阻尼力矩裝置的作用是什麼

盛國超 費會新 劉 強

長沙三佔慣性制動有限公司 長沙 410205

摘 要：針對水電站事故快速閘門捲揚式啟閉機效能特點及存在的問題，提出合理的解決方案，科學選型設計制動器、摩擦 材料及電控系統與系統控制功能，還透過現場實際工況試驗來驗證設計，安全可靠地解決裝置相關問題。

關鍵詞：捲揚式啟閉機；快速閘門；斷電；制動系統

中圖分類號：TV664+。3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-0785（2018）10-0104-04

0 引言

國內某水電站裝有2 臺單機40 MW 的立軸半傘式水輪發電機組，總裝機容量80 MW。壩上裝有4 扇潛孔定輪式事故快速閘門，每兩扇事故快速閘門截斷一臺水輪發電機組水流。閘門底坎高程80。16 m，孔口尺寸為6。4 m×10。8 m（寬× 高），設計水頭34。84 m（至底坎），在設計時為動閉靜啟，滿足在事故情況下4 扇門同時動水關閉。每扇事故快速閘門升降門操作由一臺QPK-2×630/2 × 500型固定捲揚式雙吊點啟閉機控制，此類裝置是我國中小型水電站和水利工程中廣泛應用的帶離心飛擺調速器的捲揚式快速閘門啟閉機，其結構形式見圖1。

1。 開式齒輪 2。 減速器 3。 電動機 4。 制動器5。 離心飛擺調速器

圖1 結構形式

1 裝置現況及問題

1。1 裝置基本引數

閘門質量 50 t

閘門行程 11 m

流速 1。5 m/s

驅動電機功率 2×26 kW

減速器傳動比 41。34

開式齒輪傳動比 4。5

捲筒直徑 603 mm

鋼絲繩倍率 4 倍/16 繩

吊鉤 2 組

離心飛擺調速器 2 臺

鼓式制動器數量 2 臺

額定製動力矩 500 N·m

制動輪直徑 300 mm

該水電站啟閉機升降閘門的控制方式：

1） 事故快速閘門的正常升降由啟閉機的電動機帶動。

2） 事故狀態下快速關閉快速閘門時，鬆開制動器後快速閘門以自由落體速度下降關門（驅動電機不工作），閘門下降的速度由傳動軸上的離心飛擺調速器控制（靠飛擺離心力來減速剎車）。

1。2 存在的問題

1）現有的制動器採用交流電磁鼓式制動器，在斷電狀態下無法保證制動器正常開啟，一旦出現水輪發電機組事故導致電站失電狀況，會導致快速降門功能失效，將引發不能預估的事故發生，存在著嚴重的安全隱患。

2）快速降門速度靠離心飛擺調速器產生的摩擦阻尼力矩去平衡閘門自由落體時的地心引力，該平衡力會因調速器自身設計和速度原因產生變化，從而導致降門速度偏差較大和反覆振盪。當降門速度較低時，會使得截流速度慢，水輪機組的緊急停車時間增長，可能造成機組損壞的飛逸事故；當降門速度過高時，啟閉機超速執行，則容易砸壞閘門和底坎。

3）離心飛擺調速器制動片的摩擦因數會隨閘門下落急劇摩擦發熱、溫度升高而減小，導致摩擦阻尼力矩下降並引發平衡力矩下降，使得降門速度隨閘門下降而急劇增大。

4）離心飛擺調速器工作時的飛球質量和起動彈簧壓力在實際工程運用中難以確定且除錯麻煩。

5）電控系統對事故狀態下閘門快降全過程無任何監控，一旦閘門快降失速將導致閘門完全失控從而釀成重大事故。

2 系統總體設計

針對啟閉機存在的相關問題研發一種斷電可控落門智慧制動系統，該制動系統包含4 臺製動器、1 套電控系統和相關附件。每套電控系統控制2 扇事故快速閘門捲揚式啟閉機上的4 臺製動器。將原8 臺交流電磁製動器全部更換，鑑於啟閉機上用的離心飛擺調速器存在隱患，因此取消離心飛擺調速器，僅由制動器來實現閘門升降和事故快降過程中的制動功能。

在正常升降閘門時制動器僅用於減速制動和閘門狀態保持；在發生事故需要快速降門時，由電控系統根據設定速度要求自動改變制動器制動力矩大小，制動器受控預松閘促使快速閘門靠自身重力下滑降門，閘門依靠制動器與制動輪連續拖磨消耗下降勢能來抑制下降速度，同時電控系統根據取樣的閘門速度和高度自動調整制動力矩來限定下降速度，使閘門快降全過程按預設的速度與要求進行快速降門，確保水輪發電機組安全，預防機組飛逸事故。

3 機械選型設計

3。1 制動器選型設計

考慮到事故狀態下快速閘門下降速度要實現可控，需要透過改變制動器制動力矩來進行閘門下降速度調節控制，故選用一種常閉式變頻變力制動器，其工作原理是透過變頻來改變PED 變頻電力液壓推動器內電機、油泵轉速，來控制推動器內液壓缸推力大小，從而實現制動器制動力矩任意調節功能。具體型號為YWK-300/50-BW，其額定製動力矩為530 N·m，略大於啟閉機原有制動器制動力矩，完全滿足最大制動力矩要求。

3。2 摩擦材料選型設計

由啟閉機引數得知單張閘門總質量50 t，傳動鏈由三級減速器、開式齒輪減速器和鋼絲繩組成，閘門降落總行程11 m。根據制動功計算公式可計算出事故快速閘門在快速下降過程中制動器拖磨製動總制動功為4。5MJ。考慮到極端狀態下單臺製動器也要滿足閘門快速下降拖磨製動需求，故按每副摩擦材料能滿足5 MJ 的總制動功來設計。

由計算的總制動功可知在閘門快降連續拖磨過程中會產生對等的熱能，將導致制動襯墊和制動輪溫度急劇升高，因制動器常用的NAO 摩擦材料的熱穩定性、耐磨性等均不能滿足該制動工況需求，故選用熱穩定性好、抗熱磨損、不傷對偶件的粉末冶金摩擦材料。此類摩擦材料熱穩定效能達到連續熱穩定溫度600℃，短時熱穩定溫度900℃，可以滿足實際制動工況需求。

4 電控系統設計

4。1 電源設計

利用現場中控室已有1 套直流後備電源，其蓄電池組容量為208 V， 300 AH，用電纜連線到壩頂作為本控制系統的後備電源。在控制系統內將中控室直流後備電源分成兩路，一路接入到開關電源內，變換成24 V 後作為系統控制電源；另一路進行單相隔離後接入到變頻器直流母線上，在變頻器交流輸入斷電後，直流母線將繼續保持直流電壓輸入，從而能夠實現斷電執行功能。

目前市場上絕大部分單相變頻器直流母線欠壓閾值在230 ～ 240 V，而實際中控室內直流後備電源額定電壓只有208 V 遠低於欠壓閾值，因此，經多次對比分析後最終選定匯川MD280 系列單相變頻器，其母線閾值標稱為200 V，最低可調至150 V。利用專用慣性試驗檯進行降壓模擬測試發現，在變頻器直流母線低至150V 時，透過變頻器力矩補償後製動器輸出力矩特性僅略有變化，可以滿足變頻變力制動器執行需求。

4。2 速度及高度測量

原啟閉機控制系統內的高度重量綜合儀雖自帶有編碼器，但其僅用於高度測量，不能提供速度訊號，且啟閉機電控的PLC 不具備訊號擴充套件能力，因此本系統設計時為每扇閘門新增加一個具備DP 通訊功能的絕對值編碼器，來實時監測閘門速度與高度狀態。同時為了提高系統可靠性和安全性，還給每扇閘門增加高度限制器一套，提供額外的閘門上極限、全開、全關和下極限信

號，進一步增強系統安全冗餘。

為了解決原有減速器輸出軸僅能安裝一個編碼器的問題，還用同步帶傳動新設計一個速比為1：1 的分動箱，將原編碼器安裝軸一分為三，分別安裝上原有編碼器、新增編碼器和高度限制器，從而解決減速機輸出軸不夠造成的安裝問題。其安裝結構形式見圖2。

1。 新編碼器 2。 高度限制器 3。 原編碼器 4。 分動箱

圖2 安裝結構形式

4。3 PLC 及通訊組態

電控系統選用西門子S7-1200 系列PLC 做控制器，PLC 元件由CPU 模組1412C、DP 主站模組CM1243-5、數字IO 模組SM1223、數字輸入模組SM1221 以及模擬量輸出模組SM1232 等硬體組成。PLC 和絕對值編碼器透過PROFIBUS資料匯流排連線，實時讀取編碼器編碼值，利用PLC 程式進行週期計算得出每扇閘門位置狀態和升降速度實時訊號，以便系統對每扇閘門進行速度與位置監控。為了方便資料設定、報警查詢和降門速度曲線記錄等，本設計還選用7 寸觸控式螢幕用作系統HMI，設計了友好的人機互動介面，實時顯示各系統狀態和相關資料。硬體通訊組態見圖3。

圖3 硬體通訊組態

4。4 系統功能設計

事故快速閘門升降門控制分正常升降門、有電快速降門、斷電快速降門三種模式，其中正常升降門又有本地操作和中控LCU 遠端操作狀態，快速降門也分中控LCU 自動命令和機組緊停命令兩種狀態。因此， 電控系統在電路設計和控制程式設計上主要考慮以下幾點：

1）原有事故快速閘門正常升降門操作方式保持不變，電路上增加啟閉機升降動作訊號反饋，程式上增加相應的聯鎖與互鎖功能，做到正常升降門時制動器松閉閘命令一到就立即松閉閘，既不影響正常操作，又可防止誤動作和誤操作。

2）保持原有快速降門操作方式不變，將原LCU 快降訊號用中繼擴充套件後分別接入啟閉機原電控櫃和本系統內，同時將中控室1、2 號機組緊停按鈕更換並分別新增一個觸點接入本系統，同時為了方便除錯和維修還在櫃門上新增加一套手動快降旋鈕。

3）控制程式邏輯上設計必要的互鎖，並嚴格按照快降優先模式設計。

4）每扇閘門對應的2 臺製動器在執行快降程式前自動依次分配成主、輔制動器，主制動器提供60% 以上的制動力，並負責下降過程中的速度調節功能；輔制動器提供剩餘制動力，併為主制動器提供備用制動力，一旦主制動器發生異常，輔制動器要能保證閘門制動，確保閘門及相關裝置安全。

5）閘門快速下降過程中會受到水流、水壓和浮力的影響，系統根據編碼器換算測量出的速度和高度自動調節、補償和修正閘門降落速度，其快速降門時調速控制模型見圖4。

圖4 快速降門時調速控制模型

6）初始設計閘門快降時間限定在3 min 以內，即先以4 m/min 速度將閘門從11 m 高下降至0。5 m 減速高度，減速後以2。6 m/min 的速度將閘門降至0。2 m 預停高度後停止，延時1 s 後鬆開主制動器，輔制動器僅提供微小的制動力矩，讓閘門快速衝底確保閘門完全關閉。

7）系統設定必要的閘門行程到位、超限報警、超限極限保護；閘門正常升降、快降模式下降落速度超限報警、超限極限檢測和自動抱閘保護；AC 電源、編碼器異常、空開分合閘、通訊異常和硬體故障檢測與保護等功能。

5 系統應用與驗收

在該水電站1、2 號機組制動系統硬體改造完畢後，先分別進行了靜水單門落門除錯，將相關引數除錯完畢後再進行了靜水雙門同降除錯，根據靜水除錯結果進一步最佳化和調整相關引數。

在制定了嚴格的動水試驗方案、強化和落實好各項應急預案後，先進行了水輪發電機空載變速門高閾值點試驗，資料分析後得出發電機在閘門處於0。4 ～ 0。6 m時空載轉速不能達到額定轉速，即此區間為門高安全區。在試驗中還發現動水關門到門高安全區閾值點以下時機組振動較大，據此，將快速落門流程修改為先以4 m/min 速度從11 m 下降至0。6 m 減速高度，減速後再以2m/min 的速度直接降門到門槽底部，達到了即保證閘門快速降落來防止機組飛逸，又減少降門末端水輪室的流態急劇變化引發水錘效應以及抬機等現象，同時還有效減緩水輪發電機組振動，進一步提高系統穩定性和安全性。

做好各項準備工作後，對2 臺機組進行40 MW 滿負荷發電動水快降驗收試驗，閘門在預定時間內按預定流程順利關閉，全過程閘門降門速度無劇烈過沖和振盪現象，制動器未出現異常狀況，摩擦材料未出現任何熱失效現象，水輪發電機組平穩停機，系統驗收取得圓滿成功。1 號機組40 MW 滿負荷發電動水降門速度曲線見圖5。

圖5 滿負荷發電動水降門速度曲線

6 結論

我國目前的中小型水電站和水利工程，大部分使用的是與該水電站類似的捲揚式啟閉機，都不同程度的存在著離心飛擺調速器不能滿足快降要求、斷電不能快速降門、安全冗餘低等問題。本文介紹的事故快速閘門捲揚式啟閉機斷電可控落門智慧制動系統有著設計新穎、過程可控、效能可靠、安全冗餘高等優點，能夠很好地解決事故快速閘門快降相關問題，值得借鑑。

參考文獻

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