水電站水輪發電機組制動加閘系統優化設計應用

張城瑋 黃雨雷

（國能大渡河大崗山發電有限公司，四川 雅安 625400）

0 引言

機組運行過程中的“誤加閘”是水電站運維管理中典型的設備異常事件，會嚴重危害機組安全，損壞制動閘塊，并造成較大經濟損失。

某水電站在試驗過程中，機組高轉速加閘，引起閘塊短時磨損，經現場檢查，原因是機組測速制動裝置故障；某水電站運行人員操作時走錯間隔，因誤操作而導致運行機組高轉速加閘，造成非計劃性停運。綜合可知，導致“誤加閘”的原因主要分為2 類，一是運維人員走錯間隔因誤操作而導致“誤加閘”，二是控制系統誤開出或電磁閥誤動作導致“誤加閘”。

該文的機組制動加閘控制方式優化采取在機組高轉速工況下切斷制動加閘氣源的方式，防止制動閘塊在機組高轉速工況下頂起，可從根本上避免“誤加閘”事件的發生。同時，該文優化滿足了以下要求：一是滿足機組運行相關規程、規范和設計要求；二是該方案中增加的設備不會對人員和設備造成損害；三是運維人員能在該方案中增加的設備故障中及時通過手動操作方式實現機組正常加閘停機。

1 方案設計及論證

1.1 供氣管路設計及論證

傳統水輪發電機組機械制動系統由氣源管路直接向水輪發電機組測速制動控制單元供氣，供氣管路上只安裝了1 個手動球閥以實現手動控制供氣。此設計方式在機組正常投運過程中，可使氣源一直保持供氣，如果遇到電氣二次回路出現故障或運維人員誤操作，則可能會造成運行機組在高轉速下加閘。綜合以上各因素，需要對氣源管路運行進行優化設計，以實現高轉速時切斷制動氣源，即使誤動、誤操作，也無法在高轉速下加閘，避免事故發生。

基于以上因素，該文擬定出2 種方案：一是在低壓制動氣系統氣源供氣總閥后新增一個電磁閥，通過監控下令控制閥門啟閉，取得高轉速切斷氣源的效果。二是在每臺機組的制動控制單元供氣管上加裝一個2 位3 通電磁閥，通過監控下令控制閥門啟閉，取得高轉速切斷氣源的效果[2]。

根據擬定的2 種方案進行試驗。首先，頂起機組風閘，關閉機組制動供氣總閥，監視制動腔氣壓、復歸腔氣壓和制動控制單元氣源壓力變化情況。制動控制單元氣源壓力快速下降，制動腔氣壓隨著時間緩慢下降，復歸腔氣壓穩定不變。一直保持至制動腔氣源下降至臨界值，制動腔壓力與復歸腔壓力達到平衡，閘塊保持頂起狀態。其次，進行第二項試驗。將機組制動供氣總閥打開，制動控制單元恢復到正常狀態，落下閘塊。此時復歸腔接通氣源保持壓力，制動腔壓力為零。短接打開制動腔供氣電磁閥端子，使制動腔接通氣源，關閉機組制動供氣總閥，制動腔和復歸腔同時有壓，達到平衡后發現閘塊向上頂起。將機組制動供氣總閥打開，制動控制單元恢復到正常狀態，落下閘塊，關閉機組制動供氣總閥，監視制動腔氣壓、復歸腔氣壓和制動控制單元氣源壓力變化情況。一直保持至復歸腔氣壓下降至臨界值，制動腔壓力與復歸腔壓力達到平衡，閘塊保持落下狀態。

經以上試驗發現2 種方案均可行，但為保持閘塊頂起時制動力可靠，避免機組出現蠕動情況，采用每臺機組分別改造供氣管路的方案更可靠。

采用第二種方案在發電機測速制動柜內制動控制單元供氣管上加裝1 個常閉2 位3 通電磁閥和1 個手動球閥，2 個閥門并聯。手動球閥平時關閉，需要運行人員手動加閘時開啟，常閉2 位3 電磁閥通過電氣回路控制[2]。

1.2 電氣二次回路改造及論證

使用測速裝置備用接點直接控制新增電磁閥，修改監控程序邏輯實現制動加閘系統自動控制、報警功能的方式最簡單可靠。

經現場試驗數據分析，制動氣源充氣時間較短，15%Ne 供氣可能會有較高轉速加閘風險，因此采用12%Ne 為判定條件。機組轉速＞12%Ne，切斷氣源供氣，并將制動腔內氣體全部排出；機組轉速＜12%Ne，恢復氣源供氣，機組可正常手動/自動加閘。通過CM-200 微機測速裝置間接控制電磁閥線圈動作，以達到改變供氣方式的目的。

2 現場實施及試驗

2.1 氣源管道優化

氣源管路改造前后對例如圖1 所示。

圖1 氣源管路改造前后對比

改造前，發電機測速制動柜內制動控制單元供氣管上只安裝了1 個手動閥以實現手動控制供氣/排氣。此設計方式在機組正常投運過程中，可使氣源一直保持供氣，如遇電氣二次回路出現故障或運維人員誤操作時，可能會造成運行機組在高轉速下加閘。

改造后，發電機測速制動柜內制動控制單元供氣管路在原有的基礎上加裝了1 個常閉2 位3 通電磁閥和1 個手動球閥，2 個閥門并聯。手動球閥平時關閉，需要運行人員手動加閘時開啟，常閉2 位3 電磁閥通過電氣回路控制，機組轉速＞12%Ne，切斷氣源供氣，并將制動腔內氣體全部排出，電氣二次回路出現故障或運維人員誤操作時無法實現加閘操作，可有效避免誤加閘發生。

2.2 電氣二次回路

對機組測速制動柜中的CM-200 微機測速裝置匹配2 種測速方式傳感器，即機械轉速傳感器（齒盤測速）和電氣轉速傳感器（殘壓測速），可同時測量機械轉速脈沖信號和發電機機端電壓頻率，并將轉速信號上送水電站監控系統處理。1）CM-200 測速裝置定值調整。將安裝在機組測速制動柜中的CM-200 測速裝置第三個點（N3）的定義由“備用”調整為“加閘氣源打開”，方向、返回死區和指示燈顏色參數不變，具體參數整定要求見表1。2）上送監控信號完善。新增電纜將信號從測速制動柜上的微機測速裝置CM-200 接入監控系統LCU 屏，在監控系統上位機將該信號定義為“機組轉速＜12%Ne，加閘氣源打開（CM200）”。3）在機組測速制動柜內新增一個直流24V 電磁閥DK3，轉速＜12%Ne，信號接點N3 通過中間繼電器ZJ1 控制電磁閥DK3打開（關閉），接線原理如圖3 所示。4）在機組測速制動柜內新增一個直流24V 電磁閥，接線原理如圖2 所示，在監控系統增加“機組制動氣源壓力異常”報警信號，報警邏輯如圖3 所示。5）“防誤操作”聲光報警器接線原理。在機組測速制動柜內增加“防誤操作”聲光報警器，接線原理如圖4 所示。當“機組制動氣源壓力異常”條件滿足時，監控系統機組LCU 2 號屏內接點閉合，監控系統發出“機組制動氣源壓力異常”報警，機組制動柜上的聲光報警器報警，提醒現場人員設備異常。6）取消空轉至停機過程中氣源壓力異常判據，不影響停機流程執行。

圖2 接線原理圖

圖3 “機組制動氣源壓力異常”報警邏輯

圖4 “防誤操作”聲光報警器接線原理

表1 機組測速制動柜中CM-200 微機測速裝置第三個接點（N3）的定義方式

3 實踐應用及效果

在機組啟動試驗中，機組并網，轉速達到100%Ne，通過監控系統下令加閘，30s 后加閘失敗流程退出。運行人員在機組測速制動柜上執行手動加閘操作。該臺機組的氣源無供氣，閘塊無法頂起，試驗成功。

該文優化設計改造工程順利完成，克服了機械和電氣問題，并投運成功。但是通過此次優化設計、論證、改造好試驗全過程，該文發現目前還存在一些問題，具體如下。首次改造使用電磁閥為220V 交流供電，機組停機時，電磁閥一直保持供電，長時間運行導致電磁閥線圈發熱嚴重。經論證后，改為直流24V 電磁閥，電磁閥線圈發熱問題得到解決。

通過CM-200 微機測速裝置N3 接點間接控制電磁閥線圈，對CM-200 的可靠性提出了更高要求，需要對CM-200微機測速裝置的檢驗與定期更換制動更嚴格的計劃。

氣源供氣管路改造后，運行人員巡檢時密切關注了供氣管路是否存在泄漏。

設備投運后，發現如果機組在停機過程中轉速維持在20%Ne，由于機組轉速＞12%Ne，電磁閥DK3 未動作，制動腔與大氣連通，因此手動充氣加閘時會直接泄壓，導致加閘失敗。為實現特殊情況下快速手動加閘，可以在電磁閥前端新增一個手動球閥，關閉手動球閥實現制動腔保壓，或者增加手動投退電磁閥DK3 的控制回路，DK3 動作后實現制動腔保壓。

4 結語

該文優化設計改造工程順利完成，從投入運行和應用效果來看，雙氣路的制動控制單元能有效克服傳統單氣路的制動控制單元存在的盲區、死區。雙氣路的制動控制單元在機組高轉速工況下切斷制動加閘氣源，并將制動腔內氣體全部排出，可有效避免機組在高轉速過程中的“誤加閘”事件，消除機組因“誤加閘”造成的非計劃停運的風險，給水輪發電機組機械制動系統的優化設計改造工程提供了一種新的思路。