關于某電廠機械制動高速加閘故障分析及處理措施

伍常林，孫章豪，張 雷，程賀康，陳 聲

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

抽水蓄能電廠日啟動比較頻繁，一般都配有電氣制動和機械制動混合使用[1,9]。正常情況下，投入電氣制動時，轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速時機械制動自動投入；當不投電氣制動時，轉(zhuǎn)速小于20%額定轉(zhuǎn)速時機械制動自動投入，直至機組轉(zhuǎn)速為零[2]。主要是避免高轉(zhuǎn)速投入機械制動出現(xiàn)閘瓦磨損燒壞，重則造成風閘制動裝置及制動環(huán)損壞、引起軸系重心的偏移，嚴重的可能引起風洞內(nèi)發(fā)生火災造成發(fā)電機著火[3,6,7]；若長時間低速運轉(zhuǎn)將使軸瓦磨損或燒瓦現(xiàn)象[4]。

本文通過描述某廠高速加閘的故障現(xiàn)象，對其進行故障原因分析，并提出了具體的解決方案，最后通過試驗驗證了該方案的可行性，成功解決了該電廠機械制動誤投入的問題，可為其它存在類似設備的運維和設計提供參考。

1 故障現(xiàn)象

該電廠直接采用DN16，PN100 的不銹鋼管利用減壓閥直接將70 bar 中高壓氣降至10 bar 作為機械制動的操作氣源。它主要由減壓閥、安全閥、過濾器、油霧裝置、壓力監(jiān)視（壓力大于12 bar 高報警監(jiān)視）、壓力表（0～16 bar）、集油箱、排氣閥等裝置組成，最后通過工作壓力在0～16 bar 范圍的兩位五通電磁閥來實現(xiàn)機械制動系統(tǒng)的自動供/排氣，從而實現(xiàn)發(fā)電機機械制動系統(tǒng)的自動投/退功能（如圖1）。

圖1 原機械制動系統(tǒng)圖

2018 年5 月，某電廠機組在夜間抽水運行期間，監(jiān)控系統(tǒng)報機械制動壓力高報警，同時出現(xiàn)機械制動投入、機組轉(zhuǎn)停機、機組消防報警等信號，運維人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機層有濃烈燒焦的氣味，進一步到發(fā)電機風洞檢查發(fā)現(xiàn)制動環(huán)板面出現(xiàn)燒損現(xiàn)象（見圖2），制動閘板部位有明顯的磨損等異常現(xiàn)象。

圖2 機械制環(huán)板異常燒蝕

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)相關報警信號，現(xiàn)場進一步檢查發(fā)現(xiàn)安全閥后壓力表指針達到最大限位值16 bar，同時指針已發(fā)生變形。說明此時的減壓閥后的壓力已經(jīng)超過高報警設定值12 bar，機械制動壓力高報警信號動作正確。現(xiàn)場拆解電磁閥，發(fā)現(xiàn)該電磁閥芯密封出現(xiàn)嚴重變形，出現(xiàn)高壓腔和低壓腔串通現(xiàn)象，該閥失去控制作用，這樣進一步說明減壓閥工作失效，導致70 bar 的高壓氣直接損壞控制電磁閥，進而造成機械制動誤動故障。

2 原因分析

現(xiàn)場拆解減壓閥發(fā)現(xiàn)減壓閥的頂桿與活門焊接部位斷裂，故活門不再受傳動薄膜和頂桿控制而脫落，導致高低壓腔室出現(xiàn)串通，即70 bar 的高壓氣直接串入到10 bar 的低壓供氣回路中，出現(xiàn)機組在高速運行過程中加閘損傷自動板的現(xiàn)象。

圖3 減壓閥故障部位

該減壓閥設定是通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿長度擠壓主彈簧來完成減壓閥低壓側(cè)的壓力設定（見圖4）[5]。其傳動薄膜受力（見圖5）為：F4=F1-F2-F3

圖4 減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖 5 傳動薄膜受力

其中：

F1為傳動薄膜受到低壓氣擠壓力；

F2為主彈簧擠壓傳動薄膜的壓力；

F3為大氣壓擠壓傳動薄膜的壓力；

F4為傳動薄膜受力。

當?shù)蛪簹馐覊毫1變低小于主彈簧F2和大氣壓擠傳動薄膜的力F3，即F4小于零時，傳動膜帶動頂桿和活門向上運動，打開高壓氣室和低壓氣室的通氣孔，使低壓腔壓力逐步增加，隨著低壓氣室壓力逐漸增大，傳動薄膜將帶動頂桿和活門擠壓主彈簧向下運行，當?shù)蛪菏覛鈮哼_到設定的壓力值時活門關閉。

該電廠機械制動系統(tǒng)管路中雖裝設有安全閥，但由于該管路管徑較小，70 bar 的高壓氣安全閥未能在短時間內(nèi)釋放掉，進而造成控制電磁閥組工作密封因超壓工作而損壞，高壓氣體直接串入機械制動系統(tǒng)，出現(xiàn)機組機械制動在運行過程中高速閘異常磨損機械制動板的故障。

因此，減壓閥故障是造成本次機械制動故障的直接原因。

3 處理對策

（1）更換已經(jīng)變形的制動板。先拆除制動環(huán)擋板和底板；然后拆除固定制動板的螺栓，用專用工具拆除制動板并編號；接著對新更換的制動板進行稱重及相關尺寸測量，確保每塊制動板的重量及厚度等滿足設計要求；將固定制動環(huán)的螺栓涂抹螺紋鎖固膠，并按照螺栓力矩要求緊固120 N·m 力矩，同時用鎖定片鎖定螺栓；用刀尺測量各塊制動板間間隙不能超過0.05 mm，用酒精清理制動器與閘板接觸面，應無雜質(zhì)、無高點。

（2）更換已損壞的電磁閥和相應的壓力表計。

（3）通過上述故障原因和減壓閥工作原理分析，提出兩個方案：①將兩位五通電磁閥改為單通電磁閥；②在已有減壓閥前串聯(lián)一個相同減壓閥和壓力監(jiān)測報警裝置（如圖6）。由于該廠為抽水蓄能電廠，每日啟停比較頻繁，需要該電磁閥頻繁動作，還要修改現(xiàn)場供氣和排氣管路，考慮到安全性和改動的難易程度，該電廠采用了第二種方案。它的具體工作原理為先用第一個減壓閥壓力設置在12 bar 至16 bar 之間。即使第二個減壓閥故障也確保電磁閥在工作壓力16 bar 的范圍內(nèi)；然后在兩個減壓閥中間安裝一個壓力監(jiān)視裝置來監(jiān)視第一個減壓閥的工作狀態(tài)，最后用第二個減壓閥將中間值減壓到10 bar，以確保機械制動系統(tǒng)氣源的可靠性。本方案實施后可能存在機械制動供氣量不足，無法滿足機械制動系統(tǒng)投入時間0.70～1.0 s 要求。因此，如何設定經(jīng)過第一個減壓閥后的壓力值就比較關鍵，故該電廠做了如下措施和試驗。

圖6 機械制動系統(tǒng)改造方案簡圖

3.1 第一級減壓閥低壓氣室設定值范圍確認

根據(jù)上述方案分析，在滿足電磁閥工作壓力和第二級減壓閥狀態(tài)報警監(jiān)測裝置（設定值為12 bar）能正常工作為前提，高壓氣經(jīng)過第一級減壓閥工作后的低壓氣室壓力需要大于12 bar 而小于16 bar 這個工作范圍。

3.2 減壓閥高壓氣室變化對機械制動投入時間影響試驗

現(xiàn)場通過逐漸降低減壓閥高壓氣室壓力來觀察低壓氣室壓力變化情況并做相關機械制動投入時間試驗,如表1 所示。

表1 減壓閥入口從70 bar 降低至10 bar 時低壓氣室壓力變化及機械制動動作時間統(tǒng)計

從上述試驗可以得出，當減壓閥高壓氣室壓力從70 bar 逐漸降至10 bar 的過程中，低壓氣室壓力從10 bar 逐漸降至9.3 bar。此時，投入機械制動三次，機械制動投入時間維持在0.91～0.92 s，滿足機械制動投入時間要求。說明在減壓閥工作狀態(tài)正常的情況下，高壓氣室變化對低壓氣室壓力變幅影響不大，都能滿足現(xiàn)場機械制動工作時間要求。

3.3 減壓閥定值設定后安全性動作試驗

根據(jù)上述試驗，將該廠第二級減壓閥高壓氣室13 bar 時低壓氣室壓力調(diào)整為10 bar 的位置不動，將減壓閥高壓氣室壓力從0 bar 逐漸建壓到70 bar，此時低壓氣室壓力變化情況統(tǒng)計（見表2）。

表2 減壓閥高壓氣室升壓時低壓氣室壓力變化

從上述試驗分析得出，減壓閥高壓氣室壓力從0 bar 逐漸增壓到70 bar 的過程中，減壓閥低壓氣室壓力最高升至11.2 bar；同時還做了10 次減壓閥高壓氣室從0 bar 突然增加到70 bar 壓力的試驗，試驗過程中減壓閥低壓氣室的壓力均未超過11.2 bar。這說明當?shù)谝患墱p壓閥故障時，第二個減壓閥高壓氣室壓力即使從13 bar 突然增大到70 bar，高壓氣經(jīng)過第二個減壓閥減壓后的壓力最多是從設定值的10 bar 增加到11.2 bar，不會超過控制電磁閥的工作壓力（0～16 bar）范圍，故不會損壞電磁閥主密封，能夠完全確保該廠機械制動系統(tǒng)運行安全。

3.4 兩減壓閥的定值設置及監(jiān)測裝置報警值設定

根據(jù)上述試驗，該廠第一步將第一級減壓閥的低壓氣室工作壓力調(diào)整到13 bar，同時將第一個減壓閥后的氣壓報警檢測裝置值設為15 bar；第二步將第二級減壓閥即高壓氣室壓力為13 bar 時調(diào)整低壓氣室壓力為10 bar，同時將第二級減壓閥后的氣壓報警檢測裝置值設為12 bar。

4 動作試驗

現(xiàn)場改造后，經(jīng)過10 多次試驗機械制動投入時間都在0.83 s 左右，與未改造前的動作時間0.8 s 相差不大，滿足水輪發(fā)電機用制動器標準（JB/T 3334.1-2000）【標準】制動線數(shù)度在20 m/s 時間和設計不大于1 s 的要求[8]。

回裝制動板側(cè)板、底板等相關設備，檢查發(fā)電機風洞無檢修工器具及其他異物遺留后，對機組發(fā)電機進行盤車，發(fā)電機氣隙間隙跟修無明顯變化；做手動升轉(zhuǎn)速試驗，校核機組振動和擺動跟更換制動板之前無明顯變化，因此，本次機械制動板的更換沒有影響轉(zhuǎn)子配重，故機組可以正常投入運行。

3 結(jié)束語

該廠機械制動系統(tǒng)供氣回路改造后，經(jīng)過兩年多運行，在此運行期間，值守人員在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中曾發(fā)現(xiàn)兩次一級減壓閥后的壓力監(jiān)測裝置報警信息，并立即通知相關維護人員到現(xiàn)場檢查，檢查發(fā)現(xiàn)第一級減壓閥故障導致高壓氣直接串通到減壓閥的低壓部位。此時，由于第二級減壓閥的作用，它將70 bar 高壓氣減壓到12 bar 以下，有效避免了高壓氣損壞控制電磁閥密封現(xiàn)象，也直接阻止了高壓氣串入低壓部位，成功避免了機械制動誤投入故障的發(fā)生。因此，本方案在該廠的成功運用可為其它電廠安裝設計或改造提供借鑒經(jīng)驗。