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(zé)任公司，安徽 滁州 239000）

0 引言

抽水蓄能電廠日啟動(dòng)比較頻繁，一般都配有電氣制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)混合使用[1,9]。正常情況下，投入電氣制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速小于5%額定轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械制動(dòng)自動(dòng)投入；當(dāng)不投電氣制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速小于20%額定轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械制動(dòng)自動(dòng)投入，直至機(jī)組轉(zhuǎn)速為零[2]。主要是避免高轉(zhuǎn)速投入機(jī)械制動(dòng)出現(xiàn)閘瓦磨損燒壞，重則造成風(fēng)閘制動(dòng)裝置及制動(dòng)環(huán)損壞、引起軸系重心的偏移，嚴(yán)重的可能引起風(fēng)洞內(nèi)發(fā)生火災(zāi)造成發(fā)電機(jī)著火[3,6,7]；若長時(shí)間低速運(yùn)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(duì)其進(jìn)行故障原因分析，并提出了具體的解決方案，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性，成功解決了該電廠機(jī)械制動(dòng)誤投入的問題，可為其它存在類似設(shè)備的運(yùn)維和設(shè)計(jì)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(jī)械制動(dòng)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(bào)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(shí)現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)供/排氣，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的自動(dòng)投/退功能（如圖1）。

圖1 原機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)圖

2018 年5 月，某電廠機(jī)組在夜間抽水運(yùn)行期間，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)機(jī)械制動(dòng)壓力高報(bào)警，同時(shí)出現(xiàn)機(jī)械制動(dòng)投入、機(jī)組轉(zhuǎn)停機(jī)、機(jī)組消防報(bào)警等信號(hào)，運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)層有濃烈燒焦的氣味，進(jìn)一步到發(fā)電機(jī)風(fēng)洞檢查發(fā)現(xiàn)制動(dòng)環(huán)板面出現(xiàn)燒損現(xiàn)象（見圖2），制動(dòng)閘板部位有明顯的磨損等異?，F(xiàn)象。

圖2 機(jī)械制環(huán)板異常燒蝕

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)報(bào)警信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)安全閥后壓力表指針達(dá)到最大限位值16 bar，同時(shí)指針已發(fā)生變形。說明此時(shí)的減壓閥后的壓力已經(jīng)超過高報(bào)警設(shè)定值12 bar，機(jī)械制動(dòng)壓力高報(bào)警信號(hào)動(dòng)作正確?，F(xiàn)場(chǎng)拆解電磁閥，發(fā)現(xiàn)該電磁閥芯密封出現(xiàn)嚴(yán)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(jìn)一步說明減壓閥工作失效，導(dǎo)致70 bar 的高壓氣直接損壞控制電磁閥，進(jìn)而造成機(jī)械制動(dòng)誤動(dòng)故障。

2 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)薄膜和頂桿控制而脫落，導(dǎo)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(jī)組在高速運(yùn)行過程中加閘損傷自動(dòng)板的現(xiàn)象。

圖3 減壓閥故障部位

該減壓閥設(shè)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(shè)定（見圖4）[5]。其傳動(dòng)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(dòng)薄膜受力

其中：

F1為傳動(dòng)薄膜受到低壓氣擠壓力；

F2為主彈簧擠壓傳動(dòng)薄膜的壓力；

F3為大氣壓擠壓傳動(dòng)薄膜的壓力；

F4為傳動(dòng)薄膜受力。

當(dāng)?shù)蛪簹馐覊毫1變低小于主彈簧F2和大氣壓擠傳動(dòng)薄膜的力F3，即F4小于零時(shí)，傳動(dòng)膜帶動(dòng)頂桿和活門向上運(yùn)動(dòng)，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(dòng)薄膜將帶動(dòng)頂桿和活門擠壓主彈簧向下運(yùn)行，當(dāng)?shù)蛪菏覛鈮哼_(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)活門關(guān)閉。

該電廠機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)管路中雖裝設(shè)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(shí)間內(nèi)釋放掉，進(jìn)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(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，出現(xiàn)機(jī)組機(jī)械制動(dòng)在運(yùn)行過程中高速閘異常磨損機(jī)械制動(dòng)板的故障。

因此，減壓閥故障是造成本次機(jī)械制動(dòng)故障的直接原因。

3 處理對(duì)策

（1）更換已經(jīng)變形的制動(dòng)板。先拆除制動(dòng)環(huán)擋板和底板；然后拆除固定制動(dòng)板的螺栓，用專用工具拆除制動(dòng)板并編號(hào)；接著對(duì)新更換的制動(dòng)板進(jìn)行稱重及相關(guān)尺寸測(cè)量，確保每塊制動(dòng)板的重量及厚度等滿足設(shè)計(jì)要求；將固定制動(dòng)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(shí)用鎖定片鎖定螺栓；用刀尺測(cè)量各塊制動(dòng)板間間隙不能超過0.05 mm，用酒精清理制動(dòng)器與閘板接觸面，應(yīng)無雜質(zhì)、無高點(diǎn)。

（2）更換已損壞的電磁閥和相應(yīng)的壓力表計(jì)。

（3）通過上述故障原因和減壓閥工作原理分析，提出兩個(gè)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(gè)相同減壓閥和壓力監(jiān)測(cè)報(bào)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(dòng)作，還要修改現(xiàn)場(chǎng)供氣和排氣管路，考慮到安全性和改動(dòng)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(gè)減壓閥壓力設(shè)置在12 bar 至16 bar 之間。即使第二個(gè)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(gè)減壓閥中間安裝一個(gè)壓力監(jiān)視裝置來監(jiān)視第一個(gè)減壓閥的工作狀態(tài)，最后用第二個(gè)減壓閥將中間值減壓到10 bar，以確保機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)氣源的可靠性。本方案實(shí)施后可能存在機(jī)械制動(dòng)供氣量不足，無法滿足機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)投入時(shí)間0.70～1.0 s 要求。因此，如何設(shè)定經(jīng)過第一個(gè)減壓閥后的壓力值就比較關(guān)鍵，故該電廠做了如下措施和試驗(yàn)。

圖6 機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)改造方案簡圖

3.1 第一級(jí)減壓閥低壓氣室設(shè)定值范圍確認(rèn)

根據(jù)上述方案分析，在滿足電磁閥工作壓力和第二級(jí)減壓閥狀態(tài)報(bào)警監(jiān)測(cè)裝置（設(shè)定值為12 bar）能正常工作為前提，高壓氣經(jīng)過第一級(jí)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(gè)工作范圍。

3.2 減壓閥高壓氣室變化對(duì)機(jī)械制動(dòng)投入時(shí)間影響試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)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(guān)機(jī)械制動(dòng)投入時(shí)間試驗(yàn),如表1 所示。

表1 減壓閥入口從70 bar 降低至10 bar 時(shí)低壓氣室壓力變化及機(jī)械制動(dòng)動(dòng)作時(shí)間統(tǒng)計(jì)

從上述試驗(yàn)可以得出，當(dāng)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(shí)，投入機(jī)械制動(dòng)三次，機(jī)械制動(dòng)投入時(shí)間維持在0.91～0.92 s，滿足機(jī)械制動(dòng)投入時(shí)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(duì)低壓氣室壓力變幅影響不大，都能滿足現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械制動(dòng)工作時(shí)間要求。

3.3 減壓閥定值設(shè)定后安全性動(dòng)作試驗(yàn)

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

表2 減壓閥高壓氣室升壓時(shí)低壓氣室壓力變化

從上述試驗(yàn)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(shí)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(yàn)，試驗(yàn)過程中減壓閥低壓氣室的壓力均未超過11.2 bar。這說明當(dāng)?shù)谝患?jí)減壓閥故障時(shí)，第二個(gè)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(gè)減壓閥減壓后的壓力最多是從設(shè)定值的10 bar 增加到11.2 bar，不會(huì)超過控制電磁閥的工作壓力（0～16 bar）范圍，故不會(huì)損壞電磁閥主密封，能夠完全確保該廠機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行安全。

3.4 兩減壓閥的定值設(shè)置及監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警值設(shè)定

根據(jù)上述試驗(yàn)，該廠第一步將第一級(jí)減壓閥的低壓氣室工作壓力調(diào)整到13 bar，同時(shí)將第一個(gè)減壓閥后的氣壓報(bào)警檢測(cè)裝置值設(shè)為15 bar；第二步將第二級(jí)減壓閥即高壓氣室壓力為13 bar 時(shí)調(diào)整低壓氣室壓力為10 bar，同時(shí)將第二級(jí)減壓閥后的氣壓報(bào)警檢測(cè)裝置值設(shè)為12 bar。

4 動(dòng)作試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)改造后，經(jīng)過10 多次試驗(yàn)機(jī)械制動(dòng)投入時(shí)間都在0.83 s 左右，與未改造前的動(dòng)作時(shí)間0.8 s 相差不大，滿足水輪發(fā)電機(jī)用制動(dòng)器標(biāo)準(zhǔn)（JB/T 3334.1-2000）【標(biāo)準(zhǔn)】制動(dòng)線數(shù)度在20 m/s 時(shí)間和設(shè)計(jì)不大于1 s 的要求[8]。

回裝制動(dòng)板側(cè)板、底板等相關(guān)設(shè)備，檢查發(fā)電機(jī)風(fēng)洞無檢修工器具及其他異物遺留后，對(duì)機(jī)組發(fā)電機(jī)進(jìn)行盤車，發(fā)電機(jī)氣隙間隙跟修無明顯變化；做手動(dòng)升轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，校核機(jī)組振動(dòng)和擺動(dòng)跟更換制動(dòng)板之前無明顯變化，因此，本次機(jī)械制動(dòng)板的更換沒有影響轉(zhuǎn)子配重，故機(jī)組可以正常投入運(yùn)行。

3 結(jié)束語

該廠機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)供氣回路改造后，經(jīng)過兩年多運(yùn)行，在此運(yùn)行期間，值守人員在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中曾發(fā)現(xiàn)兩次一級(jí)減壓閥后的壓力監(jiān)測(cè)裝置報(bào)警信息，并立即通知相關(guān)維護(hù)人員到現(xiàn)場(chǎng)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)第一級(jí)減壓閥故障導(dǎo)致高壓氣直接串通到減壓閥的低壓部位。此時(shí)，由于第二級(jí)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(jī)械制動(dòng)誤投入故障的發(fā)生。因此，本方案在該廠的成功運(yùn)用可為其它電廠安裝設(shè)計(jì)或改造提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。