1.3　大型机电设备状态在线监测及预测技术背景

本书提出的大型机电设备在线监测及预测技术主要应用于大型旋转注水机组及风电机组齿轮箱。

1.3.1　大型旋转注水机组及其故障监测及预测现状

油田开采后，油层压力会逐渐下降，使原油采收率降低，产量降低。我国各油田，自喷井越来越少，要保证高产、稳产，就必须补充油层压力。目前普遍采用的方式是往地下注水以提高油层压力，因此注水对于油田生产具有十分重要的意义。

注水站是油田注水的重要生产部门，注水站内通常装备3～6台连续运行的大型旋转注水机组及配套的机电设备。

大型旋转注水机组是保证采油产量的重要设备，它由连续运行的大型“电机-离心泵”机电设备组成，功率通常在2000kW以上，具体型号及结构类型如下。

a. 三相笼式异步电动机

型号：YKZ2250-2/1180

额定功率：2250kW

额定电压：6000V

转速：2985r/min

b. 弹性柱销联轴器

c. 多级分段式离心泵

型号：D300-150×11

轴功率：1850kW

流量：300m³/min

转速：2985r/min

d. 滑动推力轴承座（电机、水泵各2个）

在工业现场使用的大量机电设备，其中许多关键设备功率大、负载重且不稳定，工况较恶劣，如上述的油田广泛使用的大型注水设备，需要对其采取措施保证机电设备的正常运行和科学维护。

以往现场有值班人员对注水机组状态进行监测，监测项目除温度、压力、电量（电机功率、电流、电压、电耗）、流量、液位等常规项目外，根据规程也应对反映机组状态关键特征的机械动特性，如振动、噪声进行监测，但由于没有检测手段，只能靠值班人员手摸或耳听。由于缺乏可靠的科学手段和依据，对其现时状态的评价往往是不准确的，对其状态发展趋势更是难以估计的，所以维护方式采用的是周期性强制维护，该维护方式到时即更换零部件，维护费用巨大。虽累积停机时间长，但仍避免不了恶性事故的发生，如离心泵、电机损坏等恶性事故时有发生，因停机维修影响注水生产而造成的经济损失是很惊人的。此外，注水站内装有多台大型机组，现场噪声很高，大大超过国家《工业企业噪声卫生标准》。

在注水机组状态监测技术应用方面，以前建的油田注水站没有装备状态监测及预测系统，有的新建注水站虽装备了微机巡检系统，但该系统通常仅对压力、温度等常规项目进行监测，没有包括机械振动特性的监测，不能进行机组状态的监测和分析。近年来，有的油田输油站等大型设备上，采用了新研制的包括对振动特性进行监测的系统，实现了在线监测和分析，但尚没有建立机组机械动特性档案，因而难以进行自动在线的状态判断，而需要专业人员离线进行分析。

在注水机组状态预测技术应用方面，注水机组的维护方式仍采用预防性维修。近年来有的维修部门进口了美国ENTEK公司预测维修系统，可对机组进行定期检测和离线分析。但是该仪器内置的预测对象是通用电机，对注水机组故障率较高的离心泵的预测针对性不强，同时又是定期离线预测方式，不便于进行短期预测，不能防止机组突发性事故，并且得由专业人员进行检测和分析，因而应用受到限制，也不能从根本上改变注水机组的维护方式。

当前工业生产越来越注重降低成本，特别是要求在能避免机电设备事故的同时，尽量延长设备运行周期。为此，迫切需要提供能实时监测及预测设备状态发展和维护信息的自动在线监测及预测技术。

1.3.2　风电机组齿轮箱及其故障特点

风力发电机组从主轴方向上分为水平轴和垂直轴两种，从传动结构上分为直驱型与齿轮箱增速型。齿轮箱增速型风电机组在风电场装机容量较大，这种风电机组是利用风驱动叶片旋转，通过大传动比的增速齿轮箱进行增速，驱动发电机进行发电。其结构主要由叶片、主轴、齿轮箱、发电机以及偏航控制装置、电气控制装置、发电整流并网装置、塔筒等组成，如图1-1所示。据统计，造成停机的主要原因是风电机组传动系统中的旋转机械，如主轴、输入输出轴、齿轮箱等。据我国可再生能源学会统计，风力发电机组故障发生频率较高的部件主要包括齿轮箱、输入输出轴、主轴、桨叶等机械装置以及发电机、电气、偏航等控制系统。

风力发电旋转机械发生故障的主要原因是：机组的桨叶、轮毂以及传动链上的低速轴、齿轮箱、高速轴和发电机等部件长期受到变化的风速风向产生的气动载荷作用（如斜风、阵风、湍流、风切变等产生的冲击载荷、随机载荷与循环载荷作用等）以及自身的惯性载荷作用（如离心力、质量不平衡、停机等造成的载荷作用），产生疲劳断裂、磨损等故障。风电机组故障诊断主要集中在叶片裂纹等故障诊断、齿轮箱传动系统故障诊断以及发电机等电气系统故障诊断。

风电机组增速齿轮箱结构主要有一级行星齿轮加两级平行轴圆柱齿轮传动、两级行星齿轮一级平行轴圆柱齿轮传动等，内部结构和受力情况较为复杂，尤其是在变工况、变载荷的情况下运行，容易发生故障。齿轮箱的常见故障包括齿轮故障、轴承故障和轴系故障。齿轮损伤主要包括齿面磨损、齿面胶合和擦伤、齿面接触疲劳、弯曲疲劳与断齿。轴承损坏主要包括磨损失效、疲劳失效、腐蚀失效、断裂失效、压痕失效、胶合失效。轴的故障主要有轴不平衡、弯曲；轴不对中、断裂等。对齿轮箱的状态监测主要采用振动信号监测、声发射监测、润滑油监测、温度信号和扭矩信号监测等方法。

风力发电机组具有传统大型旋转机械的特点，也存在一些特殊问题与难点：

①如为了实现大传动比增速，其齿轮箱多为行星齿轮箱或行星齿轮加斜齿轮等。

②工作运行环境恶劣，信号噪声强，早期故障特征易淹没在噪声中。

③风电机组传动系统各轴转速与载荷随风速、风向不断变化，特征频率也随之发生变化，且信号呈现明显的不稳定性与非线性。

风力发电机组齿轮箱故障诊断相关技术主要围绕行星齿轮箱的故障机理及诊断、变工况信号处理与故障特征提取技术、变工况非平稳故障诊断技术等。