錢 瑭，嚴 麗，陳順義，舒崚峰，何中偉

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122)

0 引 言

水電站機組通常采用壓縮空氣作為強迫制動的能源來推動制動閘，制動用氣一般要求氣壓為0.5～0.8 MPa，屬于廠內(nèi)低壓壓縮空氣系統(tǒng)。氣制動系統(tǒng)，是由空氣壓縮裝置(空壓機及附屬設(shè)備)、儲氣罐、管道、制動閘和測量控制元件等幾部分組成。制動供氣設(shè)備主要包括低壓空壓機和儲氣罐。由于采用了機械制動，機組的停機時間大為縮短，對多數(shù)機組都不超過2～4 min，只有某些轉(zhuǎn)動慣量較大的大型機組，停機時間達5～6 min。

一個好的制動供氣系統(tǒng)對于水電站來說是非常重要的。然而，我國水電站設(shè)計人員在進行制動供氣系統(tǒng)的設(shè)計時，通常采用流量法來計算機組一次制動耗氣量，按照此方法計算得出的儲氣罐容積和空壓機容量和實際需要偏差太大，導致很多電站空壓機啟動頻繁，這不但加速了空壓機等設(shè)備的老化，還造成了設(shè)備的積壓浪費，因此選型不夠經(jīng)濟合理。

該文從一次制動耗氣量入手，采用調(diào)查問卷的方式對我國境內(nèi)已投產(chǎn)運行的常規(guī)電站和抽水蓄能電站的一次制動用氣、制動供氣設(shè)備配置和使用等情況進行了調(diào)查統(tǒng)計。通過對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計歸納和分析，該文提出機組一次制動耗氣量應(yīng)采用體積法計算，并給出了耗氣量隨機組單機容量的變化范圍。文章優(yōu)化了儲氣罐容積和空壓機排氣量的計算公式，總結(jié)出兩者之間的合理匹配關(guān)系。針對大中型抽蓄電站，該文總結(jié)并推薦了一次制動耗氣量值，結(jié)合算例分析，驗證了新公式的科學性和實用性，該研究成果為水電站制動供氣系統(tǒng)的設(shè)計選型提供了新的思路。

1 一次制動耗氣量計算及改進

1.1 采用連續(xù)供氣方式計算一次制動耗氣量

我國設(shè)計人員在進行制動供氣系統(tǒng)的設(shè)備選型時，多采用《水電站機電設(shè)計手冊》(水利電力出版社，1983年出版)上的計算公式，目前該手冊是我國水電站水力機械專業(yè)設(shè)計人員必備的工具書，書中給出了設(shè)計所需要的常用計算數(shù)據(jù)、圖表和曲線，并列舉了大量工程實例和部分計算，可供查閱或參考。機組一次制動所需的總空氣量描述如下：

(1)

式中：Qz為機組一次制動所需的總空氣量(自由空氣)；qz為在工作壓力下，制動過程耗氣流量；tz為制動時間；Pz為制動氣壓；Pa為大氣壓力。

1.2 存在的問題

公式(1)中的qz為制動過程耗氣流量。也就是說，式(1)是按斷續(xù)供氣方式計算制動用氣量的。而在我國絕大部分電站的實際運行中，都不需要連續(xù)給氣，而是采用一次供氣制動方式，即轉(zhuǎn)速下降到制動轉(zhuǎn)速時，電磁閥動作(或人工開閥)，一次給氣制動，在整個制動過程中不排氣(一般不漏氣，除非有管道或設(shè)備損壞漏氣)，直到停機后，電磁閥復位(或人工關(guān)閥)才排氣。一次制動時，制動閘內(nèi)氣壓(表壓力)由零升至制動氣壓的時間是很短的，約1～15 s，只有在這段制動時間內(nèi)有空氣流量，其他時間僅有極少的漏氣流量。因此式(1)中的qz和tz均與我國目前的實際使用情況不符。

分析原來采用連續(xù)供氣的原因可能是以前制動閘制造工藝水平低，生產(chǎn)、管理水平跟不上，所以漏氣量大，導致制動用氣量也很大，所以機組廠家一般會提供制動用氣流量 ；如今隨著生產(chǎn)水平和制造工藝的提高，管路、制動閘密封性很好，幾乎沒有漏氣，故流量法已不再適用，而應(yīng)采用容積法。

1.3 采用體積法計算一次制動耗氣量

根據(jù)這次研究的內(nèi)容，華東勘測設(shè)計研究院有限公司機電院水機室專門編制了《水電站發(fā)電機制動氣量調(diào)查表》，對我國在運行電站的一次制動用氣量、供氣設(shè)備配置等情況進行了調(diào)查統(tǒng)計與分析，調(diào)查范圍包括常規(guī)電站和抽水蓄能電站。

從收集到的40多個電站的統(tǒng)計規(guī)律來看，一次制動氣量的總體趨勢是隨著單機容量的增加而增加；而對于單機容量相同的機組，因機組形式不同，耗氣量也有所不同：軸流轉(zhuǎn)槳機組因其轉(zhuǎn)速低、機組尺寸大，轉(zhuǎn)動力矩也更大，因為所需的制動器也比同等規(guī)模的其他機組要多，這就導致一次制動氣量也必然大于其他機組；抽蓄機組因其轉(zhuǎn)速高，機組尺寸小，制動耗氣量相比之下也略少，故有必要將常規(guī)和抽蓄機組以及機組形式分開來考慮和找出規(guī)律，以便于在電站前期設(shè)計階段，當缺少主機廠資料的時候可參考使用。

通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析和研究，繪制圖1和圖2，曲線給出了混流和轉(zhuǎn)槳式機組一次制動耗氣量QT(壓縮空氣)與單機容量的關(guān)系。例如，對于常規(guī)混流機組，單機容量小于5 MW的小型電站，建議一次制動耗氣量取0.005～0.008 m3(以下皆指壓縮空氣量)；單機容量5～100 MW的中型電站，一次制動耗氣量可取0.008～0.05 m3；單機容量100～500 MW的大中型電站，一次制動耗氣量宜取0.05～0.11 m3；單機容量超過500 MW的大型電站，一次制動耗氣量取0.11～0.13 m3。當?shù)玫街鳈C廠提供的具體制動耗氣量時，按機組實際設(shè)計的氣量來計算。

1-錦屏二級；2-二灘；3-龍開口；4-景洪；5-三板溪；6-五強溪；7-索風營；8-安康；9-萬家寨；10-新安江；11-碗米坡；12-北溪二級 圖1 混流式機組一次制動耗氣量與 單機容量的統(tǒng)計關(guān)系曲線Fig.1 The statistical relationship curve between one brake air consumption and single-unit capacity for Francis unit

1-水口；2-尤溪街面；3-龍口；4-富春江；5-掛治；6-高唐；7-小溪灘 圖2 軸流和貫流機組一次制動耗氣量與 單機容量的統(tǒng)計關(guān)系曲線Fig.2 The statistical relationship curve between one brake air consumption and single-unit capacity for Kaplan and tubular unit

對于抽蓄電站，由于該文統(tǒng)計的裝機容量都在250～300 MW之間，它們大部分是最近幾年新建的，代表最新的技術(shù)水平，在沒有廠家資料的情況下，一次制動壓縮氣量建議取0.04～0.06 m3，具體見圖3。

1-仙游；2-天荒坪；3-黑麋峰；4-桐柏；5-洪屏；6-泰安；7-宜興 圖3 抽蓄機組一次制動耗氣量的推薦區(qū)間 (單機容量250～300 MW)Fig.3 The recommended interval of one brake air consumption for storage unit(single-unit capacity 250～300 MW)

一次制動用氣量可按下式計算：

(2)

式中：Qz為機組一次制動所需的總空氣量(自由空氣)；QT為機組一次制動所需的總空氣量(壓縮空氣)，初步設(shè)計時可按圖1、圖2及圖3讀取；Pz為制動氣壓；Pa為大氣壓力。

2 儲氣罐容積和空壓機排氣量計算公式優(yōu)化

2.1 現(xiàn)有公式

《水電站機電設(shè)計手冊》中關(guān)于儲氣罐容積和空壓機排氣量的計算公式如下：

(3)

式中：Vg為儲氣罐容積；Qz為一臺機組一次制動所需的總空氣量(自由空氣)；Z為同時制動的機組臺數(shù)，與電氣主接線方式有關(guān)；ΔPz為制動前后允許的壓力差；Pa為大氣壓力。

(4)

式中：Qk為空壓機生產(chǎn)率；ΔT為儲氣罐恢復氣壓時間；Z為同時制動的機組臺數(shù)。

2.2 存在的問題

公式(3)和(4)是基于連續(xù)供氣來計算一次制動耗氣量的，前文已經(jīng)闡述連續(xù)供氣與目前的實際使用情況不符，也即是說，用連續(xù)供氣方式用于我國一次供氣制動計算，其選定的儲氣罐、空壓機等設(shè)備尺寸和容量過大，常常會造成積壓和浪費，廠內(nèi)布置困難。同時，空壓機容量如果選擇偏大，會造成啟停頻繁、空壓機壽命減短等問題。根據(jù)統(tǒng)計資料，有些電站空壓機平均啟動7～8 次/d以上，這不僅造成了很大的噪音污染，而且加速了空壓機和自動化元件的老化，由于空壓機頻繁啟動，時間又短，一些空壓機在運行一段時間后出現(xiàn)了油乳化現(xiàn)象，大大降低了空壓機的壽命。

所謂乳化，是由于表面活性劑的作用,使本來不能混合到一起的兩種液體能夠混到一起的現(xiàn)象稱為乳化現(xiàn)象?？諌簷C潤滑油乳化是個相當復雜的過程，一般有三個原因引起：① 空壓機潤滑油容積、溫度、濕度、運轉(zhuǎn)率；② 環(huán)境空氣潮濕，吸入的空氣水分過大；③壓縮機活塞的活塞環(huán)的間隙過大。

和制動供氣系統(tǒng)相關(guān)的是運行時間問題(運轉(zhuǎn)率)，空壓機是為長時間運轉(zhuǎn)設(shè)計的，空壓機運轉(zhuǎn)時間如果太短，如1～2 min，由于時間短，油液溫度太低，所有吸入的水分全部進入空壓機潤滑油，而造成空壓機油液乳化，主要是因為空壓機的壓縮空氣竄入曲軸箱所造成，其成因一般是：機組運行溫度低會使機組內(nèi)的水蒸氣無法蒸發(fā)排出機組。油乳化會對空壓機內(nèi)壁造成腐蝕。

因此，設(shè)計需考慮合理的運行時間，研究出儲氣罐容積和空壓機排氣量之間合理的匹配關(guān)系，以便很好的解決空壓機啟停頻繁、油乳化等一系列問題。

2.3 公式改進

2.3.1 儲氣罐公式改進

根據(jù)空壓機制造廠推薦，螺桿式空壓機一次運行時間不宜低于10～15 min，以保證螺桿式空壓機較高的利用率，防止液態(tài)水在壓縮機內(nèi)部產(chǎn)生?？紤]到空壓機預(yù)熱排除水汽的需要，儲氣罐恢復補氣時間采用15～20 min為宜。因此儲氣罐實際充氣時間變長，儲氣罐容積需要適當放大，這里引入一個安全系數(shù)K(K>1)，用來表示儲氣罐容積放大因子。優(yōu)化后的儲氣罐容積計算公式見下：

(5)

式中：Vg為儲氣罐容積；K為安全系數(shù)，一般取1.5～2.0，和機組臺數(shù)有關(guān)，機組臺數(shù)越多取得越大；Qz為一臺機組一次制動所需的總空氣量(自由空氣)；Z為同時制動的機組臺數(shù)，與電站電氣主接線有關(guān)，或考慮壓力鋼管所接機組臺數(shù)(即考慮一管多機的布置)；ΔP為制動前后允許的壓力差，一般取0.1～0.15 MPa；Pa為大氣壓力。

計算得出Vg后，參照儲氣罐的標準容積系列確定儲氣罐容積。制動儲氣罐最好設(shè)置為兩個，以便于清掃維護或檢修用氣，選同樣大小的氣罐。建議對多機組的大中型電站，每個氣罐的容積為Vg/2(如Vg≥4 m3)；對于機組臺數(shù)較少的中小型電站，每個氣罐的容積為Vg(如Vg<4 m3)。當檢修吹掃用氣和制動合用空壓機時，建議選2個相同容積的氣罐。

2.3.2 空壓機公式改進

由于一次制動的實際耗氣量很少，再用舊的公式計算空壓機排氣量，必然數(shù)值非常小，所以公式 (4)不再適用；并且考慮到一次充氣時間不至于過長，我們建議根據(jù)已選定的儲氣罐容積大小通過合理的運行時間的要求來反推算空壓機排氣量，以便和儲氣罐更好地匹配。制動空壓機排氣量可按以下公式計算：

(6)

式中：Qzk為單臺制動空壓機排氣量；N為制動儲氣罐臺數(shù)(包括吹掃用氣氣罐和與該空壓機相連的其他用戶的氣罐)，一般設(shè)置為兩臺；Vg為制動儲氣罐容積；Pa為大氣壓力；ΔP為制動前后允許的壓力差，一般取ΔP=0.1～0.15 MPa；Kl為漏氣系數(shù)，這里可以取Kl=1.2～1.4；ΔT為空壓機一次充氣時間，初次計算時取ΔT=10～15 min。

Kh為空壓機排氣量海拔修正系數(shù)，取值詳見表1。

表1 海拔高度對空壓機生產(chǎn)率修正系數(shù)表Tab.1 Altitude correction coefficient table for air compressor productivity

如電站有調(diào)相壓水和吹掃需要，可合并綜合考慮選型；如沒有調(diào)相壓水，則機組制動用氣是一個單獨的供氣系統(tǒng)，應(yīng)設(shè)兩臺空氣壓縮機，一臺工作，一臺備用。

當檢修維護的風動工具用氣量大大多于制動用氣時，建議將檢修用儲氣罐和空壓機與制動儲氣罐以及空壓機分開設(shè)置，即在選型計算時將檢修吹掃用氣設(shè)備單獨考慮。

3 算例分析

為便于對研究成果的理解和應(yīng)用，現(xiàn)舉例說明，選混流、軸流機和抽蓄機組各一作為算例。

3.1 混流式機組

A水電站位于浙江省，投入運行年份為1960年代，機組臺數(shù)為9臺，后經(jīng)擴容改造，單機容量增至90～95 MW，機組形式為立軸混流式。電站目前配置兩只10.0 m3的制動儲氣罐、兩臺排氣量為12.1 m3/min的制動空壓機。

該水電站為常規(guī)中型水電站，一次制動氣量QT可按照圖1混流式機組一次制動耗氣量與單機容量的統(tǒng)計關(guān)系曲線上讀取，得到QT=0.05 m3。制動氣壓取0.7 MPa，大氣壓為0.1 MPa，換算成自由空氣量QZ=0.05×7=0.35 m3。供氣方式考慮9臺機組同時制動的極限情況，即同時制動機組臺數(shù)Z=9；安全系數(shù)K取2，制動前后允許的壓力差ΔP取0.1 MPa。代入公式(5)中，計算得出儲氣罐容積Vg=6.3 m3，儲氣罐個數(shù)選兩個，Vg/2=3.15 m3，對照儲氣罐標準容積系列，可選兩個容積為4.0 m3的制動儲氣罐。

由于該電站年代較久遠，設(shè)備可靠性比不上最近幾年投產(chǎn)的新電站，因此漏氣系數(shù)Kl可取1.4。電站所處東南平原地區(qū)，空壓機海拔修正系數(shù)Kh=1.00，空壓機一次充氣時間ΔT暫取10 min，代入公式(6)中，計算得出空壓機排氣量Qzk=1.12 m3/min，考慮留有一定裕量并參考空壓機廠家樣本，可選擇2臺排氣量為1.5 m3/min的制動空壓機。選型結(jié)果見表2。

表2 A水電站選型結(jié)果Tab.2 Selection results for A power plant

綜上所述，按照目前一次制動的實際耗氣量，A水電站選用兩只4.0 m3的制動儲氣罐、兩臺1.5 m3/min的制動空壓機便能滿足要求。

3.2 軸流轉(zhuǎn)槳式機組

B水電站位于福建省境內(nèi)，投入運行年份為20世紀90年代，電站共安裝7臺單機容量為200 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機。電站目前配置兩只8.0 m3的制動儲氣罐、兩臺排氣量為7.3 m3/min的制動空壓機。

該水電站為常規(guī)大中型水電站，一次制動氣量QT已有現(xiàn)成廠家資料為0.08 m3，制動氣壓取0.7 MPa，大氣壓為0.1 MPa，換算成自由空氣量Qz=0.08×7=0.56 m3。供氣方式考慮7臺機組同時制動的極限情況，即同時制動機組臺數(shù)Z=7；安全系數(shù)K取1.8，制動前后允許的壓力差ΔP取0.1 MPa。代入公式(5)中，計算得出儲氣罐容積Vg=7.056 m3，儲氣罐個數(shù)選兩個，Vg/2=3.528 m3，對照儲氣罐標準容積系列，可選兩個容積為4.0 m3的制動儲氣罐。

B水電站投產(chǎn)年份距今20年左右，漏氣系數(shù)Kl可比A水電站稍小些，因此Kl可取1.2。B電站所處福建平原地區(qū)，空壓機海拔修正系數(shù)Kh=1.00，空壓機一次充氣時間ΔT暫取10 min，代入公式(6)中，計算得出空壓機排氣量Qzk=0.96 m3/min，參考空壓機廠家樣本，選擇2臺排氣量為1.2 m3/min的制動空壓機。

由表3可見，采用新公式計算后，B水電站選用兩只4.0 m3的制動儲氣罐、兩臺1.2 m3/min的制動空壓機便能滿足制動系統(tǒng)要求，能大大減少設(shè)備投資成本。

表3 B水電站選型結(jié)果Tab.3 Selection results for B power plant

3.3 抽水蓄能機組

C抽水蓄能電站位于江蘇省，投入運行年份為2008年，地下廠房內(nèi)裝設(shè)4臺單機容量為250 MW的立軸混流可逆式機組。電站目前配置兩只2.0 m3的制動儲氣罐、兩臺排氣量為2.50 m3/min的制動空壓機。

根據(jù)圖3抽蓄機組一次制動耗氣量的推薦區(qū)間，取一次制動耗氣量QT=0.05 m3，換算成自由空氣量Qz=0.05×7=0.35 m3。同時制動機組臺數(shù) 取4臺；安全系數(shù)K取1.6，制動前后允許的壓力差ΔP取0.1 MPa。代入公式(5)中，計算得出儲氣罐容積Vg=2.24 m3，對照儲氣罐標準容積系列圓整后得儲氣罐容積Vg=3.0 m3，考慮到檢修吹掃用氣和制動合用儲氣罐，因此可選兩個容積為3.0 m3的制動儲氣罐。

C抽水蓄能電站投運剛滿十年，年代較新，管路密封性都很好，基本沒有漏氣，因此漏氣系數(shù)Kl取1.0。電站海拔高程和海平面接近，空壓機海拔修正系數(shù)Kh=1.00，空壓機一次充氣時間ΔT暫取10 min，代入公式(6)中，計算得出空壓機排氣量Qzk=0.6 m3/min，考慮留有一定裕量并參考空壓機廠家樣本，可選擇2臺排氣量為0.8 m3/min的制動空壓機，選型結(jié)果見表4。

表4 C抽蓄電站選型結(jié)果Tab.4 Selection results for C pumped storage power plant

由以上計算結(jié)果得知，新公式計算得出的儲氣罐容積比原先略有增大，但是空壓機排氣量減小很多。通過對電站運行人員的回訪得知，由于原先制動空壓機排氣量容量偏大，空壓機啟停頻繁，一天中多達7～8次，空壓機和自動化元件老化較快，并且產(chǎn)生了油乳化現(xiàn)象。采用新公式后可將空壓機一次充氣時間增長，使得儲氣罐和空壓機的匹配更加合理，進而能夠有效避免油乳化現(xiàn)象。在設(shè)備投資成本基本不變的前提下，可將設(shè)備使用壽命大大延長。

4 結(jié) 語

該文著重研究水電站制動供氣設(shè)備的合理選型。通過對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析和反復研究對比，以及在調(diào)研過程中了解到的設(shè)備運行情況，提出了一種適用于國內(nèi)水電站制動氣系統(tǒng)設(shè)備選型的公式和設(shè)計依據(jù)，結(jié)合實際案例進行分析，對新公式加以驗證。該文得出以下幾點結(jié)論。

(1) 提出一次制動耗氣量應(yīng)采用體積法的觀點，并給出了耗氣量隨機組單機容量的變化范圍。

(2) 研究出貯氣罐容積和空壓機排氣量新的計算公式，總結(jié)出空壓機排氣量和貯氣罐容積的合理匹配關(guān)系，以解決空壓機在使用過程的一系列問題。

(3) 結(jié)合算例分析，利用新公式進行電站的選型設(shè)計，加深對設(shè)備選型的認識，也驗證了新公式的可行性和有效性。

然而，在該文研究過程中，受到基礎(chǔ)資料和時間等因素的限制，部分研究內(nèi)容仍然存在繼續(xù)深化研究的必要和空間：

(1) 統(tǒng)計的電站樣本有一定的地域局限性和不完全性，特別是抽水蓄能電站，樣本數(shù)據(jù)還不充足，這將在后續(xù)研究中進一步充實和細化。

(2) 一次制動耗氣量，希望能提出一個具體的計算公式(如和機組容量、額定轉(zhuǎn)速、制動時間等參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系)，以便得到更加精確的數(shù)值；此外，電氣制動的投入對制動氣量有何具體的影響？該文的研究尚不完善。

(3)同時制動機組臺數(shù) ，該文的算例都是取電站機組總臺數(shù)，而在實際設(shè)計當中，需根據(jù)電站電氣主接線布置情況，或考慮壓力鋼管所接機組臺數(shù)(一管三機、一管兩機等)，來確定該值。因此計算得出的儲氣罐容積和空壓機排氣量可能會更小。

(4)在后續(xù)研究中可以將新公式運用到項目改造上去，通過改造效果進一步驗證該文的研究成果。

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