轴承温度、振动 烈度 、轴位移、轴心轨迹及噪声等。

2.1 运转速度

随着技术的发展,旋转机械的运转速度越来越高,机器运行的稳定性、安全性也就要求越来越高。

机器各零部件的强度设计、转动部件的配合选择都是以转速为依据的。当运转速度超过设计速度时,转速所产生的应力会导致机器发生严重的机械性破坏。

振动 烈度 、轴位移、轴心轨迹及噪声等级等描述运行状态的基本特征诸参数都与转速有关。

2.2 轴承温度

对于旋转机械,随着旋转速度的变化,从大的分类讲,选用的轴承分为滚动轴承和滑动轴承两类。

对于滚动轴承,可直接测量轴承外圈的温度作为轴承温度,设置一个高位限值作为轴承的控制温度。

对于滑动轴承,测量轴承温度有两种方法,一种是直接测量浇铸的轴承合金外侧温度;另一种方法是测量轴承进出口的润滑油油温,利用轴承进出口的油温温差来控制轴承的工作环境。在无其它热交换、热辐射途径的情况下,轴承进出口油温可以真实地反映轴承的工作环境。

2.3 振动烈度

到目前为止,反映振动烈度的参数有振幅和振动速度两种。

振幅在轴承轴径处用接触法直接测量,用双向最大振幅值进行控制,衡量单位用μ m。

振动速度是表征机器振动烈度的另一个重要参数。对于一种频率的简谐振动或由几种不同频率的简谐振动复合而成的振动用振动速度的有效值来衡量振动烈度,可用具有平方检波特性的电子仪器测量和直接显示。

  ISO10816-1:1995《机械振动——在非旋转部件上测量和评价机器振动 第1部分:总则》将机器分为4类:Ⅰ类:15kW 以下电动机;Ⅱ类:无独立底座的中型机器(如输出功率 15~75kW 的电机),有独立底座的发动机或机器(30kW 以下);Ⅲ类:安装在刚性重型底座上的大型原动机和其它大型机器;Ⅳ类:安装在柔性底座上的大型原动机和其它大型机器(如具有 10MW 输出功率的汽轮发电机组和燃气轮机)。并将振动限制区域分为A 、B 、C 、D 4 个区域。区域 A :新交付投入使用的机器;区域 B :在此区域,机器可以不受限制地长期运行;区域 C:机器在该区域不适宜作长期连续运行。否则,应采取补救措施;区域D :机器在该区域的振动烈度足以危害机器。

       通常,机器的振动速度均方根值(区域边界限值 按表1的推荐原则选取。

表1 机器的振动速度均方根值选取

振动速度均方根值/(mm/s)

Ⅰ类

Ⅱ类

Ⅲ类

Ⅳ类

0.28

A

A

A

A

0.45

0.71

1.12

B

1.8

B

2.8

C

B

4.5

C

B

7.1

D

C

11.2

D

C

18

D

28

D

45

2.4 轴位移

  影响旋转机械运行状态的另一个重要参数就是轴位移。轴位移有轴向位移和角位移,角位移受扭转振动的影响,而轴向位移则主要是由轴向力所引起的。

  在正常的情况下,轴向力总是处于平衡状态,机器内部各部件之间的相对位置都比较固定、和谐。但是,当这一平衡被打破,转动件的轴向移动量超过静、动件之间所留轴向间隙时,静、动件之间将会发生碰撞、摩擦、胶合而造成机器破坏,所以要对轴位移进行监控,设置基线值、报警值和停机值。

2.5 轴心轨迹

  轴心轨迹是描述轴的中心位置随时间所发生的动态变化。轴心轨迹的形状取决于轴、轴承、轴承座、转子动力学特性,转子上的轴向位置以及振动激励的形式。人们一般称轴心轨迹为涡动轨迹。当激励是单一频率正弦力时,轨迹通常表现为椭圆。当最主要的激励力是转子的不平衡量时,激励频率等于轴的旋转频率。而当轴振动是由许多不同振源引起时,轨迹将非常复杂,它是各个激励力的矢量和。

  一般情况下,轴心轨迹可用安装在径向截面上相隔 90°的两个振动传感器进行测量。如果传感器测量的是绝对振动,所测轨迹则是轴的绝对轨迹,与非旋转部件的振动无关;假如测量的是相对振动,所测轨迹则是安装传感器的部件的轨迹。

3 监测位置

  旋转机械的运行状态受外界因素影响很大,特别是外界动力。运行状态特征参数的测量位置一般选择在对其它动力有明显响应的部位。以测量振动为例,其测量位置多选择在轴承、轴承支座或其它能表示机器整体振动特性的结构部件上。

  为了确定各测量位置上的振动特性,对于正在运行的机器进行振动监测测量时,通常是在径向方向上进行(即在水平——横向和 /或垂直方向上)。由于推力轴承对轴动力有非常强烈的反应,所以,轴位移的测量应选在推力轴承位置上。

  轴心轨迹一般选在各支撑轴承处,在径向截面上用相隔 90°的两个振动传感器进行测量。

4 运行状态的基本管理模式

  运行状态管理最早是从石化企业开始的,其目的是为了对整个系统的机组故障进行早期预测,提高生产线的运行可靠性,延长运行周期。在近60多年的实践中,运行状态管理已经从被动反应管理发展到了主动预测管理,基本形成了三大基本管理模式。

4.1 被动反应(Reactive)管理

  这种管理比较原始、简单,必须安排专人长期进行工作值班,定期(巡查密度)到运行现场巡查,填写值班日记。若运行现场有状态参数(如转速、压力、流量、温度、电压、功率)直接显示时,可人工填写在值班日记中,对于没有直接显示的状态参数项目(如振动、轴位移、轴心轨迹、噪声、对中等)可用笔式仪表或便携式测试仪现场测量。按照这种管理模式,必须根据事前规定的周期对设备进行停机检修或大修,定期更换某些零部件,要不待机组损坏后停机修理。

4.2 自动保护(Predictive)管理

这种管理将现场巡查、现场显示和远传显示结合在一起,根据设定的报警值、停机值实现自动连锁控制。在这种管理模式中,便 携式状态监测被普遍采用,自动记录仪代替了人工手动记录。根据自动描述的运行状态曲线,定期召集有关专家、人员进行运行状态趋势分析,提出预防措施。 这种管理模式虽然仍然比较被动,但可最大程度地对机组实行自动保护。实行这种状态管理的前提是系统中必须要有备机,否则将影响到系统运行的可靠性。

4.3 故障预测(Proactive)管理

  故障预测管理也叫主动反应管理,是目前世界各国在大型生产线上普遍采用的一种状态管理模式。其又分为离线(便 携式 )状态监测和在线网络状态监测。对一个企业而言,离线状态监测是对在线网络状态监测的补充。

在线状态监测有如下优点。

  (1)早期故障诊断:全自动连续记录系统内各机组的运行状态(包括异常现象),实现早期故障预测。

  (2)自动报警:在数秒至数分钟内自动巡查系统内的所有监测量,对于超过报警值的量,自动触发声光报警。

  (3)故障诊断精确:由于传感器和测量位置固定,保证了测量精度的可重复性及测量的连续性,故障诊断的精确度大为提高,实现视情维修。

  (4)专家系统:任何操作人员均可使用网络上的专家系统对故障进行诊断。

  (5)节省人工:由于系统全自动化,仅需少许状态监测专家定期对所采集的数据进行分析预测。

  (6)遥测诊断服务:任何一地的故障诊断专家均可通过电话与网络对接,对机组所出现的故障进行诊断。

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  评论人:Bradley   打分:85 分  发表时间:2015-8-9 20:03:57
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