水輪發電機組高轉速制動的危害及防范措施

牟玉雷

摘 要：水輪發電機組高轉速運行中制動在水電廠時有發生，文章從設備、工作環境、作業人員三方面分析了造成水輪發電機組高轉速制動的原因，提出了防范措施，并介紹了我廠在這方面所做的工作。

關鍵詞：高轉速；制動；原因；對策

1 概述

運轉中的水輪發電機組具有很大的動能，即E=Jω2/2（J為機組轉動部分的慣性矩，ω為機組的轉動角速度）。在機組解列停機過程中，水輪機的導葉關閉之后機組的動能僅消耗在發電機轉子與空氣的摩擦力矩、軸承的摩擦力矩、水輪機與水的摩擦力矩之上，機組轉速由額定降為零的時間較長。為了縮短機組在停機過程中的低速運轉時間，防止推力軸承發生半干摩擦和干摩擦，以至燒毀推力瓦，水輪發電機組通常安裝有一套強迫制動裝置一制動風閘。制動風閘既用于停機制動，又用于機組頂轉子用。制動時通入電廠低壓氣（我國制動用氣工作壓力允許范圍為表壓0.5-0.7MPa），頂轉子時通入高壓油。

典型的制動管路如圖1。

制動干管與低壓氣相連接，采用自動制動運行時管路閥門的狀態如圖1中所示，停機過程中，當機組轉速降到設定的制動轉速時，電磁空氣閥勵磁，低壓氣經過三通閥進入風閘，頂起風閘進行制動。當需要進行頂轉子操作時，將三通閥切至頂轉子干管側，啟動油泵，將高壓油泵入風閘頂起轉子。投入強迫制動的時間一般要求是在機組轉速下降到30%以后。因為轉速從額定下降到30%的速度較快，而且推力瓦和鏡板之間的相對速度較快，不會形成干摩擦。

2 水輪發電機組高轉速制動的危害

如機組的轉速較高時投入制動風閘，將造成以下不良后果：

（1）風閘投入時受到的沖擊力大大增加，摩擦時產生的高溫使制動環變形、龜裂，進而可能發展為疲勞斷裂，危及安全運行；易造成風閘損害，發卡、變形從而造成正常制動時風閘不能頂起，制動完成以后不能復位，增加運行維護的工作量，情況惡劣時甚至造成制動閘塊飛出，損壞發電機的定子繞組；（2）摩擦產生大量的粉塵，粉塵與風洞里的水蒸氣、油霧混合，附著于發電機繞組表面使發電機的絕緣下降，并堵塞通風溝、降低冷卻效果，使發電機的溫度升高；（3）制動閘塊磨損快，縮短了維護周期。某電站就曾發生閘塊磨損后未能及時更換，制動環與風閘金屬部分直接摩擦損壞制動環的事故；然而，由于種種原因，機組在高轉速下制動的事件在水電廠還是屢見不鮮，是常見的水機誤操作事故之一。

3 常見的高轉速制動的原因

筆者在多年的運行實踐中耳聞目睹了多起高轉速制動事件，大致可以分為：

3.1 測速裝置故障

由于制動系統在自動運行時，停機過程中是靠機組轉速信號啟動動作的，因此測速裝置故障造成的高轉速制動較為常見。

某水電廠1機組在安裝完畢后進行調速器空載擾動試驗時（調速器采用獨立的齒盤測頻），由于調速器大幅度抽動，造成壓油裝置事故低油壓，機組事故停機。當時監控用測速裝置采用殘壓測頻，而該機處于試驗狀態，電壓互感器隔離開關在拉開位置，沒有殘壓信號上送，監控裝置在判斷機組有停機令（事故停機）、導葉全關（事故停機電磁閥動作），轉速小于15%ne后自動將風閘投人，當時機組實際轉速為96%ne。

某電廠機組在運行中發生永磁機斷軸，值班員手動啟動緊急停機，未考慮到永磁機斷軸后，轉速已低于轉速繼電器動作值，水機自動回路在檢測到停機令后，自動投入制動風閘，造成高轉速制動。

3.2 三通閥內漏

閥門內漏是機組在運行中發生風閘頂起的又一大原因。這種缺陷具有很大的隱蔽性，在操作前無法提前知道。

由于頂轉子的油壓通常高達數米甚至更高，在頂轉子操作時，運行機組的三通閥即使只有很小的內漏，高壓油也會串入將風閘頂起。某水電廠就曾發生過在對檢修機組進行頂轉子操作時，由于運行機組的頂轉子給油閥漏油而將運行中機組的風閘頂起，造成機組強迫停運。

3.3 運行人員誤操作

由于操作過程中失去監護，操作人員責任心差造成誤操作是高轉速制動的又一大原因。目前電廠廣泛使用的測速裝置都具有頻率顯示、相對轉速顯示方式（% ne）。在頻率顯示方式下測速裝置顯示的是機組頻率，在對轉速顯示下，顯示的是機組轉速對應于額定轉速的百分比。值班員將頻率顯示為25Hz誤認為是轉速已降至25% ne。手動投入風閘，實際上此時機組的轉速為50% ne。

操作中走錯間隔，誤投運行機組風閘或是操作中誤動閥門也是造成高轉速制動的常見原因。

造成誤操作的原因很多，從人的方面來看和員工的責任心、技術能力有關；從工作環境來看，和現場的目視化管理不到位，設備標示不清有關，運行人員憑記憶、憑經驗操作而造成誤操作。

3.4 運行人員冒險制動

某站在停機過程中，因導葉漏水大，機組轉速在60% ne處下降速度極慢，運行人員在關閉球閥的過程中，又發生電磁閥發卡，球閥不能關閉，當即冒險投人風閘，強行制動。

3.5 運行方式安排不當

為了防止機組在運行中風閘被頂起，運行中要求風閘的下腔必須與大氣相連通。在圖1中，采用手動制動運行方式時，保持314閥常開保證風閘下腔與大氣相連；自動制動運行時，應保證312閥常開，風閘下腔通過312閥，經未勵磁的電磁空氣閥與大氣相連。

某站機組運行中，運行人員為防止電磁空氣閥誤動作，將自動制動給氣閥312關閉，而手動排氣閥314未開啟，混淆了“手動”、“自動”兩種運行狀態，結果造成風閘在運行中被手動制動給氣閥313的漏氣所頂起。

4 防止高轉速制動的對策

以上幾種常見的高轉速剎車現象，電站采取了相應的對策。

（1）針對測速裝置故障誤投風閘，電站在轉速控制上，普遍采用兩種不同測速原理的測速裝置以“與”的方式出口，即只有當兩種不同測頻原理的測速裝置共同認為機組達到了制動轉速后，才投入電磁空氣閥。某些水電廠在電磁空氣閥前端加裝了氣源閥，氣源閥的動作仍由監控開出控制，其動作轉速比投制動電磁轉速高10%，有效的防止了因監控誤開出造成的高轉速制動以及制動電磁閥關閉不嚴造成漏氣。在頂轉子干管和機組的三通閥之間加裝了常閉截止閥，頂轉子操作時，只開啟被頂機組的的常閉截止閥，防止了因三通閥內漏頂起其它機組的事故。

（2）為防止二通閥內漏誤頂轉子的事故，在新建電廠中，頂轉子已不再采用集中供油方式，而采用移動式油泵與機組頂轉子油路活接頭連接的方式。在這種供油方式下，保證了每次頂轉子操作只能對一臺機組進行。而新建電廠寬敞的廠房也為油泵的移動提供了足夠的空間。

這種供油方式雖然操作的時候復雜一些，但是更加的安全，而且移動式油泵隨時可以用作他用，考慮到機組頂轉子的操作頻率較小，所以不失為一種較好的選擇。

（3）針對高速制動事故中人的因素如誤操作、冒險操作等，要加強技術培訓，讓員工認識到高速制動的危害性，在作業現場做好設備雙重名稱以及操作方向的操作提示。在從事簡單重復的工作時，人比機器更容易犯錯誤。所以在程序工作中，采用自動控制，減少人的參與無疑對安全生產有利。