頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)在大型排澇泵組上的應(yīng)用

尹洪鵬，張燁棟，倪國(guó)梁，葉國(guó)平

(1.浙江省水利水電建筑監(jiān)理有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310020)

頂轉(zhuǎn)子裝置在水電站水輪發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用較為廣泛[1]。何亦如等對(duì)泵站小型立式水泵機(jī)組(單機(jī)功率630kW)應(yīng)用頂轉(zhuǎn)子裝置進(jìn)行了介紹[2]。曹海翔等對(duì)立式軸流泵機(jī)組自動(dòng)頂轉(zhuǎn)子裝置進(jìn)行了研制并取得了成功[3]。南水北調(diào)東線工程八里灣泵站對(duì)機(jī)組液壓頂轉(zhuǎn)子裝置系統(tǒng)進(jìn)行了改造，獲得了成功[4]。但頂轉(zhuǎn)子剎車裝置在大型排澇泵組上(單機(jī)功率3500kW)的應(yīng)用較少，缺少理論和實(shí)踐技術(shù)支撐。

泵站運(yùn)行工況復(fù)雜，常伴隨出現(xiàn)主機(jī)組異常溫升等故障[5]。姚江上游西排工程水泵設(shè)備采用大型立式軸流泵，泵組轉(zhuǎn)動(dòng)部件荷載約46t，均由電機(jī)推力瓦承受，較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)狀態(tài)使電機(jī)推力瓦與鏡板間處于貼合狀態(tài)，不能形成有效潤(rùn)滑，啟動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)燒瓦事故；停機(jī)時(shí)較長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，容易引起推力瓦與鏡板間的油膜破壞，造成燒瓦事故；泵組事故停機(jī)時(shí)，在水位差較大的情況下，若出水工作、事故閘門未完全關(guān)閉時(shí)會(huì)引起泵組反轉(zhuǎn)，泵組低速反轉(zhuǎn)易造成燒瓦事故，泵組高速反轉(zhuǎn)易造成電機(jī)、水泵轉(zhuǎn)動(dòng)部件緊固件松動(dòng)等。

為解決上述弊端，浙江省水利水電建筑監(jiān)理有限公司牽頭，集中技術(shù)力量進(jìn)行攻關(guān)，在大型排澇泵組上設(shè)計(jì)配套了頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)。該裝置已成功的應(yīng)用于姚江上游西排工程大型排澇泵組上，運(yùn)行便捷、穩(wěn)定、可靠。

1 工程概況

姚江上游西排工程位于紹興市上虞區(qū)，主要由新建梁湖樞紐及其配套工程、改造通明閘等兩部分組成。排水泵站設(shè)計(jì)流量165m3/s，引水泵站設(shè)計(jì)流量40m3/s，梁湖閘(雙向)凈寬20m，多年平均引水3.19億m3。工程為II等工程，排引水泵站、閘等主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。

泵站共設(shè)置5臺(tái)排澇泵組、2臺(tái)引水泵組。其中排澇泵組水泵型式為立式半調(diào)節(jié)軸流泵。肘型進(jìn)水流道，曲膝式出水流道。水泵與電動(dòng)機(jī)直接連接，采用變頻調(diào)節(jié)，每臺(tái)機(jī)組配置一臺(tái)變頻器。水泵葉輪直徑3.05m，額定轉(zhuǎn)速125r/min，單泵設(shè)計(jì)流量33m3/s，水泵設(shè)計(jì)裝置揚(yáng)程3.68m，最高揚(yáng)程6.77m；配套變頻立式同步電動(dòng)機(jī)，變頻范圍35～50Hz，額定功率3500kW，額定轉(zhuǎn)速125r/min，電壓10kV，電機(jī)采用空-水冷卻方式，降低噪音和溫度。水泵軸向推力由電機(jī)軸承承受，采用稀油潤(rùn)滑，水泵導(dǎo)軸承采用進(jìn)口的KTT橡膠材料。泵組在汛期運(yùn)行，非汛期停運(yùn)。

2 技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)原理

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)由頂轉(zhuǎn)子剎車裝置、電動(dòng)高壓油泵、油氣管路、齒盤測(cè)速系統(tǒng)、控制柜及相關(guān)附件組成。其具有如下特點(diǎn)。

(1)該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，剎車裝置控制方式可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地控制和遠(yuǎn)程控制，與泵站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配套。

(2)該裝置具備泵組開停機(jī)狀態(tài)識(shí)別、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、非設(shè)計(jì)工況下剎車誤投保護(hù)等功能，安全、可靠。

(3)該裝置在解決泵組停機(jī)反轉(zhuǎn)問(wèn)題上，相較于其他類似泵站靠閘門關(guān)閉時(shí)間與停泵時(shí)間之間的配合來(lái)縮短泵組停機(jī)時(shí)間、控制泵組反轉(zhuǎn)的方式更為徹底。

2.2 技術(shù)原理

頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)采用雙活塞油氣腔分開，氣動(dòng)復(fù)位；油壓來(lái)源于控制柜內(nèi)電動(dòng)高壓油泵，氣壓來(lái)源于泵站氣系統(tǒng)。頂轉(zhuǎn)子剎車裝置頂部制動(dòng)塊采用非石棉聚合樹脂材料，摩擦系數(shù)大磨損率低。剎車裝置工作時(shí)用7kg/cm2的壓縮空氣頂起制動(dòng)器頂部的制動(dòng)塊，使之與固定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子底部的制動(dòng)環(huán)相接觸，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)來(lái)完成停機(jī)?，F(xiàn)有的機(jī)械制動(dòng)方式還可以實(shí)現(xiàn)頂轉(zhuǎn)子操作，一般的操作過(guò)程是高壓油泵出口接通制動(dòng)風(fēng)閘，啟動(dòng)油泵使油壓增至額定壓力，頂起轉(zhuǎn)子3～5mm。技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 技術(shù)原理圖

3 選型與設(shè)備組成

3.1 頂轉(zhuǎn)子剎車裝置選型

剎車裝置根據(jù)制動(dòng)方式有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)利用頂升裝置頂起制動(dòng)器頂部的制動(dòng)塊，使之與固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子底部的制動(dòng)環(huán)相接觸，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能耗低，投入時(shí)需要考慮泵組組轉(zhuǎn)速。電氣制動(dòng)利用同步電機(jī)電樞反應(yīng)和能耗制動(dòng)原理，在停機(jī)過(guò)程中將電機(jī)端短路，同時(shí)加勵(lì)磁，勵(lì)磁電流大小按電樞電流為額定電流調(diào)節(jié)，使轉(zhuǎn)子剩余動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電樞熱能，實(shí)現(xiàn)快速停機(jī)。電氣制動(dòng)時(shí)不考慮泵組轉(zhuǎn)速，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗電量大，不易維護(hù)。經(jīng)過(guò)比選，選擇機(jī)械制動(dòng)方式的頂轉(zhuǎn)子剎車裝置，如圖2所示。

圖2 頂轉(zhuǎn)子剎車裝置

3.2 設(shè)備組成

(1)頂轉(zhuǎn)子剎車裝置(單臺(tái)泵組)

型式：雙活塞油氣腔分開，氣動(dòng)復(fù)位

數(shù)量：6只

制動(dòng)氣壓：0.7MPa

活塞直徑：220mm

頂轉(zhuǎn)子油壓：12.5MPa

(2)電動(dòng)高壓油泵(單臺(tái)泵組)

功率：3kW

工作壓力：12.5MPa

油箱容量：201L

(3)齒盤測(cè)速系統(tǒng)(單臺(tái)泵組)

測(cè)速傳感器1只

齒盤30齒，1套

正反轉(zhuǎn)速表1只

(4)供氣(泵站氣系統(tǒng))

剎車裝置供氣來(lái)自于泵站氣系統(tǒng)：2臺(tái)空壓機(jī)(一用一備)。

額定功率：7.5kW

額定壓力：1.0MPa

儲(chǔ)氣罐容量：1m3

4 設(shè)備安裝與調(diào)試

4.1 設(shè)備安裝

(1)頂轉(zhuǎn)子剎車裝置安裝。頂轉(zhuǎn)子剎車裝置布置于電機(jī)下機(jī)架上，如圖3所示，先將每個(gè)復(fù)歸限位調(diào)節(jié)好，并將螺母擰緊；開機(jī)氣壓制動(dòng)，將執(zhí)行器的剎車板與電機(jī)轉(zhuǎn)子接觸，將固定在支架商定限位開關(guān)焊接在執(zhí)行器的側(cè)面鋼板上，并調(diào)節(jié)限位開關(guān)與電機(jī)轉(zhuǎn)子的距離小于8mm，保證限位開光指示燈亮。開啟頂轉(zhuǎn)子裝置，第一次頂起3～5mm，用千分尺測(cè)量，將螺桿調(diào)節(jié)與限位開光碰觸，并將螺母鎖死。

圖3 剎車裝置安裝位置

(2)電動(dòng)高壓油泵安裝。電動(dòng)高壓油泵安裝于控制柜內(nèi)底部，控制柜基礎(chǔ)預(yù)埋1根Φ14不銹鋼油管、2根Φ10根氣管，管路與油站連接采用高壓軟管連接。

(3)齒盤測(cè)速系統(tǒng)安裝。齒盤安裝在電機(jī)集電環(huán)上方電機(jī)軸端部，齒盤齒數(shù)為30齒，采用螺栓固定。傳感器利用碳刷架上預(yù)留的M16螺孔安裝傳感器支撐桿。傳感器正對(duì)軸心，軸面上需要有至少一個(gè)鍵槽。齒輪的正反轉(zhuǎn)方向與傳感器安裝存在一定的關(guān)系。探頭連接好后，向齒輪正常工作旋轉(zhuǎn)的方向拔動(dòng)齒輪，如儀表發(fā)生反轉(zhuǎn)報(bào)警信號(hào)，則將INA、INB兩信號(hào)線對(duì)換。若未出現(xiàn)反轉(zhuǎn)報(bào)警信號(hào)，則表示連接正確。探頭與齒頂間的安裝間隙為2±0.2mm之間。測(cè)速齒盤的模數(shù)≥1.5，齒輪均勻分布；齒頂和齒谷的長(zhǎng)度盡量相等。正反轉(zhuǎn)速表安裝采用掛壁式，安裝在控制柜內(nèi)，安裝時(shí)只需將配套安裝板固定儀表上，再按儀表接線示意圖接線。本項(xiàng)目設(shè)定零轉(zhuǎn)速值為30%額定轉(zhuǎn)速(125*30%=37)，齒盤數(shù)為30齒及零轉(zhuǎn)速投入使用。

(4)控制柜安裝?？刂乒癜卜庞陔姍C(jī)層，進(jìn)線方式為上進(jìn)線，柜頂上方為電纜橋架，電動(dòng)高壓油泵置于控制柜內(nèi)下方，底部預(yù)埋油、氣管路。盤柜安裝檢查，垂直度、水平度應(yīng)符合規(guī)范要求；與基礎(chǔ)型鋼連接應(yīng)堅(jiān)固；柜門開關(guān)應(yīng)靈活，門鎖齊全，無(wú)卡阻現(xiàn)象；接地可靠。頂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)控制、剎車系統(tǒng)控制采用單控制回路，其中頂轉(zhuǎn)子系統(tǒng)控制用手動(dòng)現(xiàn)地控制。

4.2 頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)調(diào)試

頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)調(diào)試先采用現(xiàn)地操作調(diào)試，待現(xiàn)地操作調(diào)試無(wú)誤后進(jìn)行遠(yuǎn)控調(diào)試。

4.2.1頂轉(zhuǎn)子剎車現(xiàn)地調(diào)試。

①剎車和頂轉(zhuǎn)子前，先將氣管和油管內(nèi)的雜物吹掃干凈，防止堵塞電磁閥。②對(duì)系統(tǒng)管路進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作壓力的1.5倍，試壓時(shí)間30min，檢查管路焊縫、接頭有無(wú)漏油、漏氣現(xiàn)象。③頂轉(zhuǎn)子前，先進(jìn)行氣壓制動(dòng)工作，讓執(zhí)行器上下活動(dòng)多次，確認(rèn)執(zhí)行器行程無(wú)卡阻。頂轉(zhuǎn)子前，現(xiàn)關(guān)閉油泵站上的高壓泄油閥。④按動(dòng)氣壓復(fù)歸按鈕，氣壓復(fù)歸，復(fù)歸指示燈亮。

4.2.2剎車裝置遠(yuǎn)控調(diào)試。

①首先將控制柜上的現(xiàn)地/遠(yuǎn)控旋鈕切換到遠(yuǎn)控狀態(tài)。②計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)發(fā)出剎車投入指令，觀察剎車控制柜上剎車制動(dòng)上限位指示燈是否亮起，檢查剎車裝置是否動(dòng)作。③通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)開啟泵站組，觀察轉(zhuǎn)速表上轉(zhuǎn)速信號(hào)是否正確。④停機(jī)時(shí)觀察轉(zhuǎn)速表轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速在37r/min時(shí)剎車是否自動(dòng)投入、停機(jī)時(shí)泵組有無(wú)反轉(zhuǎn)。

5 操作流程

5.1 頂轉(zhuǎn)子操作

頂轉(zhuǎn)子采用現(xiàn)地操作。操作過(guò)程是高壓油泵出口接通電磁閥，啟動(dòng)油泵使油壓增至額定壓力，頂起轉(zhuǎn)子3～5mm，保持2～3min，打開回油閥和制動(dòng)排油閥，使制動(dòng)風(fēng)閘復(fù)歸，轉(zhuǎn)子落下，頂轉(zhuǎn)子復(fù)位指示燈全部亮起，頂轉(zhuǎn)子完成。

5.2 剎車現(xiàn)地操作

(1)將控制柜上的現(xiàn)地/遠(yuǎn)控旋鈕切換到現(xiàn)地狀態(tài)。

(2)機(jī)組停機(jī)時(shí)觀察正反轉(zhuǎn)速表上泵組實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)速降至37n/min時(shí)按下剎車投入按鈕，同時(shí)檢查控制柜上剎車投入信號(hào)燈是否亮起并觀察泵組轉(zhuǎn)速。

(3)當(dāng)泵組轉(zhuǎn)速降至零時(shí)，按下剎車復(fù)歸按鈕，復(fù)歸信號(hào)燈亮起，剎車復(fù)歸完成。

5.3 剎車遠(yuǎn)控操作

(1)將控制柜上的現(xiàn)地/遠(yuǎn)控旋鈕切換到遠(yuǎn)控狀態(tài)。

(2)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)走自動(dòng)停機(jī)流程，剎車在泵組轉(zhuǎn)速降至37n/min時(shí)自動(dòng)投入，停機(jī)完成后延時(shí)5s自動(dòng)復(fù)歸，如圖4所示。

圖4 操作流程圖

6 質(zhì)量控制

6.1 質(zhì)量控制

頂轉(zhuǎn)子剎車裝置出廠質(zhì)量、安裝質(zhì)量，必須執(zhí)行SL 317—2015及其他相關(guān)規(guī)范[7- 9]。

(1)頂轉(zhuǎn)子剎車裝置應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密性耐壓試驗(yàn)，保持30min，壓力下降不超過(guò)3%。同時(shí)剎車系統(tǒng)管路也要進(jìn)行嚴(yán)密性耐壓試驗(yàn)。

(2)頂轉(zhuǎn)子剎車裝置頂面安裝高程偏差不應(yīng)超過(guò)±1mm。與轉(zhuǎn)子制動(dòng)環(huán)之間的間隙偏差，應(yīng)在設(shè)計(jì)值的±20%范圍內(nèi)。

(3)頂轉(zhuǎn)子剎車裝置應(yīng)通入壓縮空氣作起落試驗(yàn)，檢查制動(dòng)器動(dòng)作的靈活性及制動(dòng)器的行程是否符合要求。

6.2 試運(yùn)行及運(yùn)行效果

2020年5月20—24日期間，依據(jù)泵站設(shè)備安裝及驗(yàn)收規(guī)范[6]，分別對(duì)1#～5#排澇泵進(jìn)行連續(xù)24小時(shí)試運(yùn)行，每臺(tái)泵組開停機(jī)次數(shù)3次，泵組第一次啟動(dòng)前頂轉(zhuǎn)子投入1次，停機(jī)過(guò)程中剎車投入2次。試運(yùn)行期間水位差約為0.2m。

泵組試運(yùn)行期間泵組停機(jī)時(shí)間。在剎車不投入情況下，機(jī)組正常停機(jī)時(shí)間約60～65s，其中停機(jī)時(shí)間43～47s，反轉(zhuǎn)時(shí)間12～19s，最高反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速6n/min;在投入剎車情況下，機(jī)組停機(jī)時(shí)間約35～40s，無(wú)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。以2#排澇泵為例，不同工況下，試運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖5—6所示。

圖5 排澇泵剎車不投入工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖6 排澇泵剎車投入工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)

泵組試運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)1#、2#、3#、4#、5#排澇泵分進(jìn)行了2次無(wú)故障開、停機(jī)自動(dòng)操作試驗(yàn)，泵組試運(yùn)行期間各設(shè)備工作、操控正常，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無(wú)異常聲音和振動(dòng)現(xiàn)象。排澇泵組在啟動(dòng)前頂起電機(jī)轉(zhuǎn)子，給長(zhǎng)期靜止貼合的電機(jī)推力瓦充油，避免了啟動(dòng)時(shí)燒瓦；在泵組停機(jī)，轉(zhuǎn)速降至額定轉(zhuǎn)速(30%ne)時(shí)，投入氣壓制動(dòng)，使泵組迅速停機(jī)，避免了泵組燒瓦及反轉(zhuǎn)[10]。

7 效益分析

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

大型排澇泵配置頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)，設(shè)備費(fèi)用為4.5萬(wàn)元(單臺(tái)泵組)，具體費(fèi)用見(jiàn)表1。排澇泵電機(jī)軸瓦損壞一次，需維修費(fèi)用5萬(wàn)元，還需120工時(shí)[9]。4.5萬(wàn)元<5萬(wàn)元+120工時(shí)。綜上所述，頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)在大型排澇泵組上的應(yīng)用經(jīng)濟(jì)合理。

表1 設(shè)備費(fèi)用清單

7.2 社會(huì)效益

該工程于2020年5月25日投入運(yùn)行，至今為止，機(jī)組未發(fā)生燒瓦事故和明顯反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。特別是2021年7月臺(tái)風(fēng)“煙花”期間，排澇泵機(jī)組最大運(yùn)行揚(yáng)程已達(dá)5.2m(設(shè)計(jì)最高揚(yáng)程6.77m)，累計(jì)排水量達(dá)3316萬(wàn)m3，泵組運(yùn)行平穩(wěn)。工程的整體效益得到了充分發(fā)揮，為浙東地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了貢獻(xiàn)。

8 結(jié)語(yǔ)

姚江上游西排工程立式排澇泵組頂轉(zhuǎn)子剎車系統(tǒng)的成功應(yīng)用，收到了安全、便捷、可靠的使用效果。實(shí)踐表明，該技術(shù)能防止泵機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電機(jī)推力瓦與鏡板之間發(fā)生干摩擦，對(duì)解決類似大中型泵組停機(jī)反轉(zhuǎn)及延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命具有借鑒意義。