水電站水輪發(fā)電機(jī)組制動(dòng)加閘系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

張城瑋 黃雨雷

（國(guó)能大渡河大崗山發(fā)電有限公司，四川 雅安 625400）

0 引言

機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的“誤加閘”是水電站運(yùn)維管理中典型的設(shè)備異常事件，會(huì)嚴(yán)重危害機(jī)組安全，損壞制動(dòng)閘塊，并造成較大經(jīng)濟(jì)損失。

某水電站在試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組高轉(zhuǎn)速加閘，引起閘塊短時(shí)磨損，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，原因是機(jī)組測(cè)速制動(dòng)裝置故障；某水電站運(yùn)行人員操作時(shí)走錯(cuò)間隔，因誤操作而導(dǎo)致運(yùn)行機(jī)組高轉(zhuǎn)速加閘，造成非計(jì)劃性停運(yùn)。綜合可知，導(dǎo)致“誤加閘”的原因主要分為2 類，一是運(yùn)維人員走錯(cuò)間隔因誤操作而導(dǎo)致“誤加閘”，二是控制系統(tǒng)誤開(kāi)出或電磁閥誤動(dòng)作導(dǎo)致“誤加閘”。

該文的機(jī)組制動(dòng)加閘控制方式優(yōu)化采取在機(jī)組高轉(zhuǎn)速工況下切斷制動(dòng)加閘氣源的方式，防止制動(dòng)閘塊在機(jī)組高轉(zhuǎn)速工況下頂起，可從根本上避免“誤加閘”事件的發(fā)生。同時(shí)，該文優(yōu)化滿足了以下要求：一是滿足機(jī)組運(yùn)行相關(guān)規(guī)程、規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；二是該方案中增加的設(shè)備不會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成損害；三是運(yùn)維人員能在該方案中增加的設(shè)備故障中及時(shí)通過(guò)手動(dòng)操作方式實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常加閘停機(jī)。

1 方案設(shè)計(jì)及論證

1.1 供氣管路設(shè)計(jì)及論證

傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)由氣源管路直接向水輪發(fā)電機(jī)組測(cè)速制動(dòng)控制單元供氣，供氣管路上只安裝了1 個(gè)手動(dòng)球閥以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制供氣。此設(shè)計(jì)方式在機(jī)組正常投運(yùn)過(guò)程中，可使氣源一直保持供氣，如果遇到電氣二次回路出現(xiàn)故障或運(yùn)維人員誤操作，則可能會(huì)造成運(yùn)行機(jī)組在高轉(zhuǎn)速下加閘。綜合以上各因素，需要對(duì)氣源管路運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速時(shí)切斷制動(dòng)氣源，即使誤動(dòng)、誤操作，也無(wú)法在高轉(zhuǎn)速下加閘，避免事故發(fā)生。

基于以上因素，該文擬定出2 種方案：一是在低壓制動(dòng)氣系統(tǒng)氣源供氣總閥后新增一個(gè)電磁閥，通過(guò)監(jiān)控下令控制閥門(mén)啟閉，取得高轉(zhuǎn)速切斷氣源的效果。二是在每臺(tái)機(jī)組的制動(dòng)控制單元供氣管上加裝一個(gè)2 位3 通電磁閥，通過(guò)監(jiān)控下令控制閥門(mén)啟閉，取得高轉(zhuǎn)速切斷氣源的效果[2]。

根據(jù)擬定的2 種方案進(jìn)行試驗(yàn)。首先，頂起機(jī)組風(fēng)閘，關(guān)閉機(jī)組制動(dòng)供氣總閥，監(jiān)視制動(dòng)腔氣壓、復(fù)歸腔氣壓和制動(dòng)控制單元?dú)庠磯毫ψ兓闆r。制動(dòng)控制單元?dú)庠磯毫焖傧陆?，制?dòng)腔氣壓隨著時(shí)間緩慢下降，復(fù)歸腔氣壓穩(wěn)定不變。一直保持至制動(dòng)腔氣源下降至臨界值，制動(dòng)腔壓力與復(fù)歸腔壓力達(dá)到平衡，閘塊保持頂起狀態(tài)。其次，進(jìn)行第二項(xiàng)試驗(yàn)。將機(jī)組制動(dòng)供氣總閥打開(kāi)，制動(dòng)控制單元恢復(fù)到正常狀態(tài)，落下閘塊。此時(shí)復(fù)歸腔接通氣源保持壓力，制動(dòng)腔壓力為零。短接打開(kāi)制動(dòng)腔供氣電磁閥端子，使制動(dòng)腔接通氣源，關(guān)閉機(jī)組制動(dòng)供氣總閥，制動(dòng)腔和復(fù)歸腔同時(shí)有壓，達(dá)到平衡后發(fā)現(xiàn)閘塊向上頂起。將機(jī)組制動(dòng)供氣總閥打開(kāi)，制動(dòng)控制單元恢復(fù)到正常狀態(tài)，落下閘塊，關(guān)閉機(jī)組制動(dòng)供氣總閥，監(jiān)視制動(dòng)腔氣壓、復(fù)歸腔氣壓和制動(dòng)控制單元?dú)庠磯毫ψ兓闆r。一直保持至復(fù)歸腔氣壓下降至臨界值，制動(dòng)腔壓力與復(fù)歸腔壓力達(dá)到平衡，閘塊保持落下?tīng)顟B(tài)。

經(jīng)以上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)2 種方案均可行，但為保持閘塊頂起時(shí)制動(dòng)力可靠，避免機(jī)組出現(xiàn)蠕動(dòng)情況，采用每臺(tái)機(jī)組分別改造供氣管路的方案更可靠。

采用第二種方案在發(fā)電機(jī)測(cè)速制動(dòng)柜內(nèi)制動(dòng)控制單元供氣管上加裝1 個(gè)常閉2 位3 通電磁閥和1 個(gè)手動(dòng)球閥，2 個(gè)閥門(mén)并聯(lián)。手動(dòng)球閥平時(shí)關(guān)閉，需要運(yùn)行人員手動(dòng)加閘時(shí)開(kāi)啟，常閉2 位3 電磁閥通過(guò)電氣回路控制[2]。

1.2 電氣二次回路改造及論證

使用測(cè)速裝置備用接點(diǎn)直接控制新增電磁閥，修改監(jiān)控程序邏輯實(shí)現(xiàn)制動(dòng)加閘系統(tǒng)自動(dòng)控制、報(bào)警功能的方式最簡(jiǎn)單可靠。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，制動(dòng)氣源充氣時(shí)間較短，15%Ne 供氣可能會(huì)有較高轉(zhuǎn)速加閘風(fēng)險(xiǎn)，因此采用12%Ne 為判定條件。機(jī)組轉(zhuǎn)速＞12%Ne，切斷氣源供氣，并將制動(dòng)腔內(nèi)氣體全部排出；機(jī)組轉(zhuǎn)速＜12%Ne，恢復(fù)氣源供氣，機(jī)組可正常手動(dòng)/自動(dòng)加閘。通過(guò)CM-200 微機(jī)測(cè)速裝置間接控制電磁閥線圈動(dòng)作，以達(dá)到改變供氣方式的目的。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及試驗(yàn)

2.1 氣源管道優(yōu)化

氣源管路改造前后對(duì)例如圖1 所示。

圖1 氣源管路改造前后對(duì)比

改造前，發(fā)電機(jī)測(cè)速制動(dòng)柜內(nèi)制動(dòng)控制單元供氣管上只安裝了1 個(gè)手動(dòng)閥以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制供氣/排氣。此設(shè)計(jì)方式在機(jī)組正常投運(yùn)過(guò)程中，可使氣源一直保持供氣，如遇電氣二次回路出現(xiàn)故障或運(yùn)維人員誤操作時(shí)，可能會(huì)造成運(yùn)行機(jī)組在高轉(zhuǎn)速下加閘。

改造后，發(fā)電機(jī)測(cè)速制動(dòng)柜內(nèi)制動(dòng)控制單元供氣管路在原有的基礎(chǔ)上加裝了1 個(gè)常閉2 位3 通電磁閥和1 個(gè)手動(dòng)球閥，2 個(gè)閥門(mén)并聯(lián)。手動(dòng)球閥平時(shí)關(guān)閉，需要運(yùn)行人員手動(dòng)加閘時(shí)開(kāi)啟，常閉2 位3 電磁閥通過(guò)電氣回路控制，機(jī)組轉(zhuǎn)速＞12%Ne，切斷氣源供氣，并將制動(dòng)腔內(nèi)氣體全部排出，電氣二次回路出現(xiàn)故障或運(yùn)維人員誤操作時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)加閘操作，可有效避免誤加閘發(fā)生。

2.2 電氣二次回路

對(duì)機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜中的CM-200 微機(jī)測(cè)速裝置匹配2 種測(cè)速方式傳感器，即機(jī)械轉(zhuǎn)速傳感器（齒盤(pán)測(cè)速）和電氣轉(zhuǎn)速傳感器（殘壓測(cè)速），可同時(shí)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)和發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓頻率，并將轉(zhuǎn)速信號(hào)上送水電站監(jiān)控系統(tǒng)處理。1）CM-200 測(cè)速裝置定值調(diào)整。將安裝在機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜中的CM-200 測(cè)速裝置第三個(gè)點(diǎn)（N3）的定義由“備用”調(diào)整為“加閘氣源打開(kāi)”，方向、返回死區(qū)和指示燈顏色參數(shù)不變，具體參數(shù)整定要求見(jiàn)表1。2）上送監(jiān)控信號(hào)完善。新增電纜將信號(hào)從測(cè)速制動(dòng)柜上的微機(jī)測(cè)速裝置CM-200 接入監(jiān)控系統(tǒng)LCU 屏，在監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)將該信號(hào)定義為“機(jī)組轉(zhuǎn)速＜12%Ne，加閘氣源打開(kāi)（CM200）”。3）在機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜內(nèi)新增一個(gè)直流24V 電磁閥DK3，轉(zhuǎn)速＜12%Ne，信號(hào)接點(diǎn)N3 通過(guò)中間繼電器ZJ1 控制電磁閥DK3打開(kāi)（關(guān)閉），接線原理如圖3 所示。4）在機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜內(nèi)新增一個(gè)直流24V 電磁閥，接線原理如圖2 所示，在監(jiān)控系統(tǒng)增加“機(jī)組制動(dòng)氣源壓力異?！眻?bào)警信號(hào)，報(bào)警邏輯如圖3 所示。5）“防誤操作”聲光報(bào)警器接線原理。在機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜內(nèi)增加“防誤操作”聲光報(bào)警器，接線原理如圖4 所示。當(dāng)“機(jī)組制動(dòng)氣源壓力異?！睏l件滿足時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU 2 號(hào)屏內(nèi)接點(diǎn)閉合，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出“機(jī)組制動(dòng)氣源壓力異?！眻?bào)警，機(jī)組制動(dòng)柜上的聲光報(bào)警器報(bào)警，提醒現(xiàn)場(chǎng)人員設(shè)備異常。6）取消空轉(zhuǎn)至停機(jī)過(guò)程中氣源壓力異常判據(jù)，不影響停機(jī)流程執(zhí)行。

圖2 接線原理圖

圖3 “機(jī)組制動(dòng)氣源壓力異?！眻?bào)警邏輯

圖4 “防誤操作”聲光報(bào)警器接線原理

表1 機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜中CM-200 微機(jī)測(cè)速裝置第三個(gè)接點(diǎn)（N3）的定義方式

3 實(shí)踐應(yīng)用及效果

在機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)中，機(jī)組并網(wǎng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到100%Ne，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)下令加閘，30s 后加閘失敗流程退出。運(yùn)行人員在機(jī)組測(cè)速制動(dòng)柜上執(zhí)行手動(dòng)加閘操作。該臺(tái)機(jī)組的氣源無(wú)供氣，閘塊無(wú)法頂起，試驗(yàn)成功。

該文優(yōu)化設(shè)計(jì)改造工程順利完成，克服了機(jī)械和電氣問(wèn)題，并投運(yùn)成功。但是通過(guò)此次優(yōu)化設(shè)計(jì)、論證、改造好試驗(yàn)全過(guò)程，該文發(fā)現(xiàn)目前還存在一些問(wèn)題，具體如下。首次改造使用電磁閥為220V 交流供電，機(jī)組停機(jī)時(shí)，電磁閥一直保持供電，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致電磁閥線圈發(fā)熱嚴(yán)重。經(jīng)論證后，改為直流24V 電磁閥，電磁閥線圈發(fā)熱問(wèn)題得到解決。

通過(guò)CM-200 微機(jī)測(cè)速裝置N3 接點(diǎn)間接控制電磁閥線圈，對(duì)CM-200 的可靠性提出了更高要求，需要對(duì)CM-200微機(jī)測(cè)速裝置的檢驗(yàn)與定期更換制動(dòng)更嚴(yán)格的計(jì)劃。

氣源供氣管路改造后，運(yùn)行人員巡檢時(shí)密切關(guān)注了供氣管路是否存在泄漏。

設(shè)備投運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)如果機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中轉(zhuǎn)速維持在20%Ne，由于機(jī)組轉(zhuǎn)速＞12%Ne，電磁閥DK3 未動(dòng)作，制動(dòng)腔與大氣連通，因此手動(dòng)充氣加閘時(shí)會(huì)直接泄壓，導(dǎo)致加閘失敗。為實(shí)現(xiàn)特殊情況下快速手動(dòng)加閘，可以在電磁閥前端新增一個(gè)手動(dòng)球閥，關(guān)閉手動(dòng)球閥實(shí)現(xiàn)制動(dòng)腔保壓，或者增加手動(dòng)投退電磁閥DK3 的控制回路，DK3 動(dòng)作后實(shí)現(xiàn)制動(dòng)腔保壓。

4 結(jié)語(yǔ)

該文優(yōu)化設(shè)計(jì)改造工程順利完成，從投入運(yùn)行和應(yīng)用效果來(lái)看，雙氣路的制動(dòng)控制單元能有效克服傳統(tǒng)單氣路的制動(dòng)控制單元存在的盲區(qū)、死區(qū)。雙氣路的制動(dòng)控制單元在機(jī)組高轉(zhuǎn)速工況下切斷制動(dòng)加閘氣源，并將制動(dòng)腔內(nèi)氣體全部排出，可有效避免機(jī)組在高轉(zhuǎn)速過(guò)程中的“誤加閘”事件，消除機(jī)組因“誤加閘”造成的非計(jì)劃停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)，給水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)改造工程提供了一種新的思路。