炼厂烟气轮机结构健康监测关键技术研究

1引言
烟气轮机（以下简称烟机）是重油催化装置的主要能量回收设备，它主要用来回收催化裂化装置的高温、高压再生烟气。叶片作为主要的做功元件，长期在高温（550~700℃）下运行，受到烟气中催化剂冲刷，容易发生叶片断裂、减薄等故障，导致动不平衡引起烟机轴振动加大。这不仅对整机性能的影响很大，还会威胁机组的安全运行。

目前国内针对烟机叶片振动监测的研究主要是通过监测转子的振动来实现。本文提出了一种基于叶尖定时原理的叶片振动在线监测新技术、新方法，该方法能够实现对各个叶片振动情况的实时监测，监测内容包括：叶片发生共振、颤振时的振幅、频率等。与常规手段相比，本方法的监测信息更加直接、丰富，使得叶片故障诊断的精确性得到极大的提高。

2叶尖定时测振原理
图1为基于叶尖定时原理的叶片测振方法技术结构示意图。将多个叶尖定时传感器（TIP0 ~  TIP6）安装在相对静止的过渡衬环上，一个转速同步传感器（ZT ）和一个角基准传感器（AT ）分别安装在转子上，采集叶片运动状态相关的信号。

3 叶片振动参数分析算法研究
叶尖定时信号数据分析算法是要研究从测量的原始数据中提取叶片频率、振幅和相位信息。对叶尖定时测量数据采用的分析方法将取决于叶片振动的形式，叶片振动形式主要是同步振动和异步振动，本文介绍两种典型分析方法。

4 现场试验
4.1 试验现场及条件介绍
本节介绍该方法的现场试验过程及数据的后处理结果，试验场所为某烟机生产厂车间，被测烟机型号为：YL14000B；额定转速：5349 rpm；实验温度：不大于300℃；叶片数：49；叶片旋转半径：682.59mm；叶顶间隙：2.5~2.7mm。
试验采用了两传感器布置方法，如图3所示。在机壳上安装两个叶尖定时传感器TIP0 和T1P6 ，安装夹角约为17°，传感器端面与叶顶间隙为2.5~2.7mm

转速同步传感器 安装在转子的箱盖上，传感器探头端面与转轴表面间隙约2mm，激励由键槽提供，如图4所示。

三根电缆分别将 TIP0TIP1、ZT 和 测量的信号传输到电容式叶尖定时接收仪。信号经过处理后由计算机进行采集和分析，最后获得所有叶片的振动信息。现场试验如图5所示。

3种试验工况为：
（1）启动烟机并使转速逐步提高到工作转速5349 rpm，约2~3分钟；
（2）然后进行超速试验，转速为5616rpm，时间不超过2分钟，然后降至3000 rpm；
（3）再按每2~3分钟提高转速500 rpm到工作转速5349 rpm。
4.2 数据采集及处理
4.2.1 变速情况下叶片振动情况分析
由于篇幅有限，本文对TIP0测得0号叶片在部分变速范围内的叶片振动位移进行分析。图6～图7为采集软件回显的叶片振动位移图。

4.2.2 转速3900rpm附近的同步振动分析
取图7中3900rpm附近数据进行分析，叶片振动位移与转速的关系如图9所示。根据变速下的同步振动理论，可拟合出该转速附近的同步振动曲线，并且得到同步振动参数，见表1。

可以看到叶片在3900rpm附近产生一个同步振动，中心转速频率约为64.69Hz。将所有叶片按照如上分析，可以得到每个叶片在该转速附近的同步共振频率，如图10所示。

4.2.3 恒速下的叶片振动分析
试验过程中，烟机分别在转速1961rpm、2472rpm、3250rpm几个转速附近停留了2~3分钟，分别截取1000圈数据进行分析处理，如图11~13所示。可以观察叶片各恒速下的振动位移图以及频谱分析图。由于叶尖定时测振原理属于欠采样方法，其采样频率即转速频率，因此得到的频率值仅为相对各转速频率的差频值。可根据需要分析较大幅值的频谱成分。

由以上可知，各恒速下振动幅值小于1mm。频谱图中，差频值接近0时表示叶片的同步振动，其它差频值表示叶片的异步振动。随着转速增大，恒速下的异步振动幅值有所减弱，而同步振动幅值在各转速下各不相同。

5 结论
烟气轮机叶片由于长期在高温下运行，容易发生叶片断裂等事故，导致动不平衡引起烟机轴振动加大，威胁机组的安全运行。本文提出的基于叶尖定时原理的叶片振动在线监测新技术、新方法，能够实现对各个叶片振动情况的实时监测。本方法不仅可以实现不停机实时掌握设备的运行情况，而且可以根据监测积累的数据对设备的未来运行状况做出预判，提高设备安全保障水平的同时不影响生产效率。
文献
（1）        杨秉玉，刘启周，颤振状态下叶片振动的相应的试验研究，燃气涡轮试验与研究，2002，15（2），31-35
（2）        и.E.萨博洛斯基等著，吴士祥，郑叔琛译，涡轮机叶片的非接触测量[M]，北京：国防工业出版社，1986
（3）        张玉贵，段发阶，叶声华.旋转叶片异步振动的频率识别技术.振动与冲击2007，16（12），106-108EI080511071413
（4）        武俊平，韩中合，丁常富，汽轮机叶片动态测量技术的研究与发展，汽轮机技术，2003，20（3）：54-58
（5）        张玉贵，段发阶，方志强等，端矢速迹法分析叶片同步振动的方法研究.传感技术学报，2007，20（9）：2044—2048

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