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【摘 要】 本文从传统机组制动系统存在的问题和不足、故障现象及原因分析、制动系统改进措施，以及新型风闸控制系统在运行中应注意的若干问题这四个方面对水轮发电机组风闸制动系统故障分析与改进进行阐述。
【关键词】 水轮发电机组；风闸制动；故障分析；改进
一、前言
随着水轮发电机组的不断使用，在进行故障的处理以及紧急情况处理时，我们需要将发电机组进行关闭，此时就需要风闸制动系统的控制。因此，需要确保制动系统的稳定性。
二、传统机组制动系统存在的问题和不足
1、制动系统工作可靠性较差。时间久了电磁阀内部元件易老化，造成误动作或拒动；
2、由于每个制动控制柜里有8个手动阀门、2个电磁阀、2个气压表以及2个压力开关，管道接头多、气密性较差，极易漏气，导致制动空压机频繁启动；
3、主轴密封回路往往也被设计在制动屏内，如遇紧急特殊情况需到现场手动操作制动系统时，易发生误操作；
4、制动系统的压力信号以及现场的各开关量信号未进入监控系统。制动闸上腔、下腔压力信号，未接人监控系统，不利于远程监控，无法满足“无人值班，少人值守”的要求；
5、没有油水分离器，从空压机输出的压缩空气，含有大量的水分、油和粉尘等污染物。易使管道金属生锈、磨损密封材料，使制动系统的可靠性和使用寿命大大降低。
三、故障现象及原因分析
20世纪90年代初，弹性金属塑料推力轴瓦取代了钨金轴瓦，提高了发电机组推力轴承的承载能力和安全性，降低了检修维护工作量。但由于弹性金属塑料推力轴瓦磨擦系数较低，停机时若水轮机导水叶存在一定的漏水，则有可能导致机组蠕动。因此将发电机的制动流程更改为停机时一直保持加闸，以防止机组蠕动，开机前解除制动，这对风闸的动作可靠性要求提高了。老式结构的风闸很难满足这个要求，2005年期间，将风闸改造为双向气复位结构，以从根本上解决风闸复位不可靠问题。改造后投运初期，情况良好，但没过多久，就频繁出现风闸复位时加闸腔排气不畅，导致风闸动作不灵。从2006年底至2007年，共发生25次制动系统故障，特别是2006年初，问题更加突出。
1.风闸系统工作原理及故障现象
系统由风闸、风闸控制集成装置组成，风闸控制集成装置结构见图1所示，P为气源，O为排气，SDFl为手动加闸控制切换阀，SDF2、3、4为自动控制检修阀，手动加闸时投人SDF2、3、4，自动控制时拔出，A腔接风闸加闸腔，B腔接风闸复归腔，自动加闸工作原理：当风闸控制集成装置收到计算机监控系统的风闸加闸令时，电磁阀DCFA动作，通过电磁阀将气源输入风闸加闸腔，同时风闸复归腔接通O口进行排气，风闸顶起进行制动，压力开关YJ2检测到压力大于0.4MPa及风闸位置在上部时，发出信号表示加闸完成。收到复归风闸令时，电磁阀DCFB动作，通过电磁阀将气源输入风闸复归腔，同时风闸加闸腔接通O口进行排气，风闸落下，压力开关YJ3检测到压力小于0.04MPa及风闸位置在下部时，发出信号表示复归加闸完成，可以发出开机令。
手动加闸控制切换阀采用了三位四通切换阀，电磁阀采用了二位四通切换阀，控制方式为脉冲型。2006年多次出现的故障情况是开机过程中计算机监控系统发出了复归风闸令，复归电磁阀（见图1的DCFB）动作后，B腔开始加压，A腔开始排压，A腔接加闸腔，当风闸加闸腔气压排至O.15MPa时，出现了气压保持在0.15MPa，无法排至0MPa，出现了风闸不能复位的故障，压力开关YJ3无法发出压力小于0.04MPa的信号，造成机组自动开机流程超时退出。
2.原因分析
停机后，解开接入风闸复归腔的管路，采用分割法检查，发现了个别风闸有串气现象，通过加闸腔串气到风闸复归腔，对风闸解体检查，发现该风闸盘根比不会串气的风闸小，更换该风闸的盘根后正常，经过处理后运行一段时间，又出现上述情况，只是不同的风闸而已，严重影响了自动开停机成功率。对安全生产非常不利。
针对这种故障，经过多次的分析：发现该故障不是单纯的风闸串气，该风闸是成熟的产品，是目前国内比较知名的品牌，盘根的规格与尺寸也在误差范围内，通过分析发现串气与风闸集成块的控制模式有关系，风闸控制是采用排气与加气同时进行的控制方式，采用这种方式要求气路比较畅顺，但该电站的风闸排气管路由于历史原因，管路较长，有部分是埋设安装，加上风闸集成块的电磁阀孔径较小，有一定的气阻，如有风闸盘根密封稍微差些，风闸就会出现串气现象，会使排气与加气压力达到平衡，排气管路依然有一定压力，造成机组开机条件不满足的故障。分析发现，制动控制逻辑存在缺陷，风闸复位时复位腔通气、加闸腔排气，两者同时进行，这时若风闸活塞密封圈存在很难避免的漏气量，则两个腔的气压差小，从而降低了风闸活塞的密封性能，导致两个腔窜气，风闸囚压差小动作缓慢。
四、制动系统改进措施
1.机械部分
措施一：如图2所示，在低压气源总阀处加装型号为FESTOCPE24—M1H—3GL—3/8的电磁阀，气源总阀手动阀平时处于常关状态，仅在手动投入风闸时打开，风闸自动控制状态则由电磁阀来进行控制。在机组运行过程中，电磁阀失电关闭，切断压力气源，使得整个制动系统控制回路处于无气压状态。在满足投入风闸条件时，电磁阀通电开启，为制动系统开放气源，实现正常的机组制动。
措施二：利用机组制动系统控制回路中自带的两位五通单稳的电磁阀，即安全阀，通过控制它的通与断，消除风闸上下腔串气的问题。即在解除风闸的反冲过程中，安全阀通电动作，切断风闸下腔回路，也就切断了上腔通往下腔的通道，这样在上腔排气过程中，上腔的气就不能再进入到风闸的下腔，达到了消除风闸上、下腔串气的问题，控制过程参阅下文所述控制流程。
2.电气部分
（1）控制系统程序的修改
在监控系统控制程序中，分别增加了控制低压气源接口总管新加装的电磁阀控制程序段和控制安全阀动作程序段。风闸投入子程序中，增加“电磁气源阀动作”程序段，使得PLC在收到“投风闸”令后能够开启电磁气源阀。
风闸解除的反冲子程序中增加“电磁气源阀延时复归”、“安全阀动作”、“安全阀复归”程序段，以确保电磁气源阀及时关闭、安全阀可靠动作和复归。改造后的控制流程见图4。
（2）改造后PLC输入、输出点的定义
改造后，重新增加、修改了部分控制流程中的子程序段，因此需要重新定义PLC的输入、输出点。
五、新型风闸控制系统在运行中应注意的若干问题
（1）当机组控制权在PLc时，Hc侧控制停机，风闸因无开出电缆这个硬件条件限制，造成停机后风闸不具备流程控制自动落风闸功能，需运行人员在现场手动反向压风闸。
（2）两个电磁阀上旋钮不能同时按下。
（3）在控制系统带电情况下，严禁操作电磁阀旋钮开关，避免损坏电磁阀。
（4）操作完成后，一定要将该旋钮开关复位（保持在弹起位置），再合空气开关，避免损坏电磁阀。
（5）运行人员要定期检查气水分离器中的水分，定期排水。
（6）紧急情况下，应先将主进气管球阀关闭或将节阀关死。
（7）由于新电磁阀为触点式，不能自保持，事故停机时，要撤风闸必须在解除风闸开出信号后方可进行。
六、结语
通过对风闸制动系统常见故障进行分析，进而提出了相关的改进措施，这样可以最大程度的减少因为故障带来的危险。
参考文献：
[1]陈喜新.水轮发电机组风闸制动系统故障分析与流程改进[J].《水电站机电技术》-2009年5期
[2]纪文玉.水电厂机组风闸制动系统改造[J].《广西电力》-2012年4期
[3]海森，丁江凤，王中宏.新型风闸控制系统在丹江电厂的应用[J].《水电站設计》-2011年4期
[4]刘阳东，牟明.一种集成型制动风闸在石龙水电站的应用[J].《能源与节能》-2013年9期
【关键词】 水轮发电机组；风闸制动；故障分析；改进
一、前言
随着水轮发电机组的不断使用，在进行故障的处理以及紧急情况处理时，我们需要将发电机组进行关闭，此时就需要风闸制动系统的控制。因此，需要确保制动系统的稳定性。
二、传统机组制动系统存在的问题和不足
1、制动系统工作可靠性较差。时间久了电磁阀内部元件易老化，造成误动作或拒动；
2、由于每个制动控制柜里有8个手动阀门、2个电磁阀、2个气压表以及2个压力开关，管道接头多、气密性较差，极易漏气，导致制动空压机频繁启动；
3、主轴密封回路往往也被设计在制动屏内，如遇紧急特殊情况需到现场手动操作制动系统时，易发生误操作；
4、制动系统的压力信号以及现场的各开关量信号未进入监控系统。制动闸上腔、下腔压力信号，未接人监控系统，不利于远程监控，无法满足“无人值班，少人值守”的要求；
5、没有油水分离器，从空压机输出的压缩空气，含有大量的水分、油和粉尘等污染物。易使管道金属生锈、磨损密封材料，使制动系统的可靠性和使用寿命大大降低。
三、故障现象及原因分析
20世纪90年代初，弹性金属塑料推力轴瓦取代了钨金轴瓦，提高了发电机组推力轴承的承载能力和安全性，降低了检修维护工作量。但由于弹性金属塑料推力轴瓦磨擦系数较低，停机时若水轮机导水叶存在一定的漏水，则有可能导致机组蠕动。因此将发电机的制动流程更改为停机时一直保持加闸，以防止机组蠕动，开机前解除制动，这对风闸的动作可靠性要求提高了。老式结构的风闸很难满足这个要求，2005年期间，将风闸改造为双向气复位结构，以从根本上解决风闸复位不可靠问题。改造后投运初期，情况良好，但没过多久，就频繁出现风闸复位时加闸腔排气不畅，导致风闸动作不灵。从2006年底至2007年，共发生25次制动系统故障，特别是2006年初，问题更加突出。
1.风闸系统工作原理及故障现象
系统由风闸、风闸控制集成装置组成，风闸控制集成装置结构见图1所示，P为气源，O为排气，SDFl为手动加闸控制切换阀，SDF2、3、4为自动控制检修阀，手动加闸时投人SDF2、3、4，自动控制时拔出，A腔接风闸加闸腔，B腔接风闸复归腔，自动加闸工作原理：当风闸控制集成装置收到计算机监控系统的风闸加闸令时，电磁阀DCFA动作，通过电磁阀将气源输入风闸加闸腔，同时风闸复归腔接通O口进行排气，风闸顶起进行制动，压力开关YJ2检测到压力大于0.4MPa及风闸位置在上部时，发出信号表示加闸完成。收到复归风闸令时，电磁阀DCFB动作，通过电磁阀将气源输入风闸复归腔，同时风闸加闸腔接通O口进行排气，风闸落下，压力开关YJ3检测到压力小于0.04MPa及风闸位置在下部时，发出信号表示复归加闸完成，可以发出开机令。
手动加闸控制切换阀采用了三位四通切换阀，电磁阀采用了二位四通切换阀，控制方式为脉冲型。2006年多次出现的故障情况是开机过程中计算机监控系统发出了复归风闸令，复归电磁阀（见图1的DCFB）动作后，B腔开始加压，A腔开始排压，A腔接加闸腔，当风闸加闸腔气压排至O.15MPa时，出现了气压保持在0.15MPa，无法排至0MPa，出现了风闸不能复位的故障，压力开关YJ3无法发出压力小于0.04MPa的信号，造成机组自动开机流程超时退出。
2.原因分析
停机后，解开接入风闸复归腔的管路，采用分割法检查，发现了个别风闸有串气现象，通过加闸腔串气到风闸复归腔，对风闸解体检查，发现该风闸盘根比不会串气的风闸小，更换该风闸的盘根后正常，经过处理后运行一段时间，又出现上述情况，只是不同的风闸而已，严重影响了自动开停机成功率。对安全生产非常不利。
针对这种故障，经过多次的分析：发现该故障不是单纯的风闸串气，该风闸是成熟的产品，是目前国内比较知名的品牌，盘根的规格与尺寸也在误差范围内，通过分析发现串气与风闸集成块的控制模式有关系，风闸控制是采用排气与加气同时进行的控制方式，采用这种方式要求气路比较畅顺，但该电站的风闸排气管路由于历史原因，管路较长，有部分是埋设安装，加上风闸集成块的电磁阀孔径较小，有一定的气阻，如有风闸盘根密封稍微差些，风闸就会出现串气现象，会使排气与加气压力达到平衡，排气管路依然有一定压力，造成机组开机条件不满足的故障。分析发现，制动控制逻辑存在缺陷，风闸复位时复位腔通气、加闸腔排气，两者同时进行，这时若风闸活塞密封圈存在很难避免的漏气量，则两个腔的气压差小，从而降低了风闸活塞的密封性能，导致两个腔窜气，风闸囚压差小动作缓慢。
四、制动系统改进措施
1.机械部分
措施一：如图2所示，在低压气源总阀处加装型号为FESTOCPE24—M1H—3GL—3/8的电磁阀，气源总阀手动阀平时处于常关状态，仅在手动投入风闸时打开，风闸自动控制状态则由电磁阀来进行控制。在机组运行过程中，电磁阀失电关闭，切断压力气源，使得整个制动系统控制回路处于无气压状态。在满足投入风闸条件时，电磁阀通电开启，为制动系统开放气源，实现正常的机组制动。
措施二：利用机组制动系统控制回路中自带的两位五通单稳的电磁阀，即安全阀，通过控制它的通与断，消除风闸上下腔串气的问题。即在解除风闸的反冲过程中，安全阀通电动作，切断风闸下腔回路，也就切断了上腔通往下腔的通道，这样在上腔排气过程中，上腔的气就不能再进入到风闸的下腔，达到了消除风闸上、下腔串气的问题，控制过程参阅下文所述控制流程。
2.电气部分
（1）控制系统程序的修改
在监控系统控制程序中，分别增加了控制低压气源接口总管新加装的电磁阀控制程序段和控制安全阀动作程序段。风闸投入子程序中，增加“电磁气源阀动作”程序段，使得PLC在收到“投风闸”令后能够开启电磁气源阀。
风闸解除的反冲子程序中增加“电磁气源阀延时复归”、“安全阀动作”、“安全阀复归”程序段，以确保电磁气源阀及时关闭、安全阀可靠动作和复归。改造后的控制流程见图4。
（2）改造后PLC输入、输出点的定义
改造后，重新增加、修改了部分控制流程中的子程序段，因此需要重新定义PLC的输入、输出点。
五、新型风闸控制系统在运行中应注意的若干问题
（1）当机组控制权在PLc时，Hc侧控制停机，风闸因无开出电缆这个硬件条件限制，造成停机后风闸不具备流程控制自动落风闸功能，需运行人员在现场手动反向压风闸。
（2）两个电磁阀上旋钮不能同时按下。
（3）在控制系统带电情况下，严禁操作电磁阀旋钮开关，避免损坏电磁阀。
（4）操作完成后，一定要将该旋钮开关复位（保持在弹起位置），再合空气开关，避免损坏电磁阀。
（5）运行人员要定期检查气水分离器中的水分，定期排水。
（6）紧急情况下，应先将主进气管球阀关闭或将节阀关死。
（7）由于新电磁阀为触点式，不能自保持，事故停机时，要撤风闸必须在解除风闸开出信号后方可进行。
六、结语
通过对风闸制动系统常见故障进行分析，进而提出了相关的改进措施，这样可以最大程度的减少因为故障带来的危险。
参考文献：
[1]陈喜新.水轮发电机组风闸制动系统故障分析与流程改进[J].《水电站机电技术》-2009年5期
[2]纪文玉.水电厂机组风闸制动系统改造[J].《广西电力》-2012年4期
[3]海森，丁江凤，王中宏.新型风闸控制系统在丹江电厂的应用[J].《水电站設计》-2011年4期
[4]刘阳东，牟明.一种集成型制动风闸在石龙水电站的应用[J].《能源与节能》-2013年9期