賈瑞旗　孫立寧　閆　宇　何成連

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離心泵事故斷電過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速測(cè)量的實(shí)現(xiàn)

賈瑞旗孫立寧閆宇何成連

摘要通過(guò)在離心泵事故斷電過(guò)渡過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中對(duì)轉(zhuǎn)速變化的測(cè)量研究，建立水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法，以獲得過(guò)渡過(guò)程測(cè)試中與其他參量信號(hào)同步變化的轉(zhuǎn)速信號(hào)，并通過(guò)編寫(xiě)程序?qū)λ@得的信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到轉(zhuǎn)速準(zhǔn)確變化規(guī)律，該測(cè)速方法具有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試實(shí)施便捷、測(cè)量準(zhǔn)確可靠等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞水泵事故斷電轉(zhuǎn)速變化同步測(cè)量程序處理

轉(zhuǎn)速變化過(guò)程測(cè)量是水力機(jī)械過(guò)渡過(guò)程測(cè)試的主要內(nèi)容，轉(zhuǎn)速發(fā)生變化意味著過(guò)渡過(guò)程的開(kāi)始，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速變化的測(cè)量，可以了解和掌握水力機(jī)械的過(guò)渡工作形態(tài)。水泵機(jī)組處于水力過(guò)渡過(guò)程工況時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，尤其是在機(jī)組事故斷電停機(jī)過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速?gòu)念~定值降至為零，水流依靠慣性以逐漸減慢的速度繼續(xù)向出水池方向流動(dòng)，在重力水頭的作用下，水流向泵站倒流，轉(zhuǎn)速?gòu)牧惴聪蛟龃?。水泵反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)引起機(jī)組劇烈振動(dòng)和轉(zhuǎn)子部分特別是電機(jī)轉(zhuǎn)子的破壞，發(fā)生水錘引起管網(wǎng)壓力降低，影響正常供水［1］，嚴(yán)重時(shí)，使水泵機(jī)組、管道破裂造成停水和淹沒(méi)事故。離心泵事故斷電過(guò)渡過(guò)程工況變化較快，經(jīng)歷從轉(zhuǎn)速下降至反轉(zhuǎn)到停機(jī)復(fù)雜的變化過(guò)程、壓力上升時(shí)間較短，常規(guī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)量方式無(wú)法準(zhǔn)確捕捉到轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。本文詳細(xì)介紹了一種在離心泵事故斷電過(guò)渡過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)速變化的方法。

1　離心泵事故斷電轉(zhuǎn)速測(cè)量

1.1事故斷電過(guò)程轉(zhuǎn)速變化特點(diǎn)

（1）瞬時(shí)性：水泵機(jī)組在事故斷電過(guò)程工況時(shí)，轉(zhuǎn)速變化較快，從機(jī)組失電開(kāi)始，轉(zhuǎn)速迅速下降最終到零。

（2）雙向性：轉(zhuǎn)速下降到零后，由于液壓閥門關(guān)閉時(shí)間差，上庫(kù)高壓水流倒灌，離心泵轉(zhuǎn)速反向增大，達(dá)到最高反向轉(zhuǎn)速后由于液壓閥門關(guān)閉，最終降為零。

1.2常用轉(zhuǎn)速測(cè)量方法比較

轉(zhuǎn)速的測(cè)量實(shí)際上就是對(duì)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引起的周期信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量［2］，常用轉(zhuǎn)速測(cè)量方式有接觸式和非接觸式兩種。

（1）機(jī)械式測(cè)速。機(jī)械式測(cè)速屬于接觸式測(cè)速，其方法是利用離心力的原理，通過(guò)隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)量塊如重錘來(lái)帶動(dòng)一個(gè)自由軸套運(yùn)動(dòng)，然后通過(guò)不同的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)不同的軸套位置來(lái)測(cè)定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。其原理簡(jiǎn)單直接，不用附加額外的電氣設(shè)備，其精度不高，過(guò)渡過(guò)程試驗(yàn)中不推薦此種測(cè)量方法。

（2）光電式測(cè)速。光電式測(cè)速屬于非接觸式測(cè)速，該方法通過(guò)光電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速，主要是將光線的發(fā)射與被測(cè)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，再通過(guò)光敏元件接收光線的反射來(lái)完成的。光電轉(zhuǎn)速傳感器可分為反射光式光電轉(zhuǎn)速傳感器和投射光式光電傳感器，兩種方式都是通過(guò)傳感器的光敏元件接收光線明暗變化，并發(fā)出電流脈沖信號(hào)，再通過(guò)計(jì)數(shù)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。缺點(diǎn)是對(duì)轉(zhuǎn)速變化的測(cè)量效果較差。

（3）電磁式測(cè)速。電磁式測(cè)速屬于非接觸式測(cè)速，系統(tǒng)由電磁傳感器和安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的齒盤或者等間距的金屬塊組成。測(cè)量時(shí)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)齒盤或金屬塊旋轉(zhuǎn)，引起傳感器電路磁阻發(fā)生變化或產(chǎn)生感應(yīng)電渦流，經(jīng)過(guò)整形發(fā)達(dá)后產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)可得到轉(zhuǎn)速值。利用電磁變化測(cè)量轉(zhuǎn)速的傳感器有很多種，包括磁敏式傳感器、磁電式傳感器、變磁阻式傳感器和電容式傳感器等，電磁式測(cè)速的精度受到齒盤的加工精度、最小間隔的分辨能力和電路的最大計(jì)數(shù)頻率影響。常用的有接近開(kāi)關(guān)傳感器，如霍爾轉(zhuǎn)速傳感器和電渦流轉(zhuǎn)速傳感器。

2　離心泵事故斷電過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速測(cè)試

2.1制作和安裝

過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速變化測(cè)量可采用電渦流傳感器和安裝在電動(dòng)機(jī)與水泵的連接轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的分度環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，分度環(huán)固定在旋轉(zhuǎn)連接部件上，將連接部件等分為20份，電渦流傳感器通過(guò)支架安裝在垂直于分度環(huán)的方向上。

由于泵站現(xiàn)場(chǎng)已是安裝好的機(jī)組設(shè)備，大多數(shù)泵組采用工頻啟動(dòng)方式，轉(zhuǎn)軸上沒(méi)有現(xiàn)成的齒盤可用?？蓪⑷嵝凿搸X輪條等間距粘接或焊接在軸上，為轉(zhuǎn)速測(cè)量使用。

電渦流傳感器探頭線圈內(nèi)高頻振蕩電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，分度環(huán)隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電渦流傳感器探頭線圈感受間隙的變化會(huì)使探頭線圈的高頻電流的幅值產(chǎn)生變化，通過(guò)電子線路處理后形成與金屬環(huán)片距離有關(guān)系的變化的電流或電壓信號(hào)輸出。

電渦流傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速相比其他傳感器有很大優(yōu)勢(shì)，頻率響應(yīng)為0～10 kHz，轉(zhuǎn)速測(cè)量的頻率響應(yīng)范圍廣，對(duì)轉(zhuǎn)速變化響應(yīng)迅速，傳感器輸出信號(hào)的幅值較大，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)、安裝方便。

2.2結(jié)果處理程序

過(guò)渡過(guò)程測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著速度的變化，相同間隔的金屬片經(jīng)歷的時(shí)間不同，可以得到一個(gè)序列不同寬度的瞬態(tài)信號(hào)。過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速處理程序編程的設(shè)計(jì)思想是基于VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)變化時(shí)所經(jīng)歷時(shí)間序列，編寫(xiě)程序進(jìn)行計(jì)算分析獲得過(guò)渡過(guò)程工況的轉(zhuǎn)速變化曲線。

過(guò)渡轉(zhuǎn)速變化曲線處理程序設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1，轉(zhuǎn)速處理程序結(jié)果示意圖見(jiàn)圖2。

圖1　過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速信號(hào)處理流程圖

2.3結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目采用本過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速測(cè)量方法，對(duì)水泵機(jī)組事故斷電工況的轉(zhuǎn)速變化信號(hào)進(jìn)行處理，以該工程項(xiàng)目4#機(jī)組為例，對(duì)事故斷電工況轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行處理后，獲得了理想的轉(zhuǎn)速變化過(guò)程線，對(duì)過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速上升率和最大轉(zhuǎn)速值進(jìn)行精確測(cè)量，機(jī)組反向最大轉(zhuǎn)速及時(shí)間節(jié)點(diǎn)見(jiàn)表1，圖3為液壓閥接力器動(dòng)作和轉(zhuǎn)速變化關(guān)系曲線。

圖2　轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)處理示意圖

表1　事故斷電停機(jī)過(guò)程各機(jī)組最大反向轉(zhuǎn)速和拐點(diǎn)時(shí)間

圖3　4#機(jī)組事故斷電停機(jī)過(guò)程液壓閥動(dòng)作與轉(zhuǎn)速變化曲線

通過(guò)曲線結(jié)果可知，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速993 r/min，水泵事故斷電發(fā)生后，在液壓閥動(dòng)作之前，機(jī)組轉(zhuǎn)速驟然下降，斷電后到接力器動(dòng)作前轉(zhuǎn)速下降速率為359 r/min；隨著閥門開(kāi)始關(guān)閉，轉(zhuǎn)速迅速到零后反向增大，轉(zhuǎn)速到零時(shí)間為閥門開(kāi)始動(dòng)作的3.2 s后，事故斷電停機(jī)時(shí)，液壓閥門兩段關(guān)閉，在閥門第一段關(guān)閉結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)速反向達(dá)到最大值1 080 r/min，為額定轉(zhuǎn)速的1.08倍。隨著液壓閥繼續(xù)關(guān)閉而恢復(fù)到零。

3　轉(zhuǎn)速測(cè)量中注意的問(wèn)題

3.1采樣頻率確定

過(guò)渡過(guò)程測(cè)試由于其工況變化迅速、時(shí)間短的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)置較穩(wěn)態(tài)工況測(cè)試要高，同時(shí)，參考該工程項(xiàng)目泵站機(jī)組設(shè)計(jì)招標(biāo)合同文件要求規(guī)定，“水泵電動(dòng)機(jī)組在不加制動(dòng)的情況下的水泵最大穩(wěn)態(tài)倒轉(zhuǎn)飛逸轉(zhuǎn)速不超過(guò)1 241 r/ min”，飛逸轉(zhuǎn)頻為20.68 Hz，每周期脈沖個(gè)數(shù)為20，則信號(hào)輸出頻率為413.67 Hz，為保證轉(zhuǎn)速變化信號(hào)不丟失和輸出信號(hào)幅值的不失真，對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)最少6次采集，因此，采樣頻率設(shè)置最低值不低于2 482.02 Hz，在采集儀通道采集最高采樣頻率滿足要求和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)容量滿足的情況下，過(guò)渡過(guò)程測(cè)試可適當(dāng)提高采樣頻率，本次測(cè)試采樣頻率設(shè)置為4 000 Hz。

3.2測(cè)試精度問(wèn)題

過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速測(cè)量將旋轉(zhuǎn)軸20等份，在一個(gè)周期內(nèi)可輸出20次脈沖信號(hào)，設(shè)置每周20個(gè)信號(hào)的目的是基于置信度區(qū)間的分析，測(cè)量到的離散轉(zhuǎn)速變化盡量接近于轉(zhuǎn)速變化真值。如將轉(zhuǎn)速變化信號(hào)理想化為正弦信號(hào)來(lái)分析，如圖4所示，假定正弦波的峰值為1，設(shè)置不同等分測(cè)點(diǎn)后，可以采樣得到置信度不同的信號(hào)峰值，通過(guò)不同測(cè)點(diǎn)數(shù)比較，可知貼片數(shù)目越多，轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果越接近于真值。滿足工程使用的基礎(chǔ)上，分為4等份，可得幅值信號(hào)置信度為86.6%，分為10等份，可得幅值信號(hào)置信度為95.5%，如分為20份，可得幅值信號(hào)置信度為 98.7%，超過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律對(duì)95%置信區(qū)間的要求，同時(shí)滿足水力機(jī)械測(cè)試行業(yè)中常用的97%置信度要求。

圖4　軸上不同貼片數(shù)量的測(cè)速幅值精度

4　結(jié)語(yǔ)

機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量中，事故斷電過(guò)渡過(guò)程變化轉(zhuǎn)速測(cè)量相比較穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)量，實(shí)現(xiàn)困難，難以精確獲得，常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量手段獲取長(zhǎng)時(shí)間的累加信號(hào)，加上二次調(diào)理儀表的延遲、阻尼和消峰作用，很難實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲得瞬時(shí)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律；采用電渦流傳感器直接獲得轉(zhuǎn)速變化的模擬信號(hào)，將其離散化后進(jìn)行處理，根據(jù)不同時(shí)間間隔的脈沖信號(hào)計(jì)算出瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，得到轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。

本文提出在滿足儀器量程范圍和精度要求的情況下，可選用經(jīng)濟(jì)型傳感器。對(duì)過(guò)渡過(guò)程中最為關(guān)注的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，自行研制了測(cè)速裝置，編制了過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速變化處理分析程序，可精確地得到機(jī)組事故斷電過(guò)渡過(guò)程的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律。為今后進(jìn)一步開(kāi)展泵站、電站過(guò)渡過(guò)程轉(zhuǎn)速現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提供了可靠、精確的測(cè)試分析裝備。

參考文獻(xiàn)

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賈瑞旗男工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

孫立寧男工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

閆宇女助理工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

何成連男教授級(jí)高級(jí)工程師中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司天津300222

中圖分類號(hào)TH311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1007-6980（2016）01-0051-03

作者簡(jiǎn)介

收稿日期（2015-11-18）