抽水蓄能電站機(jī)械制動(dòng)控制原理及應(yīng)用

張博倫

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

1 引言

抽水蓄能機(jī)組具有啟動(dòng)頻繁、水頭高、雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)行等特點(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)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，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%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)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、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。通過(guò)對(duì)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)優(yōu)化，可以顯著降低故障發(fā)生概率，提高機(jī)組的安全性和可靠性。

2 機(jī)械制動(dòng)原理闡述

2.1 低壓氣系統(tǒng)原理圖

沙河抽水蓄能電站機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)由4只制動(dòng)風(fēng)閘、1套移動(dòng)式頂轉(zhuǎn)子油泵、制動(dòng)環(huán)及相關(guān)管路等組成。正常工作時(shí)，機(jī)械制動(dòng)由低壓氣系統(tǒng)供氣。低壓氣系統(tǒng)由4臺(tái)低壓氣機(jī)、1個(gè)檢修用氣貯氣罐、1個(gè)制動(dòng)用氣貯氣罐及相關(guān)管路及輔助設(shè)備所組成。其中，3號(hào)、4號(hào)低壓氣機(jī)為2011年新增設(shè)備，1號(hào)、2號(hào)低壓氣機(jī)為2014年春季檢修新?lián)Q設(shè)備。檢修狀態(tài)時(shí)，可使用移動(dòng)式頂轉(zhuǎn)子油泵通過(guò)給油管路加壓頂轉(zhuǎn)子，起到制動(dòng)作用。如圖1所示。

圖1 低壓氣系統(tǒng)圖

2.2 機(jī)械制動(dòng)原理流程

機(jī)組停機(jī)時(shí)，測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，此信號(hào)源應(yīng)采用多通道方式，例如齒盤測(cè)速或PT冗余測(cè)速信號(hào)，防止信號(hào)丟失導(dǎo)致風(fēng)閘誤動(dòng)。待導(dǎo)葉全關(guān)、機(jī)組出口斷路器分閘位置、轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置正常、機(jī)組轉(zhuǎn)速小于設(shè)定值條件滿足后，機(jī)械制動(dòng)投入令輸出，機(jī)械制動(dòng)投電磁閥動(dòng)作，機(jī)組風(fēng)閘加壓，待機(jī)組速度降為0，風(fēng)閘泄壓分開，風(fēng)閘回到復(fù)位位置，向上位機(jī)傳遞1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)風(fēng)閘復(fù)位信號(hào)，機(jī)械制動(dòng)過(guò)程完成。

3 機(jī)械制動(dòng)的一般原則及控制方式優(yōu)化

3.1 一般原則

（1）機(jī)械制動(dòng)控制回路應(yīng)簡(jiǎn)單、高效、可靠，適應(yīng)機(jī)組抽水、發(fā)電工況的運(yùn)行要求，保證能夠安全停機(jī)，并滿足各種工況轉(zhuǎn)換的要求。

（2）機(jī)械制動(dòng)控制回路應(yīng)充分發(fā)揮軟硬件資源相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，提高機(jī)組自動(dòng)化監(jiān)控水平，降低人工失誤概率。

（3）機(jī)械制動(dòng)邏輯輸入輸出程序必須考慮機(jī)組轉(zhuǎn)速、出口開關(guān)位置、主進(jìn)水閥位置等信號(hào)的影響，形成安全閉鎖。鎖定條件下，當(dāng)相關(guān)信號(hào)異常時(shí)，閉鎖機(jī)械制動(dòng)，防止機(jī)械制動(dòng)誤動(dòng)或拒動(dòng)。

3.2 控制方式優(yōu)化

3.2.1 機(jī)組正常停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制方式

機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，停機(jī)順控流程如下：降低機(jī)組有功、無(wú)功，關(guān)閉導(dǎo)葉、分機(jī)組出口斷路器，關(guān)閉主閥，消除勵(lì)磁，推力循環(huán)油泵投入，機(jī)組轉(zhuǎn)速低于5%Ne時(shí)投入機(jī)械制動(dòng)，直至轉(zhuǎn)速降至0%，正常停機(jī)完成。流程如圖2所示。

圖2 機(jī)械制動(dòng)投入邏輯圖

3.2.2 機(jī)組電氣事故停機(jī)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制方式

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，發(fā)生電氣干擾，緊急停機(jī)時(shí)間較短，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速低于90%Ne時(shí)，高壓油系統(tǒng)會(huì)鎖定電制動(dòng)，因此在機(jī)組轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速25%的情況下，投入風(fēng)閘至機(jī)組轉(zhuǎn)速降至0，減少機(jī)組惰性運(yùn)行時(shí)間，保護(hù)機(jī)組推力軸承。相比正常停機(jī)過(guò)程，機(jī)械制動(dòng)將在更高的轉(zhuǎn)速下啟動(dòng)。

3.2.3 機(jī)組發(fā)生蠕動(dòng)時(shí)機(jī)械制動(dòng)控制方式

由于水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致機(jī)組蠕動(dòng)，易對(duì)導(dǎo)軸承及推力軸承造成損害，出現(xiàn)燒瓦事故，所以需要引入機(jī)械制動(dòng)，消除機(jī)組蠕動(dòng)以此保護(hù)軸承。

3.2.4 機(jī)組發(fā)生帶機(jī)械制動(dòng)升速（加閘）的控制方式

機(jī)組帶機(jī)械制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速提升會(huì)造成電機(jī)粉塵污染，極大程度上損害風(fēng)閘機(jī)械部件的安全性和穩(wěn)定性。該故障通常發(fā)生在機(jī)組啟機(jī)或停機(jī)的過(guò)程中，為防止此故障發(fā)生，一般采取下列控制方式：

（1）測(cè)速裝置發(fā)出警報(bào)時(shí)，將機(jī)械制動(dòng)投入信號(hào)閉鎖，并將機(jī)械制動(dòng)退出。

（2）將“機(jī)械制動(dòng)無(wú)壓”及“風(fēng)閘已復(fù)位”信號(hào)作為機(jī)組轉(zhuǎn)速上升的條件，條件不滿足時(shí)，閉鎖機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。

（3）為防止單個(gè)轉(zhuǎn)速5%信號(hào)故障誤報(bào)導(dǎo)致機(jī)械制動(dòng)異常投入，可在機(jī)械制動(dòng)投退電磁閥回路上，增加一路轉(zhuǎn)速信號(hào)回路，確認(rèn)轉(zhuǎn)速信號(hào)無(wú)誤后，正確投入機(jī)械制動(dòng)。

4 事故案例分析

4.1 事故案例分析1

4.1.1 事故現(xiàn)象

某日，沙河抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)停機(jī)過(guò)程，上位機(jī)報(bào)1號(hào)制動(dòng)風(fēng)閘未復(fù)位。

當(dāng)值值長(zhǎng)通知檢修人員進(jìn)廠消缺，現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)風(fēng)閘復(fù)位后信號(hào)未可靠動(dòng)作，傳感器動(dòng)作行程不夠，無(wú)法到位，無(wú)法傳送復(fù)位信號(hào)至上位機(jī)。

4.1.2 缺陷原因分析

檢修人員現(xiàn)地調(diào)整1號(hào)風(fēng)閘壓緊行程，手動(dòng)投退風(fēng)閘多次，信號(hào)動(dòng)作恢復(fù)正常。檢查1號(hào)機(jī)組其他3只風(fēng)閘，風(fēng)閘鎖定位置正常，螺栓緊固無(wú)松動(dòng)，傳感器位置正常。經(jīng)檢修人員檢查判斷后，認(rèn)為原因?yàn)閭鞲衅鲃?dòng)作行程不夠引起。另外，也與機(jī)組制動(dòng)風(fēng)閘部件檢查周期偏長(zhǎng)有關(guān)（每年兩次，結(jié)合年度C、D檢修開展）。

4.1.3 后續(xù)處理情況

檢修人員利用1號(hào)機(jī)D級(jí)檢修對(duì)風(fēng)閘進(jìn)行全面檢查和保養(yǎng)，實(shí)測(cè)4只風(fēng)閘剎車板厚度為20 mm，剎車板與制動(dòng)環(huán)距離為15 mm，與上次檢修數(shù)據(jù)比較，風(fēng)閘剎車板無(wú)磨損，與制動(dòng)環(huán)之間距離無(wú)變化。對(duì)4只風(fēng)閘的彈簧涂抹潤(rùn)滑油，確保動(dòng)作順暢。調(diào)整4只風(fēng)閘壓緊行程，增加2 mm墊片確保信號(hào)到位。檢查風(fēng)閘制動(dòng)用氣管路，無(wú)漏點(diǎn)。對(duì)4只風(fēng)閘的復(fù)位導(dǎo)軌涂抹潤(rùn)滑油，確保動(dòng)作順暢。結(jié)合檢修對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)制動(dòng)風(fēng)閘本體進(jìn)行全面檢查，復(fù)測(cè)閘板厚度，檢查信號(hào)反饋回路，檢查風(fēng)閘制動(dòng)用氣管路。

4.2 事故案例分析2

4.2.1 事故現(xiàn)象

某日，沙河抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)停機(jī)過(guò)程，2號(hào)制動(dòng)風(fēng)閘未復(fù)位。當(dāng)值值長(zhǎng)通知檢修人員進(jìn)廠消缺，現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)2號(hào)制動(dòng)風(fēng)閘鎖定松動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)閘退出時(shí)未能完全到位。

4.2.2 缺陷原因分析

檢修人員將1號(hào)機(jī)2號(hào)制動(dòng)風(fēng)閘鎖定調(diào)整到位，螺栓緊固，并上螺紋鎖固膠。組織人員檢查1號(hào)機(jī)其他3只風(fēng)閘，對(duì)風(fēng)閘鎖定螺栓重新上螺紋鎖固膠并緊固。進(jìn)行風(fēng)閘投退試驗(yàn)多次，風(fēng)閘動(dòng)作及信號(hào)反饋均正常，如圖3、圖4所示。缺陷原因?yàn)椋?號(hào)機(jī)振動(dòng)引起2號(hào)制動(dòng)風(fēng)閘鎖定松動(dòng)，導(dǎo)致風(fēng)閘退出時(shí)未能完全到位。另外，機(jī)組制動(dòng)風(fēng)閘部件檢查周期偏長(zhǎng)（結(jié)合年度檢修每年檢查兩次），未及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

圖3 風(fēng)閘故障檢查

圖4 風(fēng)閘鎖定螺栓緊固

4.2.3 后續(xù)處理情況

舉一反三，對(duì)2號(hào)機(jī)4只風(fēng)閘進(jìn)行檢查。調(diào)整定期工作，由每半年一次縮短至每季度一次對(duì)1號(hào)、2號(hào)機(jī)風(fēng)洞內(nèi)機(jī)械部件進(jìn)行全面檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能電站中機(jī)械制動(dòng)的高速投入、高速加閘和未投入將導(dǎo)致嚴(yán)重的負(fù)面后果。完善的控制方式和設(shè)計(jì)是確保抽水蓄能機(jī)組可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。文中描述了機(jī)械制動(dòng)裝置在不同運(yùn)行工況甚至異常工況下的機(jī)械制動(dòng)控制方式優(yōu)化，包括正常停機(jī)、事故停機(jī)、機(jī)組蠕動(dòng)以及加閘等情況的控制方式優(yōu)化。最后對(duì)兩起機(jī)械制動(dòng)故障案例進(jìn)行分析，對(duì)抽水蓄能電站的機(jī)械制動(dòng)控制設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的借鑒意義。