小型水電站一種節(jié)能省工的剎車方式
——水壓制動探討

李林虎 焦 蓓 李淑倩

（河南省靈寶市窄口水務(wù)管理局，河南靈寶 472503）

小型水電站一種節(jié)能省工的剎車方式
——水壓制動探討

李林虎 焦 蓓 李淑倩

（河南省靈寶市窄口水務(wù)管理局，河南靈寶 472503）

本文針對小型水電站微機(jī)管理趨勢，根據(jù)萬噸水壓機(jī)和汽車液壓剎車原理，探討了利用水電站的壓力水頭作為介質(zhì)來對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行剎車制動，突破了小型水電站傳統(tǒng)的 “油、水、氣”系統(tǒng)的框架，在去掉專設(shè)的氣系統(tǒng)上做了大膽的償試和創(chuàng)新。改進(jìn)后的系統(tǒng)省去了空壓機(jī)室、空壓機(jī)、貯氣罐、電磁配壓閥、氣水分離器和系統(tǒng)管道、監(jiān)視儀器及其附屬設(shè)備，壓縮了廠房占地面積，并可降低電站生產(chǎn)運行成本，減少設(shè)備隱患，降低事故發(fā)生率。

水電站；剎車方式；水壓制動

小型水力發(fā)電站的剎車制動方式目前有三種，即氣壓制動、手壓油泵制動和手閘制動 （也叫氣剎、油剎和手剎）。單機(jī)容量在500kW及以上的水電站大多為氣壓制動和手壓油泵制動。

1 問題的提出

水電站的長期運行實踐證明：氣壓制動 （手動、自動兩用）和手壓油泵制動都有如下不可消除的弊端：

a.投資大。專設(shè)兩臺互為備用的空壓機(jī)、儲氣罐、氣水分離器、逆止閥等。

b.效率低。設(shè)氣源僅只為剎車制動用氣和檢修吹掃用氣（容量在3000kW以下電站—般無調(diào)相任務(wù)，故不考慮調(diào)相壓氣）。

c.占地面積大。須有專設(shè)的管道溝及空壓機(jī)室。

d.運行費用大。需要動力電源及備品備件。

e.管理費用大。維護(hù)檢修工作量較大，不少電站還因空壓機(jī)頻繁啟動和工作時間長而不斷燒壞電機(jī)。

f.工作噪音大。危害運行管理人員的身心健康。

手壓油泵制動雖然投資較小，工作可靠，但不安全。因為這種方式的投入，只能手動，不能自動。正常停機(jī)時能可靠地投入剎車進(jìn)行制動，而在調(diào)速器失靈、機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過額定值的115%需事故停機(jī)時，機(jī)組過速（轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過額定值的140%）需緊急停機(jī)時，如果運行人員在監(jiān)視上稍微馬虎或制動投入時間掌握不當(dāng)，都會釀成事故或使事故面積擴(kuò)大。例如一些電站在停機(jī)時，值班員運行經(jīng)驗不足過早地將剎車投入，使高速轉(zhuǎn)動的機(jī)組突然遭受強(qiáng)行制動，強(qiáng)大的扭矩力將大軸扭傷；又如值班員沒能堅守崗位，使制動投入過晚，使機(jī)組的低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時間過長，導(dǎo)致軸瓦燒壞、軸面損傷。這些弊端都會在不同程度上給水力發(fā)電站帶來不可抗拒的災(zāi)難和損失。為此，探討一種經(jīng)濟(jì)實惠、節(jié)能省工、工作可靠、簡單可行的制動方式迫在眉睫。

2 新的設(shè)想及理論探討

鑒于氣壓制動和手壓油泵制動在水電站存在的問題，我們設(shè)想在具有一定水頭的小型水電站里采用水力剎車方式，即水壓制動——剎車時利用水的壓力對機(jī)組進(jìn)行制動。水為液體，液體不但能傳遞壓強(qiáng)，而且液體本身內(nèi)部也有壓強(qiáng)，液體內(nèi)部向各個方向都有壓強(qiáng)，其壓強(qiáng)隨深度的增加而增大。10m水深處能產(chǎn)生100kPa的壓強(qiáng)，而一般小型水電站剎車制動所需要的壓強(qiáng)為400～700kPa。將水壓制動過程認(rèn)為是靜水壓強(qiáng)過程，則水頭損失可以忽略不計，故工作水頭在40m以上的水電站均可滿足水壓制動方式的條件（見圖1）。

圖1 水壓產(chǎn)生示意圖

在小型水電站中，混流式水輪機(jī)的應(yīng)用較為普遍。因為混流式水輪機(jī)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定，效率較高，常用于中等水頭和中等流量的水電站。因此水壓制動對小型水電站比較適用。另外，在大水頭、小流量 （使用水斗式、斜擊式水輪機(jī)）的電站中，只需加一減壓閥即可滿足水壓制動的需要。因此，水壓制動理論在小型水力發(fā)電站中是適用的。

3 設(shè)計原理

該設(shè)計是從我國自己設(shè)計制造的萬噸水壓機(jī)原理和汽車液壓剎車原理上得到啟示的。利用水電站的勢能向動能轉(zhuǎn)化的特點，把水庫或前池作為壓力水源，從廠房主閥前取得水壓，在停機(jī)時對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行水壓制動。帕斯卡定律是這樣的：加在密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地向各個方向傳遞。然后根據(jù)這個規(guī)律，借助液壓機(jī)的原理圖來研究討論水輪發(fā)電機(jī)組的水壓制動問題。

如圖2所示，F(xiàn)1為加在小活塞的壓力，S1為小活塞的橫截面積，F(xiàn)2為在橫截面積為S2的大活塞上產(chǎn)生的壓力。它們之間有如下關(guān)系：

其中 F2＝p S2，F(xiàn)1＝p S1（p為水的壓強(qiáng)）

如圖3所示，一定的水頭產(chǎn)生一定的水壓，加在水剎裝置里的密閉液體 （水）上——符合帕斯卡定律的條件。其制動力的大小為：

圖2 液壓機(jī)原理

圖3 水壓制動示意圖

其中 F1＝p S1（p為加在密閉液體（水）上的水壓）故水壓制動在理論上是行得通的。

水壓制動工作過程如圖4所示。

a.自動控制。閥門02常閉，01、03常開，三通電磁閥DK的剎車通道 （A－B）常閉，排水通道（B－C）常開。關(guān)機(jī)后，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至額定值的35%～30%時，制動指令下達(dá)，DK動作打開制動通道（A－B），同時關(guān)閉排水通道（B－C），壓力水由01→DK（A－B）→03→剎車閘進(jìn)行制動，待機(jī)組停穩(wěn)后，DK復(fù)歸關(guān)閉制動通道（A－B），同時打開排水通道（B－C），使剎車解除。

圖4 水壓制動系統(tǒng)

b.手動操作。01、02、03常閉，DK常閉，（A－B）關(guān)，（B－C）通。關(guān)機(jī)后，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至規(guī)定值時，打開02閥門，壓力水經(jīng)02充至剎車閘進(jìn)行剎車制動。待機(jī)組停穩(wěn)后，關(guān)02、開03，將剎車閘的水壓經(jīng)03、DK（B－C）排掉，使制動解除。

以上兩種控制方式，均適用于電站的正常停機(jī)、事故停機(jī)和緊急停機(jī)。故水壓制動在理論上也是可靠而可行的。

4 應(yīng)注意的問題

a.如在水庫或前池取水引壓，須在取水口設(shè)置濾網(wǎng)，以防雜物進(jìn)入水管，造成堵塞，使水壓減少或消失。

b.取水口應(yīng)設(shè)在水庫或前池的死水位 （最低水位）以下且離池底 （或庫底）有一定的高度，以防取水口漏出水面 （進(jìn)氣）和泥沙流入。

c.引水管須有防凍設(shè)施，以防水管凍裂或水路冰堵。

d.剎車閘及濾網(wǎng)、過濾器應(yīng)定期清污，以防水垢影響制動效果。

e.工作水頭在40m以下20m以上的水電站采用水壓制動時，只需在剎車閘容積和剎車塊面積上進(jìn)一步作有關(guān)研究即可。

5 水壓制動的特點

水壓制動突破了小型水電站傳統(tǒng)的 “油、水、氣”系統(tǒng)的框架，在去掉專設(shè)的氣系統(tǒng)上做了大膽的償試和創(chuàng)新。改進(jìn)后的設(shè)備操作簡便，運行平穩(wěn)，制動可靠。最重要的是，不但節(jié)約了已建電站的人力、物力和財力，較為顯著地減小了生產(chǎn)運行成本，而且從根本上消除了設(shè)備隱患，有效地降低了事故發(fā)生率；對待建電站省去了空壓機(jī)室、空壓機(jī)、貯氣罐、電磁配壓閥、氣水分離器和系統(tǒng)管道、監(jiān)視儀器及其附屬設(shè)備，有效地壓縮了廠房占地面積等。在當(dāng)今土地、能源都相當(dāng)緊缺，資源匱乏的條件下，水壓制動有著極其重要的現(xiàn)實意義。

其優(yōu)點是：?結(jié)構(gòu)簡單，操作方便；?工作可靠，實用安全；?工藝普通，便于實施；?投資經(jīng)濟(jì)，節(jié)約能源。

其缺點是：有局限性，即低水頭大流量的電站和潮汐電站不能采用 （如：使用軸流定漿式、貫流式水輪機(jī)的電站）。

6 結(jié) 語

通過以上討論，可以把水壓制動的概念延伸推廣到一般中型水電站。采取水壓制動后，電站除可節(jié)省空壓機(jī)等低壓氣系統(tǒng)等設(shè)備的投資外，還可縮小廠房的建筑面積，減少廠房建筑物 （取消空壓機(jī)室及管道溝等），大幅度降低廠用電率。此外，利用很小的投資使使用手壓油泵剎車的電站變手動控制為自動控制，有效地提高了小型水電站的自動化水平和安全可靠程度。此方式不失為一條節(jié)能省工的新途徑。

建議有關(guān)部門重視這個問題，在水壓制動的研究試驗上多下功夫，力爭把水壓制動的研究成果延伸推廣到一般中型水電站?！?/p>

A braking mode of saving energy and labor in small hydropower station：discussion on hydraulic brake

LILinhu，JIAO Bei，LIShuqian
（Henan Lingbao Zhaikou Water Supplies Bureau，Lingbao 472500，China）

Aiming at trend ofmicro-computermanagement in small hydropower station，pressure head of hydropower station is utilized as amedium for hydroelectric generating setbraking according to the principle of ten-thousand-ton hydraulic press and automobile hydraulic brake.Traditional systematic framework of‘oil，water and gas’in small hydropower station are broken through.Removal of special gas system is boldly attempted and innovated.Improved system is not provided with air compressor room，air compressor，air tank，electromagnetic valve，gas water separator，pipeline system，surveillance equipment and its ancillary equipment，thereby compressing theworkshop area，reducing production operation costof power plant，decreasing equipment hidden danger，and lowering accident rate.

hydropower station；brakingmode；hydraulic brake

TV212

A

1673-8241（2015）08-0042-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.015