煉廠煙氣輪機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)研究

1引言
煙氣輪機(jī)（以下簡稱煙機(jī)）是重油催化裝置的主要能量回收設(shè)備，它主要用來回收催化裂化裝置的高溫、高壓再生煙氣。葉片作為主要的做功元件，長期在高溫（550~700℃）下運(yùn)行，受到煙氣中催化劑沖刷，容易發(fā)生葉片斷裂、減薄等故障，導(dǎo)致動不平衡引起煙機(jī)軸振動加大。這不僅對整機(jī)性能的影響很大，還會威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

目前國內(nèi)針對煙機(jī)葉片振動監(jiān)測的研究主要是通過監(jiān)測轉(zhuǎn)子的振動來實現(xiàn)。本文提出了一種基于葉尖定時原理的葉片振動在線監(jiān)測新技術(shù)、新方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對各個葉片振動情況的實時監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括：葉片發(fā)生共振、顫振時的振幅、頻率等。與常規(guī)手段相比，本方法的監(jiān)測信息更加直接、豐富，使得葉片故障診斷的精確性得到極大的提高。

2葉尖定時測振原理
圖1為基于葉尖定時原理的葉片測振方法技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖。將多個葉尖定時傳感器（TIP0 ~  TIP6）安裝在相對靜止的過渡襯環(huán)上，一個轉(zhuǎn)速同步傳感器（ZT ）和一個角基準(zhǔn)傳感器（AT ）分別安裝在轉(zhuǎn)子上，采集葉片運(yùn)動狀態(tài)相關(guān)的信號。

3 葉片振動參數(shù)分析算法研究
葉尖定時信號數(shù)據(jù)分析算法是要研究從測量的原始數(shù)據(jù)中提取葉片頻率、振幅和相位信息。對葉尖定時測量數(shù)據(jù)采用的分析方法將取決于葉片振動的形式，葉片振動形式主要是同步振動和異步振動，本文介紹兩種典型分析方法。

4 現(xiàn)場試驗
4.1 試驗現(xiàn)場及條件介紹
本節(jié)介紹該方法的現(xiàn)場試驗過程及數(shù)據(jù)的后處理結(jié)果，試驗場所為某煙機(jī)生產(chǎn)廠車間，被測煙機(jī)型號為：YL14000B；額定轉(zhuǎn)速：5349 rpm；實驗溫度：不大于300℃；葉片數(shù)：49；葉片旋轉(zhuǎn)半徑：682.59mm；葉頂間隙：2.5~2.7mm。
試驗采用了兩傳感器布置方法，如圖3所示。在機(jī)殼上安裝兩個葉尖定時傳感器TIP0 和T1P6 ，安裝夾角約為17°，傳感器端面與葉頂間隙為2.5~2.7mm

轉(zhuǎn)速同步傳感器 安裝在轉(zhuǎn)子的箱蓋上，傳感器探頭端面與轉(zhuǎn)軸表面間隙約2mm，激勵由鍵槽提供，如圖4所示。

三根電纜分別將 TIP0TIP1、ZT 和 測量的信號傳輸?shù)诫娙菔饺~尖定時接收儀。信號經(jīng)過處理后由計算機(jī)進(jìn)行采集和分析，最后獲得所有葉片的振動信息。現(xiàn)場試驗如圖5所示。

3種試驗工況為：
（1）啟動煙機(jī)并使轉(zhuǎn)速逐步提高到工作轉(zhuǎn)速5349 rpm，約2~3分鐘；
（2）然后進(jìn)行超速試驗，轉(zhuǎn)速為5616rpm，時間不超過2分鐘，然后降至3000 rpm；
（3）再按每2~3分鐘提高轉(zhuǎn)速500 rpm到工作轉(zhuǎn)速5349 rpm。
4.2 數(shù)據(jù)采集及處理
4.2.1 變速情況下葉片振動情況分析
由于篇幅有限，本文對TIP0測得0號葉片在部分變速范圍內(nèi)的葉片振動位移進(jìn)行分析。圖6～圖7為采集軟件回顯的葉片振動位移圖。

4.2.2 轉(zhuǎn)速3900rpm附近的同步振動分析
取圖7中3900rpm附近數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，葉片振動位移與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖9所示。根據(jù)變速下的同步振動理論，可擬合出該轉(zhuǎn)速附近的同步振動曲線，并且得到同步振動參數(shù)，見表1。

可以看到葉片在3900rpm附近產(chǎn)生一個同步振動，中心轉(zhuǎn)速頻率約為64.69Hz。將所有葉片按照如上分析，可以得到每個葉片在該轉(zhuǎn)速附近的同步共振頻率，如圖10所示。

4.2.3 恒速下的葉片振動分析
試驗過程中，煙機(jī)分別在轉(zhuǎn)速1961rpm、2472rpm、3250rpm幾個轉(zhuǎn)速附近停留了2~3分鐘，分別截取1000圈數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，如圖11~13所示。可以觀察葉片各恒速下的振動位移圖以及頻譜分析圖。由于葉尖定時測振原理屬于欠采樣方法，其采樣頻率即轉(zhuǎn)速頻率，因此得到的頻率值僅為相對各轉(zhuǎn)速頻率的差頻值。可根據(jù)需要分析較大幅值的頻譜成分。

由以上可知，各恒速下振動幅值小于1mm。頻譜圖中，差頻值接近0時表示葉片的同步振動，其它差頻值表示葉片的異步振動。隨著轉(zhuǎn)速增大，恒速下的異步振動幅值有所減弱，而同步振動幅值在各轉(zhuǎn)速下各不相同。

5 結(jié)論
煙氣輪機(jī)葉片由于長期在高溫下運(yùn)行，容易發(fā)生葉片斷裂等事故，導(dǎo)致動不平衡引起煙機(jī)軸振動加大，威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。本文提出的基于葉尖定時原理的葉片振動在線監(jiān)測新技術(shù)、新方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對各個葉片振動情況的實時監(jiān)測。本方法不僅可以實現(xiàn)不停機(jī)實時掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，而且可以根據(jù)監(jiān)測積累的數(shù)據(jù)對設(shè)備的未來運(yùn)行狀況做出預(yù)判，提高設(shè)備安全保障水平的同時不影響生產(chǎn)效率。
文獻(xiàn)
（1）        楊秉玉，劉啟周，顫振狀態(tài)下葉片振動的相應(yīng)的試驗研究，燃?xì)鉁u輪試驗與研究，2002，15（2），31-35
（2）        и.E.薩博洛斯基等著，吳士祥，鄭叔琛譯，渦輪機(jī)葉片的非接觸測量[M]，北京：國防工業(yè)出版社，1986
（3）        張玉貴，段發(fā)階，葉聲華.旋轉(zhuǎn)葉片異步振動的頻率識別技術(shù).振動與沖擊2007，16（12），106-108EI080511071413
（4）        武俊平，韓中合，丁常富，汽輪機(jī)葉片動態(tài)測量技術(shù)的研究與發(fā)展，汽輪機(jī)技術(shù)，2003，20（3）：54-58
（5）        張玉貴，段發(fā)階，方志強(qiáng)等，端矢速跡法分析葉片同步振動的方法研究.傳感技術(shù)學(xué)報，2007，20（9）：2044—2048

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