頂轉子剎車系統在大型排澇泵組上的應用

尹洪鵬，張燁棟，倪國梁，葉國平

(1.浙江省水利水電建筑監理有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省錢塘江流域中心，浙江 杭州 310020)

頂轉子裝置在水電站水輪發電機上的應用較為廣泛[1]。何亦如等對泵站小型立式水泵機組(單機功率630kW)應用頂轉子裝置進行了介紹[2]。曹海翔等對立式軸流泵機組自動頂轉子裝置進行了研制并取得了成功[3]。南水北調東線工程八里灣泵站對機組液壓頂轉子裝置系統進行了改造，獲得了成功[4]。但頂轉子剎車裝置在大型排澇泵組上(單機功率3500kW)的應用較少，缺少理論和實踐技術支撐。

泵站運行工況復雜，常伴隨出現主機組異常溫升等故障[5]。姚江上游西排工程水泵設備采用大型立式軸流泵，泵組轉動部件荷載約46t，均由電機推力瓦承受，較長時間停機狀態使電機推力瓦與鏡板間處于貼合狀態，不能形成有效潤滑，啟動時易出現燒瓦事故；停機時較長時間低速運行，容易引起推力瓦與鏡板間的油膜破壞，造成燒瓦事故；泵組事故停機時，在水位差較大的情況下，若出水工作、事故閘門未完全關閉時會引起泵組反轉，泵組低速反轉易造成燒瓦事故，泵組高速反轉易造成電機、水泵轉動部件緊固件松動等。

為解決上述弊端，浙江省水利水電建筑監理有限公司牽頭，集中技術力量進行攻關，在大型排澇泵組上設計配套了頂轉子剎車系統。該裝置已成功的應用于姚江上游西排工程大型排澇泵組上，運行便捷、穩定、可靠。

1 工程概況

姚江上游西排工程位于紹興市上虞區，主要由新建梁湖樞紐及其配套工程、改造通明閘等兩部分組成。排水泵站設計流量165m3/s，引水泵站設計流量40m3/s，梁湖閘(雙向)凈寬20m，多年平均引水3.19億m3。工程為II等工程，排引水泵站、閘等主要建筑物級別為2級，設計洪水標準為100年一遇。

泵站共設置5臺排澇泵組、2臺引水泵組。其中排澇泵組水泵型式為立式半調節軸流泵。肘型進水流道，曲膝式出水流道。水泵與電動機直接連接，采用變頻調節，每臺機組配置一臺變頻器。水泵葉輪直徑3.05m，額定轉速125r/min，單泵設計流量33m3/s，水泵設計裝置揚程3.68m，最高揚程6.77m；配套變頻立式同步電動機，變頻范圍35～50Hz，額定功率3500kW，額定轉速125r/min，電壓10kV，電機采用空-水冷卻方式，降低噪音和溫度。水泵軸向推力由電機軸承承受，采用稀油潤滑，水泵導軸承采用進口的KTT橡膠材料。泵組在汛期運行，非汛期停運。

2 技術特點和技術原理

2.1 技術特點

頂轉子剎車系統由頂轉子剎車裝置、電動高壓油泵、油氣管路、齒盤測速系統、控制柜及相關附件組成。其具有如下特點。

(1)該裝置結構簡單、使用方便，剎車裝置控制方式可實現現地控制和遠程控制，與泵站計算機監控系統配套。

(2)該裝置具備泵組開停機狀態識別、轉速實時監測、非設計工況下剎車誤投保護等功能，安全、可靠。

(3)該裝置在解決泵組停機反轉問題上，相較于其他類似泵站靠閘門關閉時間與停泵時間之間的配合來縮短泵組停機時間、控制泵組反轉的方式更為徹底。

2.2 技術原理

頂轉子剎車系統采用雙活塞油氣腔分開，氣動復位；油壓來源于控制柜內電動高壓油泵，氣壓來源于泵站氣系統。頂轉子剎車裝置頂部制動塊采用非石棉聚合樹脂材料，摩擦系數大磨損率低。剎車裝置工作時用7kg/cm2的壓縮空氣頂起制動器頂部的制動塊，使之與固定在發電機轉子底部的制動環相接觸，產生摩擦制動來完成停機。現有的機械制動方式還可以實現頂轉子操作，一般的操作過程是高壓油泵出口接通制動風閘，啟動油泵使油壓增至額定壓力，頂起轉子3～5mm。技術原理如圖1所示。

圖1 技術原理圖

3 選型與設備組成

3.1 頂轉子剎車裝置選型

剎車裝置根據制動方式有機械制動和電氣制動。機械制動利用頂升裝置頂起制動器頂部的制動塊，使之與固定在電機轉子底部的制動環相接觸，產生摩擦制動。機械制動結構簡單，能耗低，投入時需要考慮泵組組轉速。電氣制動利用同步電機電樞反應和能耗制動原理，在停機過程中將電機端短路，同時加勵磁，勵磁電流大小按電樞電流為額定電流調節，使轉子剩余動能轉換為電樞熱能，實現快速停機。電氣制動時不考慮泵組轉速，但是結構復雜，耗電量大，不易維護。經過比選，選擇機械制動方式的頂轉子剎車裝置，如圖2所示。

圖2 頂轉子剎車裝置

3.2 設備組成

(1)頂轉子剎車裝置(單臺泵組)

型式：雙活塞油氣腔分開，氣動復位

數量：6只

制動氣壓：0.7MPa

活塞直徑：220mm

頂轉子油壓：12.5MPa

(2)電動高壓油泵(單臺泵組)

功率：3kW

工作壓力：12.5MPa

油箱容量：201L

(3)齒盤測速系統(單臺泵組)

測速傳感器1只

齒盤30齒，1套

正反轉速表1只

(4)供氣(泵站氣系統)

剎車裝置供氣來自于泵站氣系統：2臺空壓機(一用一備)。

額定功率：7.5kW

額定壓力：1.0MPa

儲氣罐容量：1m3

4 設備安裝與調試

4.1 設備安裝

(1)頂轉子剎車裝置安裝。頂轉子剎車裝置布置于電機下機架上，如圖3所示，先將每個復歸限位調節好，并將螺母擰緊；開機氣壓制動，將執行器的剎車板與電機轉子接觸，將固定在支架商定限位開關焊接在執行器的側面鋼板上，并調節限位開關與電機轉子的距離小于8mm，保證限位開光指示燈亮。開啟頂轉子裝置，第一次頂起3～5mm，用千分尺測量，將螺桿調節與限位開光碰觸，并將螺母鎖死。

圖3 剎車裝置安裝位置

(2)電動高壓油泵安裝。電動高壓油泵安裝于控制柜內底部，控制柜基礎預埋1根Φ14不銹鋼油管、2根Φ10根氣管，管路與油站連接采用高壓軟管連接。

(3)齒盤測速系統安裝。齒盤安裝在電機集電環上方電機軸端部，齒盤齒數為30齒，采用螺栓固定。傳感器利用碳刷架上預留的M16螺孔安裝傳感器支撐桿。傳感器正對軸心，軸面上需要有至少一個鍵槽。齒輪的正反轉方向與傳感器安裝存在一定的關系。探頭連接好后，向齒輪正常工作旋轉的方向拔動齒輪，如儀表發生反轉報警信號，則將INA、INB兩信號線對換。若未出現反轉報警信號，則表示連接正確。探頭與齒頂間的安裝間隙為2±0.2mm之間。測速齒盤的模數≥1.5，齒輪均勻分布；齒頂和齒谷的長度盡量相等。正反轉速表安裝采用掛壁式，安裝在控制柜內，安裝時只需將配套安裝板固定儀表上，再按儀表接線示意圖接線。本項目設定零轉速值為30%額定轉速(125*30%=37)，齒盤數為30齒及零轉速投入使用。

(4)控制柜安裝。控制柜安放于電機層，進線方式為上進線，柜頂上方為電纜橋架，電動高壓油泵置于控制柜內下方，底部預埋油、氣管路。盤柜安裝檢查，垂直度、水平度應符合規范要求；與基礎型鋼連接應堅固；柜門開關應靈活，門鎖齊全，無卡阻現象；接地可靠。頂轉子系統控制、剎車系統控制采用單控制回路，其中頂轉子系統控制用手動現地控制。

4.2 頂轉子剎車系統調試

頂轉子剎車系統調試先采用現地操作調試，待現地操作調試無誤后進行遠控調試。

4.2.1頂轉子剎車現地調試。

①剎車和頂轉子前，先將氣管和油管內的雜物吹掃干凈，防止堵塞電磁閥。②對系統管路進行耐壓試驗，試驗壓力為工作壓力的1.5倍，試壓時間30min，檢查管路焊縫、接頭有無漏油、漏氣現象。③頂轉子前，先進行氣壓制動工作，讓執行器上下活動多次，確認執行器行程無卡阻。頂轉子前，現關閉油泵站上的高壓泄油閥。④按動氣壓復歸按鈕，氣壓復歸，復歸指示燈亮。

4.2.2剎車裝置遠控調試。

①首先將控制柜上的現地/遠控旋鈕切換到遠控狀態。②計算機監控系統后臺發出剎車投入指令，觀察剎車控制柜上剎車制動上限位指示燈是否亮起，檢查剎車裝置是否動作。③通過計算機監控系統自動開啟泵站組，觀察轉速表上轉速信號是否正確。④停機時觀察轉速表轉速，轉速在37r/min時剎車是否自動投入、停機時泵組有無反轉。

5 操作流程

5.1 頂轉子操作

頂轉子采用現地操作。操作過程是高壓油泵出口接通電磁閥，啟動油泵使油壓增至額定壓力，頂起轉子3～5mm，保持2～3min，打開回油閥和制動排油閥，使制動風閘復歸，轉子落下，頂轉子復位指示燈全部亮起，頂轉子完成。

5.2 剎車現地操作

(1)將控制柜上的現地/遠控旋鈕切換到現地狀態。

(2)機組停機時觀察正反轉速表上泵組實時轉速，當轉速降至37n/min時按下剎車投入按鈕，同時檢查控制柜上剎車投入信號燈是否亮起并觀察泵組轉速。

(3)當泵組轉速降至零時，按下剎車復歸按鈕，復歸信號燈亮起，剎車復歸完成。

5.3 剎車遠控操作

(1)將控制柜上的現地/遠控旋鈕切換到遠控狀態。

(2)計算機監控系統走自動停機流程，剎車在泵組轉速降至37n/min時自動投入，停機完成后延時5s自動復歸，如圖4所示。

圖4 操作流程圖

6 質量控制

6.1 質量控制

頂轉子剎車裝置出廠質量、安裝質量，必須執行SL 317—2015及其他相關規范[7- 9]。

(1)頂轉子剎車裝置應進行嚴密性耐壓試驗，保持30min，壓力下降不超過3%。同時剎車系統管路也要進行嚴密性耐壓試驗。

(2)頂轉子剎車裝置頂面安裝高程偏差不應超過±1mm。與轉子制動環之間的間隙偏差，應在設計值的±20%范圍內。

(3)頂轉子剎車裝置應通入壓縮空氣作起落試驗，檢查制動器動作的靈活性及制動器的行程是否符合要求。

6.2 試運行及運行效果

2020年5月20—24日期間，依據泵站設備安裝及驗收規范[6]，分別對1#～5#排澇泵進行連續24小時試運行，每臺泵組開停機次數3次，泵組第一次啟動前頂轉子投入1次，停機過程中剎車投入2次。試運行期間水位差約為0.2m。

泵組試運行期間泵組停機時間。在剎車不投入情況下，機組正常停機時間約60～65s，其中停機時間43～47s，反轉時間12～19s，最高反轉轉速6n/min;在投入剎車情況下，機組停機時間約35～40s，無反轉現象。以2#排澇泵為例，不同工況下，試運行數據如圖5—6所示。

圖5 排澇泵剎車不投入工況下運行數據

圖6 排澇泵剎車投入工況下運行數據

泵組試運行過程中，對1#、2#、3#、4#、5#排澇泵分進行了2次無故障開、停機自動操作試驗，泵組試運行期間各設備工作、操控正常，運轉平穩，無異常聲音和振動現象。排澇泵組在啟動前頂起電機轉子，給長期靜止貼合的電機推力瓦充油，避免了啟動時燒瓦；在泵組停機，轉速降至額定轉速(30%ne)時，投入氣壓制動，使泵組迅速停機，避免了泵組燒瓦及反轉[10]。

7 效益分析

7.1 經濟效益

大型排澇泵配置頂轉子剎車系統，設備費用為4.5萬元(單臺泵組)，具體費用見表1。排澇泵電機軸瓦損壞一次，需維修費用5萬元，還需120工時[9]。4.5萬元<5萬元+120工時。綜上所述，頂轉子剎車系統在大型排澇泵組上的應用經濟合理。

表1 設備費用清單

7.2 社會效益

該工程于2020年5月25日投入運行，至今為止，機組未發生燒瓦事故和明顯反轉現象。特別是2021年7月臺風“煙花”期間，排澇泵機組最大運行揚程已達5.2m(設計最高揚程6.77m)，累計排水量達3316萬m3，泵組運行平穩。工程的整體效益得到了充分發揮，為浙東地區的社會經濟發展作出了貢獻。

8 結語

姚江上游西排工程立式排澇泵組頂轉子剎車系統的成功應用，收到了安全、便捷、可靠的使用效果。實踐表明，該技術能防止泵機組轉動時電機推力瓦與鏡板之間發生干摩擦，對解決類似大中型泵組停機反轉及延長機組使用壽命具有借鑒意義。