賈瑞旗 閆 宇 張弋揚 張 馳

1 水力機械現(xiàn)場測試概述

水力機械是一門以試驗科學(xué)為主的學(xué)科，高精度的水力機械試驗設(shè)備及測試技術(shù)是設(shè)計開發(fā)和驗證新型水力機械產(chǎn)品的必要條件，也是研究解決現(xiàn)場運行中出現(xiàn)異常故障的重要手段。對于水力機械的研究有模型試驗、仿真計算和現(xiàn)場測試3種手段，3種手段側(cè)重方向不同，目的也有差別，現(xiàn)場測試能對模型試驗和仿真計算進行驗證和校核，真實反映真機的運行特性，為機組安全、經(jīng)濟運行提供技術(shù)數(shù)據(jù)，也能校驗設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量水平。

1.1 水力機械現(xiàn)場測試作用和內(nèi)容

水力機械現(xiàn)場測試具有模型試驗和仿真計算不可替代的作用，現(xiàn)場試驗具備以下的特點和作用，服務(wù)方向是生產(chǎn)運行、工程驗收、改造設(shè)計、解決實際問題和促進專業(yè)技術(shù)進步等，具體作用如下[1]：

（1）可以做模型試驗不能模擬的試驗，比模型試驗更能發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)和科研中提出的問題；

（2）可以正確了解機組在電氣、機械、水力等方面的運行特性，鑒定水力機組的各種工作參數(shù)；

（3）檢驗機組的理論、計算方法，根據(jù)現(xiàn)場試驗的資料積累，能為發(fā)展新型結(jié)構(gòu)和新型機組提供資料；

（4）是鑒定機組的設(shè)計是否合理、制造和安裝質(zhì)量優(yōu)劣的有效手段和可靠依據(jù)；

（5）為系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行提供可靠地運行資料，正確指導(dǎo)到電站、泵站的運行。

根據(jù)機組的安全經(jīng)濟運行和可靠性要求，水力機械現(xiàn)場測試的內(nèi)容主要有以下幾個方面：

（1）反映能量特性和水電廠、泵站優(yōu)化方面的試驗；

（2）反映調(diào)速系統(tǒng)和調(diào)速器性能，以及因調(diào)速器和性能引起的機組過渡過程方面的試驗；

（3）反映機組安全運行的穩(wěn)定性方面的試驗；

（4）反映機組主要設(shè)備部件的結(jié)構(gòu)、運行性能和力學(xué)特性方面的試驗；

（5）反映機組軸承結(jié)構(gòu)運行特性及潤滑特性方面的試驗；

（6）反映機組過流部件的空蝕磨損特性方面的試驗等。

1.2 水力機械現(xiàn)場測試技術(shù)進展

我國水力機械現(xiàn)場測試技術(shù)的發(fā)展基本在20世紀(jì)80年代之后，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、傳感器技術(shù)，尤其是信息技術(shù)的發(fā)展，包括自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的進步，推動水力機械測試技術(shù)的迅猛發(fā)展，同時，測試技術(shù)的發(fā)展又促進科技的發(fā)明和創(chuàng)新，也給水力機械的智能測試技術(shù)帶來了新的發(fā)展動力。流量、壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩等參數(shù)的新的電子測量設(shè)備替代原來的老舊設(shè)備。智能電磁流量計、超聲波流量計、智能壓力變送器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、微機扭矩儀、單片機、PLC等先進的電子裝置迅速地被應(yīng)用于智能的自動測試系統(tǒng)中，極大地提高了測試體系的自動化程度、測試精度、響應(yīng)速度和人工效率[2]。

近些年來，國內(nèi)水力機械現(xiàn)場測試技術(shù)得到很大提高，對機組性能常規(guī)測試和專項參數(shù)測試方面的技術(shù)已進入國際先進水平，逐步參與國際上相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和討論，參加和召開專業(yè)國際會議，越來越多地發(fā)出自己的聲音，同時國內(nèi)水力機械現(xiàn)場測試技術(shù)方面，制定和完善了與IEC、ISO等接軌的國家標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)場試驗技術(shù)更加規(guī)范化，重要參數(shù)的測試儀器需經(jīng)過國家認(rèn)可、授權(quán)的計量機構(gòu)的鑒定并保證在有效檢定周期內(nèi)。

試驗內(nèi)容從常規(guī)的性能試驗、運行穩(wěn)定性試驗逐漸擴展到專項參數(shù)試驗研究、關(guān)鍵部件的應(yīng)力測試、轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力測試等方面，中國水利水電學(xué)研究院在2002年開展了“大型水泵、水輪機動應(yīng)力測試技術(shù)研究及裝置研發(fā)”等課題研究[3]，并進行了國內(nèi)。外的若干電站機組的轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力測試，東方電機廠、中國水科院、華中科技大學(xué)等也合作開展過大朝山電站6#機組。李家峽電站1#機組轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力的現(xiàn)場測試，均取得不錯的效果。

部分測試機構(gòu)已根據(jù)機組內(nèi)部壓力脈動測試和過流部件應(yīng)力變化測試情況，結(jié)合模型試驗和仿真計算開展了內(nèi)部流場和渦帶研究工作，對尾水管渦帶振動、高水頭機組梳齒自激振動、引水系統(tǒng)共振等振動穩(wěn)定性問題開展較為系統(tǒng)的試驗研究[2]，提出了一些新穎的理論并逐步通過現(xiàn)場測試得到了驗證。

2 現(xiàn)場測試主要參數(shù)及方法

水力機械現(xiàn)場測試中，較為重要的參數(shù)一類為表征機組性能指標(biāo)的參數(shù)，如：水頭（揚程）、功率、流量等；另一類為表征運行穩(wěn)定性能方面的參數(shù)，如：轉(zhuǎn)速、振動、擺度、壓力脈動、噪聲、葉片動應(yīng)力等。按照性質(zhì)和測試對象可分：機械參數(shù)、水力參數(shù)、電氣參數(shù)、力學(xué)參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)和熱量參數(shù)等[1]，不同參數(shù)的測試方法有多種，但現(xiàn)在主要的、使用較多的是非電量（包括一些電參數(shù)）的電測法。

同一參數(shù)在不同的運行工況測試時，根據(jù)信號變化情況會選用不同采集方式和傳感器，穩(wěn)定運行工況，各參數(shù)變化較為穩(wěn)定。對于過渡過程測試工況，由于信號變化較為迅速，歷時較短，變化不容易捕捉的特點，需要測試儀器具備高精度、高分辨率和較好的采集同步性。

進、出口壓力測量（水頭），一般采用高精度的壓力（壓差）傳感器，安裝在機組水力測量斷面引出管路（水輪機）上或者直接安裝在測量斷面（水泵）上，通過測得的壓力差值并計入位能和速度能，可較為準(zhǔn)確獲得工作水頭或揚程參數(shù)，對于不滿足條件的機組，也可采用測量上、下游液位或者吸入式水頭測量裝置獲得毛水頭。

現(xiàn)場流量測量方法很多，流量的測量直接決定了試驗的規(guī)模和性質(zhì)，適用于現(xiàn)場測試的方法有：流速儀法、水錘法（壓力時間法）、示蹤法、超聲波法、蝸殼壓差法等，在水力發(fā)電機組上，應(yīng)用較多的是蝸殼壓差法測量相對流量，或者根據(jù)模型試驗所得的流量系數(shù)換算到原型機組上，得到過機絕對流量，小型水泵機組有時采用電磁流量計或超聲波流量計測量流量。

機組轉(zhuǎn)速測量一般采用齒盤測試方式，在甩負(fù)荷、水泵掉電等過渡過程工況中轉(zhuǎn)速測量尤為重要，采用電渦流傳感器直接將模擬信號引出至計算機采集系統(tǒng)，利用時差法對變化的轉(zhuǎn)速信號進行后續(xù)處理，得到變化的轉(zhuǎn)速曲線（如圖1所示），電渦流傳感器測量轉(zhuǎn)速較其他傳感器有很大優(yōu)勢，頻率響應(yīng)為0～10 kHz，轉(zhuǎn)速測量的頻率響應(yīng)范圍廣，對轉(zhuǎn)速變化響應(yīng)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。過渡過程轉(zhuǎn)速測量時，應(yīng)注意動態(tài)采集系統(tǒng)設(shè)置合適的采樣頻率和測試精度問題，保證測量到的離散轉(zhuǎn)速變化盡量接近于轉(zhuǎn)速變化真值。

圖1 過渡過程轉(zhuǎn)速變化示意圖

水力機械振動參數(shù)測量方面，由于機組主頻多為低頻，多采用電磁式低頻速度振動傳感器進行測量，業(yè)內(nèi)研究人員越來越多地呼吁采用振動速度指標(biāo)來評判機組振動情況。

軸擺度采用非接觸式的電渦流位移傳感器測量，獲取大軸相對擺度和軸心運動軌跡，并可獲得整體軸線在空間的運行姿態(tài)，絕對擺度測量值通過合成也可得到大軸運行偏移值。

甩負(fù)荷、水泵掉電工況閥門動作規(guī)律測試，可采用角位移傳感器或者拉線位移傳感器測量閥門開度變化和規(guī)律，獲取動作規(guī)律曲線并和轉(zhuǎn)速、出口壓力、流量的過度指標(biāo)比較，驗證調(diào)保計算的合理性和改進操作流程，在甩負(fù)荷和水泵掉電測試中，故障信號到動作信號的滯后時間也是應(yīng)該重點關(guān)注的問題，準(zhǔn)確獲得從故障信號開始到設(shè)備動作信號的時間差，可以對調(diào)保計算改進的邊界條件選取提供依據(jù)（如圖2所示）。

水力機械的力特性試驗是現(xiàn)場測定零部件受力狀態(tài)的試驗，可分為非旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)部件和進水閥門的力特性試驗，例如蝸殼的應(yīng)力測量、部件剛度測量、推力軸承（導(dǎo)軸承）的力特性、主軸力特性（軸向力和扭矩測量）以及轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力和閥門的動水啟閉試驗等，多采用應(yīng)變片法測量，采用金屬鉑基應(yīng)變片（應(yīng)變花）粘貼在測點部位，根據(jù)不同構(gòu)件的形狀、尺寸、受力方向合理布置一組或者多組應(yīng)變片（應(yīng)變花），將被測構(gòu)件表面指定點的應(yīng)變變化值轉(zhuǎn)換為應(yīng)變片電阻的變化值，再通過電阻應(yīng)變儀轉(zhuǎn)換為電壓（電流）的變化值，調(diào)理后進行記錄并根據(jù)不同材料的彈性模量最終得出該部件測點的表面應(yīng)力值和方向。

圖2 水泵事故斷電試驗關(guān)機過程系統(tǒng)動作時間曲線

靜態(tài)應(yīng)力和動態(tài)應(yīng)力測量接線方法相同，根據(jù)測點部位不同可以采用直接連線和無線測量方式，旋轉(zhuǎn)部件和水下測點一般采用無線遙測方式，同時要注意測點的防水、防沖擊保護，應(yīng)變片到應(yīng)變儀的連接線走線和保護方法。

其中，隨著大型、巨型機組的投產(chǎn)，葉片裂紋和斷裂問題也越來越多的發(fā)生，對關(guān)鍵部件的交變應(yīng)力研究和轉(zhuǎn)輪葉片的動應(yīng)力變化研究也引起極大重視，轉(zhuǎn)輪葉片動應(yīng)力測試由于其測點布置位置和信號傳輸方式，國內(nèi)外測試機構(gòu)采用無線遙感方式進行測量，應(yīng)變測點位于水下，采用高性能的金屬防護膠劑進行封裝，并確保表面光滑以減少對水流的阻力，并將無線應(yīng)變測量系統(tǒng)封裝、固定在泄水錐內(nèi)部或者轉(zhuǎn)輪的操作機構(gòu)內(nèi)，采用無線傳輸協(xié)議獲得數(shù)據(jù)。

3 現(xiàn)場測試技術(shù)發(fā)展趨勢

水力機械現(xiàn)場測試技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展進步，自動采集和傳輸數(shù)據(jù)，隨著傳感器的高分辨，數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的提高，減少了隨機誤差和過失誤差，極大提高測試精度；現(xiàn)場測試系統(tǒng)應(yīng)綜合現(xiàn)代的檢測技術(shù)、智能控制技術(shù)、云傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和電子計算機技術(shù)等進行自動數(shù)據(jù)測試，可實現(xiàn)實時調(diào)節(jié)，實時測試，能夠快速采樣和處理，提高測試系統(tǒng)的自動化程度。

測試內(nèi)容從外特性逐步延伸到內(nèi)特性的測試上，從常規(guī)性能試驗到單個特性參數(shù)的深入研究發(fā)展，對流道內(nèi)和葉片上的流速分布、壓力分布進行測試，葉片空化等內(nèi)特性的測試，這些內(nèi)容研究成果會對水力機械基礎(chǔ)理論的發(fā)展、設(shè)計的創(chuàng)新和性能的改進產(chǎn)生重要的影響。

基于當(dāng)前逐步完善的水力機械在線監(jiān)測系統(tǒng)并結(jié)合離線測試手段，進一步提高在線診斷、分析能力，建立數(shù)據(jù)庫，開展故障預(yù)防和關(guān)鍵部件的壽命預(yù)測，合理規(guī)劃檢修間隔并防范危害進一步發(fā)展，通過現(xiàn)場關(guān)鍵部件的應(yīng)力測試，轉(zhuǎn)輪葉片及其它關(guān)鍵部件的疲勞損傷累積及疲勞壽命估算是未來評價水力機械安全可靠運行的一個方向[4]。