CN109958628B

CN109958628B - 一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统和方法

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Publication number: CN109958628B
Application number: CN201910209154.4A
Authority: CN
Inventors: 陆黎敏; 周立仁; 朱震; 黄建波; 王健; 马晟恺; 顾彧; 王昊; 潘卫国; 吴懋亮; 周欢; 邓先喆; 汪鸿润; 贲晶
Original assignee: Huaneng Shanghai Electric Power Maintenance Co ltd; Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Huaneng Shanghai Electric Power Maintenance Co ltd; Shanghai University of Electric Power
Priority date: 2019-03-19
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2020-12-22
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: CN109958628A

Abstract

本发明涉及一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统，包括故障诊断子系统、缺陷检修子系统、DCS子系统、水箱子系统和动平衡子系统，故障诊断子系统包含多个双吸离心泵，每个双吸离心泵的进口和出口上装有调节阀和流量计，缺陷检修子系统包含多个悬臂泵，用于执行缺陷检修操作，动平衡子系统包含多台离心风机，用于实现动平衡操作，DCS子系统对故障诊断子系统和水箱子系统的相关参数进行采集和监测，水箱子系统分别与故障诊断子系统和缺陷检修子系统连接，用于提供双吸离心泵和悬臂泵的循环用水。与现有技术相比，本发明提出一种完整的、系统级的辅机设备故障诊断及缺陷检修系统，可以同时在线实现辅机故障诊断、动平衡及缺陷检修功能。

Description

一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统和方法

技术领域

本发明涉及一种设备故障诊断系统，尤其是涉及一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统和方法。

背景技术

众所周知，各类电厂(包括火电、核电、燃气电厂等)几大主机作为关键设备，其制造技术已经比较成熟，监测技术比较完善，具有较高的可靠性。为了维护电厂正常运营，还需要大量的辅机设备，包括：锅炉给水泵、前置泵、凝结水泵、循环水泵、送风机、吸风机、磨煤机等等，在电厂中也占有比较重要的地位。而且，辅机设备往往是电厂设备状态监测及故障诊断的薄弱环节，保证电厂辅机设备的安全运行，是电厂日常维护和维修的重要内容，因此，开展辅机设备的故障诊断及状态检修，具有十分重要的意义。

电厂辅机在运行过程中，容易出现各种不同的故障，需要根据状态监测的结果进行故障的排查和诊断，必要的时候还需要另加测点进行辅助测试。但是，在机组的运行过程中，出现的故障种类是随机的，一些辅机检修的工程师，也很难见到比较系统的辅机故障种类。在电厂企业对诊断及检修工程师的培训中，需要用到机械设备的故障模拟及检修系统。利用该装置，可以模拟一些故障，工程师可以从信号采集、数据处理、故障诊断以及动平衡、检修等方面进行专业的培训和学习。

目前可以同时实现故障诊断、动平衡及检修三大功能的系统级平台几乎没有见到。有些企业、研究机构已经开发了一些简单的故障模拟装置，可以分为两类：

(1)通过实验台进行故障模拟。这些实验台基本上都是采用简化的转子、轴、滑动轴承或滚动轴承、联轴器所构成。这种实验台过于简单，是对实际设备的简化，与实际系统之间差距巨大。

(2)通过实际设备进行故障模拟，但是往往是单一设备，并不能构成真正的系统。

迄今为止，尚未见到可以在线进行故障模拟及故障诊断的系统，尤其是缺少系统级的辅机设备故障诊断、动平衡及检修系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统，包括故障诊断子系统、缺陷检修子系统、DCS子系统、水箱子系统和动平衡子系统，所述的故障诊断子系统包含多个双吸离心泵，用于设置故障、故障组合及在线故障诊断，每个双吸离心泵的进口和出口上装有调节阀和流量计，所述的缺陷检修子系统包含多个悬臂泵，用于执行缺陷检修操作，所述的动平衡子系统包含多台离心风机，用于实现动平衡操作，所述的DCS子系统对故障诊断子系统和水箱子系统的相关参数进行采集和监测，所述的水箱子系统分别与故障诊断子系统和缺陷检修子系统连接，用于提供双吸离心泵和悬臂泵的循环用水。

一种采用所述的系统进行故障设置的方法，通过下表中的实现方式，执行对双吸离心泵及其驱动电机的单故障设置：

单故障设置完成后，采用故障诊断方法实现故障在线诊断。

该方法还通过下表进行故障组合，实现组合故障的设置：

编号	故障组合
		b1	g1+g2
b2	g3+g5
		b3	g2+g4
b4	g3+g4
		b5	g2+g5
b6	g6+g8
		b7	g2+g3
b8	g4+g7
		b9	g9+g10
b10	g11+g8

组合故障设置完成后，采用故障诊断方法实现故障在线诊断。

一种采用所述的系统进行缺陷检修的方法，该方法根据检修缺陷现象判断缺陷内容，缺陷内容包括如下表所示的缺陷组合：

所述的动平衡子系统中，离心风机额定转速为3000RPM，不设变频，叶轮前后两面各开有螺纹孔，用于安装平衡块。

所述的动平衡子系统中，离心风机正面的叶轮为半敞开式，并贴有反光条，用以进行相位测定。

每个双吸离心泵的轴承座上均配有热电阻。

所述的水箱子系统包括一个大水箱和一个小水箱，所述的大水箱和小水箱通过水管相互连通，通过小水箱监测大水箱的水位。

所述的大水箱和小水箱上均安装有液位计，所述的液位计与DCS子系统连接。

所述的DCS子系统的测量物理量及测点位置如下表所示：

序号	测量物理量	测点位置	数量
				1	温度	双吸离心泵两端轴承座	20
2	流量	双吸离心泵出口	10
				3	压力	双吸离心泵出口	10
4	液位	大水箱、小水箱	4
				5	开度	双吸离心泵出口调门	10
6	开度	大水箱和小水箱的放水门	2
				7	开度	大水箱和小水箱的联通门	1

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明提出一种完整的、系统级的辅机设备故障诊断及缺陷检修系统，可以同时在线实现辅机故障诊断、动平衡及缺陷检修功能。

(2)每个双吸离心泵的轴承座上均配有热电阻用以监控温度，防止在破坏性实验中轴承温度超标引起设备严重损坏。

(3)大水箱和小水箱上均安装有液位计，与DCS子系统联用，可以实现热控方面调节，包括电动调节阀的控制，液位的连锁控制等。

(4)动平衡子系统包括离心风机，可独立进行动平衡操作，实现风机动平衡功能。

(5)在故障诊断及缺陷检修方法中，可以分别单独实现故障诊断和缺陷检修，对于故障诊断的实现方法首先对双吸泵设备上设置单独故障和组合故障，然后在系统在线运行过程中结合故障现象，进行故障诊断，从而找到故障原因。对于缺陷检修的实现方法，首先对悬臂泵设备上进行缺陷设置和组合，然后在系统运行过程中，结合缺陷表现的症状进行缺陷判断，并进行停机检修，检修完成后恢复在线运行，对检修效果进行检验。

附图说明

图1为本实施例系统结构示意图；

图2(a)为本实施例故障诊断方法流程图；

图2(b)为本实施例缺陷检修方法流程图；

图3(a)为本实施例水泵驱动端水平方向的时域波形图；

图3(b)为本实施例水泵驱动端水平方向的频谱图；

图4(a)为本实施例水泵驱动端垂直方向的时域波形图；

图4(b)为本实施例水泵驱动端垂直方向的频谱图；

图5(a)为本实施例水泵驱动端轴向的时域波形图；

图5(b)为本实施例水泵驱动端轴向的频谱图；

图6(a)为本实施例水泵自由端水平方向的时域波形图；

图6(b)为本实施例水泵自由端水平方向的速度频谱图；

图7(a)为本实施例水泵自由端水平方向的解调时域波形图；

图7(b)为本实施例水泵自由端水平方向的解调频谱图；

图8(a)为本实施例电机自由端水平方向的时域波形图；

图8(b)为本实施例电机自由端水平方向的速度频谱图；

图9(a)为本实施例电机自由端水平方向的解调时域波形图；

图9(b)为本实施例电机自由端水平方向的解调频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，一种辅机设备故障诊断及缺陷检修系统，包括故障诊断子系统1、缺陷检修子系统2、DCS子系统3、水箱子系统4和动平衡子系统5，故障诊断子系统1包含多个双吸离心泵11，用于设置故障内容，每个双吸离心泵的进口和出口上装有调节阀和流量计，每个双吸离心泵11的轴承座上均配有热电阻。缺陷检修子系统2包含多个悬臂泵21，用于根据故障诊断内容执行检修操作，DCS子系统3分别与故障诊断子系统1和水箱子系统4连接，水箱子系统4分别与故障诊断子系统1和缺陷检修子系统2连接，用于提供双吸离心泵和悬臂泵的循环用水，动平衡子系统5包括多个与DCS子系统3连接的离心风机51，用于执行动平衡操作。

水箱子系统4包括一个大水箱41和一个小水箱42，大水箱41和小水箱42通过水管相互连通，大水箱41和小水箱42上均安装有液位计，液位计与DCS子系统3连接。

以下结合具体实施案例对本系统进行详细介绍：

1)本实施例使用10台双吸泵作为设备故障诊断培训用，为模拟现场真实环境，建立水泵-水箱循环水系统，使双吸泵能够在真实介质流动下运行，并建立简易DCS子系统监控水泵运行时部分参数；

2)使用10台单级离心泵作为设备单体检修培训用，为模拟现场真实环境，建立水泵-水箱循环水系统，使单级离心泵能够在真实介质流动下运行。

3)在设备故障诊断及检修环节中，预先在双吸泵和单级离心泵中设置缺陷，让学员使用精密分析仪表或者现场检修经验判断设备存在缺陷。在双吸泵中，主要通过精密分析仪表及相关理论，分析出设备存在缺陷，加深对理论知识的了解和实践。在单级离心泵中，主要培训学员们在常见转机设备中所要做到的修前准备、解体、发现问题、解决问题、回装、试转的全过程，起到对设备结构的了解和技能培训的目的；

4)使用3台悬臂离心风机进行现场动平衡教学培训。风机经过一定的改造，使其能够预先设置一定的不平衡量。培训时，学员们使用精密分析仪表，完成该台设备的现场动平衡。

1.系统功能

本系统可以同时实现辅机故障诊断、动平衡及检修功能，水泵全部位于循环水系统的管道上，故障诊断及检修功能可在完整的系统中在线实现，动平衡可以单独实现。

2.系统构成

本系统主要包括如下几个子系统。

1)故障诊断子系统1：即为双吸泵区域。可以分别实现水泵故障诊断功能。

2)动平衡子系统5：即为悬臂离心风机区域，分别实现风机动平衡功能。

3)缺陷检修子系统2：即为单级悬臂泵区域，可以实现水泵检修的功能。

4)DCS子系统3：为一套DCS系统，可以实时控制水箱补/放水，双吸泵流量调节及温度、流量监控。

5)水箱子系统4：由室外的大小两个水箱和地下及内部水管系构成。

3.系统功能实现

3.1辅机故障诊断功能实现

1)基本结构

故障诊断子系统1由10台双吸离心泵11(简称离心泵)及驱动电机组成。每台双吸离心泵11的进出口均连接管道，通过汇流水管与大水箱41联通。每台双吸离心泵11的进出口管上安装手动蝶阀，出口管上安装流量计、电动调节阀或气动调节阀，所有调节阀均可通过DCS子系统3实时监控及调整。所有双吸离心泵11的轴承座上均配有热电阻用以监控温度，防止在破坏性实验中轴承温度超标引起设备严重损坏。

2)故障类型

为了对双吸离心泵区域进行故障设置，主要围绕水泵、以及驱动电机进行故障设置。本系统可以实现的故障编号、名称及实现方法如表1所示。

表1：水泵故障名称及实现方法

3)故障组合方式

为了便于对水泵故障诊断的难度进行调节，本系统现可采用的水泵故障的组合方式如表2所示，以后可以在表1的基础上进行故障组合的扩充。

表2：水泵故障组合表

3.2动平衡功能实现

动平衡子系统5由3台悬臂离心通风机组成，主要为单面动平衡的实操训练。

风机额定转速3000RPM，不设变频，在实验中能够通过较小的配重来实现较大的振动，能够满足动平衡基本要求且不会严重破坏设备。

为了实现该风机的动平衡的实操训练，具体实现方法如下：

1)风机叶轮打孔配平衡重，叶轮前后2面都需要开螺纹孔，单面各36个Φ6丝孔，孔间距10°，孔直径满足安装平衡块的基本需求，便于在不同面上加试重。

2)机叶轮出厂时带有一定的质量不平衡以及力偶不平衡。

3)风机机壳与叶轮之间需留有足够的间隙，保证叶轮加若干平衡块后不会与机壳碰摩。

4)风机正面叶轮处为半敞开式，方便黏贴反光条，用以进行相位测定。

5)风机背面(电机侧)开有观察窗，能够进行平衡块增/减。

6)为了保障运行中人员安全，加装铁丝网，在不影响红外激光正常路径情况下保护人员安全。

3.3检修功能实现

1)基本结构

缺陷检修子系统2由10台单级悬臂式单级离心泵(简称悬臂泵21)组成，可以用于典型水泵的拆装、检修工艺考试及培训。泵的组成包含典型零部件，例如机封、主轴、轴承等水泵检修的基本内容。

该悬臂泵21同时通过专用联轴器对中表架，可以实现联轴器中心校正的培训。

悬臂泵21同双吸离心泵11一样，通过进出口汇流管与大水箱联通。根据提供的现象(修前认证))描述判断设备在运行中存在的问题，解体设备验证判断，并提出检修方案。

在完成水泵检修，安装水泵后可以当场试转，通过是否正常运行来检验检修效果。

2)检修缺陷分类

根据水平的主要缺陷，主要考虑五类缺陷如下：

第一类：振动大

地脚松动(水泵、电机)；

地脚垫片过多；

联轴器不对中；

三脚架调整不当；

联轴器螺栓弹性圈损坏、尺寸不当；

轴承故障(内、外圈，滚动体、保持架)；

主轴弯曲。

第二类：运行中温度高

轴承温度高：缺油、或者油位过高；

油位过高，放气孔堵塞；

轴向推力过大：叶轮平衡孔堵塞、流道位置偏离；

推力间隙过小；

油质乳化。

第三类：运行中漏水

机械密封磨损

动静环接触面不平整

动静环或轴套O形圈缺失、损坏

机封压缩量不足

第四类：运行中漏油

骨架油封损坏、磨损

润滑油油位过高

放气孔堵塞

回油孔堵塞或放油孔密封不当

第五类：运行出力不足

叶轮损坏

3)检修缺陷组合及现象描述

为了提高辅机检修的难度，根据上述五类检修缺陷，得到部分组合的检修缺陷及现象描述如表3所示。

表3：检修缺陷组合及现象描述

3.4控制系统设计

DCS子系统主要测点如表4所示。

表4 DCS测点表格

3.5水箱子系统4实现

培训场地室外的配备大、小水箱各一个，作为联通水箱，水箱间有一根联通管连接，并可通过电动调节阀实现流体互通，这两个水箱通过各种水管与故障诊断子系统1的双吸离心泵11和检修区的悬臂泵21相连，形成了完整的水箱子系统(4)，可以使得故障诊断功能和检修功能在线实现。

大、小水箱上都安装有液位计，包括翻版式液位计、雷达液位计等，与DCS系统联用，可以实现热控方面上的培训，包括电动调节阀的控制，液位的连锁控制等。

3.6数据采集及分析系统

主要通过手持式分析仪表对双吸离心泵11和离心风机的振动数据进行采集，并在与仪器配套的分析软件中进行分析。

在手持式分析仪表中，利用加速度传感器和相位计，对振动数据、相位数据进行测定；在分析过程中，对采集到的时域波形进行FFT后进行频谱分析，也可以通过其他手段进行诸如相位差测定、波德图、包络解调谱的分析。

3.7本系统将来的扩展

本系统将来可以在现有DCS子系统基础上，进行热控方的技能培训；也可以设置其它故障，并进行其它转机故障诊断方面的培训工作。

本发明的有效核心如下：

1)提出一种系统级、配备DCS的“辅机设备故障诊断及缺陷检修系统”，可以在线实现故障诊断及检修功能；

2)该系统采用处于水箱子系统4的双吸离心泵11和悬臂泵21作为故障设置及诊断设备，可以在线进行故障诊断及状态检修；

3)针对双吸离心泵11，提出了11种故障设置方法(见表1)及10故障组合方法(见表2)，可以实现辅机的故障诊断；

4)针对悬臂泵21，提出五类缺陷及10种检修缺陷组合(见表3)，可以实现辅机的缺陷检修；

5)采用悬臂离心风机，提出了便于实施动平衡的具体方法，可以实现动平衡实操。

2.辅机设备故障诊断实例

为了说明本专利所提出的故障设置方法的有效性，选取两种故障组合对有效性进行验证。

1)水泵叶轮不平衡+联轴器不对中故障组合

为了测试本系统的功能，选取故障组合之一的“水泵叶轮不平衡+联轴器不对中故障”作为测试对象。使用本系统的辅机故障诊断区的一组双吸泵，按照前述的故障设置方法和故障组合方法进行设置。故障设置完成之后，通过DCS系统，开通循环水系统及水泵电机，使得系统实现在线运行。

通过在合适的位置布置传感器，并采用数据数据采集及分析系统，可以得到图3(a)、3(b)：水泵驱动端水平方向的时域波形图及频谱图；图4(a)、4(b)：水泵驱动端垂直方向的时域波形图及频谱图)和图5(a)、5(b)：水泵驱动端轴向时域波形图及频谱图。

根据水泵转速为1450rpm，可以计算得到水泵的转频Fr＝24.1Hz。

根据图3和图4，水泵驱动端的径向振动频谱，1X(即：1Fr)对应的频谱振幅均很大，可以看出比较明显的水泵叶轮不平衡故障。

而根据图5(a)、5(b)，水泵驱动端的轴向振动频谱中，除了1X频率处依然保持很大，2X(即：2Fr)频率处很小，但是3X(即：3Fr)频率处所对应的幅值也比较大，已经比较接近1X频率所对应的振幅了，这体现了非常明显的联轴器不对中故障征兆，并以角不对中为主；由于4X、5X和6X的谐波成分也比较明显，因此，可以判断，联轴器不对中故障比较严重。也就是说，根据图4可以判断，本组水泵除了叶轮不平衡故障之外，还有联轴器不对中故障。

可见，通过数据采集、处理及分析，依据前述的故障设置和故障组合，可以实现水泵叶轮不平衡故障和联轴器不对中故障的组合。

2)水泵旋转松动+电机轴承故障

图6(a)、6(b)为水泵自由端水平方向时域波形和速度频谱图，图7(a)、7(b)为水泵自由端水平方向解调时域波形和解调频谱图。

从图6和图7中，可以看到频谱图中有明显水泵旋转松动的1X的谐频，可以达到将近10X，振动值在合理范围内，并且高频部分会产生一定的底噪。在速度时域图及解调波形中可以看出大量的冲击成分，并且在解调谱中尖峰系数达到10，已经超出设备运行时合理范围；在运行中，使用超声诊断仪进行声音采集时，会听见轴承显著的异音，符合旋转松动的特征。也就是说，本组水泵含有水泵旋转松动故障。

图8(a)、8(b)为电机自由端水平方向时域波形图和速度频谱图，图9(a)、9(b)为电机自由端水平方向解调波形图和解调频谱图)。

在附图8和附图9中，可以看出在时域波形中有明显冲击成分，速度频谱图和解调频谱中存在显著的1X的非同步频率，与电机轴承的故障特征频率(BSF、BPFI)相接近，这是由于电机轴承磨损后，其部件固有频率改变，故障特征频率并不是严格与理论值对齐，而是存在一定偏差。此外，解调谱中的加速度值已经达到3g RMS，远超标准值1g。在运行中也能通过人耳或者超声诊断仪监听到轴承损坏后产生的异声，符合轴承损坏时产生的现象。亦即：本组水泵，除了前述的水泵旋转松动故障，还具有电机轴承故障。

可见，对于本发明所提出的故障设置方法及故障组合方式，也可以实现“水泵旋转松动+电机轴承故障”的组合。

Claims

1.一种采用辅机设备故障诊断及缺陷检修系统进行故障设置和缺陷检修的方法，其特征在于，所述的系统包括故障诊断子系统(1)、缺陷检修子系统(2)、DCS子系统(3)、水箱子系统(4)和动平衡子系统(5)，所述的故障诊断子系统(1)包含多个双吸离心泵(11)，用于设置故障、故障组合及在线故障诊断，每个双吸离心泵的进口和出口上装有调节阀和流量计，所述的缺陷检修子系统(2)包含多个悬臂泵(21)，用于执行缺陷检修操作，所述的动平衡子系统(5)包含多台离心风机，用于实现动平衡操作，所述的DCS子系统(3)对故障诊断子系统(1)和水箱子系统(4)的相关参数进行采集和监测，所述的水箱子系统(4)分别与故障诊断子系统(1)和缺陷检修子系统(2)连接，用于提供双吸离心泵和悬臂泵的循环用水；

通过下表中的实现方式，执行对双吸离心泵(11)及其驱动电机的单故障设置：

单故障设置完成后，通过布置传感器对双吸离心泵(11)和离心风机的振动数据进行采集，获取时域波形图和振动频谱图，并采用故障诊断方法，实现故障在线诊断；

所述缺陷检修方法根据检修缺陷现象判断缺陷内容，缺陷内容包括如下表所示的缺陷组合：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还通过下表进行故障组合，实现组合故障的设置：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的动平衡子系统(5)中，离心风机额定转速为3000RPM，不设变频，叶轮前后两面各开有螺纹孔，用于安装平衡块。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的动平衡子系统(5)中，离心风机正面的叶轮为半敞开式，并贴有反光条，用以进行相位测定。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个双吸离心泵(11)的轴承座上均配有热电阻。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水箱子系统(4)包括一个大水箱(41)和一个小水箱(42)，所述的大水箱(41)和小水箱(42)通过水管相互连通，通过小水箱监测大水箱的水位。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的大水箱(41)和小水箱(42)上均安装有液位计，所述的液位计与DCS子系统(3)连接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的DCS子系统(3)的测量物理量及测点位置如下表所示：

序号测量物理量测点位置数量 1 温度双吸离心泵两端轴承座 20 2 流量双吸离心泵出口 10 3 压力双吸离心泵出口 10 4 液位大水箱、小水箱 4 5 开度双吸离心泵出口调门 10 6 开度大水箱和小水箱的放水门 2 7 开度大水箱和小水箱的联通门 1

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