抽水蓄能電站機械制動控制原理及應用

張博倫

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 引言

抽水蓄能機組具有啟動頻繁、水頭高、雙向旋轉運行等特點，在電網中一般承擔著調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用等任務。機械制動系統是抽水蓄能機組發電電動機的重要輔助設備，GB/T 20834—2014《發電電動機基本技術條件》中規定發電電動機應同時設置機械制動和電氣制動裝置。正常停機一般在轉速下降至50%額定轉速時投入電氣制動，轉速繼續下降至5%額定轉速時，再投入機械制動直至停機。

機械制動高速投入、帶機械制動升速等惡性故障偶有發生，可能造成發電電動機粉塵污染、機組軸系偏移、制動環損壞等嚴重后果，嚴重影響機組的安全穩定運行。通過對機械制動系統的改進優化，可以顯著降低故障發生概率，提高機組的安全性和可靠性。

2 機械制動原理闡述

2.1 低壓氣系統原理圖

沙河抽水蓄能電站機械制動系統由4只制動風閘、1套移動式頂轉子油泵、制動環及相關管路等組成。正常工作時，機械制動由低壓氣系統供氣。低壓氣系統由4臺低壓氣機、1個檢修用氣貯氣罐、1個制動用氣貯氣罐及相關管路及輔助設備所組成。其中，3號、4號低壓氣機為2011年新增設備，1號、2號低壓氣機為2014年春季檢修新換設備。檢修狀態時，可使用移動式頂轉子油泵通過給油管路加壓頂轉子，起到制動作用。如圖1所示。

圖1 低壓氣系統圖

2.2 機械制動原理流程

機組停機時，測量機組轉速信號，此信號源應采用多通道方式，例如齒盤測速或PT冗余測速信號，防止信號丟失導致風閘誤動。待導葉全關、機組出口斷路器分閘位置、轉速測量裝置正常、機組轉速小于設定值條件滿足后，機械制動投入令輸出，機械制動投電磁閥動作，機組風閘加壓，待機組速度降為0，風閘泄壓分開，風閘回到復位位置，向上位機傳遞1號、2號、3號、4號風閘復位信號，機械制動過程完成。

3 機械制動的一般原則及控制方式優化

3.1 一般原則

（1）機械制動控制回路應簡單、高效、可靠，適應機組抽水、發電工況的運行要求，保證能夠安全停機，并滿足各種工況轉換的要求。

（2）機械制動控制回路應充分發揮軟硬件資源相結合的優勢，提高機組自動化監控水平，降低人工失誤概率。

（3）機械制動邏輯輸入輸出程序必須考慮機組轉速、出口開關位置、主進水閥位置等信號的影響，形成安全閉鎖。鎖定條件下，當相關信號異常時，閉鎖機械制動，防止機械制動誤動或拒動。

3.2 控制方式優化

3.2.1 機組正常停機時機械制動控制方式

機組正常停機時，停機順控流程如下：降低機組有功、無功，關閉導葉、分機組出口斷路器，關閉主閥，消除勵磁，推力循環油泵投入，機組轉速低于5%Ne時投入機械制動，直至轉速降至0%，正常停機完成。流程如圖2所示。

圖2 機械制動投入邏輯圖

3.2.2 機組電氣事故停機時機械制動控制方式

當機組運行時，發生電氣干擾，緊急停機時間較短，當機組轉速低于90%Ne時，高壓油系統會鎖定電制動，因此在機組轉速低于額定轉速25%的情況下，投入風閘至機組轉速降至0，減少機組惰性運行時間，保護機組推力軸承。相比正常停機過程，機械制動將在更高的轉速下啟動。

3.2.3 機組發生蠕動時機械制動控制方式

由于水輪機導葉關閉不嚴，導致機組蠕動，易對導軸承及推力軸承造成損害，出現燒瓦事故，所以需要引入機械制動，消除機組蠕動以此保護軸承。

3.2.4 機組發生帶機械制動升速（加閘）的控制方式

機組帶機械制動時的轉速提升會造成電機粉塵污染，極大程度上損害風閘機械部件的安全性和穩定性。該故障通常發生在機組啟機或停機的過程中，為防止此故障發生，一般采取下列控制方式：

（1）測速裝置發出警報時，將機械制動投入信號閉鎖，并將機械制動退出。

（2）將“機械制動無壓”及“風閘已復位”信號作為機組轉速上升的條件，條件不滿足時，閉鎖機組轉速繼續上升。

（3）為防止單個轉速5%信號故障誤報導致機械制動異常投入，可在機械制動投退電磁閥回路上，增加一路轉速信號回路，確認轉速信號無誤后，正確投入機械制動。

4 事故案例分析

4.1 事故案例分析1

4.1.1 事故現象

某日，沙河抽水蓄能電站1號機停機過程，上位機報1號制動風閘未復位。

當值值長通知檢修人員進廠消缺，現地檢查發現1號風閘復位后信號未可靠動作，傳感器動作行程不夠，無法到位，無法傳送復位信號至上位機。

4.1.2 缺陷原因分析

檢修人員現地調整1號風閘壓緊行程，手動投退風閘多次，信號動作恢復正常。檢查1號機組其他3只風閘，風閘鎖定位置正常，螺栓緊固無松動，傳感器位置正常。經檢修人員檢查判斷后，認為原因為傳感器動作行程不夠引起。另外，也與機組制動風閘部件檢查周期偏長有關（每年兩次，結合年度C、D檢修開展）。

4.1.3 后續處理情況

檢修人員利用1號機D級檢修對風閘進行全面檢查和保養，實測4只風閘剎車板厚度為20 mm，剎車板與制動環距離為15 mm，與上次檢修數據比較，風閘剎車板無磨損，與制動環之間距離無變化。對4只風閘的彈簧涂抹潤滑油，確保動作順暢。調整4只風閘壓緊行程，增加2 mm墊片確保信號到位。檢查風閘制動用氣管路，無漏點。對4只風閘的復位導軌涂抹潤滑油，確保動作順暢。結合檢修對1號、2號機制動風閘本體進行全面檢查，復測閘板厚度，檢查信號反饋回路，檢查風閘制動用氣管路。

4.2 事故案例分析2

4.2.1 事故現象

某日，沙河抽水蓄能電站1號機停機過程，2號制動風閘未復位。當值值長通知檢修人員進廠消缺，現地檢查發現1號機2號制動風閘鎖定松動，導致風閘退出時未能完全到位。

4.2.2 缺陷原因分析

檢修人員將1號機2號制動風閘鎖定調整到位，螺栓緊固，并上螺紋鎖固膠。組織人員檢查1號機其他3只風閘，對風閘鎖定螺栓重新上螺紋鎖固膠并緊固。進行風閘投退試驗多次，風閘動作及信號反饋均正常，如圖3、圖4所示。缺陷原因為：1號機振動引起2號制動風閘鎖定松動，導致風閘退出時未能完全到位。另外，機組制動風閘部件檢查周期偏長（結合年度檢修每年檢查兩次），未及時發現設備缺陷。

圖3 風閘故障檢查

圖4 風閘鎖定螺栓緊固

4.2.3 后續處理情況

舉一反三，對2號機4只風閘進行檢查。調整定期工作，由每半年一次縮短至每季度一次對1號、2號機風洞內機械部件進行全面檢查。

5 結束語

抽水蓄能電站中機械制動的高速投入、高速加閘和未投入將導致嚴重的負面后果。完善的控制方式和設計是確保抽水蓄能機組可靠運行的基礎。文中描述了機械制動裝置在不同運行工況甚至異常工況下的機械制動控制方式優化，包括正常停機、事故停機、機組蠕動以及加閘等情況的控制方式優化。最后對兩起機械制動故障案例進行分析，對抽水蓄能電站的機械制動控制設計優化具有一定的借鑒意義。