基于超聲波特性的大型水力發(fā)電機機械制動系統(tǒng)研究

李 偉，楊新志，鐘洲文，徐長福

(1.長江生態(tài)環(huán)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(zhí)行停機流程后，機械制動在轉(zhuǎn)速達到15%Ne時投入[1]，機組全停后機械制動系統(tǒng)退出，因機械制動系統(tǒng)采用接觸式結(jié)構(gòu)，不能定位單個風(fēng)閘投退狀態(tài)，不僅存在誤報率高的問題，而且機械制動系統(tǒng)未能正常投入時，也無法發(fā)現(xiàn)，這將延長機組低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(tǒng)未能正常退出，還需要現(xiàn)地逐一排查異常風(fēng)閘，費時費力[3]，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，也不利于人身安全。

超聲波風(fēng)閘定位系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)無法定位單個風(fēng)閘狀態(tài)的缺點，可為現(xiàn)場快速處置提供指導(dǎo)；其次，采用兩組傳感器來實現(xiàn)非接觸測量[4]，即克服了原制動系統(tǒng)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(zhì)量。該系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，進一步提升了判斷效率。

1 某電廠原發(fā)電機機械制動系統(tǒng)分析

某發(fā)電廠原機械制動系統(tǒng)為油、氣管路合一的單缸單活塞結(jié)構(gòu)，彈簧復(fù)歸式。機械制動系統(tǒng)投入時，由制動用氣驅(qū)動活塞，進而帶動制動板頂住制動環(huán)，利用摩擦力使轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動，當機組全停后，制動用氣撤出，制動板在復(fù)位彈簧作用下復(fù)位。

其缺點是單個風(fēng)閘狀態(tài)測量采用接觸式，誤報率高。其次，原制動系統(tǒng)不僅將至少有一個風(fēng)閘在投入狀態(tài)作為其投入的判據(jù)，而且還不具備單個風(fēng)閘狀態(tài)定位功能，使未正常投入的風(fēng)閘無法被發(fā)現(xiàn)，部分風(fēng)閘不能正常落下，無法被確認，還需人員現(xiàn)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(fā)電機機械制動系統(tǒng)分析

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

3 超聲波風(fēng)閘定位系統(tǒng)分析

3.1 超聲波風(fēng)閘定位系統(tǒng)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(huán)境溫度為m，則

(1)

如圖1所示，在每個風(fēng)閘缸體兩側(cè)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(huán)境溫度，并將數(shù)據(jù)輸出至現(xiàn)地控制單元。當超聲波換能器向風(fēng)閘制動板背面發(fā)射超聲波，超聲波將在風(fēng)閘制動板背面發(fā)生反射，其回波會被放置在風(fēng)閘缸體上的超聲波換能器接收。若超聲波從發(fā)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(fēng)閘一組超聲波定位原理可以有

(2)

圖1 超聲波風(fēng)閘定位裝置

圖2 單個風(fēng)閘一組超聲波定位原理

依據(jù)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(huán)境溫度；v′表示不同環(huán)境溫度下的超聲波傳播速度。

假定t0為超聲波發(fā)射時間，h0為超聲波換能器安裝基準值，m0為超聲波發(fā)射時的環(huán)境溫度，超聲波從發(fā)射到被接收的時間為t′，假設(shè)裝置反應(yīng)誤差量為ε。由于風(fēng)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(nèi)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(fā)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(fēng)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(fēng)閘投入判據(jù)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(fēng)閘已投入。其中，h1、h2分別表示風(fēng)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(fēng)閘投入時，超聲波從發(fā)射到被接收時的時間。h1、h2、t為定值。

3.2 超聲波風(fēng)閘定位系統(tǒng)邏輯分析

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

機械制動系統(tǒng)投退邏輯如表2所示，當機械制動系統(tǒng)t0時刻下發(fā)投退指令時，所有單個風(fēng)閘超聲波定位系統(tǒng)均被激活，延時t″后停止判斷，并反饋結(jié)果至機械制動系統(tǒng)。當所有單個風(fēng)閘投入或退出時，則機械制動系統(tǒng)為投入或退出。當至少有一個風(fēng)閘投退狀態(tài)與其他風(fēng)閘不一致，則機械制動系統(tǒng)報“狀態(tài)不明”，并輸出狀態(tài)異常風(fēng)閘個數(shù)及其相應(yīng)編號。

表1 單個風(fēng)閘控制邏輯

表2 機械制動系統(tǒng)控制邏輯

4 結(jié) 論

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