胡海軍

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東　珠?！?19060)

風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器的校驗(yàn)

胡海軍

(廣東珠海金灣發(fā)電有限公司，廣東珠海519060)

分析了風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器校驗(yàn)的計(jì)算方法，分別說明了對風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器、監(jiān)視器以及回路的校驗(yàn)方法，介紹了誤差分析和校驗(yàn)合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器;振動(dòng)峰值;振動(dòng)有效值

火力發(fā)電廠的六大風(fēng)機(jī)包括2臺送風(fēng)機(jī)、2臺一次風(fēng)機(jī)和2臺引風(fēng)機(jī)，是火力發(fā)電廠重要的輔機(jī)設(shè)備，其安全可靠運(yùn)行是保證火力發(fā)電廠正常運(yùn)行的重要保證，而對風(fēng)機(jī)進(jìn)行連續(xù)在線振動(dòng)監(jiān)測是保證風(fēng)機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要手段。因此在機(jī)組每次大修期間，必須對六大風(fēng)機(jī)的振動(dòng)監(jiān)視器進(jìn)行校驗(yàn)，確保風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測的準(zhǔn)確和保護(hù)動(dòng)作的可靠［1］。筆者介紹振動(dòng)監(jiān)視器的校驗(yàn)方法，保證校驗(yàn)的有效和準(zhǔn)確，使得振動(dòng)監(jiān)視器指示正確和保護(hù)動(dòng)作可靠，確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

1　振動(dòng)監(jiān)視器系統(tǒng)的構(gòu)成

風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器和振動(dòng)監(jiān)視器兩部分組成。對振動(dòng)監(jiān)視器系統(tǒng)的校驗(yàn)應(yīng)包括對振動(dòng)傳感器、振動(dòng)監(jiān)視器和振動(dòng)監(jiān)視器回路三個(gè)部分的校驗(yàn)。

風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器通常監(jiān)視風(fēng)機(jī)的軸承振動(dòng)，傳感器采用軸承振動(dòng)傳感器，這是一種接觸式傳感器。傳感器又可分為壓電式速度傳感器、磁電式速度傳感器和壓電式加速度傳感器三種形式。風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器接受振動(dòng)傳感器的信號，并對輸入的振動(dòng)信號進(jìn)行處理后輸出振動(dòng)的測量值。通常振動(dòng)測量值可根據(jù)振動(dòng)量化單位的不同分為:振動(dòng)位移值(μm)、振動(dòng)速度值(mm/s)、振動(dòng)加速度值(mm/s2)三種量化單位來進(jìn)行描述，其中振動(dòng)速度值還可采取振動(dòng)單峰值(PK)和有效值(RMS)來進(jìn)行衡量。

2　風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器的校驗(yàn)

風(fēng)機(jī)振動(dòng)傳感器一般采用接觸式的振動(dòng)傳感器。由于火電廠使用的風(fēng)機(jī)屬于低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，一般不采用振動(dòng)的加速度值來衡量風(fēng)機(jī)振動(dòng)的大小［2］，很少使用壓電式加速度傳感器。因此筆者僅討論壓電式速度傳感器和磁電式速度傳感器這兩種傳感器的校驗(yàn)。

2.1壓電式速度傳感器的特性

有些材料如石英晶體或羅謝爾晶體(Rochelle)，在這些材料上施加一個(gè)外界的力，就會(huì)產(chǎn)生電荷的移動(dòng)，電荷移動(dòng)后會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，其大小與所受的外界力成比例的單值函數(shù)，方向與所受外界力的方向(拉伸或壓縮)相對應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為晶體的壓電效應(yīng)，而此種晶體就被稱為壓電晶體或壓電元件。如果有一個(gè)帶有電極的壓電元件，其兩端接觸并固定在機(jī)組的殼體上，當(dāng)機(jī)組發(fā)生振動(dòng)時(shí)，壓電晶體就會(huì)反復(fù)地被拉伸和壓縮，產(chǎn)生一個(gè)與振動(dòng)加速度信號成比例的電動(dòng)勢，如果在傳感器的內(nèi)部內(nèi)置一個(gè)積分電路，對振動(dòng)的加速度信號進(jìn)行積分處理后即可得到振動(dòng)的速度信號(見圖1)。

2.2磁電式速度傳感器的特性

磁電式速度傳感器工作原理:如果有一導(dǎo)體作切割磁力線的運(yùn)動(dòng)，它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與它運(yùn)動(dòng)速度成比例的電動(dòng)勢。彈簧片、線圈骨架和線圈組成了一個(gè)二階慣性質(zhì)量系統(tǒng)，如果其固有頻率很低(一般為10～20 Hz)，那么當(dāng)機(jī)組的振動(dòng)頻率在這個(gè)慣性質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率之上時(shí)，線圈相對于空間靜止，而傳感器的磁鐵棒是剛性地固定在機(jī)殼上，所以磁鐵與機(jī)組的振動(dòng)是完全一致的，這樣就相當(dāng)于磁鐵在線圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在線圈內(nèi)產(chǎn)生與振動(dòng)速度信號成比例的電壓信號(見圖2)。

2.3傳感器的校驗(yàn)方法

2.3.1傳感器的接線

壓電式速度傳感器由于其傳感器內(nèi)置了積分回路，因此傳感器采用了兩線制方式。接線方式見圖3，將振動(dòng)傳感器固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺上，+24 V電源通過恒流二極管連接至振動(dòng)傳感器，萬用表連接到傳感器的輸出端，測量傳感器的交流電壓輸出。

磁電式速度傳感器是直接在線圈內(nèi)產(chǎn)生，與振動(dòng)速度信號成比例的電壓信號，無需外接電源。將振動(dòng)傳感器固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺上，萬用表直接連接到傳感器的輸出端，測量傳感器的交流電壓輸出(見圖4)。

2.3.2校驗(yàn)方法

使用上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院生產(chǎn)的VVB-1型便攜式振動(dòng)試驗(yàn)臺，可根據(jù)現(xiàn)場所使用的風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器的指示單位來設(shè)置振動(dòng)的速度峰值或振動(dòng)的速度有效值。被校驗(yàn)的振動(dòng)傳感器靈敏度的計(jì)算公式為:

式中:S為被測傳感器的靈敏度，mV/(mm·s－1); V為萬用表測量值，mV;Mrms為振動(dòng)臺試驗(yàn)給定振動(dòng)的速度有效值，mm/s;Mpk為振動(dòng)試驗(yàn)臺給定振動(dòng)的速度峰值，mm/s。

利用標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)試驗(yàn)臺產(chǎn)生振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)信號，測量傳感器的輸出電壓，一般情況下，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)試驗(yàn)臺的輸出，按照量程的大小，設(shè)置5～10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出信號，并記錄5～10個(gè)振動(dòng)傳感器的輸出電壓。根據(jù)所記錄的輸出電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算出傳感器的靈敏度。國內(nèi)壓電式速度傳感器比較常用的型號有日本新川公司生產(chǎn)的CV-861系列和美國BN公司生產(chǎn)的330500系列振動(dòng)傳感器，其輸出靈敏度為3.94 mV/(mm·s－1)，允許靈敏度誤差為±10%。

被測傳感器靈敏度誤差計(jì)算公式為:

式中:ΔE為被測傳感器靈敏度誤差;S標(biāo)為傳感器標(biāo)準(zhǔn)靈敏度。

給定各點(diǎn)振動(dòng)速度值，記錄各點(diǎn)測量電壓值，并計(jì)算靈敏度和靈敏度誤差，確認(rèn)各點(diǎn)均在允許誤差范圍之內(nèi)。

3　風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器的校驗(yàn)

風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器接受傳感器的輸出信號，經(jīng)監(jiān)視器內(nèi)部量化處理后，顯示振動(dòng)的測量值，輸出對應(yīng)于量程的模擬量(4～20 mA或1～5 V)，并比對設(shè)定值進(jìn)行報(bào)警和跳機(jī)的保護(hù)輸出。由此可見，監(jiān)視器的性能必須有保證，才能確保風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)測的正確性和可靠性。因此需要對風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器進(jìn)行定期校驗(yàn)。

3.1校驗(yàn)方法

利用上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院生產(chǎn)的VMB-1智能TSI校驗(yàn)儀，模擬標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出，可方便地進(jìn)行監(jiān)視器的校驗(yàn)。將校驗(yàn)儀輸出接入至監(jiān)視器，觀察并記錄監(jiān)視器的實(shí)際測量值和模擬量輸出值，計(jì)算與理論值的誤差，確認(rèn)誤差值是否在允許誤差范圍之內(nèi);調(diào)整VMB-1智能TSI校驗(yàn)儀的輸出達(dá)到報(bào)警和跳機(jī)值，觀察并記錄實(shí)際動(dòng)作值，計(jì)算與理論值的誤差，確認(rèn)誤差值是否在允許誤差范圍之內(nèi)。

接線方式見圖5。

火電廠的風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器通常有3種測量值的量化單位，即振動(dòng)速度峰值、振動(dòng)速度有效值、振動(dòng)位移值。

當(dāng)測量值是振動(dòng)速度峰值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)算公式為:

式中:Vrms為信號發(fā)生器輸出電壓有效值，mV; S為標(biāo)準(zhǔn)傳感器靈敏度，mV/(mm·s－1);Mb為目標(biāo)測量值，mm/s。

當(dāng)測量值是振動(dòng)速度有效值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)算公式為:

式中:Vrms為信號發(fā)生器輸出電壓有效值，mV; S為標(biāo)準(zhǔn)傳感器靈敏度，mV/(mm·s－1);Mb為目標(biāo)測量值，mm/s。

當(dāng)測量值是振動(dòng)速度位移值時(shí)，由于傳感器輸入是速度信號，所以在監(jiān)視器內(nèi)部需要增加一個(gè)積分環(huán)節(jié)，校驗(yàn)算法推導(dǎo)為:

式中:S為傳感器靈敏度;Vrms為萬用表所測量傳感器的輸出交流電壓(有效值);A為振動(dòng)速度單峰值;W為振動(dòng)的位移單峰值;Mb為目標(biāo)測量值。

將式(6)、式(7)代入式(8)得到:

由式(9)可得出標(biāo)準(zhǔn)信號計(jì)算公式為:

式中:Vrms為信號發(fā)生器輸出電壓有效值，mV; S為標(biāo)準(zhǔn)傳感器靈敏度，mV/(mm·s－1);Mb為目標(biāo)測量值，μm;F為信號發(fā)生器交流信號頻率，Hz。

測量值誤差的計(jì)算公式均為:

式中:ΔE為實(shí)測測量值誤差;Ms為實(shí)測測量值; Mr為監(jiān)視器量程。

3.2風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器校驗(yàn)軟件操作

打開軟件界面，輸入軟件界面中的相關(guān)內(nèi)容，根據(jù)被校驗(yàn)監(jiān)視器測量值的量化單位，輸入測量值的量程和單位。軟件界面見圖6。

啟動(dòng)監(jiān)視器校驗(yàn)程序，便攜式電腦根據(jù)需要的仿真目標(biāo)振動(dòng)測量值，計(jì)算出需要輸出的電壓值Vrms，VMB-1智能TSI校驗(yàn)儀會(huì)自動(dòng)給出輸出信號，并自動(dòng)采集被校驗(yàn)監(jiān)視器的模擬量輸出，自動(dòng)計(jì)算出系統(tǒng)誤差，并自動(dòng)生成校驗(yàn)報(bào)告，判斷是否在允許誤差范圍之內(nèi)。

4　振動(dòng)監(jiān)視器回路動(dòng)態(tài)校驗(yàn)

因?yàn)檎駝?dòng)傳感器安裝在風(fēng)機(jī)設(shè)備的現(xiàn)場，而振動(dòng)監(jiān)視器通常安裝于控制室或電子間，通過信號屏蔽電纜進(jìn)行連接。由于六大風(fēng)機(jī)的物理位置都遠(yuǎn)離機(jī)組的控制室，通常連接電纜有幾百米，并經(jīng)過電纜橋架和現(xiàn)場端子進(jìn)行多次轉(zhuǎn)接，可能會(huì)產(chǎn)生信號干擾和信號衰減，影響測量精度和可靠性。為了更接近實(shí)際使用環(huán)境，需要對風(fēng)機(jī)振動(dòng)監(jiān)視器回路進(jìn)行動(dòng)態(tài)校驗(yàn)，即把振動(dòng)試驗(yàn)臺放置在實(shí)際的測點(diǎn)位置，將傳感器安裝于振動(dòng)試驗(yàn)臺上，模擬實(shí)際的風(fēng)機(jī)振動(dòng)情況進(jìn)行仿真。記錄振動(dòng)監(jiān)視器的輸出指示、監(jiān)視器后端的DCS系統(tǒng)的輸出指示以及報(bào)警、跳機(jī)信號保護(hù)動(dòng)作輸出的正確性等;并根據(jù)所記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算測量誤差，判斷誤差是否在允許的范圍之內(nèi)。

在進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)視器回路動(dòng)態(tài)校驗(yàn)時(shí)，需要進(jìn)行兩種方式的校驗(yàn)，以保證回路動(dòng)態(tài)校驗(yàn)的準(zhǔn)確性:

(1)定頻多點(diǎn)校驗(yàn)(測量值動(dòng)態(tài)校驗(yàn))。

將標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)試驗(yàn)臺設(shè)置在某一個(gè)固定的頻率下，調(diào)節(jié)不同的振動(dòng)幅值(現(xiàn)場給定值)，觀察并記錄監(jiān)視器的測量指示值，同時(shí)觀察并記錄DCS系統(tǒng)的指示值，計(jì)算測量誤差，并判斷是否在允許誤差范圍之內(nèi)。

(2)定點(diǎn)多頻校驗(yàn)(頻響動(dòng)態(tài)校驗(yàn))。

將振動(dòng)試驗(yàn)臺設(shè)置在某一個(gè)固定的振動(dòng)幅值，調(diào)節(jié)不同的振動(dòng)頻率(給定頻率)，觀察并記錄監(jiān)視器的測量值，同時(shí)觀察并記錄DCS系統(tǒng)的指示值，計(jì)算測量誤差，并判斷是否在允許誤差范圍之內(nèi)。

誤差計(jì)算公式為:

式中:ΔE為實(shí)測測量值誤差;Mg為給定振動(dòng)值; Ms為實(shí)測測量值;Mr為監(jiān)視器量程。

5　誤差分析和合格判斷標(biāo)準(zhǔn)

按照API670標(biāo)準(zhǔn)第三版要求(風(fēng)機(jī)振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)基本參照此標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行)，振動(dòng)傳感器的靈敏度誤差為±10%，振動(dòng)監(jiān)視器測量值允許誤差為±1%，模擬量輸出允許誤差為±1%;動(dòng)作值輸出允許誤差為±1%，振動(dòng)監(jiān)視器回路動(dòng)態(tài)測量值誤差為±10%。VVB-1型便攜式振動(dòng)試驗(yàn)臺精度指標(biāo)為±1%，即允許誤差為±1%; VMB-1智能TSI校驗(yàn)儀精度指標(biāo)為±0.5%，即允許誤差為±0.5%;數(shù)字萬用表型號為17B，其允許誤差為±0.5%，符合校驗(yàn)所使用的標(biāo)準(zhǔn)儀器的精度需要高于被校驗(yàn)傳感器、監(jiān)視器的精度的要求。對所取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差計(jì)算分析，比對API670標(biāo)準(zhǔn)第三版的誤差要求，判斷被校驗(yàn)的振動(dòng)傳感器、振動(dòng)監(jiān)視器是否合格，對不合格的設(shè)備進(jìn)行替換。

6　結(jié)語

對2臺發(fā)電機(jī)組共計(jì)12臺風(fēng)機(jī)，每次大修都進(jìn)行校驗(yàn)，經(jīng)過校驗(yàn)后的振動(dòng)監(jiān)視器運(yùn)行穩(wěn)定，保證了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

［1］電力行業(yè)熱工自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).DL/T 1012—2006火力發(fā)電廠汽輪機(jī)監(jiān)視和保護(hù)系統(tǒng)驗(yàn)收測試規(guī)程［S］.北京:中國電力出版社，2006.

［2］陸文華，程衛(wèi)國，錢安家.機(jī)組振動(dòng)的測量選型及其適用范圍［J］.動(dòng)力工程，1999，19(2):50-54.

Calibration of Fan Vibration Monitors

Hu Haijun
(Guangdong Zhuhai Jinwan Power Generation Co.，Ltd.，Zhuhai 519060，Guangdong Province，China)

An analysis is presented to the calculation way of vibration monitoring instrument，including specific descriptions to the calibration method for relevant vibration transducers，vibration monitors and monitoring loops，while the main criteria for error analysis and calibration judgment are proposed.

fan vibration monitor;vibration peak;RMS value of vibration

TK223.26

A

1671-086X(2016)01-0024-04

2015-07-13

胡海軍(1980—)，男，工程師，主要從事汽輪機(jī)熱控系統(tǒng)維護(hù)工作。

E-mail:jinwanhhj@163.com