水輪發電機組停機制動方式優化選擇

郭 磊

（1.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000 ；2. 湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410000）

0 引言

水輪發電機組相對于火電機組具有啟動、停機所需時間較短的優點，可在電力系統中擔任調峰調頻及事故備用的任務，對于電力系統的安全穩定運行發揮著重要作用，但水輪發電機組轉動部件質量較大，轉動慣量較大，在慣性作用下機組很難快速停下來。機組在停機過程中在無外力干預情況下主要受水輪機轉輪在尾水中轉動的水阻力、機組轉動部件轉動時與空氣摩擦的風阻力、機組軸承的摩擦力的作用，其中水阻力是主要阻力，而它與機組轉速的平方成正比，在機組轉速逐漸降低過程中，機組所受阻力也將逐漸減小，機組轉速下降呈現先快后慢的特點，若無外力干預機組將在低轉速區運行很長時間。所以必須在機組轉速降至一定值時加以外力干預才能使機組快速停下，制動系統應運而生。目前國內水輪發電機組停機制動系統主要有機械制動和電氣制動兩種。

1 制動系統工作原理

1.1 機械制動

機械制動系統主要由制動氣罐及相關管路、控制元件、制動風閘和安裝在轉子上的制動環組成（圖1）。制動氣罐為風閘提供制動壓力，在機組轉速降至風閘投入定值時，風閘投入，利用制動風閘與制動環之間的摩擦力使機組停下。相當于將轉動部件的動能轉換為摩擦產生的熱能。

圖1 某電廠機械制動系統圖

1.2 電氣制動

電氣制動主要由電制動變壓器、電制動開關（圖2）、勵磁系統組成。電氣制動是基于發電機的電樞反應和耗能制動原理。機組轉速降至電氣制動投入定值，合上電制動開關將定子繞組三相短路，以適當的勵磁電流通入轉子繞組形成磁場，還在轉動的轉子致使定子繞組切割磁力線運行形成感應電動勢，因定子繞組三相短路將形成短路電流，帶有電流的定子繞組在磁場中運動將對轉子產生與轉子旋轉方向相反的阻力矩致使機組快速停下。相當于將轉動部件的動能轉換為定子繞組短路產生的熱能[1]。

圖2 某電廠電制動開關Z021

2 兩種制動系統優缺點

2.1 機械制動

優點：結構簡單、安全可靠，即使自動制動失敗也可手動操作制動。

缺點：機械制動過程會產生粉塵，造成風洞內粉塵污染，影響定、轉子繞組絕緣，粉塵還容易造成轉子磁軛和定子鐵心狹小通風溝堵塞，影響機組冷卻效果，為減少粉塵產生量，只能在機組轉速降至較低時再投入，相對停機時間較長。

2.2 電氣制動

優點：電氣制動可以在機組轉速較高時投入，制動力矩較大，相對停機時間較短，且在制動過程中無粉塵污染，保證風洞內環境清潔。

缺點：結構復雜，造價較高，包含的電氣元器件較多，發生故障的可能性較高，容易制動失敗，且在機組電氣事故時需閉鎖電制動。

3 制動系統應用需注意的問題

3.1 制動系統投入失敗

機械制動投入失敗的原因可能有：①轉速裝置故障，監控未監測到投入定值，未下達投入指令；②制動氣系統壓力不足；③自動投入電磁閥故障未正確動作；④制動風閘上下腔竄氣，形成不了壓差，風閘頂不起等。

電氣制動投入失敗的原因可能有：①轉速裝置故障，監控未監測到投入定值，未下達投入指令；②制動變壓器電源側失電；③電制動陽極開關與勵磁陽極開關切換失??；④電制動開關合閘失??；⑤勵磁系統故障，整流失??；⑥發電機電氣事故閉鎖電制動等[2]。

通過以上分析可知，電氣制動相較于機械制動投入失敗的幾率較大，尤其是發生電氣事故時為避免事故擴大，必須閉鎖電氣制動，所以水輪發電機組即使正常停機時選擇電氣制動方式，也應備用一套機械制動系統，供電制動投入失敗或被閉鎖時使用。

3.2 純機械制動投入定值

機械制動在較高轉速時投入，制動風閘磨損嚴重，會產生大量粉塵，造成風洞內嚴重污染，且可能導致制動環因溫度過高而爆裂。一般情況下，機械制動在機組轉速降至20%Ne~30%Ne時投入，這就要求停機時機組轉速從100%Ne降至投入定值這段時間不宜過長，保證總體停機時間不至于過長[3]。

3.3 純電氣制動投退定值

電氣制動只要保證投入時定子三相短路電流不超過額定電流即可投入，但停機時機組在高轉速區降速較快，投入電氣制動沒有太大意義，所以一般選擇在機組轉速降至50%Ne~60%Ne時投入。電制動力矩與轉速成反比，當轉速等于0時達到最大值，為防止機組反轉，需在機組轉速為0前提前退出，一般選擇在1%Ne~5%Ne時退出。

3.4 電氣制動對一、二次設備的影響

電氣制動過程需將發電機定子繞組三相短路，會引起發電機保護動作，所以發電機保護應在電氣制動過程中閉鎖出口。電制動開關將定子繞組短路，若其未分閘就開機，將導致嚴重后果，所以停機結束應認真檢查電制動開關確已分閘，且將電制動開關合閘信號作為開機閉鎖條件。

4 機組制動方式選擇與效果案例

4.1 停機時水輪機轉輪完全淹沒

東坪電廠為燈泡貫流式機組，單機容量19.9 MW，額定水頭6.8 m，轉輪安裝高程79 m，機組運行時尾水位約87.5 m，停機時轉輪淹沒高度約8.5 m。機組采用純機械制動方式停機，機組轉速降至30%Ne時投入制動風閘，轉速為0時退出，其停機轉速過程線見圖3。轉速由100%Ne降至30%Ne用時約32 s，由30%Ne降至0用時約21 s，停機總體時間約53 s。

圖3 東坪電廠機組停機轉速過程線

馬跡塘電廠為燈泡貫流式機組，單機容量18.5 MW，額定水頭6.55 m，轉輪安裝高程42.1 m，機組運行時尾水位約49 m，停機時轉輪淹沒高度約6.9 m。機組采用混合制動方式停機，機組轉速降至90%Ne時投入電氣制動，轉速降至15%Ne，投入機械制動，轉速降至0時退出電氣制動和機械制動，其停機轉速過程線見圖4。轉速由100%Ne降至90%Ne用時約5 s，由90%Ne降至15%Ne用時約26 s，由15%Ne降至0用時約10 s，總體停機時間約41 s。

圖4 馬跡塘電廠機組停機轉速過程線

掛治電廠為軸流轉槳式機組，單機容量50 MW，額定水頭20.7 m，水輪機安裝高程293 m，機組運行時尾水位約298 m，停機時轉輪淹沒高度約5 m。機組采用純機械制動方式停機，機組轉速降至20%Ne時投入制動風閘，轉速為0時退出，其停機轉速過程線見圖5。轉速由100%Ne降至20%Ne用時約130 s，由20%Ne降至0用時約50 s，停機總體時間約180 s。

圖5 掛治電廠機組停機轉速過程線

五強溪電廠為混流式機組，單機容量240 MW，額定水頭44.5 m，水輪機安裝高程50 m，機組運行時尾水位約52 m，停機時轉輪淹沒高度約2 m，正常停機時采用純電氣制動方式，機組轉速降至60%Ne時投入電氣制動，轉速降至1%Ne時退出，其停機轉速過程線見圖6。轉速由100%Ne降至60%Ne用時約30 s，由60%Ne降至0用時約160 s，總體停機時間約190 s。

圖6 五強溪電廠機組停機轉速過程線

托口電廠為混流式機組，單機容量200 MW，額定水頭54 m，水輪機安裝高程186.44 m，機組運行時尾水位約190 m，停機時轉輪淹沒高度約3.5 m，正常停機時采用混合制動方式，機組轉速降至60%Ne時投入電氣制動，轉速降至20%Ne，投入機械制動，轉速降至5%Ne時退出電氣制動，轉速為0時退出機械制動，其停機轉速過程線見圖7。轉速由100%Ne降至60%Ne用時約47 s，由60%Ne降至20%Ne用時約160 s，由20%Ne降至0用時約46 s，總體停機時間約253 s。

圖7 托口電廠機組停機轉速過程線

以上案例中，機組形式包括燈泡貫流式、軸流轉槳式、混流式，停機制動方式包括純機械制動、純電氣制動、混合制動，通過以上分析可知，不論哪種機組形式，不論采用哪種制動方式，只要機組停機時水輪機轉輪是淹沒狀態，總體停機時間可控制在較短時間內。

4.2 停機時水輪機轉輪脫流

白市電廠為混流式機組，單機容量140 MW，額定水頭44 m，水輪機安裝高程247.5 m，單機運行時尾水位約246.5 m，停機時轉輪脫流。采用純電氣制動方式停機，機組轉速降至60%Ne時投入電氣風閘，轉速為1%Ne時退出，其停機轉速過程線見圖8。停機時機組轉速由100%Ne降至60%Ne用時約120 s，由60%Ne降至0用時約360 s，停機總體時間約480 s。

圖8 白市電廠機組停機轉速過程線

碗米坡電廠為混流式機組，機組容量80 MW，額定水頭39 m，水輪機安裝高程205.21 m，單機運行時尾水位約202.5 m，停機時轉輪脫流。機組設計時采用純機械制動方式停機，機組轉速降至20%Ne時投入制動風閘，轉速為0時退出，其停機轉速過程線見圖9。停機時機組轉速由100%Ne降至20%Ne用時約28 min，由20%Ne降至0用時約53 s，停機總體時間約29 min。

圖9 碗米坡電廠機組停機轉速過程線

以上案例中，機組停機時轉輪均脫流，停機過程中的主要阻力水阻力為0，不論采用純電氣制動還是純機械制動，機組停機時間相對于轉輪完全淹沒的機組要長得多。

白市電廠采用純電氣制動，總停機時間480 s左右，雖比五強溪電廠的190 s要長，但還屬于可接受范圍之內。而采用純機械制動的碗米坡電廠總體停機時間為29 min，已不滿足電網調度機構對機組快速啟停的要求，且長時間低轉速運行還會加速機組軸承磨損。為盡量縮短停機時長，碗米坡電廠曾采取過提高機械制動投入定值的措施，將投入定值由20%Ne修改為25%Ne，但由圖9可知，轉速由100%Ne降至25%Ne也需要22 min左右，效果并不明顯。若將投入定值繼續提高，必將加速制動閘板磨損，產生更大量粉塵，且可能導致制動環因溫度過高而爆裂，增加了不安全因素?？梢?，碗米坡電廠現有的純機械制動方式并不能滿足機組快速停機的要求，要想在機組轉速更高時引入外力干擾，增加一套電氣制動系統是一種比較可行且有效的辦法。

5 結語

機械制動和電氣制動作為輔助停機系統，在縮短機組停機時間上發揮著重要作用。停機時水輪機轉輪完全淹沒的機組，不論采用純機械制動、純電氣制動還是混合制動方式，均可滿足機組快速停機的要求。而對于停機時水輪機轉輪脫流的機組，采用純機械制動方式并不是一種合理選擇，引入電氣制動系統很有必要。