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水电行业
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水电行业机械设备润滑健康状态监测

一、产品概述
润滑油是机械设备的“血液”贯穿于设备全生命周期,它在机械设备中起着密封、润滑、减磨、冷却、清洗、减振和防腐等重要作用,其各项物理化学特征也能反映机组各部件的运行状况。其行业设备如水利发电站水轮机机组推导轴承为下导和推力联合轴承,推力承受机组转动部分重量,是发电机最重要的组成部件之一,其机组调速系统运行状况直接关系到机组的安全稳定运行,尤其是推导油液品质、推力油膜厚度及液压调速器润滑系统是机组运行优良的关键指标。
大型设备的润滑磨损故障是导致机械装备运行失效的重要原因,机组设备润滑系统实施“油液在线监测与智能诊断系统”项目能实现机械装备润滑磨损状态的在线监测,为设备管理人员提供维修决策依据,提高机械装备运行的安全可靠性。项目包含集成式在线检测传感器与智能诊断软件系统,将实现大型机组在用润滑系统油液的粘度、水分、污染清洁度、温密度、介电常数、大磨损颗粒数、小磨损颗粒数、磨损颗粒形貌特征等多参数的集成式实时在线检测,传感器采集的数据经过处理能够综合反映设备的润滑状态、污染状态和磨损状态,智能诊断软件能实现实时显示、数据存储、趋势分析、超限报警、智能诊断、设备维护建议,具有自动实时故障报警和专家诊断功能,是一种可为企业机械设备现场设备管理人员提供维修决策建议的设备在线润滑磨损状态监测专家系统。并且当被监测设备发生严重异常时,可将数据发送至远程故障诊断中心,由润滑故障诊断专家进行会诊。
通过监测可以提前发现诊断以上故障,防患于未然,将非计划停车转变为计划性停车,保证设备长周期、安全稳定运行,保证生产流程的正常运行。油液在线监测与智能诊断系统目前在国内初期进入实际应用阶段。实施“油液在线监测与智能诊断系统”可推进工况运维视情管理成果,将达到国内水电站视情维护领先水平。本项目的监测属于应用创新范畴,项目技术具有明显的创新性:
1.率先将油液在线监测与远程诊断系统应用于国内机械装备油液状态监测行业,应用智能芯片微处理技术、多探头、高集成,实时在线监测,多组数据、精度高且性能稳定;实现了七个参数的集成式检测;
2.建立设备润滑系统在线油液监测的报警界限,为设备维护管理提供了依据;
3.开发了一套设备状态智能诊断系统,自动对设备的润滑磨损状态进行评价并给出维修建议,帮助企业的设备管理人员做出维修决策。
二、产品系统构成
1、产品及参数
实时实物图及参数如下表1.1所示:

表1.1   产品图及参数



表1.2   各传感器精度


2、系统组成
油液在线监测系统包括下位机单元、油路循环单元、通讯单元、上位机单元组成;运用现代化传感器技术、自动化测量技术、自动控制技术、计算机应用技术以及相关的专用分析软件和通讯网络所组合成的一套高集成化的智能在线监测装置如图所示。

图1 油液在线监测系统示意图

下位机单元主要由油液主要由油液输入输出回流管路、各油液参数采集传感器单元及传感器采集信息汇总组成,完成在线监测的数据采集;
油路循环单元主要由油液回流旁路管道与油液采集机箱进出油口相连的出回油管路,进出口油液最好要有压力差以便油液顺利流过油液采集机箱,实现对油液的实时采集;
通讯单元主要由油液采集机箱采集信息数据输出到上位机的数据传输,一般使用标准TCP/IP网线或者光纤,可以根据客户实际情况进行有线或无线数据传输;
上位机单元主要由数据存储服务器和上位机显示单元组成,数据存储进行更详细专业的分析。
软件名称:油液在线监测与故障诊断系统;
功能:软件系统实时数据监测、历史数据报表查询与导出,历史数据趋势分析、故障报警、智能诊断、维护措施(注:需数据积累)。
3、现场条件
1)通信距离:1200米以内(无要求,可以现场服务器与油液采集机箱距离及甲方要求制定);
2)通讯标准:TCP/IP和RS-485通讯格式;
3)工作温度:-40—85℃;
4)流量要求:
典型:1.2~25L/min;
监测齿轮箱系统磨损流量要求:1.3~21L/min;
监测液压系统流量要求:(50~500mL/min)/(3.8~38L/min);
50~300ml/min(符合污染度流量)(若无压差,监测系统可配带泵);
5)AC 220V(-10%~+6%); 频率50Hz±5%,功率≤500W的电源;
4、结构原理

4.1 传动轴承润滑系统监测结构原理图


图4.1 传动设备润滑系统监测结构原理图(仅示意,最终以用户配置为准)

4.2 液压设备润滑系统监测结构原理图




图4.2 液压润滑系统监测结构原理图(仅示意,最终以用户配置为准)

5、实施架构
依据水电站主要润滑部件推力轴承轴瓦、调速器润滑系统油品情况需求,以水电站推力轴承与调速器机组设备润滑监测为例进行项目实施描述以及常见故障现象、故障定位和处理,故将油液监测系统安装在公用油路的旁路上,具体的需求部件及走线图如下图5所示。

推力轴承常见故障现象、故障定位和常规处理方式 :

序号

故障现象

故障定位

处理办法

1

推力轴承瓦温、油温过高(推力瓦瓦温不超过55℃,油温超过50℃)

a油质变劣,

b 冷却器堵塞,

c油位过低,

d 油槽油循环不畅通。

a化验并更换润滑油,

b冲洗油冷器,

c检查并处理油槽及油管路漏点,充油至正常位置,

d检查稳油板是否松动。

2

推力油槽油位过高

油冷器漏水

对油冷器做打压试验并处理漏点

3

推力油槽油位过低

a油槽及管路渗漏,

b有漏油点

a对油槽进行充油

b检查油槽各部位



调速器实施油液在线监测拓扑图 :




中控室集中监控监测模式下图所示:






每台监测仪器的输出端口为RS-485接口(可依据工况而定),连接到中控室上位机工控机上;甲方提供一台工控机,采集 N 台仪器的数据,并带有界面显示的同时,作为服务器进行本地的数据存储。数据可以导出与拷贝,数据采用100M光纤进行传输,与该工控机同一网段内的计算机可以获取服务器中的数据。
6、产品系统配置
依据(水电站设备)推力轴承与调速润滑系统为例,实施油液智能在线监测系统配置如下表6.1所示。
表6.1   各监测设备系统配置


序号

设备名称

润滑系统

用油

监测指标参数

备注

1

主水轮机推力轴承系统

柴油机系统

待定透平油

润滑油温度:-40~150℃

黏度范围(40℃):2~460cst;

水分测量范围(aw/ppm):0-100%/500;

游离水:0~5%/0~50%;

铁磁颗粒:≥40μm;

非铁磁颗粒:≥135μm

N台水轮机组共用1套在线监测系统

2

液压调速系统

液压系统

待定压力油

润滑油温度:-40~150℃;

黏度范围(40℃):2~460cst;

水分测量范围(aw/ppm):0-100%/500;

游离水:0~5%/0~50%;

污染度μm:4、6、14、21(ISO/NAS)

N台主调速器共用1套在线监测系统


三、解决水轮机润滑视情可视化运维管理
设备监测可行性解析
针对水轮机关键机组轴承与调速器润滑系统存在的设备运行工况及设备润滑情况,开展实施水轮机主轴与调速器等及其辅机设备动力、传动与液压系统实行“油液智能在线监测”势在必行,采用此装置能够实时在线监测润滑系统油品劣变状态分析,还能够准确掌握设备运行磨损元素定量分析甄别。该在线监测技术是基于主动的维护模式PAP(Predict and Prevent),重点在于应需式监测(以信息传送为主)、信息融合分析、产品全生命周期检测、系统维护优化的技术开发与应用。产品和设备的维护体现了预防性要求,达到近乎于零的故障及自我维护,提高水轮机稳定运行主动做功能动性能。
其二、产品装置技术能够实时的监测推力轴承与液压调速系统等传动、液压、动力润滑系统开展水分、粘度、污染清洁度、磨损金属以及介电常数、温度、密度等参数(参数值可依据设备工况选配),同时更进一步的监测传动、液压、动力设备油品劣化与磨损数据采集,形成关于设备的两套健康档案(磨损档案以及油品档案)。通过以上途径在系统的应用层建立设备运行状态数据库,就能够实时描绘出在用油品老化的趋势以设备运行的磨损程度评估,从而指导设备运维及油品寿命更换,避免突发故障与非计划停机事故(如液压油污染度超标液压系统堵塞失效等因素的发生。而是把注意力更多放在提高设备的可用性上,希望通过对机组运行参数全面的连续监测分析,获取机组油品与磨损运行实时健康状态信息,做出正确的诱因判断和诊断预判,实现视情状态检修维护目的。
通过对润滑系统与液压系统的油品实施在线监测诊断分析可实现以下可行性目标:
⑴ 该项目实施后,能够极大的提高推力轴承、调速器润滑系统油质在线监测能力,通过实时检测油液中磨损颗粒的大小和数目以及监测油液系统中的油液粘度、温度和水分,综合计算油液主要参数结果,进而对油液的实时工作状态做出评估,并结合历史数据以及故障诊断技术,实时在线监测和故障诊断,为主轴承、调速系统油质分析视情维护研究奠定基础,降低检修维护费用。
⑵ 在设备运行的情况下对在用油润滑(液压)系统其主辅机组传动、轴瓦、液压部件状态进行自动数据采集和分析,对其机械状态给出评估,并给运行和检修人员提出可操作的信息,避免或减少非正常停机,提高机组的可用性。
⑶ 早期机械运行故障识别采取提示实施解决,急时发现油品劣变诱因并做出预判,改善大型工业装备机组运行安全性。
⑷ 优化运行过程视情管理提高机组使用寿命,延长机组使用时间以及做功效率。
⑸ 及时发现和监测非正常和故障运行状况并确定原因,对维修进行事先计划布置,达到延长维修间隔,缩短维修时间,提高设备利用率,减少维修费用。
⑹ 智能自学习系统,可以自动学习每种油品的换油参数,当油品到了需要更换的时候,系统可自动提示(声光闪烁)。
⑺ 采用大数据以及基于细胞自动机的数据融合算法(系统独有),形成时刻修正的故障边界。统计水轮机主辅机设备在不同工作环境(磨粒浓度/尺寸、温度、粘度等等)下的有效工作时间,透过随机因素的干扰,将传感器监测到的实时性状态数据转变为能够直接反映设备运行寿命的统计型概要信息,基于此构造潜在故障预测模型是大型水轮机机组运维的关键。如下图3所示:



图3-1 利用大量样本数据对比分析

视情维修、风险维修、以可靠性为中心的维修等预测性维修方法,是复杂的系统工程方法,此类方法非常注重使用检查模型、功能检测模型、定期更换模型、故障风险模型、可用度模型、费用模型等数学模型的支持作用。没有对设备实际状况、故障模式、危害因素的精确掌握,没有对包含故障开始发生点、潜在故障点、功能故障点及由潜在故障发展到功能故障的时间历程的准确把握,预测性维修根本无从谈起,组成的一个综合性的润滑系统实时在线自动监测体系。

图3-2  设备全生命周期曲线分析

四、技术、经济效益分析
经济效益和社会效益显著。通过对大型设备在用润滑油开展定期油液监测,及时发现设备润滑与磨损故障隐患,指导设备的润滑管理和视情维修,避免水轮机重大设备事故的发生,减少设备的维修成本,为企业带来了巨大的经济效益。
首先,开展本项目的可以提高设备重大装备的可靠性,实现安全生产。本项目的研究能及时发现消除设备的润滑隐患,对设备进行主动维护,避免设备各主要运动摩擦部件因润滑不良而造成的异常磨损,开展视情维修,故障隐患得到及时处理,避免重大恶性设备事故发生,实现安全生产。
其次,项目实施成果可以很好地服务于设备检测领域,从而降低设备的维护成本和油品消耗,符合节能减排的环保要求。根据被监测设备的磨损状态及其变化趋势,为设备管理人员制定停机维修计划提供科学依据,实现设备的视情维修,既可及时检修消除设备的故障隐患,又能有效地延长设备的大修期,延长零部件的使用寿命,节约了维修成本,减少了备件的库存。此外,开展定期油液在线诊断分析监测,实现设备的视情换油,从而通过延长设备的换油周期、节约能源费用。
第三,开展项目的安装应用,可以提高设备检测的时效性,进而提高企业设备的工作效率,增强企业的综合竞争力。通过降低设备的故障率和维修周期,减少了停机时间,提高了设备的工作效率。
本单位供应的大型水轮机机组装备润滑系统“油液智能在线监测”主要目的是预测性维护和精准主动维护,不是将故障“0”化而是将故障先兆发现并主动维护,从而减少设备停机时间和备件库车造成的损失,更主要是节约的因停机后的人员工时和设备全生命周期稳定运行保障,如表所示。

表4-1  设备油液在线监测效益表例





表4-2 设备油液在线监测效益表例