獅子灘水電站快速閘門(mén)抱閘裝置改進(jìn)方案及實(shí)現(xiàn)

顏現(xiàn)波，張 青

（1.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；3.重慶獅子灘發(fā)電有限公司，重慶401220）

0 引言

重慶獅子灘水電站裝有4臺(tái)單機(jī)容量為12MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，該站為龍溪河第一級(jí)梯級(jí)電站,水庫(kù)庫(kù)容為10.28億m3。該電站中每套機(jī)組進(jìn)水口分別設(shè)置一套快速閘門(mén),用于在緊急事故情況下快速關(guān)閉實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)功能。機(jī)組緊急事故停機(jī)觸發(fā)條件主要有：機(jī)組過(guò)速115%Ne且主配據(jù)動(dòng)、機(jī)組電氣轉(zhuǎn)速過(guò)150%Ne、事故低油壓、機(jī)組事故停機(jī)過(guò)程中剪斷銷(xiāo)剪斷、緊急事故按鈕動(dòng)作、水淹廠房信號(hào)動(dòng)作等緊急事故情況下,機(jī)組現(xiàn)地LCU啟動(dòng)緊急事故停機(jī)流程，同時(shí)觸發(fā)“快速關(guān)閉進(jìn)水口閘門(mén)”指令。緊急事故停機(jī)流程如圖1。

圖1 機(jī)組緊急事故停機(jī)流程

1 技術(shù)需求及存在問(wèn)題分析

1.1 電磁式制動(dòng)裝置運(yùn)行模式及工作原理

電站原抱閘裝置為電磁式制動(dòng)，工作電源采用交、直流冗余電源供電，且“交流優(yōu)先”原則。抱閘裝置工作原理如圖2。

圖2中DCT表示電磁抱閘裝置電磁線圈。3ZJ表示機(jī)組緊急事故關(guān)閘門(mén)繼電器。R1、R2表示限流電阻。1ZJ、2ZJ表示交流電源監(jiān)視繼電器。M1、M2分別表示控制命令繼電器。SW1、SW2分別表示閘門(mén)裝置現(xiàn)地、遠(yuǎn)方控制把手。當(dāng)發(fā)生緊急事故信號(hào)時(shí),機(jī)組PLC控制器首先觸發(fā)緊急事故動(dòng)作繼電器，同時(shí)發(fā)“快速關(guān)閉閘門(mén)令”至閘門(mén)PLC控制系統(tǒng),閘門(mén)控制系統(tǒng)立即開(kāi)出緊急關(guān)閘門(mén)命令。3ZJ繼電器動(dòng)作,使DCT制動(dòng)線圈帶電,松開(kāi)抱閘裝置,閘門(mén)快速落下。

圖2 抱閘裝置工作模式原理圖

制動(dòng)裝置主要在兩種模式下運(yùn)行，分別為自動(dòng)觸發(fā)控制模式與手動(dòng)控制模式。

（1）制動(dòng)裝置在自動(dòng)觸發(fā)控制模式下分為3種運(yùn)行方式：

1）機(jī)組無(wú)緊急事故時(shí)，3ZJ繼電器斷開(kāi)，此時(shí)裝置DCT線圈處于失電狀態(tài)，抱閘裝置抱緊轉(zhuǎn)軸，閘門(mén)處于固定狀態(tài)。

2）機(jī)組緊急事故停機(jī)繼電器3ZJ動(dòng)作，交流電源裝置正常。此時(shí)控制回路為“1ZJ-13ZJ-1DCT3ZJ-21ZJ-2”,DCT線圈帶電，閘門(mén)快速關(guān)閉。

3）機(jī)組緊急事故停機(jī)繼電器3ZJ動(dòng)作，直流電源裝置正常。此時(shí)控制回路為“2ZJ-13ZJ-1DCT3ZJ-22ZJ-2”,DCT線圈帶電，閘門(mén)快速關(guān)閉。

（2）制動(dòng)裝置在手動(dòng)控制模式下分為2種運(yùn)行方式：

1）現(xiàn)地手動(dòng)控制模式，此時(shí)控制回路為“1ZJ-1SW1-1M1DCTSW1-21ZJ-2” 或“2ZJ-1SW1-1M1DCTSW1-22ZJ-2”，DCT線圈帶電，閘門(mén)快速關(guān)閉。

2）遠(yuǎn)方手動(dòng)控制模式，此時(shí)控制回路為“1ZJ-1SW2-1M2DCTSW2-21ZJ-2” 或“2ZJ-1SW2-1M2DCTSW2-22ZJ-2”，DCT線圈帶電，閘門(mén)快速關(guān)閉。

1.2 電磁制動(dòng)式抱閘裝置運(yùn)行中存在問(wèn)題

（1）抱閘裝置動(dòng)作過(guò)程中電流較大,易造成控制系統(tǒng)元件發(fā)熱損壞。

（2）采用直流電源供電時(shí)，回路上工作電流較大。

（3）回路中串聯(lián)限流電阻R1、R2易發(fā)熱、燒損。

1.3 改進(jìn)抱閘裝置控制方案技術(shù)指標(biāo)

為克服原抱閘裝置運(yùn)行過(guò)程中存在的缺陷和問(wèn)題，新改進(jìn)的閘門(mén)控制系統(tǒng)及抱閘裝置在達(dá)到基本控制功能要求下，需滿(mǎn)足以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）改進(jìn)方案中閘門(mén)控制系統(tǒng)由PLC控制器、開(kāi)入、開(kāi)出、模擬量模塊等組成,接收電廠監(jiān)控系統(tǒng)命令對(duì)閘門(mén)啟閉機(jī)、電動(dòng)機(jī)等進(jìn)行控制,在緊急情況下對(duì)抱閘裝置進(jìn)行控制。改進(jìn)的抱閘控制系統(tǒng)包括：抱閘裝置、冗余工作電源裝置、變頻器等。

（2）增加變頻器，防止電機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊電流損壞回路元件。

（3）抱閘裝置動(dòng)作可靠、安全，當(dāng)交、直流電源均中斷時(shí),不誤落門(mén)。

2 改進(jìn)抱閘裝置選型及控制回路設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)抱閘裝置參數(shù)確定及選型

在本次改進(jìn)方案中抱閘裝置采用電動(dòng)液壓型，其工作模式為：當(dāng)無(wú)動(dòng)作命令或裝置失電時(shí)，在自動(dòng)恢復(fù)彈簧的作用下,裝置處于抱緊狀態(tài)，閘門(mén)固定。當(dāng)接收到動(dòng)作命令時(shí)，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)構(gòu),將抱閘裝置打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)快速落門(mén)。

電動(dòng)液壓型抱閘裝置用于閘門(mén)控制時(shí)選型需要考慮以下參數(shù)：控制電動(dòng)機(jī)額定參數(shù),電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩、制動(dòng)方式、抱閘裝置安裝位置、所控制大軸尺寸等。根據(jù)電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況，在滿(mǎn)足上述參數(shù)情況下,通過(guò)比較后選擇YWZ4-315型電動(dòng)液壓抱閘裝置,其參數(shù)為:

（1）控制電動(dòng)機(jī)功率：P=250 W；

（2）電動(dòng)機(jī)額定電壓：U=AC380 V；

（3）電動(dòng)機(jī)制動(dòng)力矩：M=315 N·m。

2.2 電源回路設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

抱閘裝置系統(tǒng)工作電源回路采用三相逆變電源裝置。其工作原理如圖3:

圖3 工作電源回路原理圖

圖3中，JCQ表示三相電壓接觸器。工作電源裝置配置兩路冗余輸入電源，分別為AC380 V電源及DC220 V電源，工作電源裝置輸出為AC380 V電源。按照“交流優(yōu)先”設(shè)計(jì)原則，當(dāng)交流輸入電源正常時(shí),工作電源裝置通過(guò)旁路輸出電源為AC380 V；當(dāng)交流電源異常且直流輸入電源正常時(shí)，逆變電源裝置將DC220 V直流電源逆變成AC380 V進(jìn)行輸出。

逆變電源裝置的容量選擇需同時(shí)考慮按額定啟動(dòng)電流的4～8倍,且保證30%左右功率裕量。另考慮到其他輔控元器件負(fù)荷，逆變電源容量最終選為：S=3 kVA。

2.3 配套變頻器選項(xiàng)及參數(shù)確定

變頻器所具有良好的調(diào)速及平穩(wěn)過(guò)渡性能，能夠較好的克服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)逆變電源產(chǎn)生的不利影響。因此在改進(jìn)方案中采用增加變頻器設(shè)備來(lái)控制抱閘系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)啟停。抱閘系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率為200～250 W，電動(dòng)機(jī)為帶恒負(fù)荷啟動(dòng)方式,無(wú)大慣性負(fù)載。變頻器功率需略大于電動(dòng)液壓抱閘系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率，考慮功率裕量后，變頻器參數(shù)如下所示:

（1）變頻器額定功率抱閘系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定功率，即：P≥250 W。

（2）變頻器額定電流1.1倍抱閘系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定電流，即：I≥0.5 A。

（3）變頻器額定電壓=電動(dòng)液壓抱閘系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定電壓，即：U=380 V。

（4）變頻器轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩匹配,故轉(zhuǎn)矩選為M=315 N·m。

2.4 改進(jìn)后抱閘裝置控制回路設(shè)計(jì)

改進(jìn)后快速閘門(mén)抱閘系統(tǒng)控制流程框圖如圖4。整個(gè)緊急事故快速落門(mén)流程，首先由機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)命令至閘門(mén)PLC控制系統(tǒng)，其次閘門(mén)PLC控制系統(tǒng)立即發(fā)送觸發(fā)命令至變頻器，最后由變頻器動(dòng)作液壓抱閘系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速關(guān)閉閘門(mén)功能。

圖4 改進(jìn)后抱閘裝置控制流程框圖

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)獅子灘水電站原電磁制動(dòng)裝置在運(yùn)行中存在啟動(dòng)電流較大及限流電阻易燒損的問(wèn)題,提出了基于電動(dòng)液壓制動(dòng)的抱閘控制裝置改進(jìn)方案,并對(duì)設(shè)備選型、控制電動(dòng)機(jī)參數(shù)及配套變頻器參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。在實(shí)際設(shè)備改造中切實(shí)可行，運(yùn)行效果良好。本次改進(jìn)方案提供了詳細(xì)的設(shè)備配置及設(shè)備選型和參數(shù)，可為今后其他中、小型水電站改造提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。