大型抽水蓄能機(jī)組機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)控制策略研究

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(河南國(guó)網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453636)

1 前言

抽水蓄能機(jī)組具有雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行、水頭高、轉(zhuǎn)速高、啟動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，在電網(wǎng)中一般承擔(dān)著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。機(jī)組機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)是抽水蓄能機(jī)組發(fā)電電動(dòng)機(jī)的重要輔助設(shè)備，在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)、工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中以及機(jī)組蠕動(dòng)監(jiān)測(cè)控制中起到機(jī)組制動(dòng)作用，減少機(jī)組的惰性運(yùn)行時(shí)間，以達(dá)到保護(hù)機(jī)組推力軸承瓦和縮短停機(jī)時(shí)間。有些機(jī)組機(jī)械制動(dòng)設(shè)計(jì)還兼有頂轉(zhuǎn)子功能，在機(jī)組檢修需要頂轉(zhuǎn)子時(shí)使用。

機(jī)械制動(dòng)高速投入、帶機(jī)械制動(dòng)升速等惡性故障偶有發(fā)生，可能造成發(fā)電電動(dòng)機(jī)粉塵污染、機(jī)組軸系偏移、機(jī)械結(jié)構(gòu)受損、制動(dòng)器損壞、制動(dòng)環(huán)損壞等嚴(yán)重后果，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，完善的控制策略可以最大限度的避免惡性故障的發(fā)生，提高機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20834-2014《發(fā)電電動(dòng)機(jī)基本技術(shù)條件》中規(guī)定發(fā)電電動(dòng)機(jī)應(yīng)同時(shí)設(shè)置機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)裝置。正常停機(jī)一般在轉(zhuǎn)速下降至50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)投入電氣制動(dòng)，轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降至(5%～10%)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，再投入機(jī)械制動(dòng)直至停機(jī)。機(jī)械制動(dòng)裝置單獨(dú)用于緊急停機(jī)時(shí)，應(yīng)能在發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降至(20%～30%)額定轉(zhuǎn)速時(shí)投入直至停機(jī)。在滿足機(jī)組停機(jī)時(shí)間要求的情況下，從保護(hù)機(jī)械制動(dòng)設(shè)備(制動(dòng)器、制動(dòng)環(huán))角度，機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)速宜取較小值。本文討論過(guò)程中，正常停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)速取5%額定轉(zhuǎn)速，事故停機(jī)時(shí)及工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)速取20%額定轉(zhuǎn)速。

2 一般原則

(1)大型抽水蓄能電站一般按照無(wú)人值班(少人值守)設(shè)計(jì)，監(jiān)控自動(dòng)化技術(shù)設(shè)計(jì)及配置水平較高，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)核心控制器均采用冗余配置，可靠性和安全性較高。機(jī)組機(jī)械制動(dòng)一般不單獨(dú)設(shè)置機(jī)械制動(dòng)控制系統(tǒng)，其控制程序在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)，可充分利用監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)完善的控制邏輯。機(jī)械制動(dòng)控制程序流程不宜單獨(dú)設(shè)置，宜結(jié)合機(jī)組工況轉(zhuǎn)換流程，特別是啟停機(jī)流程統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，是機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程的一部分，機(jī)械制動(dòng)投/退由程序全自動(dòng)控制。

(2)機(jī)械制動(dòng)控制應(yīng)考慮機(jī)組各種工況轉(zhuǎn)換的需求，包括正常停機(jī)、電氣事故停機(jī)、機(jī)械事故停機(jī)、水泵斷電、抽水轉(zhuǎn)發(fā)電、軸承瓦溫異常、機(jī)組啟動(dòng)、機(jī)組蠕動(dòng)、高速誤投制動(dòng)等情況下機(jī)械制動(dòng)控制策略及安全閉鎖。

(3)機(jī)械制動(dòng)控制的安全性，一方面基于順控流程，機(jī)械制動(dòng)的投/退隨機(jī)組順控流程進(jìn)行控制，保證機(jī)械制動(dòng)投/退令的安全性；另一方面機(jī)械制動(dòng)投入令程序邏輯出口應(yīng)考慮轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置是否正常、機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)組出口斷路器位置、導(dǎo)葉位置、主進(jìn)水閥位置等安全閉鎖條件，相關(guān)信號(hào)異常時(shí)流程應(yīng)閉鎖機(jī)械制動(dòng)投入。

(4)機(jī)械制動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)應(yīng)有防止機(jī)組帶機(jī)械制動(dòng)升速和機(jī)組高轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械制動(dòng)異常投入的控制策略。

(5)機(jī)械制動(dòng)用機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)宜取自不同的設(shè)備或系統(tǒng)，形成冗余的轉(zhuǎn)速條件校驗(yàn)。

3 機(jī)組正常停機(jī)/機(jī)械事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制策略

機(jī)組各運(yùn)行工況正常停機(jī)時(shí)，停機(jī)簡(jiǎn)要過(guò)程為：減機(jī)組有功功率、無(wú)功功率，分機(jī)組出口斷路器、關(guān)導(dǎo)葉、關(guān)主進(jìn)水閥，退勵(lì)磁，機(jī)組轉(zhuǎn)速小于90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)啟動(dòng)推力軸承高壓油頂起裝置，機(jī)組轉(zhuǎn)速小于50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)投電氣制動(dòng)，轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速時(shí)投機(jī)械制動(dòng)直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為0。機(jī)械制動(dòng)控制策略如圖1所示。此控制策略適用于機(jī)組所有運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的正常停機(jī)過(guò)程。

若機(jī)組停機(jī)時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速且機(jī)械制動(dòng)投入相關(guān)條件滿足，則直接投機(jī)械制動(dòng)直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為0。

若機(jī)組停機(jī)過(guò)程中電氣制動(dòng)不可用，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于20%額定轉(zhuǎn)速且機(jī)械制動(dòng)投入相關(guān)條件滿足時(shí)，則投機(jī)械制動(dòng)直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為0。

若機(jī)組停機(jī)過(guò)程中電氣制動(dòng)可用，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速小于50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，投電氣制動(dòng)，若機(jī)組有軸承瓦溫二級(jí)高或機(jī)組振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降至20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)械制動(dòng)投入相關(guān)條件滿足，投機(jī)械制動(dòng)使機(jī)組轉(zhuǎn)速快速降至0；其他情況下機(jī)組轉(zhuǎn)速機(jī)械下降至5%額定轉(zhuǎn)速，機(jī)械制動(dòng)投入相關(guān)條件滿足，投機(jī)械制動(dòng)直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為0。

4 機(jī)組電氣事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制策略

機(jī)組電氣事故停機(jī)時(shí)，停機(jī)簡(jiǎn)要過(guò)程為：直接分機(jī)組出口斷路器、退勵(lì)磁、關(guān)導(dǎo)葉、關(guān)主進(jìn)水閥，電氣制動(dòng)被閉鎖，機(jī)組轉(zhuǎn)速小于90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)啟動(dòng)推力軸承高壓油頂起裝置，機(jī)組轉(zhuǎn)速小于20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)投機(jī)械制動(dòng)直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為0。為了減少機(jī)組的惰性運(yùn)行時(shí)間，以保護(hù)機(jī)組推力軸承瓦和縮短停機(jī)時(shí)間，機(jī)械制動(dòng)將在較高轉(zhuǎn)速時(shí)投入，控制示意圖如圖2所示。

機(jī)組水泵工況斷電是電氣事故停機(jī)的其中一種，在停機(jī)過(guò)程中，若水力過(guò)渡過(guò)程調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果顯示機(jī)組可能會(huì)發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)有技術(shù)措施防止機(jī)組反向旋轉(zhuǎn)帶制動(dòng)升速，可在機(jī)械制動(dòng)投/退令邏輯出口采用圖3示意的機(jī)組轉(zhuǎn)速限制邏輯。

5 機(jī)組抽水工況轉(zhuǎn)發(fā)電工況過(guò)程中機(jī)械制動(dòng)控制策略

機(jī)組抽水工況轉(zhuǎn)發(fā)電工況一般有兩種控制過(guò)程，一種是緊急轉(zhuǎn)換，機(jī)組在較高轉(zhuǎn)速時(shí)即打開(kāi)導(dǎo)葉，用水力使機(jī)組轉(zhuǎn)速快速下降并進(jìn)行水輪機(jī)方向升速直至機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電工況運(yùn)行，工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中不投機(jī)械制動(dòng)；一種是停機(jī)轉(zhuǎn)換，機(jī)組正常停機(jī)至轉(zhuǎn)速為0時(shí)再打開(kāi)導(dǎo)葉使機(jī)組水輪機(jī)方向升速直至機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電工況運(yùn)行，工況轉(zhuǎn)換過(guò)程若正常轉(zhuǎn)換或發(fā)生機(jī)械事故停機(jī)，機(jī)械制動(dòng)控制策略參見(jiàn)“機(jī)組正常停機(jī)/機(jī)械事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制策略”，若工況轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生電氣事故停機(jī)，機(jī)械制動(dòng)控制策略參見(jiàn)“機(jī)組電氣事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制策略”。

6 機(jī)組發(fā)生蠕動(dòng)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制策略

對(duì)于停機(jī)工況機(jī)械制動(dòng)為退出狀態(tài)的機(jī)組，在停機(jī)工況時(shí)，由于導(dǎo)葉漏水量大等因素導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)應(yīng)投入機(jī)械制動(dòng)，消除機(jī)組蠕動(dòng)以保護(hù)軸承軸瓦。機(jī)組發(fā)生蠕動(dòng)時(shí)機(jī)械制動(dòng)的控制策略如圖4所示。

7 機(jī)組高轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械制動(dòng)異常投入控制策略

機(jī)組高轉(zhuǎn)速機(jī)械制動(dòng)異常投入可能會(huì)造成發(fā)電電動(dòng)機(jī)粉塵污染、機(jī)組軸系偏移、機(jī)械結(jié)構(gòu)受損、制動(dòng)器損壞、制動(dòng)環(huán)損壞等嚴(yán)重后果，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，一方面程序設(shè)計(jì)和硬布線控制回路應(yīng)有防止高速誤投機(jī)械制動(dòng)的技術(shù)措施；另一面當(dāng)機(jī)組發(fā)生高轉(zhuǎn)速機(jī)械制動(dòng)異常投入時(shí)，應(yīng)有相應(yīng)的控制措施，在機(jī)械制動(dòng)控制程序中設(shè)計(jì)如下控制邏輯：當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速高于設(shè)定值時(shí)(一般設(shè)定值為25%額定轉(zhuǎn)速)，出現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)投入狀態(tài)信號(hào)或機(jī)械制動(dòng)未退出狀態(tài)信號(hào)或機(jī)械制動(dòng)投入腔有壓信號(hào)，立即發(fā)出退機(jī)械制動(dòng)指令并保持退出令，同時(shí)閉鎖機(jī)械制動(dòng)投入并發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，經(jīng)短延時(shí)后若機(jī)械制動(dòng)機(jī)械制動(dòng)投入或機(jī)械制動(dòng)未退出狀態(tài)信號(hào)仍然存在，執(zhí)行停機(jī)，機(jī)械制動(dòng)控制策略如圖5所示。

圖1 機(jī)組正常停機(jī)/機(jī)械事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制示意圖

圖2 機(jī)組電氣事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制示意圖

圖3 機(jī)械制動(dòng)投/退令邏輯出口示意圖

8 防止機(jī)組帶機(jī)械制動(dòng)升速的控制策略

機(jī)組帶機(jī)械制動(dòng)升速可能造成發(fā)電電動(dòng)機(jī)粉塵污染、制動(dòng)器損壞、制動(dòng)環(huán)損壞、機(jī)組軸系偏移、機(jī)械結(jié)構(gòu)受損等嚴(yán)重后果，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，此類(lèi)故障一般發(fā)生在機(jī)組啟動(dòng)階段，也可能發(fā)生在機(jī)組水泵斷電停機(jī)過(guò)程中，為防止發(fā)生此類(lèi)故障，一般采取以下控制策略。

(1)對(duì)于設(shè)計(jì)上停機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)械制動(dòng)保持投入的，“機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)投入”、“機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)可用”信號(hào)應(yīng)作為機(jī)組啟動(dòng)的初始條件，條件不滿足時(shí)閉鎖啟動(dòng)機(jī)組。

圖4 機(jī)組發(fā)生蠕動(dòng)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制示意圖

圖5 機(jī)組高轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械制動(dòng)異常投入控制示意圖

(2)對(duì)于設(shè)計(jì)上停機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)機(jī)械制動(dòng)退出的，“機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)退出”、“制動(dòng)系統(tǒng)可用”信號(hào)應(yīng)作為機(jī)組啟動(dòng)的初始條件，條件不滿足時(shí)閉鎖啟動(dòng)機(jī)組。

(3)機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中，流程執(zhí)行到退機(jī)械制動(dòng)的相關(guān)步時(shí)，無(wú)論當(dāng)前機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)是投入還是退出，均應(yīng)無(wú)條件發(fā)機(jī)械制動(dòng)退出令(指令寬度應(yīng)確保機(jī)械制動(dòng)可靠退出)，命令發(fā)出后，必須收到“機(jī)械制動(dòng)退出”和“機(jī)械制動(dòng)投入腔無(wú)壓”信號(hào)并經(jīng)延時(shí)后，流程方可繼續(xù)執(zhí)行下一步。

(4)機(jī)組水泵工況斷電停機(jī)過(guò)程中，若水力過(guò)渡過(guò)程調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果顯示機(jī)組可能會(huì)發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)有技術(shù)措施防止機(jī)組反向旋轉(zhuǎn)帶制動(dòng)升速，可參見(jiàn)圖3。

9 結(jié)束語(yǔ)

大型抽水蓄能機(jī)組水頭高、轉(zhuǎn)速高，機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作異常會(huì)造成嚴(yán)重不良后果，完善的控制策略和程序設(shè)計(jì)是保證機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)安全可靠工作的基礎(chǔ)。本文討論了機(jī)械制動(dòng)在機(jī)組各種工況轉(zhuǎn)換中及異常情況下的控制策略，包括機(jī)組正常停機(jī)、機(jī)械事故停機(jī)、電氣事故停機(jī)、水泵斷電、抽水轉(zhuǎn)發(fā)電、軸承瓦溫異常、機(jī)組啟動(dòng)、機(jī)組蠕動(dòng)、高轉(zhuǎn)速機(jī)械制動(dòng)異常投入等情況下機(jī)械制動(dòng)控制策略及安全閉鎖，對(duì)大型抽水蓄能機(jī)組機(jī)械制動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。