煉廠煙氣輪機結構健康監測關鍵技術研究

1引言
煙氣輪機（以下簡稱煙機）是重油催化裝置的主要能量回收設備，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℃）下運行，受到煙氣中催化劑沖刷，容易發生葉片斷裂、減薄等故障，導致動不平衡引起煙機軸振動加大。這不僅對整機性能的影響很大，還會威脅機組的安全運行。

目前國內針對煙機葉片振動監測的研究主要是通過監測轉子的振動來實現。本文提出了一種基于葉尖定時原理的葉片振動在線監測新技術、新方法，該方法能夠實現對各個葉片振動情況的實時監測，監測內容包括：葉片發生共振、顫振時的振幅、頻率等。與常規手段相比，本方法的監測信息更加直接、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結構示意圖。將多個葉尖定時傳感器（TIP0 ~  TIP6）安裝在相對靜止的過渡襯環上，一個轉速同步傳感器（ZT ）和一個角基準傳感器（AT ）分別安裝在轉子上，采集葉片運動狀態相關的信號。

3 葉片振動參數分析算法研究
葉尖定時信號數據分析算法是要研究從測量的原始數據中提取葉片頻率、振幅和相位信息。對葉尖定時測量數據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 現場試驗
4.1 試驗現場及條件介紹
本節介紹該方法的現場試驗過程及數據的后處理結果，試驗場所為某煙機生產廠車間，被測煙機型號為：YL14000B；額定轉速：5349 rpm；實驗溫度：不大于300℃；葉片數：49；葉片旋轉半徑：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

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

三根電纜分別將 TIP0TIP1、ZT 和 測量的信號傳輸到電容式葉尖定時接收儀。信號經過處理后由計算機進行采集和分析，最后獲得所有葉片的振動信息。現場試驗如圖5所示。

3種試驗工況為：
（1）啟動煙機并使轉速逐步提高到工作轉速5349 rpm，約2~3分鐘；
（2）然后進行超速試驗，轉速為5616rpm，時間不超過2分鐘，然后降至3000 rpm；
（3）再按每2~3分鐘提高轉速500 rpm到工作轉速5349 rpm。
4.2 數據采集及處理
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的葉片振動位移進行分析。圖6～圖7為采集軟件回顯的葉片振動位移圖。

4.2.2 轉速3900rpm附近的同步振動分析
取圖7中3900rpm附近數據進行分析，葉片振動位移與轉速的關系如圖9所示。根據變速下的同步振動理論，可擬合出該轉速附近的同步振動曲線，并且得到同步振動參數，見表1。

可以看到葉片在3900rpm附近產生一個同步振動，中心轉速頻率約為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，煙機分別在轉速1961rpm、2472rpm、3250rpm幾個轉速附近停留了2~3分鐘，分別截取1000圈數據進行分析處理，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，其采樣頻率即轉速頻率，因此得到的頻率值僅為相對各轉速頻率的差頻值。可根據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速下各不相同。

5 結論
煙氣輪機葉片由于長期在高溫下運行，容易發生葉片斷裂等事故，導致動不平衡引起煙機軸振動加大，威脅機組的安全運行。本文提出的基于葉尖定時原理的葉片振動在線監測新技術、新方法，能夠實現對各個葉片振動情況的實時監測。本方法不僅可以實現不停機實時掌握設備的運行情況，而且可以根據監測積累的數據對設備的未來運行狀況做出預判，提高設備安全保障水平的同時不影響生產效率。
文獻
（1）        楊秉玉，劉啟周，顫振狀態下葉片振動的相應的試驗研究，燃氣渦輪試驗與研究，2002，15（2），31-35
（2）        и.E.薩博洛斯基等著，吳士祥，鄭叔琛譯，渦輪機葉片的非接觸測量[M]，北京：國防工業出版社，1986
（3）        張玉貴，段發階，葉聲華.旋轉葉片異步振動的頻率識別技術.振動與沖擊2007，16（12），106-108EI080511071413
（4）        武俊平，韓中合，丁常富，汽輪機葉片動態測量技術的研究與發展，汽輪機技術，2003，20（3）：54-58
（5）        張玉貴，段發階，方志強等，端矢速跡法分析葉片同步振動的方法研究.傳感技術學報，2007，20（9）：2044—2048

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