水輪發(fā)電機組停機制動方式優(yōu)化選擇

郭 磊

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000 ；2. 湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410000）

0 引言

水輪發(fā)電機組相對于火電機組具有啟動、停機所需時間較短的優(yōu)點，可在電力系統(tǒng)中擔任調(diào)峰調(diào)頻及事故備用的任務(wù)，對于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮著重要作用，但水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量較大，轉(zhuǎn)動慣量較大，在慣性作用下機組很難快速停下來。機組在停機過程中在無外力干預(yù)情況下主要受水輪機轉(zhuǎn)輪在尾水中轉(zhuǎn)動的水阻力、機組轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動時與空氣摩擦的風(fēng)阻力、機組軸承的摩擦力的作用，其中水阻力是主要阻力，而它與機組轉(zhuǎn)速的平方成正比，在機組轉(zhuǎn)速逐漸降低過程中，機組所受阻力也將逐漸減小，機組轉(zhuǎn)速下降呈現(xiàn)先快后慢的特點，若無外力干預(yù)機組將在低轉(zhuǎn)速區(qū)運行很長時間。所以必須在機組轉(zhuǎn)速降至一定值時加以外力干預(yù)才能使機組快速停下，制動系統(tǒng)應(yīng)運而生。目前國內(nèi)水輪發(fā)電機組停機制動系統(tǒng)主要有機械制動和電氣制動兩種。

1 制動系統(tǒng)工作原理

1.1 機械制動

機械制動系統(tǒng)主要由制動氣罐及相關(guān)管路、控制元件、制動風(fēng)閘和安裝在轉(zhuǎn)子上的制動環(huán)組成（圖1）。制動氣罐為風(fēng)閘提供制動壓力，在機組轉(zhuǎn)速降至風(fēng)閘投入定值時，風(fēng)閘投入，利用制動風(fēng)閘與制動環(huán)之間的摩擦力使機組停下。相當于將轉(zhuǎn)動部件的動能轉(zhuǎn)換為摩擦產(chǎn)生的熱能。

圖1 某電廠機械制動系統(tǒng)圖

1.2 電氣制動

電氣制動主要由電制動變壓器、電制動開關(guān)（圖2）、勵磁系統(tǒng)組成。電氣制動是基于發(fā)電機的電樞反應(yīng)和耗能制動原理。機組轉(zhuǎn)速降至電氣制動投入定值，合上電制動開關(guān)將定子繞組三相短路，以適當?shù)膭畲烹娏魍ㄈ朕D(zhuǎn)子繞組形成磁場，還在轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子致使定子繞組切割磁力線運行形成感應(yīng)電動勢，因定子繞組三相短路將形成短路電流，帶有電流的定子繞組在磁場中運動將對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的阻力矩致使機組快速停下。相當于將轉(zhuǎn)動部件的動能轉(zhuǎn)換為定子繞組短路產(chǎn)生的熱能[1]。

圖2 某電廠電制動開關(guān)Z021

2 兩種制動系統(tǒng)優(yōu)缺點

2.1 機械制動

優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，即使自動制動失敗也可手動操作制動。

缺點：機械制動過程會產(chǎn)生粉塵，造成風(fēng)洞內(nèi)粉塵污染，影響定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣，粉塵還容易造成轉(zhuǎn)子磁軛和定子鐵心狹小通風(fēng)溝堵塞，影響機組冷卻效果，為減少粉塵產(chǎn)生量，只能在機組轉(zhuǎn)速降至較低時再投入，相對停機時間較長。

2.2 電氣制動

優(yōu)點：電氣制動可以在機組轉(zhuǎn)速較高時投入，制動力矩較大，相對停機時間較短，且在制動過程中無粉塵污染，保證風(fēng)洞內(nèi)環(huán)境清潔。

缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，包含的電氣元器件較多，發(fā)生故障的可能性較高，容易制動失敗，且在機組電氣事故時需閉鎖電制動。

3 制動系統(tǒng)應(yīng)用需注意的問題

3.1 制動系統(tǒng)投入失敗

機械制動投入失敗的原因可能有：①轉(zhuǎn)速裝置故障，監(jiān)控未監(jiān)測到投入定值，未下達投入指令；②制動氣系統(tǒng)壓力不足；③自動投入電磁閥故障未正確動作；④制動風(fēng)閘上下腔竄氣，形成不了壓差，風(fēng)閘頂不起等。

電氣制動投入失敗的原因可能有：①轉(zhuǎn)速裝置故障，監(jiān)控未監(jiān)測到投入定值，未下達投入指令；②制動變壓器電源側(cè)失電；③電制動陽極開關(guān)與勵磁陽極開關(guān)切換失敗；④電制動開關(guān)合閘失?。虎輨畲畔到y(tǒng)故障，整流失敗；⑥發(fā)電機電氣事故閉鎖電制動等[2]。

通過以上分析可知，電氣制動相較于機械制動投入失敗的幾率較大，尤其是發(fā)生電氣事故時為避免事故擴大，必須閉鎖電氣制動，所以水輪發(fā)電機組即使正常停機時選擇電氣制動方式，也應(yīng)備用一套機械制動系統(tǒng)，供電制動投入失敗或被閉鎖時使用。

3.2 純機械制動投入定值

機械制動在較高轉(zhuǎn)速時投入，制動風(fēng)閘磨損嚴重，會產(chǎn)生大量粉塵，造成風(fēng)洞內(nèi)嚴重污染，且可能導(dǎo)致制動環(huán)因溫度過高而爆裂。一般情況下，機械制動在機組轉(zhuǎn)速降至20%Ne~30%Ne時投入，這就要求停機時機組轉(zhuǎn)速從100%Ne降至投入定值這段時間不宜過長，保證總體停機時間不至于過長[3]。

3.3 純電氣制動投退定值

電氣制動只要保證投入時定子三相短路電流不超過額定電流即可投入，但停機時機組在高轉(zhuǎn)速區(qū)降速較快，投入電氣制動沒有太大意義，所以一般選擇在機組轉(zhuǎn)速降至50%Ne~60%Ne時投入。電制動力矩與轉(zhuǎn)速成反比，當轉(zhuǎn)速等于0時達到最大值，為防止機組反轉(zhuǎn)，需在機組轉(zhuǎn)速為0前提前退出，一般選擇在1%Ne~5%Ne時退出。

3.4 電氣制動對一、二次設(shè)備的影響

電氣制動過程需將發(fā)電機定子繞組三相短路，會引起發(fā)電機保護動作，所以發(fā)電機保護應(yīng)在電氣制動過程中閉鎖出口。電制動開關(guān)將定子繞組短路，若其未分閘就開機，將導(dǎo)致嚴重后果，所以停機結(jié)束應(yīng)認真檢查電制動開關(guān)確已分閘，且將電制動開關(guān)合閘信號作為開機閉鎖條件。

4 機組制動方式選擇與效果案例

4.1 停機時水輪機轉(zhuǎn)輪完全淹沒

東坪電廠為燈泡貫流式機組，單機容量19.9 MW，額定水頭6.8 m，轉(zhuǎn)輪安裝高程79 m，機組運行時尾水位約87.5 m，停機時轉(zhuǎn)輪淹沒高度約8.5 m。機組采用純機械制動方式停機，機組轉(zhuǎn)速降至30%Ne時投入制動風(fēng)閘，轉(zhuǎn)速為0時退出，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖3。轉(zhuǎn)速由100%Ne降至30%Ne用時約32 s，由30%Ne降至0用時約21 s，停機總體時間約53 s。

圖3 東坪電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

馬跡塘電廠為燈泡貫流式機組，單機容量18.5 MW，額定水頭6.55 m，轉(zhuǎn)輪安裝高程42.1 m，機組運行時尾水位約49 m，停機時轉(zhuǎn)輪淹沒高度約6.9 m。機組采用混合制動方式停機，機組轉(zhuǎn)速降至90%Ne時投入電氣制動，轉(zhuǎn)速降至15%Ne，投入機械制動，轉(zhuǎn)速降至0時退出電氣制動和機械制動，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖4。轉(zhuǎn)速由100%Ne降至90%Ne用時約5 s，由90%Ne降至15%Ne用時約26 s，由15%Ne降至0用時約10 s，總體停機時間約41 s。

圖4 馬跡塘電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

掛治電廠為軸流轉(zhuǎn)槳式機組，單機容量50 MW，額定水頭20.7 m，水輪機安裝高程293 m，機組運行時尾水位約298 m，停機時轉(zhuǎn)輪淹沒高度約5 m。機組采用純機械制動方式停機，機組轉(zhuǎn)速降至20%Ne時投入制動風(fēng)閘，轉(zhuǎn)速為0時退出，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖5。轉(zhuǎn)速由100%Ne降至20%Ne用時約130 s，由20%Ne降至0用時約50 s，停機總體時間約180 s。

圖5 掛治電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

五強溪電廠為混流式機組，單機容量240 MW，額定水頭44.5 m，水輪機安裝高程50 m，機組運行時尾水位約52 m，停機時轉(zhuǎn)輪淹沒高度約2 m，正常停機時采用純電氣制動方式，機組轉(zhuǎn)速降至60%Ne時投入電氣制動，轉(zhuǎn)速降至1%Ne時退出，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖6。轉(zhuǎn)速由100%Ne降至60%Ne用時約30 s，由60%Ne降至0用時約160 s，總體停機時間約190 s。

圖6 五強溪電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

托口電廠為混流式機組，單機容量200 MW，額定水頭54 m，水輪機安裝高程186.44 m，機組運行時尾水位約190 m，停機時轉(zhuǎn)輪淹沒高度約3.5 m，正常停機時采用混合制動方式，機組轉(zhuǎn)速降至60%Ne時投入電氣制動，轉(zhuǎn)速降至20%Ne，投入機械制動，轉(zhuǎn)速降至5%Ne時退出電氣制動，轉(zhuǎn)速為0時退出機械制動，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖7。轉(zhuǎn)速由100%Ne降至60%Ne用時約47 s，由60%Ne降至20%Ne用時約160 s，由20%Ne降至0用時約46 s，總體停機時間約253 s。

圖7 托口電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

以上案例中，機組形式包括燈泡貫流式、軸流轉(zhuǎn)槳式、混流式，停機制動方式包括純機械制動、純電氣制動、混合制動，通過以上分析可知，不論哪種機組形式，不論采用哪種制動方式，只要機組停機時水輪機轉(zhuǎn)輪是淹沒狀態(tài)，總體停機時間可控制在較短時間內(nèi)。

4.2 停機時水輪機轉(zhuǎn)輪脫流

白市電廠為混流式機組，單機容量140 MW，額定水頭44 m，水輪機安裝高程247.5 m，單機運行時尾水位約246.5 m，停機時轉(zhuǎn)輪脫流。采用純電氣制動方式停機，機組轉(zhuǎn)速降至60%Ne時投入電氣風(fēng)閘，轉(zhuǎn)速為1%Ne時退出，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖8。停機時機組轉(zhuǎn)速由100%Ne降至60%Ne用時約120 s，由60%Ne降至0用時約360 s，停機總體時間約480 s。

圖8 白市電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

碗米坡電廠為混流式機組，機組容量80 MW，額定水頭39 m，水輪機安裝高程205.21 m，單機運行時尾水位約202.5 m，停機時轉(zhuǎn)輪脫流。機組設(shè)計時采用純機械制動方式停機，機組轉(zhuǎn)速降至20%Ne時投入制動風(fēng)閘，轉(zhuǎn)速為0時退出，其停機轉(zhuǎn)速過程線見圖9。停機時機組轉(zhuǎn)速由100%Ne降至20%Ne用時約28 min，由20%Ne降至0用時約53 s，停機總體時間約29 min。

圖9 碗米坡電廠機組停機轉(zhuǎn)速過程線

以上案例中，機組停機時轉(zhuǎn)輪均脫流，停機過程中的主要阻力水阻力為0，不論采用純電氣制動還是純機械制動，機組停機時間相對于轉(zhuǎn)輪完全淹沒的機組要長得多。

白市電廠采用純電氣制動，總停機時間480 s左右，雖比五強溪電廠的190 s要長，但還屬于可接受范圍之內(nèi)。而采用純機械制動的碗米坡電廠總體停機時間為29 min，已不滿足電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)對機組快速啟停的要求，且長時間低轉(zhuǎn)速運行還會加速機組軸承磨損。為盡量縮短停機時長，碗米坡電廠曾采取過提高機械制動投入定值的措施，將投入定值由20%Ne修改為25%Ne，但由圖9可知，轉(zhuǎn)速由100%Ne降至25%Ne也需要22 min左右，效果并不明顯。若將投入定值繼續(xù)提高，必將加速制動閘板磨損，產(chǎn)生更大量粉塵，且可能導(dǎo)致制動環(huán)因溫度過高而爆裂，增加了不安全因素?？梢姡朊灼码姀S現(xiàn)有的純機械制動方式并不能滿足機組快速停機的要求，要想在機組轉(zhuǎn)速更高時引入外力干擾，增加一套電氣制動系統(tǒng)是一種比較可行且有效的辦法。

5 結(jié)語

機械制動和電氣制動作為輔助停機系統(tǒng)，在縮短機組停機時間上發(fā)揮著重要作用。停機時水輪機轉(zhuǎn)輪完全淹沒的機組，不論采用純機械制動、純電氣制動還是混合制動方式，均可滿足機組快速停機的要求。而對于停機時水輪機轉(zhuǎn)輪脫流的機組，采用純機械制動方式并不是一種合理選擇，引入電氣制動系統(tǒng)很有必要。