离心泵事故断电过渡过程试验中转速测量的实现

贾瑞旗　孙立宁　闫　宇　何成连



离心泵事故断电过渡过程试验中转速测量的实现

贾瑞旗孙立宁闫宇何成连

摘要通过在离心泵事故断电过渡过程现场测试中对转速变化的测量研究，建立水力机械过渡过程转速的测量方法，以获得过渡过程测试中与其他参量信号同步变化的转速信号，并通过编写程序对所获得的信号进行处理，最终得到转速准确变化规律，该测速方法具有现场测试实施便捷、测量准确可靠等特点。

关键词水泵事故断电转速变化同步测量程序处理

转速变化过程测量是水力机械过渡过程测试的主要内容，转速发生变化意味着过渡过程的开始，通过对转速变化的测量，可以了解和掌握水力机械的过渡工作形态。水泵机组处于水力过渡过程工况时，机组转速发生变化，尤其是在机组事故断电停机过程中，机组转速从额定值降至为零，水流依靠惯性以逐渐减慢的速度继续向出水池方向流动，在重力水头的作用下，水流向泵站倒流，转速从零反向增大。水泵反转转速过高会引起机组剧烈振动和转子部分特别是电机转子的破坏，发生水锤引起管网压力降低，影响正常供水［1］，严重时，使水泵机组、管道破裂造成停水和淹没事故。离心泵事故断电过渡过程工况变化较快，经历从转速下降至反转到停机复杂的变化过程、压力上升时间较短，常规的稳态转速测量方式无法准确捕捉到转速的变化规律。本文详细介绍了一种在离心泵事故断电过渡过程中准确测量转速变化的方法。

1　离心泵事故断电转速测量

1.1事故断电过程转速变化特点

（1）瞬时性：水泵机组在事故断电过程工况时，转速变化较快，从机组失电开始，转速迅速下降最终到零。

（2）双向性：转速下降到零后，由于液压阀门关闭时间差，上库高压水流倒灌，离心泵转速反向增大，达到最高反向转速后由于液压阀门关闭，最终降为零。

1.2常用转速测量方法比较

转速的测量实际上就是对转子旋转引起的周期信号的频率进行测量［2］，常用转速测量方式有接触式和非接触式两种。

（1）机械式测速。机械式测速属于接触式测速，其方法是利用离心力的原理，通过随旋转轴转动的质量块如重锤来带动一个自由轴套运动，然后通过不同的转速对应不同的轴套位置来测定旋转轴转速。其原理简单直接，不用附加额外的电气设备，其精度不高，过渡过程试验中不推荐此种测量方法。

（2）光电式测速。光电式测速属于非接触式测速，该方法通过光电式转速传感器测量转速，主要是将光线的发射与被测转轴的转动相关联，再通过光敏元件接收光线的反射来完成的。光电转速传感器可分为反射光式光电转速传感器和投射光式光电传感器，两种方式都是通过传感器的光敏元件接收光线明暗变化，并发出电流脉冲信号，再通过计数计算出旋转轴的转速。缺点是对转速变化的测量效果较差。

（3）电磁式测速。电磁式测速属于非接触式测速，系统由电磁传感器和安装在旋转轴上的齿盘或者等间距的金属块组成。测量时旋转轴带动齿盘或金属块旋转，引起传感器电路磁阻发生变化或产生感应电涡流，经过整形发达后产生电脉冲信号，通过对脉冲信号计数可得到转速值。利用电磁变化测量转速的传感器有很多种，包括磁敏式传感器、磁电式传感器、变磁阻式传感器和电容式传感器等，电磁式测速的精度受到齿盘的加工精度、最小间隔的分辨能力和电路的最大计数频率影响。常用的有接近开关传感器，如霍尔转速传感器和电涡流转速传感器。

2　离心泵事故断电过渡过程转速测试

2.1制作和安装

过渡过程转速变化测量可采用电涡流传感器和安装在电动机与水泵的连接转动部件上的分度环来实现，分度环固定在旋转连接部件上，将连接部件等分为20份，电涡流传感器通过支架安装在垂直于分度环的方向上。

由于泵站现场已是安装好的机组设备，大多数泵组采用工频启动方式，转轴上没有现成的齿盘可用。可将柔性钢带齿轮条等间距粘接或焊接在轴上，为转速测量使用。

电涡流传感器探头线圈内高频振荡电流产生交变磁场，分度环随旋转轴转动，电涡流传感器探头线圈感受间隙的变化会使探头线圈的高频电流的幅值产生变化，通过电子线路处理后形成与金属环片距离有关系的变化的电流或电压信号输出。

电涡流传感器测量转速相比其他传感器有很大优势，频率响应为0～10 kHz，转速测量的频率响应范围广，对转速变化响应迅速，传感器输出信号的幅值较大，同时抗干扰能力强、安装方便。

2.2结果处理程序

过渡过程测量转速时，随着速度的变化，相同间隔的金属片经历的时间不同，可以得到一个序列不同宽度的瞬态信号。过渡过程转速处理程序编程的设计思想是基于VB语言开发平台，根据转速信号变化时所经历时间序列，编写程序进行计算分析获得过渡过程工况的转速变化曲线。

过渡转速变化曲线处理程序设计流程见图1，转速处理程序结果示意图见图2。

图1　过渡过程转速信号处理流程图

2.3结果分析

根据实际工程项目采用本过渡过程转速测量方法，对水泵机组事故断电工况的转速变化信号进行处理，以该工程项目4#机组为例，对事故断电工况转速信号进行处理后，获得了理想的转速变化过程线，对过渡过程转速上升率和最大转速值进行精确测量，机组反向最大转速及时间节点见表1，图3为液压阀接力器动作和转速变化关系曲线。

图2　转速数据处理示意图

表1　事故断电停机过程各机组最大反向转速和拐点时间

图3　4#机组事故断电停机过程液压阀动作与转速变化曲线

通过曲线结果可知，机组额定转速993 r/min，水泵事故断电发生后，在液压阀动作之前，机组转速骤然下降，断电后到接力器动作前转速下降速率为359 r/min；随着阀门开始关闭，转速迅速到零后反向增大，转速到零时间为阀门开始动作的3.2 s后，事故断电停机时，液压阀门两段关闭，在阀门第一段关闭结束时，转速反向达到最大值1 080 r/min，为额定转速的1.08倍。随着液压阀继续关闭而恢复到零。

3　转速测量中注意的问题

3.1采样频率确定

过渡过程测试由于其工况变化迅速、时间短的特点，数据采样频率设置较稳态工况测试要高，同时，参考该工程项目泵站机组设计招标合同文件要求规定，“水泵电动机组在不加制动的情况下的水泵最大稳态倒转飞逸转速不超过1 241 r/ min”，飞逸转频为20.68 Hz，每周期脉冲个数为20，则信号输出频率为413.67 Hz，为保证转速变化信号不丢失和输出信号幅值的不失真，对转速信号在一个周期内最少6次采集，因此，采样频率设置最低值不低于2 482.02 Hz，在采集仪通道采集最高采样频率满足要求和计算机存储容量满足的情况下，过渡过程测试可适当提高采样频率，本次测试采样频率设置为4 000 Hz。

3.2测试精度问题

过渡过程转速测量将旋转轴20等份，在一个周期内可输出20次脉冲信号，设置每周20个信号的目的是基于置信度区间的分析，测量到的离散转速变化尽量接近于转速变化真值。如将转速变化信号理想化为正弦信号来分析，如图4所示，假定正弦波的峰值为1，设置不同等分测点后，可以采样得到置信度不同的信号峰值，通过不同测点数比较，可知贴片数目越多，转速测量结果越接近于真值。满足工程使用的基础上，分为4等份，可得幅值信号置信度为86.6%，分为10等份，可得幅值信号置信度为95.5%，如分为20份，可得幅值信号置信度为 98.7%，超过统计规律对95%置信区间的要求，同时满足水力机械测试行业中常用的97%置信度要求。

图4　轴上不同贴片数量的测速幅值精度

4　结语

机组转速测量中，事故断电过渡过程变化转速测量相比较稳态转速测量，实现困难，难以精确获得，常用的转速测量手段获取长时间的累加信号，加上二次调理仪表的延迟、阻尼和消峰作用，很难实时、准确获得瞬时转速的变化规律；采用电涡流传感器直接获得转速变化的模拟信号，将其离散化后进行处理，根据不同时间间隔的脉冲信号计算出瞬时转速，得到转速变化规律。

本文提出在满足仪器量程范围和精度要求的情况下，可选用经济型传感器。对过渡过程中最为关注的转速变化规律，自行研制了测速装置，编制了过渡过程转速变化处理分析程序，可精确地得到机组事故断电过渡过程的转速变化规律。为今后进一步开展泵站、电站过渡过程转速现场测试，提供了可靠、精确的测试分析装备。

参考文献

［1］刘竹溪，刘光临.泵站水锤及其防护 ［M］.北京：水利电力出版社，1988.

［2］周正干，李然，李和平.高精度数字式转速测量系统的的研究［J］.测控技术，2000，19（5）：60-62.

［3］王成栋，朱永生，康荣学，等.基于电涡流传感器的转速测量方法研究［J］.仪表技术与传感器.2003（6）：45-47.

贾瑞旗男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

孙立宁男工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

闫宇女助理工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

何成连男教授级高级工程师中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

中图分类号TH311

文献标识码A

文章编号1007-6980（2016）01-0051-03

作者简介

收稿日期（2015-11-18）