第三节　机组制动供气

一、机组制动概述

1.机组自由制动

机组在运转时,因为转动部分具有很大的转动惯量J,所以具有很大的动能E,即E=Jω2/2,其中ω为机组转动角速度。当机组与电网解列,导叶关闭之后,机组的动能仅消耗在克服转子与空气的摩擦力矩、轴承的摩擦力矩和转轮与水或空气的摩擦力矩上,在这些摩擦力矩的共同作用下,机组转速逐渐下降,经过一段时间后停止下来,这一过程称为自由制动。在自由制动过程中,各种摩擦力矩和转速n之间存在如下一些近似关系:转子与空气的摩擦力矩∝n2;轴承摩擦力矩∝n0.5;转轮与水的摩擦力矩∝n2。可见,当机组转速较高时,制动力矩较大,机组转速下降较快,而当机组转速较低时,制动力矩较小,机组转速下降也较慢,导致机组在低速运转时间较长。根据机组转动惯量、转速的不同,自由制动时间长短不一,一般在10～30min之间,对于大型低转速机组甚至可长达1h左右。同时,转轮在空气中的自由制动时间要比在水中的自由制动时间长得多,如图3-16的曲线1和2所示。如果水轮机导叶漏水严重,可能导致机组长时间转动而不能停机。

2.机组强迫制动

机组的推力轴承承受着轴向荷载,只有当机组具有一定的转速时,才能形成要求的油膜厚度,使轴承获得良好的润滑,径向滑动轴承也是如此。在机组停机过程中,轴向水推力随导叶的关闭而消失,但对立式机组,转动部件的重量很大,当转速降低之后,油膜厚度也迅速减小,对于采用巴氏合金作为轴瓦材料的轴承,当转速降到某个值时就会出现半干摩擦,甚至出现干摩擦,致使轴瓦磨损,严重时会出现烧瓦事故。此时如果冷却水供应正常,则轴承油温可能由于轴向推力和总摩擦功耗减小而下降,但是轴瓦的局部可能出现因磨损而升温的现象。所以,对于采用巴氏合金作为轴瓦材料的轴承,在机组停机过程中,当转速降低到一定程度时需进行强迫制动,以缩短机组的停机时间,避免机组在低转速下长时间转动,从而保护轴承,如图3-16的曲线3所示。而且,在较低转速时进行强迫制动,由于机组的动能已比较小,故所需的制动力矩也不大。对于大多数机组,采用强迫制动后,停机时间一般不超过2～4min,只有某些转动惯量较大的大型机组,停机时间可能长达7～10min。根据设计规程规定,容量大于250kVA的立式机组都应设置强迫制动装置。

3.弹性金属塑料瓦

随着轴瓦材料的发展,出现了新型的高性能轴瓦材料,即弹性金属塑料瓦,它是用四氟化乙烯塑料作为摩擦面(厚度仅为0.5～1.0mm),用热压工艺压在铜丝垫上,铜丝垫下面为钢质瓦体。用弹性金属塑料瓦代替传统的巴氏合金,可使轴承工作性能大为改善。

弹性金属塑料瓦具有如下主要特点:

(1)具有很高的耐磨、抗裂和抗擦伤特性,启动摩擦系数小(0.05～0.08,巴氏合金为0.15～0.20),使启动、停机十分容易,且不受停机时间间隔的限制。

(2)可塑性好,耐腐蚀,吸水性小,绝缘性能好,具有很高的可靠性,可长期工作在-180～+250℃。

(3)可减小因制动造成发电机定子的污染,轴瓦在安装、检修时不需进行研刮、挑花等加工,简化了工艺,缩短了工期。

(4)能显著降低轴瓦摩擦面的局部接触应力,使瓦面的载荷分布均匀,轴瓦的摩擦工作面允许比压高,运行寿命长。

(5)轴承的油温可降低5～20℃,在冷却水中断的情况下,可短时运行,有利于故障的处理。

由于上述特点,对于采用弹性金属塑料瓦的机组,停机过程中可在转速很低时才投入强迫制动,甚至可不进行强迫制动。同时,在机组长期停机后再次开机时,也可不进行顶转子操作,这可大大简化机组的制动装置。

二、机组强迫制动的类型和原理

根据工作原理不同,机组强迫制动主要有机械制动、电气制动、混合制动和反向射流制动四类。

1.机械制动

机械制动是水轮发电机组常用的一种制动方式。在机组停机过程中,当转速降低到额定转速的30%～40%时,投入机械制动装置,在压缩空气的作用下,通过制动风闸上的耐磨制动瓦与机组转动部件产生摩擦力矩来实现制动。

在立式机组中,制动风闸通常固定在发电机的下机架上或水轮机顶盖的轴承支架上,其数量在4～36个之间,机组容量较大时数量较多,制动风闸的结构如图3-17所示。制动风闸由气缸、活塞、制动瓦、弹簧等组成,制动瓦一般采用石棉橡胶制作。工作时,把压缩空气通入制动风闸下腔,升起制动瓦,使制动瓦与发电机转子下的制动环(抗磨板)产生摩擦力矩来实现制动。制动结束后排出压缩空气,活塞和制动瓦在弹簧作用下回复到原来的位置,当结构较大时,也可把压缩空气通入气缸上部,将活塞压回原来的位置。在卧式机组中,制动风闸装在飞轮下缘两侧,数量一般为2个,制动时,制动风闸夹住飞轮的轮缘以实现制动。

机械制动装置除用于制动外,还兼作油压千斤顶用以顶起发电机转子。立式机组长时间停机以后,推力轴承的油膜可能被破坏,在开机前用高压油泵把油加压到8～12MPa,并通入制动风闸下腔,升起制动瓦,使机组的转动部件抬高8～12mm,停留1～2min,重新形成油膜,再把压力油排出使转子降低到工作位置后即可开机。规程规定:安装或大修后第一次停机24h以上、第二次停机36h以上、第三次停机48h以上、以后停机72h以上均需要顶起转子。有时为了检修需要也要顶起转子。对未设置顶转子装置的小型机组,启动前常采用手动盘车方式,以使轴承形成油膜后才开机。

在机组的机械制动装置系统中,制动用气是从厂内低压气系统中通过专用的储气罐和供气干管供给,工作压力为0.5～0.7MPa。接通机组的管路及控制元件集中布置在制动盘内。图3-18所示为一个常用的机组机械制动装置系统原理图。

(1)制动操作:自动和手动操作。

1)自动操作:机组在停机过程中,当转速降低到规定值(通常为额定转速的35%)时,由转速信号器ZSX控制的电磁空气阀DKF自动打开,压缩空气进入制动风闸对机组进行制动。制动延续时间由时间继电器整定,经过一定时限后,机组停止转动,电磁空气阀DKF复归,制动风闸与大气相通,压缩空气排出,制动过程结束。

对于具有高压油顶起装置(油压减载装置)的机组,停机时应同时启动高压油顶起装置,一般当机组转速下降到额定转速的10%时,再投入制动风闸对机组进行制动,以减轻制动瓦的磨损和缩短机械制动时间,当机组全停后,再解除制动和切除高压油顶起装置。自动操作也由PLC来实现。

2)手动操作:当自动化元件失灵或检修时,可手动操作阀门3来实现制动,制动完毕时由阀门4排气。

排气管最好引到厂外或地下室,以免排气时在主机室内产生噪声、排出油污和吹起灰尘。压力信号器YX用于监视制动风闸的状态,其常闭点与自动开机回路串联,当制动风闸处于无压状态(即落下)时才具备开机条件。

(2)顶转子操作:采用手动操作。切换三通阀使制动环管接通高压油泵,把油打入制动风闸,使转子抬起规定高度。开机前放出制动风闸中的油,打开阀门5把油排至回油箱,制动风闸和环管中的残油可用压缩空气吹扫。

(3)机械制动的特点。

1)运行可靠,使用方便,通用性强,耗能较少,制动柔和,具有制动和顶转子双重功能。

2)制动瓦磨损较快,特别是随着机组单机容量不断增大,转动惯量随之增大,制动时大量转子动能要消耗在制动瓦的磨损上,使制动瓦磨损迅速,更换频繁。

3)制动中产生的粉尘随循环风进入转子磁轭及定子铁芯的通风道,减小通风道的过风断面面积,影响发电机的冷却效果,导致定子温升增高,粉尘与油雾结合四处飞落,污染定子绕组,妨碍散热,降低绝缘水平,增加检修工作量。

4)制动过程中制动环表面温度会急剧升高,产生热变形,甚至出现龟裂现象。

2.电气制动

(1)电气制动类型。

1)发电机定子三相短路制动:发电机定子三相短路制动的接线原理如图3-19所示。当机组与电网解列后,导叶关闭,发电机灭磁,机组在摩擦力矩的共同作用下,转速迅速下降,当转速下降到额定转速的40%～60%时,合上发电机定子三相绕组出线端的制动短路开关ZDK(或串联附加电阻后短路),把厂用电源整流后给转子绕组提供励磁电流,则横轴电枢反应磁通与励磁绕组中的电流相互作用,在定子绕组中会通过三相对称的短路电流,产生铜损耗,使转子的剩余动能以热量形式进行消耗,并产生与转子旋转方向相反的电气制动力矩,在该力矩和其他摩擦力矩的共同作用下实现机组停机,从而保证推力轴承的安全。

在电气制动过程中,如给转子绕组加恒定励磁电流,则随着转速的降低,定子绕组上的短路电流幅值会保持恒定,但频率会逐渐减小,电气制动力矩会逐渐增大(近似反比转速:电气制动力矩∝n-1),当转速降低到某个值后电气制动力矩又随转速下降而减小。由于电气制动力矩数值可观,因此在转速较低时,电气制动力矩对机组的制动停机起主要作用。加大定子短路电流可获得较大的电气制动力矩,或在定子回路上串联附加电阻也可获得较大的电气制动力矩,并使最大电气制动力矩对应的转速移向高转速区,但当电阻增加到一定数值后,在低转速区电气制动力矩会下降。

一般采用接线简单的定子三相绕组直接短路方式,制动投入转速一般为额定转速的40%～60%,定子短路电流值根据发电机的温升和要求的制动时间而定,通常取定子额定电流的1.0～1.1倍;对于定子三相绕组串联附加电阻短路方式,在附加电阻值合理时效果良好,但接线复杂,投资大占地多,如无特殊要求,一般不采用。

2)变压器高压侧三相短路制动:如果发电机采用单元接线方式,则可在变压器高压侧实施三相短路来进行制动,其接线原理如图3-20所示。这种制动方式相当于在发电机定子三相绕组外接了一个附加电阻。由于变压器的感应电势和电抗均正比于频率,故变压器的短路电流和损耗基本上不随频率变化,这种短路制动的损耗既包括发电机定子绕组的铜损耗,也包括变压器的铜损耗。在单元接线方式中,发电机和变压器的容量一般是匹配的,即发电机和变压器的等效电阻大致相同,因而在相同的短路电流下可使电气制动力矩成倍增加,制动时间缩短。

由于变压器高压侧断路器两边的隔离开关一般都配备有接地短路开关,并能自动操作,可以兼作短路制动之用,这样既简化了接线,也节省了投资。

变压器高压侧三相短路制动具有接线简单、操作方便、短路电流小等特点。

3)反接制动:反接制动接线原理如图3-21所示。当机组与电网解列后,发电机灭磁,将励磁绕组通过灭磁电阻或直接短接,在定子绕组中通以负序低电压的三相交流电,负序电流在定子侧形成了一个与转子旋转方向相反的旋转磁场,这一磁场与转子有相对运动,会在励磁绕组、阻尼绕组、转子本体和磁极铁芯上产生相应频率的感应电势。由于励磁绕组和阻尼绕组是闭合的,感应电势在绕组内形成电流并产生铜损耗,同时在转子铁芯上产生磁滞涡流损耗。转子损耗形成与转子转动方向相反的电气制动力矩。

反接制动力矩随转速的降低迅速升高,这对机组低速下的制动十分有利。在定子电流相同的条件下,反接制动力矩要比发电机定子三相短路制动的力矩大得多。

(2)电气制动的应用:对于有发电机母线或采用发电机-三绕组变压器单元接线的大容量发电机,适合采用发电机定子三相短路制动方式;当电气主接线采用发电机-双绕组变压器单元接线时,可采用变压器高压侧三相短路制动方式,它比发电机定子三相短路制动产生更大的制动力矩,且可以利用接地隔离开关兼作短路开关;对中小型机组,可采用反接制动方式,制动效果好于发电机定子三相短路制动,且接线简单、经济、实用。

(3)电气制动的特点。

1)有足够的可靠性,无磨损和污染,维护工作量小,没有噪音和振动。

2)电气制动力矩近似反比于机组转速,即转速降低时制动力矩反而增大。

3)制动投入转速不受限制,能有效改善水轮发电机的运行条件及满足可逆式机组运行工况迅速切换的要求,对于高速、大容量机组和承担峰荷频繁启停的机组有明显的优越性,尤其适用于可逆式机组。

4)电气制动会使绕组温度升高2～4℃,对绕组绝缘寿命影响不大。

5)当电气制动装置发生内部故障时,如失去电源或控制元件损坏等,仍需机械制动作为备用。

3.混合制动

混合制动是联合采用机械制动和电气制动的制动方式。由于机械制动和电气制动在制动特性上存在差异,在采用一种制动方式不能满足要求时,将两种制动方式进行组合。一般情况下,在机组转速下降到额定转速的40%～60%时先投入电气制动,在机组转速下降到额定转速的5%～20%时再投入机械制动,小值用于推力轴承润滑性能较好的情况。

混合制动方式缩短了停机时间,减轻了机械制动的磨损,延长了机械制动的使用寿命,但增加了停机操作的复杂性,适用于可逆式机组或转动惯量较大的机组。

4.反向射流制动

冲击式机组的制动一般采用制动喷嘴使反向射流冲到转轮的水斗背面上,以产生制动力矩来实现机组停机。冲击式水轮机制动喷嘴控制系统如图3-22所示,当机组主工作针阀关闭后,电磁线圈接通,使配压阀的活塞上移,压力油进入接力器工作腔,使活塞左移,针阀开启,射流作用在水斗背面上,使转轮制动。当机组停止时,电磁线圈断开,弹簧使配压阀活塞下移,接力器工作腔接通回油,针阀在弹簧的作用下使喷嘴关闭。针阀的移动速度可利用节流片来调整。通过合理选择电磁线圈断开时的机组转速和针阀关闭的全行程时间,使转轮完全停止转动时,射流也刚好停止。

三、机械制动的设备选择计算

1.机械制动耗气量计算

机械制功耗气量取决于发电机所需的制动力矩,由制造厂提供。设计时可按如下方法计算:

(1)按机组制动耗气流量计算总耗气量:

(2)按充气容积计算总耗气量:

其余符号意义同式(3-8)。

这种计算方法较合理,因为制动过程并非持续耗气过程,制动耗气量主要取决于制动风闸及所连接管道的容积。

(3)在初步设计时,可按式(3-10)估算:

2.储气罐容积计算

储气罐是机组制动的气源,储气罐容积必须保证制动用气后罐内气压保持在最低制动气压以上。储气罐容积按式(3-11)计算:

中小型电站一般只设一个储气罐,多机组大型电站常设两个储气罐,每个容积为Vg/2。

储气罐的容积系列有:0.5m3,1.0m3,1.5m3,2m3,3m3,4m3,5m3,6m3,8m3,10m3,12m3,15m3,20m3,25m3,30m3等。

3.空压机生产率计算

空压机生产率按在规定时间内恢复储气罐压力的要求来确定,即

其余符号意义同式(3-11)。

对于专供机组制动用气的空压机,应选用两台,一台工作,一台备用。在综合气系统中,需综合考虑来确定空压机台数。宜选用冷却效果较好的水冷式空压机。

4.供气管道选择

通常按经验选取:干管DN20～DN100,环管DN15～DN32,支管DN15。管材采用镀锌钢管,但三通阀至制动风闸的管道必须采用耐高压的无缝钢管或铜管,其管件也必须采用相应的高压管件,以满足顶转子操作时的高压要求。