汽轮发电机组是电力工业生产的重要设施，一旦发生问题尤其是一些灾难性问题将给电力系统、国民经济和人民生活都带来巨大的经济损失。大型化和高参数汽轮发电机组的投运，对机组设施的运行的靠谱性提出了更高的需要，然而，大机组不仅使机组本身还使与之有关的设施承受更大的应力，工作环境恶化，问题率大大增加。大型汽轮发电机组不仅本身价钱昂贵，而且因问题引起的非计划停机还会造成紧急的二次损失和不好的的社会效应。因此，怎么样及早发现设施异常，降低直至防止灾难性 事故的发生，是国内外研究和生产单位高度看重并加入很多的人力和物力，从事研究和开发这类要紧设施的振动监测与问题诊断技术，获得了显著的成效。
汽轮发电机组为大型旋转机械，工作时会产生振动。机组的异常振动将紧急影响机组的安全运行，因此机组振动大小成为衡量机组运行水平的一个要紧而重要的控制指标。同时，由于机组发生异常或问题时，振动将会发生变化，而且一般表现为振动增加，使得从机组振动信号中获得诊断信息成为可能。研究剖析和实测表明，不一样种类、性质、起因和部位产生的问题所激起的机组振动具有不一样的特点，表现为振动的频率、幅值、相位、波形形状、能量分布情况等的不一样，使得可以从机组振动信号中辨别问题，是一种既快又准、既便捷又有把握的方法和办法。但是，机组振动与问题之间的关系是极其复杂的，因此，借助机组振动信号进行问题诊断也是十分复杂的。特别是当数种问题在不一样部位不一样程度地同时发生时，将使机组振动特点表现得更为异常错综复杂，增加了问题诊断的困难程度。
汽轮发电机组振动特征
汽轮发电机组振动主要有强迫振动和自激振动两大类。
引起强迫振动的主要起因有转子水平不平衡、转子不对中、轴弯曲、转子轴裂纹、装配件或基础松动及转子与定子摩擦等。
引起自激振动的主要起因有油膜涡动、油膜振荡、汽流激振、顶隙激振等。
汽轮发电机组振动主要有强迫振动和自激振动两大类。引起强迫振动的主要起因有转子水平不平衡、转子不对中、轴弯曲、转子轴裂纹、装配件或基础松动及转子与定子摩擦等。引起自激振动的主要起因有油膜涡动、油膜振荡、汽流激振、顶隙激振等。
汽轮发电机组振动也可以按振动部件(轴承、转子、汽缸和管道)、问题源(转子不平衡、机组中心不正、轴瓦不稳定、机械松动等)和频谱特点来进行划分。机组振动按频谱特点分为两大类11个小类，如图1所示。机组振动的主要征兆、起因与振动的主要频率、主要方向和位置、升速和降速时振幅随转速的变化等特点的关系如下：
图1汽轮发电机组振动分类
振动的主要频率：0-40%工频、40-50%工频、50-100%工频、1×工频、2×工频、高阶工频、1/2×工频、1/4×工频、低阶工频、奇数频率、极高频率，共11档。
主要振动方向：垂直、水平、轴向，共3项。
主要振动位置：轴、轴承、壳体、基础、管道、联轴节，共6项。
升速时振幅随转速的变化关系：振幅不变、随转速增加、随转速降低、出现峰值、突然上升、突然降低，共6项。
降速时振幅随转速的变化关系：振幅不变、随转速增加、随转速降低、突然上升、突然降低，共5项。
汽轮发电机组的问题分类
汽轮发电机组运行时，由于各种问题引起的机组轴系的异常振动也表现出不一样的征兆。典型的转子问题有：转子不平衡、转子弯曲、转子不对中、油膜涡动和油膜振荡、转子与静子件摩擦、转子装配件松动、转子支承系统联接松动、密封和间隙动力失稳、转轴裂纹等。根据频谱特点，可以将汽轮发电机组的常见问题进行分类，如图2所示。
图2汽轮发电机组问题分类
汽轮发电机组振动监测与问题诊断系统
问题诊断系统
伴随科技的进步，尤其是计算机技术的进步，大型汽轮发电机组的振动在线监测与问题诊断系统在近10年来获得了日益广泛的开发与应用，下面剖析介绍与之有关的技术与特征。
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系统配置
如图3为一典型振动监测与问题诊断系统结构框图。振动监测信号包括各瓦轴振和瓦振、轴转速、键相信号、轴向位移、差胀、缸胀和偏心等。上述信号经过预处置，送入高速数据采集控制卡。
图3汽轮发电机组振动监测与问题诊断系统结构框图
2
信号预处置
汽轮发电机组轴系振动监测常用的传感器一般有涡流式位移传感器、磁电式速度传感器等。这些传感器测试的物理量是不一样的，而且传感器的输出电压幅值范围也不可以满足模数转换的需要，因此需要进行适当的预处置。信号预处置一方面将涡流式位移传感器、磁电式速度传感器以及其他电压输出型传感器的输出信号转换为适合采集卡的电压信号，也可以将磁电式速度传感器的速度信号转换为位移信号，同时也作为数据采集卡的前端保护装置，对输入的信号进行必要的限幅、滤波、隔离、放大等处置，使数据采集卡获得较好的采集精度。信号预处置的原理框图如图4所示。
图4振动信号预处置
3
键相触发采样控制
振动的相位信息是振动问题诊断中的要紧信息。为了获得准确的相位信息，需要确保每次采样的起点相同。为此，由软件发出采样启动信号；然后等待键相信号的到来，并以此作为采样开始的触发信号；当键相信号脉冲来到时，启动一次采集流程，采样周期持续到完成所需要的采样点数为止，接着再由软件发出下一次采样启动信号，如此循环。上述由键相触发同起点采样控制流程的时序逻辑如图5所示。达成上述采样控制流程的电路原理如图6所示。
图5振动信号预处置
图6键相触发采样控制时序逻辑
为了采用基2-FFT进行频谱剖析，一般需要剖析点数为2的幂。分析到上述两方面的需要，并分析到时域波形的不失真，可以确定N的取值，如表1所示。
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同步采集
汽轮发电机组的振动信号是一种迅速变化的动态量，可以充分反映机组的运行情况。在许多状况下，为了获得他们之间的相互关系所表现出来的问题信息，需要做到多通道同步采集。例如，轴心轨迹是轴瓦水平和垂直两个方向振动的合成运动，因此，只有同时采集同一轴瓦的水平、垂直两方向振动，才能得到真实的轨迹图。当分析转子系统各测点间的相位关系时，也需要得到各测点的振动与键相脉冲之间的相位角。所有这些都需要信号采集系统可以达成多通道同步采集。
同步采集是多通道信号采集的一种办法，就是需要从同一时刻开始，同时对所有通道进行采集，以保证各通道信号之间的准确相互关系。
一般的多通道信号采集是使用巡回采集的办法，如图7所示。它是用多路开关来顺次切换A/D的转换通道，从第1通道开始依次采集到第N通道，从而完成对所有通道的一次采样，然后再轮回到第1通道以同样办法完成对所有通道的第2次采样，以此类推，完成所需要的采集点数。设A/D完成一次采样的时间为Δt，则对所有N个通道进行一次采样的时间为NΔT，亦即当A/D第三循环到第1通道时的时差ΔT＝NΔt。因此，ΔT为每一个通道的采样间隔。由上述流程可以看出，A/D对各通道采样存在着时差，而且各个通道的时差也不同，伴随通道号增加，时差也成倍增加。对于动态信号，各通道的信号对此时差的变化也是不同。所以，用这种办法采集的各个通道的信号相互之间都存在着时差引起的误差，由此得到的各通道信号之间的关系是虚假的。这种多通道采集办法，为异步巡回采集办法(串行A/D策略)。克服这种异步巡回采集缺点的办法是使用同步采集办法。
图7多通道巡回采集
为了达成同步采集时各通道采样时刻同步，可以使用图8所示的并行多A/D同步采集办法。这种办法可以精 确保证各通道同步采集。缺点是由于每一通道均需一片A/D转换器，因此，硬件本钱极高，特别是对于需要进行高速采集时，对每一个A/D的需要都较高，更使整个系统本钱指数上升。现在，这种策略只在极少数系统中使用。
图8并行多A/D同步采集
一种折衷的策略是所谓的准同步采集策略，即串行单A/D准同步采集办法，如图9所示。这种办法只用一片A/D即可达成多通道同步采集。事实上A/D转换流程仍是多通道循环进行的，但由于同一时刻使各路采样/维持器处于维持状况，从而可以达成多路同步。然而由于采样/维持器仍然存在着肯定的衰减误差，因此这种办法是一种准同步办法，各通道之间仍存在同步误差。特别是通道数增加时，这种办法将有紧急的局限。
图9串行单A/D准同步采样
另一种折衷办法是串并行综合办法，如图10所示。这种办法适用于通道数较多的场所，可以综合并行多A/D同步办法和串行单A/D同步办法的优点，又克服了两种办法的各自缺点，具有同步性能和经济性均适中的特征，是一种比较好的办法。但这种办法也是一种准同步办法，尽管其中有多组为真同步。例如，对于一个16通道配置，可使用4´4策略，即使用16个采样/维持器，分成4组，每组配置一个4选1多路开关和一个A/D，这样16通道共需4个多路开关和4个A/D。
图10串并行综合准同步采集
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信号采集与剖析
信号采集流程是在线进行的，采集控制由定时器控制，例如每隔0.5秒启动一次采集。采样速率由实测转速控制，为了获得好的时域波形，保证整周期截取信号，按表2选择每转采集64点，则采样频率为转速的64倍，采样长度为每通道1024点，因而信号中可剖析的谐波次数达到25次谐波。
信号的剖析也是在线进行的。每采集一次信号，就立即将采集数据进行在线剖析并显示出来，剖析种类和显示图形均由所选择的观察图形确定。
信号采集和剖析是并行进行的，即A/D转换器完成一次采集后，将所有数据一次集中传送给计算机，计算机立即进行信号的剖析，同时A/D转换器又进行下一次采集。
上述并行采集与剖析功能是由高速存储式数据采集卡达成的。数据采集卡的输入模拟通道一般为16或32路，A/D转换器一般为12位或14位，也有16位的高速转换器，板上带有的RAM，可存储肯定长度的采样数据，具有自动通道扫描功能，设置好采样参数后，自动完成采集流程，不需计算机干预，直到采样结束后发出中断信号，通知计算机读取数据。因而，在自动采集流程中，计算机可以进行数据剖析等工作，从而达成并行采集与剖析。
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问题报警与问题诊断
问题诊断分为两个层次，即浅易诊断和精密诊断。浅易诊断是一种报警功能。系统在线计算每次采集到的所有振动通道的峰峰值，并与设置的报警值和危险值进行比较，当振动位移的峰峰值达到或超越报警值或危险值时立即给以报警，并将报警通道及其报警值存入机组运行档案文件中。
精密诊断是在浅易诊断的基础上自动进行的。当发生连续几次浅易报警后，自动启动精密诊断程序。精密诊断程序从实测数据中提取特点信息，构成特点向量，由综合智能问题诊断系统进行问题诊断，给出诊断结果，并存入问题记录文件中。
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数据库管理
健全的数据库管理是监测与诊断系统应具备的要紧功能。数据库可以使用独立的二进制压缩存储方法或其它数据库系统。数据库中一般应包括的监测信息有：实时振动峰峰值、实时振动矢量、动态波形数据、运行档案数据、起停机数据以及问题报警与诊断结果数据等。数据库的管理功能包括数据的显示、报表打印处置等。
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剖析与监测功能动态范围：一般为72dB（12位A/D转换）。
频率范围：采样频率为转速的32或64倍。剖析谐波次数可到25X或13X次谐波。
频谱线数：401线或801线(剖析长度为1024点或2048点)。
棒图监测：显示机组正常运行的监测棒图，如图11所示。
图11机组振动的棒图监测
启动/停机监测：显示机组启动/停机流程振动幅值、相位随转速变化的关系图。
波形：显示机组运行时各个通道的动态波形图。
频谱：显示机组运行时各个通道的动态波形的频谱图。
轴心轨迹：显示机组运行时各瓦轴心运动轨迹图。
轨迹与波形：同时显示机组运行时各轴心运动轨迹图及其对应的两个通道的动态波形图。
级联频谱：显示机组启动/停机流程的三维频谱图。
