水輪發電機組制動器的控制方式探討

毛華匡，石振球，吳俊佳

(浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

水電站水輪發電機組制動器的控制方式有多種，有的配置2個電磁閥來控制，有的采用集成閥組的方式來控制，基本原理都是配置電磁閥或者閥組，由計算機監控系統發出“投制動”“退制動”控制信號來控制電磁閥或者閥組，使制動器(風閘)的活塞桿上下運動，從而實現制動器的投入及復歸。

隨著水電行業的發展，客戶對制動器的控制要求越來越高，不但要準確控制制動器，還衍生出一些附帶的要求，如制動器的復歸腔漏氣不能影響到氣源，電磁閥線圈盡量不要長時間帶電等。

印尼某水電站項目為立式混流機組，客戶要求提供制動器控制的不同方案并分析利弊供其選擇。

針對立式機型的機組結構，制動器可利用自重，使得制動器的活塞保持在復歸位置這一特性，對制動器的電磁閥配置方式以及控制方法進行分析比較，設計出對此類機型最合適的制動控制方式。

2 方案探討

2.1 方案1

該方案是最常規的設計，有很多水電站使用，尤其是一些運行多年的老水電站，通常采用2個二位三通電磁閥控制，工作原理圖如圖1所示。

圖1 方案1工作原理圖

自動控制時，把手動閥1、2、6、7關閉，手動閥3、4、5打開，機組轉速閉鎖和導葉全關達到條件時，通過計算機監控系統發出“投制動”命令(只需監控脈沖信號)，制動電磁閥的線圈(YV1—PAO)得電、復歸電磁閥的線圈(YV2—PAC)得電，制動器的制動腔充氣、復歸腔排氣，制動器活塞往上頂，制動投入。

通過計算機監控系統發出“退制動”命令(只需監控脈沖信號)，制動電磁閥的線圈(YV2—PAO)得電、復歸電磁閥的線圈(YV1—PAC)得電，制動器的復歸腔充氣、制動腔排氣，制動器活塞往下落，制動復歸。

機械手動控制時，手動閥1、3、4、5、7關閉，手動閥2、6打開，投入制動器。手動閥2、3、4、5、6關閉，手動閥1、7打開，復歸入制動器。

優點：控制簡便，監控只需給出脈沖信號，電磁閥線圈不用長時間帶電。

缺點：管路連接多，容易出現漏氣滲氣。手動閥多，機械手動控制操作復雜，容易出錯。復歸時，氣源與制動器的復歸腔一直連通，制動器的復歸腔如果發生漏氣現象，會造成氣源處空壓機頻繁啟動。

2.2 方案2

近幾年水電站比較多的應用集成閥組結構的制動器控制方式，如某集成閥組采用了三位五通的電磁換向閥，工作原理圖如圖2所示(虛線框內為閥組成套)。

自動控制時，置“手動/自動切換閥”為自動位置，機組轉速閉鎖和導葉全關達到條件時，通過計算機監控系統發出“投制動”命令(需要保持信號)，制動閥組的線圈(BV—PAO)得電，制動器的制動腔充氣、復歸腔排氣，制動器活塞往上頂，制動投入。

通過計算機監控系統發出“退制動”命令(需要保持信號)，制動閥組的線圈(BV—PAC)得電，制動器的復歸腔充氣、制動腔排氣，制動器活塞往下落，制動復歸。

當電磁換向閥的兩側電磁線圈失電后，電磁換向閥回到中間位置，此時氣源被隔斷，制動器制動腔和制動器復歸腔與排氣管連通。

機械手動控制操作時，置“手動/自動切換閥”為手動位置，然后把“手動換向閥”切到左邊，制動器投入，之后把手動換向閥切到右邊，制動器復歸。

優點：為閥組結構，管路集成配置，體積小，重量輕，安裝簡單。避免傳統配管多、漏點多的缺陷。機械手動控制操作簡單方便。

缺點：當由于某種原因需要長時間投入制動的時候(如發生蠕動等情況需要保持投制動)，那么右側的電磁線圈需要長時間帶電才能保持制動器投入狀態，容易引起電磁線圈燒壞。由于“手動換向閥”是二位四通的結構，當自動控制時，如果手動操作“手動換向閥”，會影響制動器控制。

2.3 方案3

針對三位五通的電磁換向閥的閥組電磁線圈長時間帶電的缺陷，某集成閥組進行了改進，采用二位五通的電磁換向閥，工作原理圖如圖3所示(虛線框內為閥組成套)。

圖3 方案3工作原理圖

自動控制時，置“手動/自動切換閥”為自動位置，機組轉速閉鎖和導葉全關達到條件時，通過計算機監控系統發出“投制動”命令(只需監控脈沖信號)，制動閥組的線圈(BV—PAO)得電，制動器制動腔充氣、復歸腔排氣，制動器活塞往上頂，制動投入。

通過計算機監控系統發出“退制動”命令(只需監控脈沖信號)，制動閥組的線圈(BV—PAC)得電，制動器復歸腔充氣、制動腔排氣，制動器活塞往下落，制動復歸。

機械手動操作時，置“手動/自動切換閥”為手動位置，然后把“手動換向閥”切到左邊，制動器投入，之后把手動換向閥切到右邊，制動器復歸。

優點：同三位五通的電磁換向閥的閥組優點。

缺點：該閥組只有2種狀態，要么處于制動狀態，要么處于復歸狀態。復歸時，氣源與制動器的復歸腔一直連通，制動器的復歸腔如果發生漏氣現象，會造成氣源處空壓機頻繁啟動。由于“手動換向閥”是二位四通的結構，當自動控制時，如果手動操作“手動換向閥”，會影響制動器控制。

2.4 方案4

對比上述方案的優缺點，項目業主提出了新的要求，希望能規避這些缺點。針對業主的需求，重新設計了1套方案：按照方案1的配置，采用2個二位三通電磁閥控制，但是計算機監控的控制作出調整，具體如圖4所示。

圖4 方案4工作原理圖

自動控制時，把手動閥1、2、6、7關閉，手動閥3、4、5打開，機組轉速閉鎖和導葉全關達到條件時，通過計算機監控系統發出“制動腔充氣”命令(只需監控脈沖信號)，制動電磁閥的線圈(YV1—PAO)得電；計算機監控系統發出“復歸腔排氣”命令(只需監控脈沖信號)，復歸電磁閥的線圈(YV2—PAC)得電，制動器的制動腔充氣、復歸腔排氣，制動器活塞往上頂，制動投入。

通過計算機監控系統發出“復歸腔充氣”命令(只需監控脈沖信號)，復歸電磁閥的線圈(YV2—PAO)得電；計算機監控系統發出“制動腔排氣”命令(只需監控脈沖信號)，制動電磁閥的線圈(YV1—PAC)得電，制動器的復歸腔充氣、制動腔排氣，制動器活塞往下落，制動復歸。

制動器復歸完成后，計算機監控系統發出“復歸腔排氣”命令(只需監控脈沖信號)，復歸電磁閥的線圈(YV2—PAC)得電，制動器復歸腔排氣，切斷氣源與制動器的復歸腔連通，防止由于制動器的復歸腔漏氣的原因造成氣源處空壓機頻繁啟動。

機械手動控制時，同方案1的機械手動控制操作方法。

優點：能精準控制制動器，監控只需給出脈沖信號，電磁閥線圈不用長時間帶電。

缺點：管路連接多，容易出現漏氣滲氣。手動閥多，機械手動控制操作復雜，容易出錯。

2.5 方案5

項目業主最終選擇了方案4的控制方式。隨后，在方案4的基礎上繼續優化設計，設計出1種新型的閥組控制并取得了專利，具體如圖5所示(虛線框內為閥組成套)。

圖5 方案5工作原理圖

采用2個完全獨立的電磁閥控制，“手動/自動切換閥”采用二位六通的結構。

自動控制時，置“手動/自動切換閥”為自動位置，機組轉速閉鎖和導葉全關達到條件時，通過計算機監控系統發出“制動腔充氣”命令(只需監控脈沖信號)，制動電磁閥的線圈(YV1—PAO)得電；此時復歸電磁閥由于彈簧復位的作用處于排氣狀態。制動器的制動腔充氣、復歸腔排氣，制動器活塞往上頂，制動投入。

通過計算機監控系統發出“復歸腔充氣”命令(保持幾分鐘即可，具體視項目而定)，復歸電磁閥的線圈(YV2—PAO)得電；計算機監控系統發出“制動腔排氣”命令(只需監控脈沖信號)，制動電磁閥的線圈(YV1—PAC)得電，制動器的復歸腔充氣、制動腔排氣，制動器活塞往下落，制動復歸。

制動器復歸完成后，計算機監控系統斷開“復歸腔充氣”命令，復歸電磁閥由于彈簧復位的作用重新處于排氣狀態，制動器的復歸腔排氣，切斷氣源與制動器的復歸腔連通，防止由于制動器的復歸腔漏氣的原因造成氣源處空壓機頻繁啟動。

“手動換向閥”是二位六通的結構，使得手動、自動控制完全獨立。電磁閥采用二位的設計，使得電磁線圈無需長時間帶電。而復歸用的電磁閥采用彈簧復位的電線圈結構，使得制動器復歸后，利用彈簧自動復位，就切斷了氣源跟制動器復歸腔一直連通的問題，避免了由于制動器的復歸腔漏氣的原因造成氣源處空壓機頻繁啟動問題；比較完美地解決了前面4個方案的弊端。

3 結 語

水輪機組制動器的控制方式很多，隨著控制產品的不斷優化升級，控制得越來越全面；良好的控制產品選型將關系到水電站的自動化水平并有利于機組的安全運行。