水輪發電機組高精度水平測量和數據分析方法

摘 要：水平度是機組安裝的重要檢測項目，有很多種測量儀器和測量方法。為了便于分析水平測量的數據結果，利用計算機軟件，實現測量結果的可視化。本文分析了一些高精度水平測量的方法和數據分析方法，對提高機組安裝精度和水平可以起到一些指導作用。

關鍵詞：水平測量；精密水準儀；水平儀；CAYERE法

中圖分類號：TV221.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-02

隨著近些年來巨型機組越來越多，尺寸越做越大，機組安裝的精度要求也隨著加工制造水平不斷提高。水平度作為水輪發電機組安裝過程中非常重要的檢測項目，測量方法和數據分析手段也在不斷的創新，以適應高精度的測量要求。

水平度反映了被測工件面上各點相對于水平面的高低關系，表示方法一般有兩種：一種是直接測量兩點高程差的絕對高差值，單位有mm等，另一種是兩點之間高程差除以兩點之間距離的相對高差值，單位有mm/m、角秒（″）等。測量絕對高差時主要采用測量學方法，常用的儀器有水準儀、帶測微器的精密水準儀、電子水準儀、流體靜力水準等。測量相對高差主要采用機械工程測量方法，常用的儀器有框式水平儀、合像水平儀、電子水平儀等。

一、基于絕對高差值的測量方法

機組安裝中測量絕對高差最為常用的是光學水準儀，適用于測量視距大于水準儀最小焦距（一般為1.5m左右）的情況，使用任何水準儀進行精密水平測量時，都必須注意以下事項：（1）水準儀使用必須具備的環境條件。目前常用的水準儀都是自動安平水準儀，通過自動安平補償器使視線水平時標尺上的正確讀數通過補償器后仍舊落在水平十字絲上。自動安平補償器的靈敏度非常高，有輕微振動時十字絲都會出現晃動。所以在使用時一方面要保證儀器的支架要十分穩固，不允許有絲毫晃動，另一方面應避免周圍環境中風力、交叉作業的影響；（2）水準儀距離測點的距離盡可能接近。根據相關工程測量規范，一、二等水準測量時i角（儀器水準軸與視準軸在鉛垂面上投影的交角）誤差必須調校至15\"以內。即便按此i角允許誤差要求，兩測點視距之間每相差1m產生的測量誤差為：1000×tan（15″）=0.073mm，在機組安裝中已經屬于較大的測量偏差了。只有測點之間視距相等，由i角產生的誤差在高差計算中相互抵消，例如測量兩點間高差時，可以選擇放置在兩點的垂直平分線上，在測量座環、底環等大型環形工件的水平時最好將儀器放置在中心位置；（3）立尺時必須確保水準尺垂直度。以1m的視線高為例，水準尺每前后傾倒10mm產生的高程差影響為1000×（1-C0S（10/1000））=0.05mm。為消除水準尺垂直度的影響，應在測量過程中減小視線高度，使用深度尺、鋼板尺等小尺寸量具作為標尺，或者使用帶有水準氣泡的變形監測專用銦鋼尺。

（一）普通水準儀配合游標卡尺測量法

將水準儀安平于可觀測到所立游標卡尺的適宜高度，為保證垂直度和穩定，可將游標卡尺靠在磁性表座上，底部與待測面貼緊。讀數時觀測者通過水準儀指揮把尺者緩慢微調游標，使游標的某一刻度線重合于水準儀十字絲的水平中絲，此時游標卡尺的讀數即為該點的水準儀讀數。每個測點讀數時游標應對準同一刻度，對比相互之間的讀數差值即絕對高差。此方法測量的讀數精度一般為0.02mm。

（二）帶測微器的精密水準儀測量法

精密水準儀一般配備了光學測微裝置，將配套水準尺上的最小分化進行細分，測定小于水準尺最小分劃值的尾數，進而提高在水準尺上的讀數精度。一般精密水準儀將水準尺10mm分劃成100格，可以讀到0.1mm，估讀至0.01mm。德國蔡司廠生產的Ni004、Ni007等精密水準儀則是將5mm的最小刻度分劃成100格，可以讀到0.05mm，估讀至0.005mm。精密水準儀讀數時需要通過測微螺旋上下微調望遠鏡的十字絲來對準同一刻度，此時測微器的讀數差即為絕對高差。

（三）電子水準儀

電子水準儀是以自動安平水準儀為基礎，在望遠鏡光路中增加了分光鏡和探測器（CCD），并采用條碼水準標尺和圖象處理電子系統構成的光機電測一體化的高科技產品，與傳統水準儀相比讀數客觀、精度高、速度快、效率高等特點。采用普通標尺時，又可以像一般水準儀一樣使用。目前市場上常見的天寶DiNi03、徠卡BT28-DNA03等電子水準儀讀數分辨率均達到了0.01mm。

（四）流體靜力水準測量法

液體靜力水準多用于高程變形監測等精密工程測量作業，由于它具有高精度、自動化、長期多點同時測量、安裝簡單的特點，可以引入到水平測量中，特別是座環、蝸殼澆筑過程中的監測。

二、基于相對高差值的測量方法

測量相對高差值一般使用各種水平儀，其中合像水平儀在精密水平測量中最為常用，使用水平儀測量時，應注意以下事項：（1）測量前應認真清洗測量面并擦干，檢查測量表面是否有劃傷、銹蝕、毛刺等缺陷；（2）水準器內液體對溫度影響變化較大，因此，應注意手熱、陽光直射、哈氣等因素對水平儀的影響；（3）讀數時，應在垂直水準器的位置上進行讀數，以減少視差對測量結果的影響；（4）測量時應檢查零位是否正確。操作時可以通過翻轉測量法獲得準確讀數，消除零位誤差，如果零位偏差較大則需要使用調整針對零位進行校正調整。

（一）水平梁測量法

水平梁測量法是經典的水平測量法，制作適當長度的平梁，加大水平儀測量的距離。在中間的頂部焊接一塊經過精細加工的座板，用以放置水平儀。在兩端的底面上安裝三個球形頭螺栓支撐，三個支點所在的平面應調整至與座板頂面平行。操作時為了消除水平儀及梁的誤差，水平儀在梁上的位置必須固定，水平儀與梁要一起調頭，取平均值計算的方法計算水平度誤差。只要平梁剛度足夠，跨距適合，把水平儀放在梁上就可以直接測量大尺寸平面上兩點的水平度誤差。

（二）“CAYERE”法

針對水平梁法長度固定，無法準確反映水平波浪度的情況，可以采用首尾銜接多點連續的測量方法。對于需要測量座環、底環、大軸法蘭等大的環形面，可以沿圓周方向連續測量，可以得到一條反映圓周水平波浪變化的曲線，此方法稱為“CAYERE”法，由ALSTOM在三峽使用后，國內很多電站都進行了推廣和嘗試，收到了良好的效果。

（三）網格法

對于設備基礎等比較大的平面，可以采用“網格法”，將測量面劃分成矩形方格網，用水平儀測量每條矩形邊的水平值，從而得到一個反應水平趨勢變化的曲面。

三、水平測量數據分析方法

水平測量的數據分析主要用來反映高低變化的趨勢，以便分析不平度產生的原因，采取相應的處理措施。為反映高低變化的趨勢，需要先將測量數值轉化成相對于某一點的絕對差值，然后利用計算機軟件方便地呈現出來。

用EXCEL“圖表法”繪制趨勢線。EXCEL是比較常用的辦公軟件，在線狀或環形的連續測量情況可以直觀的反映水平變化情況。下表1是某大型電站的分瓣座環組裝過程中的某次測量結果，采用的設備為蔡司NI007自動安平水準儀，測微器將5mm分成100份，測微器讀數的單位為0.005mm，各點與1#測點的高差均可用EXCEL的公式計算功能方便的計算出來。

表1 水平測量數據實例

用EXCEL的圖表功能，插入“折線圖”，并就可以直觀地去抓主要矛盾，調整9#點和14#點附近的高點。

圖1 用EXCEL圖表反映的水平曲線

四、結束語

本文所述的水平測量方法及數據處理方法，在很多電站機組安裝調整中起到了良好的指導作用。計算機的運算反映的是數據可視化后的趨勢，真正數據的準確度取決于測量的精度，因此，無論使用什么儀器或軟件，都需要通過發揮人的主觀能動性，積極探索實踐，消除儀器自身帶來的各種誤差和人為讀數誤差，這才是提高安裝質量的關鍵。

參考文獻：

[1]喬新義.“Cayere”法測量工件水平[J].中國三峽建設，2003（12）：28-32.

[2]張志涌.精通Matlab6.5[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[作者簡介]錢建波（1971.05-），男，湖北大悟人，學士學位，葛洲壩集團機電建設有限公司，副總經理，高級工程師，研究方向：水電站機組安裝。