石泉水電廠機械制動系統應用

摘 要：針對石泉水電廠機組的機械制動方式采用常規的閥門管路結構，在發電機組高自動化程度運作的時代，制動系統逐漸暴露出自動化程度低、設備老化、制動效率低下等問題。對此現象，我們打算對發電機風閘制動系統控制回路及其管路進行更換改造，我們選取了以CIP31霍爾測速信號和CIP21齒盤測速信號兩套可編程微機測速裝置，是集測量、顯示、輸出和控制于一體的高性能轉速測量裝置。其獨特的“三選二”轉速測量方式保證了機械制動優越的可靠性，確保了機組安全穩定的運行，值得借鑒。

關鍵詞：石泉水電廠；制動系統；控制回路；測速裝置

引言

石泉水電廠位于漢江上游陜西省石泉縣城西一公里處，是漢江上游最早建設的大Ⅱ型水力發電廠和陜西電網調峰電廠之一，兼有灌溉、防洪、發展漁業等綜合利用效益。其中一期工程裝機容量3*45MW，安裝三臺混流式水輪發電機組，1975年建成投產。二期工程裝機容量2*45MW，安裝2臺混流式水輪發電機組，2000年建成投產。機組的制動方式采用常規的閥門管路結構已使用38年，在發電機組高自動化程度運作的時代，我廠制動系統逐漸暴露出自動化程度低、設備老化、制動效率低下等問題，嚴重影響了機組安全穩定的運行。因此對2號發電機制動系統及其管路進行更換改造。

1 實施背景

石泉水力發電廠2號發電機制動器于1974年投入使用，制動系統控制依然采用老式的人工操作閥門管路的方法，過多的人工操作增加了運行人員的工作負擔同時易造成值班員誤操作。系統多年來從未進行過任何技改、更換等工作。尤其在近幾年的運行過程中常出現撤壓后風閘不能完全復位的情況，檢修人員需進入風洞對每個風閘的行程開關進行檢查一一排除，加大了維護工作量，不便于檢修人員的維護工作。對機組的安全穩定運行和正常開停機產生較嚴重的影響。

2012年12月2號機組大修對原制動柜進行了技術改造，設計了新的制動系統及控制回路，新制動系統具有自動化程度高、可靠性高、手動操作簡單等優點，投運以來零缺陷。

2 風閘制動系統控制回路組成和原理

2.1 風閘制動控制盤的組成

風閘集成控制裝置、PLC模塊、輸入輸出模塊、霍爾測速裝置、齒盤測速裝置、中間繼電器、壓力變送器等。

2.2 風閘集成控制裝置

SY11風閘控制裝置把新型手動閥和電磁空氣閥集中安裝在一塊集成板上，實現機組手、自動制動停機。SY11風閘控制裝置主要由兩個進口手柄閥SF1、SF2、一個進口的立式電磁空氣閥AKF以及一塊集成塊組成，集成塊的基礎上還可以增設壓力監測顯示模塊及過濾器。其示意圖如圖1所示，工作原理圖如圖2所示。

2.2.1 風閘控制裝置下方有四個接口，分別為：P口接氣源，A口為加閘口，B為反沖口，O口為排氣口，根據接口定義連接氣路。

2.2.2 風閘控制裝置的上方，有兩個A口的加閘壓力測量口（YA、YA′）及兩個B口反沖壓力測量口（YB、YB′），可以接壓力表及壓力變送器等壓力測量裝置（接口均為G1/2\"），壓力測量口已經用G1/2\"內六角堵頭封堵，使用時旋開即可使用。

2.3 風閘制動控制回路的工作模式

風閘控制裝置分為自動模式和電手動模式及手動模式，自動模式又分自動加閘剎車和自動反沖復位，手動模式分為手動加閘剎車和手動反沖復位。

2.3.1 自動模式：將手柄閥SF1轉到自動位置，手柄閥SF2轉到切除位，控制柜上SA1轉換開關切至自動位置風閘控制裝置進入自動操作模式。

a.自動加閘：電磁閥AKF左線圈通電，實現自動加閘剎車。b.自動反沖：電磁閥AKF右線圈通電，實現自動反沖復位。

2.3.2 電手動模式：將手柄閥SF1轉到自動位置，手柄閥SF2轉到切除位，控制柜上SA1轉換開關切至自動手動位置風閘控制裝置進入電手動操作模式。

a.電手動加閘：按下加閘按鈕，PLC模塊接收到加閘令后，立即動作實現加閘剎車。b.電手動反沖：按下反沖按鈕，PLC模塊接收到反沖令后，立即動作實現反沖復位。

2.3.3 手動模式：將手柄閥SF1轉至手動位置，通過控制手柄閥SF2，即實現風閘控制裝置的機械手動操作模式。

a.手動加閘：手柄閥SF2轉到剎車（加閘）位置，可實現手動加閘剎車。

b.手動撤閘：手柄閥SF2轉到復位（反沖）位置，可實現手動反沖復位。

2.4 風閘控制回路原理

2.4.1 控制回路機械原理：風閘動作信號接點由行程開關完成，行程開關被固定安裝在制動器支架上，制動風閘閘體上安裝固定剛性撥條，撥條隨風閘閘體的動作而上下移動。在撥條動作到某個固定位置時，觸動行程開關操作觸頭，行程開關內部常開接點閉合，常關接點斷開，當撥條離開固定為，行程開關操作觸頭復歸，內部接點常開接點打開，常閉接點閉合，從而實現制動風閘實際位置信號由機械信號向電氣信號的轉變。

2.4.2 風閘電氣控制回路原理：風閘控制投自動，正常情況下，停機過程中，機組轉速下降至25%（12.5Hz）時，監控系統LCU發令投入風閘（電制動退出情況下）制動，加閘控制裝置加閘指示燈點亮，剎車塊加閘到位指示燈點亮；當機組轉速下降至5%時（2.5Hz），經延時后（延時時間取決于機組轉子由5%轉速到停止時間），監控系統發令撤除風閘制動并反沖，加閘控制裝置反沖指示燈點亮，風閘下降到位后指示燈亮，制動過程結束。

風閘控制投自動，異常情況下，機組LCU單元PLC退出運行，常規水機保護動作停機，在機組轉速下降到25%時發出投入風閘制動令，加閘控制裝置加閘指示燈點亮，剎車塊加閘到位指示燈點亮，一直到機組完全停下來，風閘的撤除及反沖必須手動進行。

風閘控制另設有電手動、純手動控制功能。電手動控制時，將控制把手置手動，按加閘按鈕即可實現風閘加閘，再次按加閘按鈕即可實現風閘撤除；風閘撤除后按反沖按鈕即可實現風閘反沖，再次按反沖按鈕即可實現風閘反沖撤除。為防止機組運行中人為誤加閘和停機過程中高轉速加閘，回路中接入了轉速控制，只有機組轉速在25%以下，才能實施電手動加閘！

所有電控功能失效后，可對風閘實施純手動控制：將手柄閥SF1轉到手動位置，手柄閥SF2轉到剎車（加閘）位置，可實現純手動加閘剎車；手柄閥SF2轉到復位（反沖）位置，可實現風閘純手動反沖復位。

在測量轉速的過程中，轉速測量的準確性和可靠性非常重要，裝置測量的誤差、誤動會造成制動環的磨損甚至造成機組停機。我們選取了CIP31型和CIP21型兩套可編程微機測速裝置，安裝于風閘制動控制盤便于觀察機組轉速。（原轉速裝置安裝于鐘罩內，不便于值班人員及維護人員的觀察。）

CIP31型測速裝置測量探頭安裝于發電機水車室，采用霍爾測速信號送至裝置。CIP21型測速裝置測量探頭安裝于鐘罩內采用齒盤測速信號送至裝置。此測速裝置以PLC作為核心控制元件，是集測量、顯示、輸出和控制于一體的高性能轉速測量裝置。采用交流、直流雙電源供電，可實現無間斷電源切換。具有多種工作模式可供選擇設定，還有10對接點輸出，同時裝置采用觸摸屏全中文人機界面顯示操作，方便使用。兩套測速裝置使用更加確保了機組轉速測量的準確性和可靠性。

為確保過轉速事故停機時，采集的轉速點一定要準確可靠，不能誤動時，采取了“三選二”的方發，即當轉速達140%時，只要齒盤測速和霍爾測速、殘壓測速其中任何兩個測速裝置檢測到轉速達到140%即監控系統發停機令加閘，確保了機組安全穩定的運行。

3 調試與試驗

試驗發現，模擬監控系統PLC水機保護回路完全故障（失電）的情況下動作，當轉速上升至140%Ne，計算機監控系統常規水機保護動作向制動系統發出加閘令，制動系統PLC開入回路接收到加閘令后立即執行加閘，經檢查發現監控LCU單元只在PLC水機保護回路加入了25%Ne加閘條件，常規水機保護回路沒有加這個條件，常規水機保護回路動作后停機，立即發出加閘令，制動系統PLC接到命令后就立即加閘。將風閘制動控制盤CIP31轉速測速裝置上第8個接點設置為25%Ne，在計算機監控系統常規水機保護（發制動柜加閘令）輸出回路中，加入此25%Ne接點，閉鎖發電機轉速在大于25%Ne時加閘。經試驗計算機監控系統常規水機保護停機加閘動作正確。

4 實施后的效果

我們通過對石泉電廠2號發電機制動系統控制回路的改造，大大提高了2號發電機運行的安全性，確保了機組停機加閘的可靠性，保障了機組的安全、經濟穩定運行。實踐證明，設備運行3年的時間內，風閘機械部分、制動控制回路的性能及指標均滿足或優于相關標準及規程的要求，且運行可靠穩定、零缺陷，達到真正意義的免檢修、免維護，為實現無人值班、少人值守電站打下了良好的基礎，值得借鑒。

參考文獻

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