抽水蓄能電站機械制動系統(tǒng)缺陷分析與改進

陳晨

摘 要：仙游抽水蓄能電站自投入運行以來，由于設(shè)計和產(chǎn)品缺陷，機械制動系統(tǒng)故障頻發(fā)，對機組的安全可靠運行產(chǎn)生了較大的影響。通過對缺陷的分析、研究、改進，提升了機組運行的穩(wěn)定性，確保了設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞：機械制動；缺陷；改進

中圖分類號：TV743 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0198-02

1 引言

抽水蓄能電站運行靈活、反應(yīng)迅速，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用和黑啟動等重要作用。福建仙游抽水蓄能電站位于福建省莆田市仙游縣西苑鄉(xiāng)半嶺村，電站總裝機容量1200MW，設(shè)有四臺單機容量300MW的可逆式水泵水輪發(fā)電機組，為周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。

2 設(shè)備情況

仙游抽水蓄能電站發(fā)電電動機為立軸、懸式、可逆式同步電機，額定轉(zhuǎn)速428.6轉(zhuǎn)/分鐘。機械制動器安裝在發(fā)電機下機架上，每臺發(fā)電機配置8個制動閘，制動閘采用壓縮空氣作為作為強迫制動的能源，其工作壓力為0.7-0.8MPa。退出制動閘時，頂起電磁閥失電，頂起腔排氣，同時復(fù)位電磁閥得電復(fù)位腔充氣，制動閘退出，制動閘頂起位置開關(guān)復(fù)歸，制動閘落下位置開關(guān)動作；投入制動閘時，復(fù)位電磁閥失電，復(fù)位腔排氣，同時頂起電磁閥得電，頂起腔充氣，制動閘投入，制動閘頂起位置開關(guān)動作，制動閘落下位置開關(guān)復(fù)歸。

3 缺陷分析與改進

自電站投入運行以來，由于設(shè)計和產(chǎn)品缺陷，機械制動系統(tǒng)故障頻發(fā)，影響了機組的安全可靠運行，同時也耗費了大量的人力、物力。本文選取幾個典型故障，對其產(chǎn)生的原因和改進的措施進行分析、研究。

3.1 機組帶機械制動開機

3.1.1 故障描述

2014年07月31日，電站接省調(diào)命令開3號機發(fā)電，19時00分26秒上位機發(fā)出3號機組發(fā)電令，19點01分52秒上位機收到“3號機組發(fā)電機火災(zāi)報警”信號，19時02分02秒上位機收到“3號機轉(zhuǎn)速大于95%”信號，19時02分03秒上位機收到“3號機組制動閘頂起 是”、“3號機組機械剎車異常動作跳機”及“3號機組機械跳閘動作”信號，3號機組事故停機?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)3號機組發(fā)電機火災(zāi)報警系統(tǒng)發(fā)出聲響報警，風(fēng)洞外圍煙塵彌漫。

3.1.2 問題分析

（1）機組帶機械制動開機原因分析。檢查發(fā)現(xiàn)送至監(jiān)控系統(tǒng)DI模塊的“制動閘落下”信號，在7月30日08時55分04秒后至31日19時3號機開機時始終存在。由于此信號的存在，監(jiān)控系統(tǒng)水輪機工況轉(zhuǎn)發(fā)電工況步序中的S6-3步序的反饋條件提前滿足，使得該步序退制動閘命令“SEQ；CMD.MBK.OFF.S6.3”未發(fā)出執(zhí)行，以致在實際機械制動器未退出的情況下，進入S6-4步序，發(fā)出調(diào)速器水輪機開機令，打開水輪機導(dǎo)葉，最終造成機組帶機械制動開機。（2）“制動閘落下”信號誤動原因分析。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)3號機組制動柜制動閘復(fù)位監(jiān)視的ZDX-C型制動器位置信號裝置故障，而監(jiān)控系統(tǒng)的“制動閘落下”信號取自該信號裝置的常閉接點。當(dāng)裝置發(fā)生故障時，其常閉接點閉合，致使“制動閘落下”信號一直存在，誤送至監(jiān)控系統(tǒng)。（3）“機械剎車異常動作跳機”異常分析。監(jiān)控系統(tǒng)跳閘程序中設(shè)置有當(dāng)機組運行時機械制動異常投入觸發(fā)跳機的保護。其跳機邏輯為：當(dāng)機組轉(zhuǎn)速大于25%額定轉(zhuǎn)速且收到“制動閘頂起”信號時，上位機發(fā)出“機械剎車異常動作跳機”信號，機組機械跳機。此次事件發(fā)生時，制動閘頂起監(jiān)視裝置未輸出“制動閘頂起信號”，使機組在25%額定轉(zhuǎn)速時未能機械跳機；直到當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達到95%額定轉(zhuǎn)速時，監(jiān)控系統(tǒng)才收到“制動閘頂起”信號，而機械跳機。（4）“制動閘頂起”信號異常分析。通過檢查發(fā)現(xiàn)，“制動閘頂起”信號直到95%額定轉(zhuǎn)速時才收到的直接原因是由于有1個制動閘的制動閘頂起位置開關(guān)異常所致。該頂起位置開關(guān)起初處于臨界狀態(tài)而未動作，隨著機組轉(zhuǎn)速的增大，帶制動閘啟動的機組振動也逐漸增大，直到95%額定轉(zhuǎn)速時，該頂起位置開關(guān)因振動突破臨界狀態(tài)而動作，才送出“制動閘頂起”信號。

另外，根據(jù)設(shè)計思路，只要有一個制動閘頂起，制動閘頂起監(jiān)視裝置即應(yīng)輸出“制動閘頂起”信號，而實際結(jié)果是，只有收到全部8個制動閘的頂起信號后，裝置才會輸出“制動閘頂起”信號。因此，機組在25%額定轉(zhuǎn)速時由于有一個制動閘頂起位置開關(guān)的信號沒有收到，而未能機械跳機，使事件影響進一步擴大。檢查發(fā)現(xiàn)，機組制動柜制動閘頂起監(jiān)視裝置的內(nèi)部邏輯存在錯誤，與設(shè)計要求不符。

3.1.3 改進措施

（1）制動閘復(fù)位監(jiān)視裝置的“制動閘落下”信號輸出采用常閉接點，在裝置故障時常閉接點閉合誤發(fā)“制動閘落下”信號，是本次帶制動閘開機的直接原因；而制動閘頂起監(jiān)視裝置的“制動閘頂起”信號同樣采用常閉接點，在裝置故障時常閉接點閉合也會誤發(fā)“制動閘頂起”信號，可能造成機組誤跳機，存在安全隱患。因此，對機組制動柜ZDX-C型制動器位置信號裝置內(nèi)部程序進行修改，使輸出信號取自常開接點，確保出現(xiàn)裝置故障時，信號裝置不會誤發(fā)“制動閘落下”或“制動閘頂起”信號。（2）對制動閘頂起監(jiān)視裝置的內(nèi)部邏輯進行修改，使8個制動閘頂起位置開關(guān)常開接點中的任一個動作時，裝置即能發(fā)出“制動閘頂起”信號。以確保機組運行過程中，機械制動異常投入跳機保護的可靠性。（3）鑒于制動閘信號完全取自制動器位置信號裝置存在較大的安全隱患，增加從8個制動閘位置開關(guān)直接引出接點到發(fā)電機遠程I/O柜中。將8個制動閘落下位置開關(guān)常開接點串聯(lián)輸出一個“制動閘落下”信號，8個制動閘頂起位置開關(guān)常開接點并聯(lián)輸出一個“制動閘落下”信號，兩信號送至發(fā)電機遠程I/O柜的DI模塊中，參與監(jiān)控程序控制，提高制動閘位置信號的可靠性。（4）完善監(jiān)控程序存在的漏洞。原監(jiān)控程序中S6-3步序只要預(yù)先收到了“制動閘落下”信號，就不會發(fā)出退制動閘的命令“SEQ；CMD.MBK.OFF.S6.3”。由此，當(dāng)收到了“制動閘落下”的假信號時，即造成了不應(yīng)有的后果。所以，針對此情況，對該步序程序進行修改，不論是否收到“制動閘落下”的信號，均發(fā)出一次退制動閘的命令，通過程序上的冗余，來減小事故發(fā)生的概率。（5）增加非同源判據(jù)，增加判斷的正確性。由于監(jiān)控程序原先只靠位置開關(guān)信號，來控制、判斷制動閘的投、退。為進一步確保設(shè)備運行的正確可靠，在監(jiān)控程序中引入制動閘投入腔壓力信號，與制動閘位置信號相互比較、判斷，以提升機組運行的安全性。（6）投入振擺跳機功能，進一步確保機組安全。電站投運后，機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已實現(xiàn)了對機組上機架、下機架、頂蓋振動，上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度，抬機量等的監(jiān)測。但由于該系統(tǒng)運行還不穩(wěn)定，出于防止誤動的考慮，僅投入了報警功能，這也使本次事件發(fā)生時未能通過振擺監(jiān)測系統(tǒng)跳機。近期，通過對設(shè)備的升級、更新，機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運行已穩(wěn)定可靠，相關(guān)的報警、跳機功能已投入使用，進一步提升了機組運行的安全。

3.2 位置開關(guān)信號不可靠導(dǎo)致開機條件不滿足

3.2.1 故障描述

四臺機組投入運行以后，相當(dāng)長的一段時間內(nèi)均頻繁出現(xiàn)制動閘頂起、落下位置開關(guān)動作不到位的情況。在機組正常開、停機的過程中由于收不到應(yīng)有的信號，造成了機組的開、停機的異常，影響了機組服務(wù)的及時性和可靠性；同時，頻繁的處理這些出現(xiàn)的缺陷，也耗費了電站運維人員的大量精力。

3.2.2 問題分析

通過檢查、分析，造成制動閘頂起、落下位置開關(guān)頻繁出現(xiàn)動作不到位情況的原因有兩個方面：

（1）制動閘位置開關(guān)的擋塊加工存在缺陷，擋塊位置的調(diào)整余量太小，不利于將擋塊調(diào)整到適合的位置。（2）位置開關(guān)選型存在問題。機組設(shè)計使用的制動閘位置開關(guān)為旋轉(zhuǎn)擺桿型行程開關(guān)，其要求動作行程較大，而制動閘實際的工作行程較小，無法可靠的滿足旋轉(zhuǎn)擺桿型行程開關(guān)的行程需求，使行程開關(guān)時常處于臨界狀態(tài)。因此，在運行過程中，頻繁出現(xiàn)制動閘頂起、落下信號收不到的現(xiàn)象。

3.2.3 改進措施

（1）對制動閘落下位置開關(guān)的擋塊進行重新加工，將固定螺桿的圓孔改造為腰型孔，以增大制動閘落下位置開關(guān)的調(diào)整余量，便于將擋塊調(diào)整到適合的位置。（2）對位置開關(guān)進行重新選型，選取了OMRON D4A-4509N型的頂部柱塞型位置開關(guān)。其可靠動作行程與制動閘實際動作行程匹配良好，更換后位置開關(guān)動作準(zhǔn)確、可靠。（3）由于OMRON D4A-4509N型行程開關(guān)的位置、尺寸與原位置開關(guān)不同，無法直接安裝在制動閘本體上；因此，設(shè)計制作了新的位置開關(guān)固定底板，對行程開關(guān)進行固定。同時，對原制動閘頂起的擋塊進行改造，使之滿足OMRON D4A-4509N的動作要求。

3.3 開機過程中制動閘卡澀導(dǎo)致開機失敗

3.3.1 故障描述

3#機組停機轉(zhuǎn)發(fā)電過程中，由于4號制動閘存在卡澀無法正常退出，使得機組監(jiān)控流程無法收到“制動閘落下”信號，致使開機超時失敗。

3.3.2 問題分析

通過對4號制動閘進行解體檢查，發(fā)現(xiàn)其制動腔、復(fù)位腔、活塞、襯套等部件銹蝕較為嚴(yán)重，特別是襯套與頂起活塞桿之間的銹蝕是造成該制動閘無法正常退出的主要原因。在對各部件進行清洗、打磨并更換密封圈后，進行裝配，動作試驗正常，制動閘正常投退。

3.3.3 改進措施

（1）針對由于壓縮空氣中含水分較多，導(dǎo)致制動閘出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕的問題。首先，定期對兩臺低壓氣機出口的汽水分離器進行清污處理；其次，定期對機組制動柜中的汽水分離器進行清污處理；還有，增加低壓制動儲氣罐的排污頻次。通過多種針對性措施，盡可能的減少壓縮空氣中的水分。（2）在機組檢修期間，從制動閘的制動及復(fù)位進氣口處注入少量透平油進行潤滑，以改善各活動配合面的運行狀況。（3）加強對制動閘投、退動作的監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)制動閘的設(shè)備缺陷并進行處理。

4 實施效果

在實施了上述一系列的技術(shù)改造和防范措施后，機組機械制動系統(tǒng)故障出現(xiàn)頻率顯著降低，未再出現(xiàn)導(dǎo)致機組事故停機以及非計劃停運的嚴(yán)重故障，機械制動系統(tǒng)運維的工作量和成本也得到了降低，機組運行的穩(wěn)定性、可靠性取得了明顯的提升。

5 結(jié)語

機械制動系統(tǒng)是抽水蓄能機組的重要輔助設(shè)備，在機組的啟、停以及工況轉(zhuǎn)換過程中，發(fā)揮著重要的作用。本文針對仙游抽水蓄能電站運行幾年來出現(xiàn)的一些問題和缺陷，進行分析、研究，總結(jié)了一些行之有效的改進和防范措施，對同類機組的運行維護工作具有一定的參考意義。

參考文獻

[1]劉鵬龍，霍獻東，常東亮.大型抽水蓄能機組機械制動系統(tǒng)控制設(shè)計[J].水電與新能源，2017（5）：20-28.