1.3　大型機電設備狀態在線監測及預測技術背景

本書提出的大型機電設備在線監測及預測技術主要應用于大型旋轉注水機組及風電機組齒輪箱。

1.3.1　大型旋轉注水機組及其故障監測及預測現狀

油田開采后，油層壓力會逐漸下降，使原油采收率降低，產量降低。我國各油田，自噴井越來越少，要保證高產、穩產，就必須補充油層壓力。目前普遍采用的方式是往地下注水以提高油層壓力，因此注水對于油田生產具有十分重要的意義。

注水站是油田注水的重要生產部門，注水站內通常裝備3～6臺連續運行的大型旋轉注水機組及配套的機電設備。

大型旋轉注水機組是保證采油產量的重要設備，它由連續運行的大型“電機-離心泵”機電設備組成，功率通常在2000kW以上，具體型號及結構類型如下。

a. 三相籠式異步電動機

型號：YKZ2250-2/1180

額定功率：2250kW

額定電壓：6000V

轉速：2985r/min

b. 彈性柱銷聯軸器

c. 多級分段式離心泵

型號：D300-150×11

軸功率：1850kW

流量：300m³/min

轉速：2985r/min

d. 滑動推力軸承座（電機、水泵各2個）

在工業現場使用的大量機電設備，其中許多關鍵設備功率大、負載重且不穩定，工況較惡劣，如上述的油田廣泛使用的大型注水設備，需要對其采取措施保證機電設備的正常運行和科學維護。

以往現場有值班人員對注水機組狀態進行監測，監測項目除溫度、壓力、電量（電機功率、電流、電壓、電耗）、流量、液位等常規項目外，根據規程也應對反映機組狀態關鍵特征的機械動特性，如振動、噪聲進行監測，但由于沒有檢測手段，只能靠值班人員手摸或耳聽。由于缺乏可靠的科學手段和依據，對其現時狀態的評價往往是不準確的，對其狀態發展趨勢更是難以估計的，所以維護方式采用的是周期性強制維護，該維護方式到時即更換零部件，維護費用巨大。雖累積停機時間長，但仍避免不了惡性事故的發生，如離心泵、電機損壞等惡性事故時有發生，因停機維修影響注水生產而造成的經濟損失是很驚人的。此外，注水站內裝有多臺大型機組，現場噪聲很高，大大超過國家《工業企業噪聲衛生標準》。

在注水機組狀態監測技術應用方面，以前建的油田注水站沒有裝備狀態監測及預測系統，有的新建注水站雖裝備了微機巡檢系統，但該系統通常僅對壓力、溫度等常規項目進行監測，沒有包括機械振動特性的監測，不能進行機組狀態的監測和分析。近年來，有的油田輸油站等大型設備上，采用了新研制的包括對振動特性進行監測的系統，實現了在線監測和分析，但尚沒有建立機組機械動特性檔案，因而難以進行自動在線的狀態判斷，而需要專業人員離線進行分析。

在注水機組狀態預測技術應用方面，注水機組的維護方式仍采用預防性維修。近年來有的維修部門進口了美國ENTEK公司預測維修系統，可對機組進行定期檢測和離線分析。但是該儀器內置的預測對象是通用電機，對注水機組故障率較高的離心泵的預測針對性不強，同時又是定期離線預測方式，不便于進行短期預測，不能防止機組突發性事故，并且得由專業人員進行檢測和分析，因而應用受到限制，也不能從根本上改變注水機組的維護方式。

當前工業生產越來越注重降低成本，特別是要求在能避免機電設備事故的同時，盡量延長設備運行周期。為此，迫切需要提供能實時監測及預測設備狀態發展和維護信息的自動在線監測及預測技術。

1.3.2　風電機組齒輪箱及其故障特點

風力發電機組從主軸方向上分為水平軸和垂直軸兩種，從傳動結構上分為直驅型與齒輪箱增速型。齒輪箱增速型風電機組在風電場裝機容量較大，這種風電機組是利用風驅動葉片旋轉，通過大傳動比的增速齒輪箱進行增速，驅動發電機進行發電。其結構主要由葉片、主軸、齒輪箱、發電機以及偏航控制裝置、電氣控制裝置、發電整流并網裝置、塔筒等組成，如圖1-1所示。據統計，造成停機的主要原因是風電機組傳動系統中的旋轉機械，如主軸、輸入輸出軸、齒輪箱等。據我國可再生能源學會統計，風力發電機組故障發生頻率較高的部件主要包括齒輪箱、輸入輸出軸、主軸、槳葉等機械裝置以及發電機、電氣、偏航等控制系統。

風力發電旋轉機械發生故障的主要原因是：機組的槳葉、輪轂以及傳動鏈上的低速軸、齒輪箱、高速軸和發電機等部件長期受到變化的風速風向產生的氣動載荷作用（如斜風、陣風、湍流、風切變等產生的沖擊載荷、隨機載荷與循環載荷作用等）以及自身的慣性載荷作用（如離心力、質量不平衡、停機等造成的載荷作用），產生疲勞斷裂、磨損等故障。風電機組故障診斷主要集中在葉片裂紋等故障診斷、齒輪箱傳動系統故障診斷以及發電機等電氣系統故障診斷。

風電機組增速齒輪箱結構主要有一級行星齒輪加兩級平行軸圓柱齒輪傳動、兩級行星齒輪一級平行軸圓柱齒輪傳動等，內部結構和受力情況較為復雜，尤其是在變工況、變載荷的情況下運行，容易發生故障。齒輪箱的常見故障包括齒輪故障、軸承故障和軸系故障。齒輪損傷主要包括齒面磨損、齒面膠合和擦傷、齒面接觸疲勞、彎曲疲勞與斷齒。軸承損壞主要包括磨損失效、疲勞失效、腐蝕失效、斷裂失效、壓痕失效、膠合失效。軸的故障主要有軸不平衡、彎曲；軸不對中、斷裂等。對齒輪箱的狀態監測主要采用振動信號監測、聲發射監測、潤滑油監測、溫度信號和扭矩信號監測等方法。

風力發電機組具有傳統大型旋轉機械的特點，也存在一些特殊問題與難點：

①如為了實現大傳動比增速，其齒輪箱多為行星齒輪箱或行星齒輪加斜齒輪等。

②工作運行環境惡劣，信號噪聲強，早期故障特征易淹沒在噪聲中。

③風電機組傳動系統各軸轉速與載荷隨風速、風向不斷變化，特征頻率也隨之發生變化，且信號呈現明顯的不穩定性與非線性。

風力發電機組齒輪箱故障診斷相關技術主要圍繞行星齒輪箱的故障機理及診斷、變工況信號處理與故障特征提取技術、變工況非平穩故障診斷技術等。