基于超聲波特性的大型水力發電機機械制動系統研究

李 偉，楊新志，鐘洲文，徐長福

(1.長江生態環保集團有限公司，湖北 武漢 430062；2.中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

某電廠混流式機組開始執行停機流程后，機械制動在轉速達到15%Ne時投入[1]，機組全停后機械制動系統退出，因機械制動系統采用接觸式結構，不能定位單個風閘投退狀態，不僅存在誤報率高的問題，而且機械制動系統未能正常投入時，也無法發現，這將延長機組低轉速轉動時間，進而縮短軸瓦及鏡板壽命甚至可能造成其磨損[2]；停機后，如果機械制動系統未能正常退出，還需要現地逐一排查異常風閘，費時費力[3]，現場環境復雜，也不利于人身安全。

超聲波風閘定位系統，克服了傳統制動系統無法定位單個風閘狀態的缺點，可為現場快速處置提供指導；其次，采用兩組傳感器來實現非接觸測量[4]，即克服了原制動系統誤報率高的缺點，又因超聲波良好的線性度、穿透力及對粉塵、電磁場不敏感等特性[5]，提升了測量質量。該系統采用分布式結構，進一步提升了判斷效率。

1 某電廠原發電機機械制動系統分析

某發電廠原機械制動系統為油、氣管路合一的單缸單活塞結構，彈簧復歸式。機械制動系統投入時，由制動用氣驅動活塞，進而帶動制動板頂住制動環，利用摩擦力使轉子停止轉動，當機組全停后，制動用氣撤出，制動板在復位彈簧作用下復位。

其缺點是單個風閘狀態測量采用接觸式，誤報率高。其次，原制動系統不僅將至少有一個風閘在投入狀態作為其投入的判據，而且還不具備單個風閘狀態定位功能，使未正常投入的風閘無法被發現，部分風閘不能正常落下，無法被確認，還需人員現場逐一排查處置，費時費力，也不利于人身安全。

2 某電廠技改后發電機機械制動系統分析

技改后的機械制動系統，在原有制動腔內增加復位腔，將原有彈簧復歸式改為氣壓復歸式，復位力增加了14.7倍，保留了原制動系統控制邏輯及接觸式測量結構。盡管復位力大幅提升，降低了風閘狀態異常風險，但其缺點是一旦出現缸內串氣或者漏氣，將造成風閘無法正常投退；其次，新制動系統依然存在原制動系統的誤報率高、不能定位單個風閘的缺點。

3 超聲波風閘定位系統分析

3.1 超聲波風閘定位系統原理

超聲波是一種頻率大于20 kHz的機械波[6]，其在空氣中傳播速度受溫度、濕度、壓強等因素影響，其中空氣溫度對其影響較大[7]，僅考慮溫度影響，通常情況下，溫度每升高1 ℃，其速度將增加0.6 m/s[8]。超聲波在空氣中的傳播速度為V，環境溫度為m，則

(1)

如圖1所示，在每個風閘缸體兩側分別安裝一對雙探頭超聲波換能器及一個溫度傳感器，為了減小衰減并避免相互影響，兩組超聲波換能器的頻率選擇在超聲波的較低頻段且互不相同[9]，溫度傳感器實時測量環境溫度，并將數據輸出至現地控制單元。當超聲波換能器向風閘制動板背面發射超聲波，超聲波將在風閘制動板背面發生反射，其回波會被放置在風閘缸體上的超聲波換能器接收。若超聲波從發射到被接收的傳播路徑長度為l′，制動板與超聲波換能器之間的距離為h′，k為超聲波換能器兩探頭中心點之間的距離。如圖2單個風閘一組超聲波定位原理可以有

(2)

圖1 超聲波風閘定位裝置

圖2 單個風閘一組超聲波定位原理

依據渡越時間檢測法(TOF)[10]，則傳播時間T如式(3)所示

=f(h′，m′)

(3)

式中，m′表示環境溫度；v′表示不同環境溫度下的超聲波傳播速度。

假定t0為超聲波發射時間，h0為超聲波換能器安裝基準值，m0為超聲波發射時的環境溫度，超聲波從發射到被接收的時間為t′，假設裝置反應誤差量為ε。由于風閘制動板與超聲波換能器之間距離較近，所以在一個脈沖測量周期內可以認為超聲波在空氣中的傳播速度m′等于m0，即一個測量周期可以認為超聲波速度為定值，則可得到超聲波從發射到接收的時間差值ΔT，如式(4)所示

ΔT=f(h′，m′)-f(h0，m0)+ε=f(h′，m0)-t0+ε

(4)

式中，ΔT1、ΔT2分別為第一、二組超聲波換能器測量時間差，則當ΔT1滿足公式5或ΔT2滿足公式6，則可判斷單個風閘已落下。

(5)

(6)

式中，h1′、h2′分別表示第一、二組超聲波換能器安裝位置到制動板之間的距離；t1′、t2′分別表示第一、二組超聲波測量到返回信號時的時間；h10、h20分別表示第一、二組超聲波換能器基準值。

(7)

(8)

風閘投入判據如式(7)、(8)所示，即當ΔT1滿足公式7或ΔT2滿足式(8)，則可判定單個風閘已投入。其中，h1、h2分別表示風閘投入時制動板與第一組、第二組超聲波換能器安裝位置之間的距離。t表示風閘投入時，超聲波從發射到被接收時的時間。h1、h2、t為定值。

3.2 超聲波風閘定位系統邏輯分析

單個風閘狀態判據如表1所示，當ΔT值至少有一組滿足式(5)或式(6)則可判斷該風閘退出，當ΔT值至少有一組滿足式(7)或式(8)，則可判斷該風閘退出，當兩組計算ΔT值均不滿足式(5)～(8)，則可判斷風閘狀態不明，即單個風閘在中間態。

機械制動系統投退邏輯如表2所示，當機械制動系統t0時刻下發投退指令時，所有單個風閘超聲波定位系統均被激活，延時t″后停止判斷，并反饋結果至機械制動系統。當所有單個風閘投入或退出時，則機械制動系統為投入或退出。當至少有一個風閘投退狀態與其他風閘不一致，則機械制動系統報“狀態不明”，并輸出狀態異常風閘個數及其相應編號。

表1 單個風閘控制邏輯

表2 機械制動系統控制邏輯

4 結 論

超聲波風閘定位系統修正了原制動系統投入邏輯，將全部風閘投入作為機械制動系統投入判據，從而排除了風閘缺陷被掩蓋的風險；其次，兩組雙頻非接觸式結構既提升了測量精度，又克服了原系統無法定位單個風閘狀態的缺點，還可以實時輸出異常風閘個數及其相應編號，為現場快速查找確認異常風閘提供指導，進而提升了水電站的智能水平。