大型抽水蓄能機組機械制動系統控制策略研究

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(河南國網寶泉抽水蓄能有限公司，河南 新鄉 453636)

1 前言

抽水蓄能機組具有雙向旋轉運行、水頭高、轉速高、啟動頻繁等特點，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。機組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，在機組啟動、停機、工況轉換過程中以及機組蠕動監測控制中起到機組制動作用，減少機組的惰性運行時間，以達到保護機組推力軸承瓦和縮短停機時間。有些機組機械制動設計還兼有頂轉子功能，在機組檢修需要頂轉子時使用。

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、機械結構受損、制動器損壞、制動環損壞等嚴重后果，嚴重影響機組的安全穩定運行，完善的控制策略可以最大限度的避免惡性故障的發生，提高機械制動系統的安全性和可靠性。

國家標準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%～10%)額定轉速時，再投入機械制動直至停機。機械制動裝置單獨用于緊急停機時，應能在發電電動機轉速下降至(20%～30%)額定轉速時投入直至停機。在滿足機組停機時間要求的情況下，從保護機械制動設備(制動器、制動環)角度，機械制動轉速宜取較小值。本文討論過程中，正常停機時機械制動轉速取5%額定轉速，事故停機時及工況轉換過程中機械制動轉速取20%額定轉速。

2 一般原則

(1)大型抽水蓄能電站一般按照無人值班(少人值守)設計，監控自動化技術設計及配置水平較高，計算機監控系統核心控制器均采用冗余配置，可靠性和安全性較高。機組機械制動一般不單獨設置機械制動控制系統，其控制程序在計算機監控系統里實現，可充分利用監控系統的硬件和軟件資源優勢，實現完善的控制邏輯。機械制動控制程序流程不宜單獨設置，宜結合機組工況轉換流程，特別是啟停機流程統籌設計，是機組工況轉換控制流程的一部分，機械制動投/退由程序全自動控制。

(2)機械制動控制應考慮機組各種工況轉換的需求，包括正常停機、電氣事故停機、機械事故停機、水泵斷電、抽水轉發電、軸承瓦溫異常、機組啟動、機組蠕動、高速誤投制動等情況下機械制動控制策略及安全閉鎖。

(3)機械制動控制的安全性，一方面基于順控流程，機械制動的投/退隨機組順控流程進行控制，保證機械制動投/退令的安全性；另一方面機械制動投入令程序邏輯出口應考慮轉速測量裝置是否正常、機組轉速、機組出口斷路器位置、導葉位置、主進水閥位置等安全閉鎖條件，相關信號異常時流程應閉鎖機械制動投入。

(4)機械制動控制程序設計應有防止機組帶機械制動升速和機組高轉速時機械制動異常投入的控制策略。

(5)機械制動用機組轉速信號宜取自不同的設備或系統，形成冗余的轉速條件校驗。

3 機組正常停機/機械事故停機時機械制動控制策略

機組各運行工況正常停機時，停機簡要過程為：減機組有功功率、無功功率，分機組出口斷路器、關導葉、關主進水閥，退勵磁，機組轉速小于90%額定轉速時啟動推力軸承高壓油頂起裝置，機組轉速小于50%額定轉速時投電氣制動，轉速小于5%額定轉速時投機械制動直至機組轉速為0。機械制動控制策略如圖1所示。此控制策略適用于機組所有運行狀態時的正常停機過程。

若機組停機時機組轉速小于5%額定轉速且機械制動投入相關條件滿足，則直接投機械制動直至機組轉速為0。

若機組停機過程中電氣制動不可用，當機組轉速小于20%額定轉速且機械制動投入相關條件滿足時，則投機械制動直至機組轉速為0。

若機組停機過程中電氣制動可用，當機組轉速小于50%額定轉速時，投電氣制動，若機組有軸承瓦溫二級高或機組振動保護動作，機組轉速下降至20%額定轉速時，機械制動投入相關條件滿足，投機械制動使機組轉速快速降至0；其他情況下機組轉速機械下降至5%額定轉速，機械制動投入相關條件滿足，投機械制動直至機組轉速為0。

4 機組電氣事故停機時機械制動控制策略

機組電氣事故停機時，停機簡要過程為：直接分機組出口斷路器、退勵磁、關導葉、關主進水閥，電氣制動被閉鎖，機組轉速小于90%額定轉速時啟動推力軸承高壓油頂起裝置，機組轉速小于20%額定轉速時投機械制動直至機組轉速為0。為了減少機組的惰性運行時間，以保護機組推力軸承瓦和縮短停機時間，機械制動將在較高轉速時投入，控制示意圖如圖2所示。

機組水泵工況斷電是電氣事故停機的其中一種，在停機過程中，若水力過渡過程調節保證計算結果顯示機組可能會發生反向旋轉時，應有技術措施防止機組反向旋轉帶制動升速，可在機械制動投/退令邏輯出口采用圖3示意的機組轉速限制邏輯。

5 機組抽水工況轉發電工況過程中機械制動控制策略

機組抽水工況轉發電工況一般有兩種控制過程，一種是緊急轉換，機組在較高轉速時即打開導葉，用水力使機組轉速快速下降并進行水輪機方向升速直至機組并網發電工況運行，工況轉換過程中不投機械制動；一種是停機轉換，機組正常停機至轉速為0時再打開導葉使機組水輪機方向升速直至機組并網發電工況運行，工況轉換過程若正常轉換或發生機械事故停機，機械制動控制策略參見“機組正常停機/機械事故停機時機械制動控制策略”，若工況轉換過程中發生電氣事故停機，機械制動控制策略參見“機組電氣事故停機時機械制動控制策略”。

6 機組發生蠕動時機械制動控制策略

對于停機工況機械制動為退出狀態的機組，在停機工況時，由于導葉漏水量大等因素導致機組發生轉動，此時應投入機械制動，消除機組蠕動以保護軸承軸瓦。機組發生蠕動時機械制動的控制策略如圖4所示。

7 機組高轉速時機械制動異常投入控制策略

機組高轉速機械制動異常投入可能會造成發電電動機粉塵污染、機組軸系偏移、機械結構受損、制動器損壞、制動環損壞等嚴重后果，嚴重影響機組的安全穩定運行，一方面程序設計和硬布線控制回路應有防止高速誤投機械制動的技術措施；另一面當機組發生高轉速機械制動異常投入時，應有相應的控制措施，在機械制動控制程序中設計如下控制邏輯：當機組轉速高于設定值時(一般設定值為25%額定轉速)，出現機械制動投入狀態信號或機械制動未退出狀態信號或機械制動投入腔有壓信號，立即發出退機械制動指令并保持退出令，同時閉鎖機械制動投入并發出故障報警信號，經短延時后若機械制動機械制動投入或機械制動未退出狀態信號仍然存在，執行停機，機械制動控制策略如圖5所示。

圖1 機組正常停機/機械事故停機時機械制動控制示意圖

圖2 機組電氣事故停機時機械制動控制示意圖

圖3 機械制動投/退令邏輯出口示意圖

8 防止機組帶機械制動升速的控制策略

機組帶機械制動升速可能造成發電電動機粉塵污染、制動器損壞、制動環損壞、機組軸系偏移、機械結構受損等嚴重后果，嚴重影響機組的安全穩定運行，此類故障一般發生在機組啟動階段，也可能發生在機組水泵斷電停機過程中，為防止發生此類故障，一般采取以下控制策略。

(1)對于設計上停機穩態時機械制動保持投入的，“機械制動系統投入”、“機械制動系統可用”信號應作為機組啟動的初始條件，條件不滿足時閉鎖啟動機組。

圖4 機組發生蠕動時機械制動控制示意圖

圖5 機組高轉速時機械制動異常投入控制示意圖

(2)對于設計上停機穩態時機械制動退出的，“機械制動系統退出”、“制動系統可用”信號應作為機組啟動的初始條件，條件不滿足時閉鎖啟動機組。

(3)機組啟動過程中，流程執行到退機械制動的相關步時，無論當前機械制動狀態是投入還是退出，均應無條件發機械制動退出令(指令寬度應確保機械制動可靠退出)，命令發出后，必須收到“機械制動退出”和“機械制動投入腔無壓”信號并經延時后，流程方可繼續執行下一步。

(4)機組水泵工況斷電停機過程中，若水力過渡過程調節保證計算結果顯示機組可能會發生反向旋轉時，應有技術措施防止機組反向旋轉帶制動升速，可參見圖3。

9 結束語

大型抽水蓄能機組水頭高、轉速高，機械制動系統動作異常會造成嚴重不良后果，完善的控制策略和程序設計是保證機械制動系統安全可靠工作的基礎。本文討論了機械制動在機組各種工況轉換中及異常情況下的控制策略，包括機組正常停機、機械事故停機、電氣事故停機、水泵斷電、抽水轉發電、軸承瓦溫異常、機組啟動、機組蠕動、高轉速機械制動異常投入等情況下機械制動控制策略及安全閉鎖，對大型抽水蓄能機組機械制動控制程序設計具有一定的指導意義。