離心泵事故斷電過渡過程試驗中轉速測量的實現(xiàn)

賈瑞旗　孫立寧　閆　宇　何成連

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離心泵事故斷電過渡過程試驗中轉速測量的實現(xiàn)

賈瑞旗孫立寧閆宇何成連

摘要通過在離心泵事故斷電過渡過程現(xiàn)場測試中對轉速變化的測量研究，建立水力機械過渡過程轉速的測量方法，以獲得過渡過程測試中與其他參量信號同步變化的轉速信號，并通過編寫程序對所獲得的信號進行處理，最終得到轉速準確變化規(guī)律，該測速方法具有現(xiàn)場測試實施便捷、測量準確可靠等特點。

關鍵詞水泵事故斷電轉速變化同步測量程序處理

轉速變化過程測量是水力機械過渡過程測試的主要內(nèi)容，轉速發(fā)生變化意味著過渡過程的開始，通過對轉速變化的測量，可以了解和掌握水力機械的過渡工作形態(tài)。水泵機組處于水力過渡過程工況時，機組轉速發(fā)生變化，尤其是在機組事故斷電停機過程中，機組轉速從額定值降至為零，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，在重力水頭的作用下，水流向泵站倒流，轉速從零反向增大。水泵反轉轉速過高會引起機組劇烈振動和轉子部分特別是電機轉子的破壞，發(fā)生水錘引起管網(wǎng)壓力降低，影響正常供水［1］，嚴重時，使水泵機組、管道破裂造成停水和淹沒事故。離心泵事故斷電過渡過程工況變化較快，經(jīng)歷從轉速下降至反轉到停機復雜的變化過程、壓力上升時間較短，常規(guī)的穩(wěn)態(tài)轉速測量方式無法準確捕捉到轉速的變化規(guī)律。本文詳細介紹了一種在離心泵事故斷電過渡過程中準確測量轉速變化的方法。

1　離心泵事故斷電轉速測量

1.1事故斷電過程轉速變化特點

（1）瞬時性：水泵機組在事故斷電過程工況時，轉速變化較快，從機組失電開始，轉速迅速下降最終到零。

（2）雙向性：轉速下降到零后，由于液壓閥門關閉時間差，上庫高壓水流倒灌，離心泵轉速反向增大，達到最高反向轉速后由于液壓閥門關閉，最終降為零。

1.2常用轉速測量方法比較

轉速的測量實際上就是對轉子旋轉引起的周期信號的頻率進行測量［2］，常用轉速測量方式有接觸式和非接觸式兩種。

（1）機械式測速。機械式測速屬于接觸式測速，其方法是利用離心力的原理，通過隨旋轉軸轉動的質量塊如重錘來帶動一個自由軸套運動，然后通過不同的轉速對應不同的軸套位置來測定旋轉軸轉速。其原理簡單直接，不用附加額外的電氣設備，其精度不高，過渡過程試驗中不推薦此種測量方法。

（2）光電式測速。光電式測速屬于非接觸式測速，該方法通過光電式轉速傳感器測量轉速，主要是將光線的發(fā)射與被測轉軸的轉動相關聯(lián)，再通過光敏元件接收光線的反射來完成的。光電轉速傳感器可分為反射光式光電轉速傳感器和投射光式光電傳感器，兩種方式都是通過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，再通過計數(shù)計算出旋轉軸的轉速。缺點是對轉速變化的測量效果較差。

（3）電磁式測速。電磁式測速屬于非接觸式測速，系統(tǒng)由電磁傳感器和安裝在旋轉軸上的齒盤或者等間距的金屬塊組成。測量時旋轉軸帶動齒盤或金屬塊旋轉，引起傳感器電路磁阻發(fā)生變化或產(chǎn)生感應電渦流，經(jīng)過整形發(fā)達后產(chǎn)生電脈沖信號，通過對脈沖信號計數(shù)可得到轉速值。利用電磁變化測量轉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數(shù)頻率影響。常用的有接近開關傳感器，如霍爾轉速傳感器和電渦流轉速傳感器。

2　離心泵事故斷電過渡過程轉速測試

2.1制作和安裝

過渡過程轉速變化測量可采用電渦流傳感器和安裝在電動機與水泵的連接轉動部件上的分度環(huán)來實現(xiàn)，分度環(huán)固定在旋轉連接部件上，將連接部件等分為20份，電渦流傳感器通過支架安裝在垂直于分度環(huán)的方向上。

由于泵站現(xiàn)場已是安裝好的機組設備，大多數(shù)泵組采用工頻啟動方式，轉軸上沒有現(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，為轉速測量使用。

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，分度環(huán)隨旋轉軸轉動，電渦流傳感器探頭線圈感受間隙的變化會使探頭線圈的高頻電流的幅值產(chǎn)生變化，通過電子線路處理后形成與金屬環(huán)片距離有關系的變化的電流或電壓信號輸出。

電渦流傳感器測量轉速相比其他傳感器有很大優(yōu)勢，頻率響應為0～10 kHz，轉速測量的頻率響應范圍廣，對轉速變化響應迅速，傳感器輸出信號的幅值較大，同時抗干擾能力強、安裝方便。

2.2結果處理程序

過渡過程測量轉速時，隨著速度的變化，相同間隔的金屬片經(jīng)歷的時間不同，可以得到一個序列不同寬度的瞬態(tài)信號。過渡過程轉速處理程序編程的設計思想是基于VB語言開發(fā)平臺，根據(jù)轉速信號變化時所經(jīng)歷時間序列，編寫程序進行計算分析獲得過渡過程工況的轉速變化曲線。

過渡轉速變化曲線處理程序設計流程見圖1，轉速處理程序結果示意圖見圖2。

圖1　過渡過程轉速信號處理流程圖

2.3結果分析

根據(jù)實際工程項目采用本過渡過程轉速測量方法，對水泵機組事故斷電工況的轉速變化信號進行處理，以該工程項目4#機組為例，對事故斷電工況轉速信號進行處理后，獲得了理想的轉速變化過程線，對過渡過程轉速上升率和最大轉速值進行精確測量，機組反向最大轉速及時間節(jié)點見表1，圖3為液壓閥接力器動作和轉速變化關系曲線。

圖2　轉速數(shù)據(jù)處理示意圖

表1　事故斷電停機過程各機組最大反向轉速和拐點時間

圖3　4#機組事故斷電停機過程液壓閥動作與轉速變化曲線

通過曲線結果可知，機組額定轉速993 r/min，水泵事故斷電發(fā)生后，在液壓閥動作之前，機組轉速驟然下降，斷電后到接力器動作前轉速下降速率為359 r/min；隨著閥門開始關閉，轉速迅速到零后反向增大，轉速到零時間為閥門開始動作的3.2 s后，事故斷電停機時，液壓閥門兩段關閉，在閥門第一段關閉結束時，轉速反向達到最大值1 080 r/min，為額定轉速的1.08倍。隨著液壓閥繼續(xù)關閉而恢復到零。

3　轉速測量中注意的問題

3.1采樣頻率確定

過渡過程測試由于其工況變化迅速、時間短的特點，數(shù)據(jù)采樣頻率設置較穩(wěn)態(tài)工況測試要高，同時，參考該工程項目泵站機組設計招標合同文件要求規(guī)定，“水泵電動機組在不加制動的情況下的水泵最大穩(wěn)態(tài)倒轉飛逸轉速不超過1 241 r/ min”，飛逸轉頻為20.68 Hz，每周期脈沖個數(shù)為20，則信號輸出頻率為413.67 Hz，為保證轉速變化信號不丟失和輸出信號幅值的不失真，對轉速信號在一個周期內(nèi)最少6次采集，因此，采樣頻率設置最低值不低于2 482.02 Hz，在采集儀通道采集最高采樣頻率滿足要求和計算機存儲容量滿足的情況下，過渡過程測試可適當提高采樣頻率，本次測試采樣頻率設置為4 000 Hz。

3.2測試精度問題

過渡過程轉速測量將旋轉軸20等份，在一個周期內(nèi)可輸出20次脈沖信號，設置每周20個信號的目的是基于置信度區(qū)間的分析，測量到的離散轉速變化盡量接近于轉速變化真值。如將轉速變化信號理想化為正弦信號來分析，如圖4所示，假定正弦波的峰值為1，設置不同等分測點后，可以采樣得到置信度不同的信號峰值，通過不同測點數(shù)比較，可知貼片數(shù)目越多，轉速測量結果越接近于真值。滿足工程使用的基礎上，分為4等份，可得幅值信號置信度為86.6%，分為10等份，可得幅值信號置信度為95.5%，如分為20份，可得幅值信號置信度為 98.7%，超過統(tǒng)計規(guī)律對95%置信區(qū)間的要求，同時滿足水力機械測試行業(yè)中常用的97%置信度要求。

圖4　軸上不同貼片數(shù)量的測速幅值精度

4　結語

機組轉速測量中，事故斷電過渡過程變化轉速測量相比較穩(wěn)態(tài)轉速測量，實現(xiàn)困難，難以精確獲得，常用的轉速測量手段獲取長時間的累加信號，加上二次調理儀表的延遲、阻尼和消峰作用，很難實時、準確獲得瞬時轉速的變化規(guī)律；采用電渦流傳感器直接獲得轉速變化的模擬信號，將其離散化后進行處理，根據(jù)不同時間間隔的脈沖信號計算出瞬時轉速，得到轉速變化規(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)濟型傳感器。對過渡過程中最為關注的轉速變化規(guī)律，自行研制了測速裝置，編制了過渡過程轉速變化處理分析程序，可精確地得到機組事故斷電過渡過程的轉速變化規(guī)律。為今后進一步開展泵站、電站過渡過程轉速現(xiàn)場測試，提供了可靠、精確的測試分析裝備。

參考文獻

［1］劉竹溪，劉光臨.泵站水錘及其防護 ［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［2］周正干，李然，李和平.高精度數(shù)字式轉速測量系統(tǒng)的的研究［J］.測控技術，2000，19（5）：60-62.

［3］王成棟，朱永生，康榮學，等.基于電渦流傳感器的轉速測量方法研究［J］.儀表技術與傳感器.2003（6）：45-47.

賈瑞旗男工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

孫立寧男工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

閆宇女助理工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

何成連男教授級高級工程師中水北方勘測設計研究有限責任公司天津300222

中圖分類號TH311

文獻標識碼A

文章編號1007-6980（2016）01-0051-03

作者簡介

收稿日期（2015-11-18）