1.3　大型機(jī)電設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)背景

本書提出的大型機(jī)電設(shè)備在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于大型旋轉(zhuǎn)注水機(jī)組及風(fēng)電機(jī)組齒輪箱。

1.3.1　大型旋轉(zhuǎn)注水機(jī)組及其故障監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)現(xiàn)狀

油田開采后，油層壓力會(huì)逐漸下降，使原油采收率降低，產(chǎn)量降低。我國(guó)各油田，自噴井越來(lái)越少，要保證高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，就必須補(bǔ)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(duì)于油田生產(chǎn)具有十分重要的意義。

注水站是油田注水的重要生產(chǎn)部門，注水站內(nèi)通常裝備3～6臺(tái)連續(xù)運(yùn)行的大型旋轉(zhuǎn)注水機(jī)組及配套的機(jī)電設(shè)備。

大型旋轉(zhuǎn)注水機(jī)組是保證采油產(chǎn)量的重要設(shè)備，它由連續(xù)運(yùn)行的大型“電機(jī)-離心泵”機(jī)電設(shè)備組成，功率通常在2000kW以上，具體型號(hào)及結(jié)構(gòu)類型如下。

a. 三相籠式異步電動(dòng)機(jī)

型號(hào)：YKZ2250-2/1180

額定功率：2250kW

額定電壓：6000V

轉(zhuǎn)速：2985r/min

b. 彈性柱銷聯(lián)軸器

c. 多級(jí)分段式離心泵

型號(hào)：D300-150×11

軸功率：1850kW

流量：300m³/min

轉(zhuǎn)速：2985r/min

d. 滑動(dòng)推力軸承座（電機(jī)、水泵各2個(gè)）

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用的大量機(jī)電設(shè)備，其中許多關(guān)鍵設(shè)備功率大、負(fù)載重且不穩(wěn)定，工況較惡劣，如上述的油田廣泛使用的大型注水設(shè)備，需要對(duì)其采取措施保證機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行和科學(xué)維護(hù)。

以往現(xiàn)場(chǎng)有值班人員對(duì)注水機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目除溫度、壓力、電量（電機(jī)功率、電流、電壓、電耗）、流量、液位等常規(guī)項(xiàng)目外，根據(jù)規(guī)程也應(yīng)對(duì)反映機(jī)組狀態(tài)關(guān)鍵特征的機(jī)械動(dòng)特性，如振動(dòng)、噪聲進(jìn)行監(jiān)測(cè)，但由于沒(méi)有檢測(cè)手段，只能靠值班人員手摸或耳聽。由于缺乏可靠的科學(xué)手段和依據(jù)，對(duì)其現(xiàn)時(shí)狀態(tài)的評(píng)價(jià)往往是不準(zhǔn)確的，對(duì)其狀態(tài)發(fā)展趨勢(shì)更是難以估計(jì)的，所以維護(hù)方式采用的是周期性強(qiáng)制維護(hù)，該維護(hù)方式到時(shí)即更換零部件，維護(hù)費(fèi)用巨大。雖累積停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，但仍避免不了惡性事故的發(fā)生，如離心泵、電機(jī)損壞等惡性事故時(shí)有發(fā)生，因停機(jī)維修影響注水生產(chǎn)而造成的經(jīng)濟(jì)損失是很驚人的。此外，注水站內(nèi)裝有多臺(tái)大型機(jī)組，現(xiàn)場(chǎng)噪聲很高，大大超過(guò)國(guó)家《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。

在注水機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面，以前建的油田注水站沒(méi)有裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)，有的新建注水站雖裝備了微機(jī)巡檢系統(tǒng)，但該系統(tǒng)通常僅對(duì)壓力、溫度等常規(guī)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)，沒(méi)有包括機(jī)械振動(dòng)特性的監(jiān)測(cè)，不能進(jìn)行機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析。近年來(lái)，有的油田輸油站等大型設(shè)備上，采用了新研制的包括對(duì)振動(dòng)特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)和分析，但尚沒(méi)有建立機(jī)組機(jī)械動(dòng)特性檔案，因而難以進(jìn)行自動(dòng)在線的狀態(tài)判斷，而需要專業(yè)人員離線進(jìn)行分析。

在注水機(jī)組狀態(tài)預(yù)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面，注水機(jī)組的維護(hù)方式仍采用預(yù)防性維修。近年來(lái)有的維修部門進(jìn)口了美國(guó)ENTEK公司預(yù)測(cè)維修系統(tǒng)，可對(duì)機(jī)組進(jìn)行定期檢測(cè)和離線分析。但是該儀器內(nèi)置的預(yù)測(cè)對(duì)象是通用電機(jī)，對(duì)注水機(jī)組故障率較高的離心泵的預(yù)測(cè)針對(duì)性不強(qiáng)，同時(shí)又是定期離線預(yù)測(cè)方式，不便于進(jìn)行短期預(yù)測(cè)，不能防止機(jī)組突發(fā)性事故，并且得由專業(yè)人員進(jìn)行檢測(cè)和分析，因而應(yīng)用受到限制，也不能從根本上改變注水機(jī)組的維護(hù)方式。

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越注重降低成本，特別是要求在能避免機(jī)電設(shè)備事故的同時(shí)，盡量延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期。為此，迫切需要提供能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)發(fā)展和維護(hù)信息的自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)。

1.3.2　風(fēng)電機(jī)組齒輪箱及其故障特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從主軸方向上分為水平軸和垂直軸兩種，從傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上分為直驅(qū)型與齒輪箱增速型。齒輪箱增速型風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量較大，這種風(fēng)電機(jī)組是利用風(fēng)驅(qū)動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，通過(guò)大傳動(dòng)比的增速齒輪箱進(jìn)行增速，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。其結(jié)構(gòu)主要由葉片、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)以及偏航控制裝置、電氣控制裝置、發(fā)電整流并網(wǎng)裝置、塔筒等組成，如圖1-1所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成停機(jī)的主要原因是風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，如主軸、輸入輸出軸、齒輪箱等。據(jù)我國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障發(fā)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(jī)械裝置以及發(fā)電機(jī)、電氣、偏航等控制系統(tǒng)。

風(fēng)力發(fā)電旋轉(zhuǎn)機(jī)械發(fā)生故障的主要原因是：機(jī)組的槳葉、輪轂以及傳動(dòng)鏈上的低速軸、齒輪箱、高速軸和發(fā)電機(jī)等部件長(zhǎng)期受到變化的風(fēng)速風(fēng)向產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷作用（如斜風(fēng)、陣風(fēng)、湍流、風(fēng)切變等產(chǎn)生的沖擊載荷、隨機(jī)載荷與循環(huán)載荷作用等）以及自身的慣性載荷作用（如離心力、質(zhì)量不平衡、停機(jī)等造成的載荷作用），產(chǎn)生疲勞斷裂、磨損等故障。風(fēng)電機(jī)組故障診斷主要集中在葉片裂紋等故障診斷、齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)故障診斷以及發(fā)電機(jī)等電氣系統(tǒng)故障診斷。

風(fēng)電機(jī)組增速齒輪箱結(jié)構(gòu)主要有一級(jí)行星齒輪加兩級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)、兩級(jí)行星齒輪一級(jí)平行軸圓柱齒輪傳動(dòng)等，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況較為復(fù)雜，尤其是在變工況、變載荷的情況下運(yùn)行，容易發(fā)生故障。齒輪箱的常見(jiàn)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(duì)中、斷裂等。對(duì)齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要采用振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)、潤(rùn)滑油監(jiān)測(cè)、溫度信號(hào)和扭矩信號(hào)監(jiān)測(cè)等方法。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有傳統(tǒng)大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特點(diǎn)，也存在一些特殊問(wèn)題與難點(diǎn)：

①如為了實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)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(yùn)行環(huán)境惡劣，信號(hào)噪聲強(qiáng)，早期故障特征易淹沒(méi)在噪聲中。

③風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)各軸轉(zhuǎn)速與載荷隨風(fēng)速、風(fēng)向不斷變化，特征頻率也隨之發(fā)生變化，且信號(hào)呈現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性與非線性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障診斷相關(guān)技術(shù)主要圍繞行星齒輪箱的故障機(jī)理及診斷、變工況信號(hào)處理與故障特征提取技術(shù)、變工況非平穩(wěn)故障診斷技術(shù)等。