顶转子刹车系统在大型排涝泵组上的应用

尹洪鹏，张烨栋，倪国梁，叶国平

(1.浙江省水利水电建筑监理有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江省钱塘江流域中心，浙江 杭州 310020)

顶转子装置在水电站水轮发电机上的应用较为广泛[1]。何亦如等对泵站小型立式水泵机组(单机功率630kW)应用顶转子装置进行了介绍[2]。曹海翔等对立式轴流泵机组自动顶转子装置进行了研制并取得了成功[3]。南水北调东线工程八里湾泵站对机组液压顶转子装置系统进行了改造，获得了成功[4]。但顶转子刹车装置在大型排涝泵组上(单机功率3500kW)的应用较少，缺少理论和实践技术支撑。

泵站运行工况复杂，常伴随出现主机组异常温升等故障[5]。姚江上游西排工程水泵设备采用大型立式轴流泵，泵组转动部件荷载约46t，均由电机推力瓦承受，较长时间停机状态使电机推力瓦与镜板间处于贴合状态，不能形成有效润滑，启动时易出现烧瓦事故；停机时较长时间低速运行，容易引起推力瓦与镜板间的油膜破坏，造成烧瓦事故；泵组事故停机时，在水位差较大的情况下，若出水工作、事故闸门未完全关闭时会引起泵组反转，泵组低速反转易造成烧瓦事故，泵组高速反转易造成电机、水泵转动部件紧固件松动等。

为解决上述弊端，浙江省水利水电建筑监理有限公司牵头，集中技术力量进行攻关，在大型排涝泵组上设计配套了顶转子刹车系统。该装置已成功的应用于姚江上游西排工程大型排涝泵组上，运行便捷、稳定、可靠。

1 工程概况

姚江上游西排工程位于绍兴市上虞区，主要由新建梁湖枢纽及其配套工程、改造通明闸等两部分组成。排水泵站设计流量165m3/s，引水泵站设计流量40m3/s，梁湖闸(双向)净宽20m，多年平均引水3.19亿m3。工程为II等工程，排引水泵站、闸等主要建筑物级别为2级，设计洪水标准为100年一遇。

泵站共设置5台排涝泵组、2台引水泵组。其中排涝泵组水泵型式为立式半调节轴流泵。肘型进水流道，曲膝式出水流道。水泵与电动机直接连接，采用变频调节，每台机组配置一台变频器。水泵叶轮直径3.05m，额定转速125r/min，单泵设计流量33m3/s，水泵设计装置扬程3.68m，最高扬程6.77m；配套变频立式同步电动机，变频范围35～50Hz，额定功率3500kW，额定转速125r/min，电压10kV，电机采用空-水冷却方式，降低噪音和温度。水泵轴向推力由电机轴承承受，采用稀油润滑，水泵导轴承采用进口的KTT橡胶材料。泵组在汛期运行，非汛期停运。

2 技术特点和技术原理

2.1 技术特点

顶转子刹车系统由顶转子刹车装置、电动高压油泵、油气管路、齿盘测速系统、控制柜及相关附件组成。其具有如下特点。

(1)该装置结构简单、使用方便，刹车装置控制方式可实现现地控制和远程控制，与泵站计算机监控系统配套。

(2)该装置具备泵组开停机状态识别、转速实时监测、非设计工况下刹车误投保护等功能，安全、可靠。

(3)该装置在解决泵组停机反转问题上，相较于其他类似泵站靠闸门关闭时间与停泵时间之间的配合来缩短泵组停机时间、控制泵组反转的方式更为彻底。

2.2 技术原理

顶转子刹车系统采用双活塞油气腔分开，气动复位；油压来源于控制柜内电动高压油泵，气压来源于泵站气系统。顶转子刹车装置顶部制动块采用非石棉聚合树脂材料，摩擦系数大磨损率低。刹车装置工作时用7kg/cm2的压縮空气顶起制动器顶部的制动块，使之与固定在发电机转子底部的制动环相接触，产生摩擦制动来完成停机。现有的机械制动方式还可以实现顶转子操作，一般的操作过程是高压油泵出口接通制动风闸，启动油泵使油压增至额定压力，顶起转子3～5mm。技术原理如图1所示。

图1 技术原理图

3 选型与设备组成

3.1 顶转子刹车装置选型

刹车装置根据制动方式有机械制动和电气制动。机械制动利用顶升装置顶起制动器顶部的制动块，使之与固定在电机转子底部的制动环相接触，产生摩擦制动。机械制动结构简单，能耗低，投入时需要考虑泵组组转速。电气制动利用同步电机电枢反应和能耗制动原理，在停机过程中将电机端短路，同时加励磁，励磁电流大小按电枢电流为额定电流调节，使转子剩余动能转换为电枢热能，实现快速停机。电气制动时不考虑泵组转速，但是结构复杂，耗电量大，不易维护。经过比选，选择机械制动方式的顶转子刹车装置，如图2所示。

图2 顶转子刹车装置

3.2 设备组成

(1)顶转子刹车装置(单台泵组)

型式：双活塞油气腔分开，气动复位

数量：6只

制动气压：0.7MPa

活塞直径：220mm

顶转子油压：12.5MPa

(2)电动高压油泵(单台泵组)

功率：3kW

工作压力：12.5MPa

油箱容量：201L

(3)齿盘测速系统(单台泵组)

测速传感器1只

齿盘30齿，1套

正反转速表1只

(4)供气(泵站气系统)

刹车装置供气来自于泵站气系统：2台空压机(一用一备)。

额定功率：7.5kW

额定压力：1.0MPa

储气罐容量：1m3

4 设备安装与调试

4.1 设备安装

(1)顶转子刹车装置安装。顶转子刹车装置布置于电机下机架上，如图3所示，先将每个复归限位调节好，并将螺母拧紧；开机气压制动，将执行器的刹车板与电机转子接触，将固定在支架商定限位开关焊接在执行器的侧面钢板上，并调节限位开关与电机转子的距离小于8mm，保证限位开光指示灯亮。开启顶转子装置，第一次顶起3～5mm，用千分尺测量，将螺杆调节与限位开光碰触，并将螺母锁死。

图3 刹车装置安装位置

(2)电动高压油泵安装。电动高压油泵安装于控制柜内底部，控制柜基础预埋1根Φ14不锈钢油管、2根Φ10根气管，管路与油站连接采用高压软管连接。

(3)齿盘测速系统安装。齿盘安装在电机集电环上方电机轴端部，齿盘齿数为30齿，采用螺栓固定。传感器利用碳刷架上预留的M16螺孔安装传感器支撑杆。传感器正对轴心，轴面上需要有至少一个键槽。齿轮的正反转方向与传感器安装存在一定的关系。探头连接好后，向齿轮正常工作旋转的方向拔动齿轮，如仪表发生反转报警信号，则将INA、INB两信号线对换。若未出现反转报警信号，则表示连接正确。探头与齿顶间的安装间隙为2±0.2mm之间。测速齿盘的模数≥1.5，齿轮均匀分布；齿顶和齿谷的长度尽量相等。正反转速表安装采用挂壁式，安装在控制柜内，安装时只需将配套安装板固定仪表上，再按仪表接线示意图接线。本项目设定零转速值为30%额定转速(125*30%=37)，齿盘数为30齿及零转速投入使用。

(4)控制柜安装。控制柜安放于电机层，进线方式为上进线，柜顶上方为电缆桥架，电动高压油泵置于控制柜内下方，底部预埋油、气管路。盘柜安装检查，垂直度、水平度应符合规范要求；与基础型钢连接应坚固；柜门开关应灵活，门锁齐全，无卡阻现象；接地可靠。顶转子系统控制、刹车系统控制采用单控制回路，其中顶转子系统控制用手动现地控制。

4.2 顶转子刹车系统调试

顶转子刹车系统调试先采用现地操作调试，待现地操作调试无误后进行远控调试。

4.2.1顶转子刹车现地调试。

①刹车和顶转子前，先将气管和油管内的杂物吹扫干净，防止堵塞电磁阀。②对系统管路进行耐压试验，试验压力为工作压力的1.5倍，试压时间30min，检查管路焊缝、接头有无漏油、漏气现象。③顶转子前，先进行气压制动工作，让执行器上下活动多次，确认执行器行程无卡阻。顶转子前，现关闭油泵站上的高压泄油阀。④按动气压复归按钮，气压复归，复归指示灯亮。

4.2.2刹车装置远控调试。

①首先将控制柜上的现地/远控旋钮切换到远控状态。②计算机监控系统后台发出刹车投入指令，观察刹车控制柜上刹车制动上限位指示灯是否亮起，检查刹车装置是否动作。③通过计算机监控系统自动开启泵站组，观察转速表上转速信号是否正确。④停机时观察转速表转速，转速在37r/min时刹车是否自动投入、停机时泵组有无反转。

5 操作流程

5.1 顶转子操作

顶转子采用现地操作。操作过程是高压油泵出口接通电磁阀，启动油泵使油压增至额定压力，顶起转子3～5mm，保持2～3min，打开回油阀和制动排油阀，使制动风闸复归，转子落下，顶转子复位指示灯全部亮起，顶转子完成。

5.2 刹车现地操作

(1)将控制柜上的现地/远控旋钮切换到现地状态。

(2)机组停机时观察正反转速表上泵组实时转速，当转速降至37n/min时按下刹车投入按钮，同时检查控制柜上刹车投入信号灯是否亮起并观察泵组转速。

(3)当泵组转速降至零时，按下刹车复归按钮，复归信号灯亮起，刹车复归完成。

5.3 刹车远控操作

(1)将控制柜上的现地/远控旋钮切换到远控状态。

(2)计算机监控系统走自动停机流程，刹车在泵组转速降至37n/min时自动投入，停机完成后延时5s自动复归，如图4所示。

图4 操作流程图

6 质量控制

6.1 质量控制

顶转子刹车装置出厂质量、安装质量，必须执行SL 317—2015及其他相关规范[7- 9]。

(1)顶转子刹车装置应进行严密性耐压试验，保持30min，压力下降不超过3%。同时刹车系统管路也要进行严密性耐压试验。

(2)顶转子刹车装置顶面安装高程偏差不应超过±1mm。与转子制动环之间的间隙偏差，应在设计值的±20%范围内。

(3)顶转子刹车装置应通入压缩空气作起落试验，检查制动器动作的灵活性及制动器的行程是否符合要求。

6.2 试运行及运行效果

2020年5月20—24日期间，依据泵站设备安装及验收规范[6]，分别对1#～5#排涝泵进行连续24小时试运行，每台泵组开停机次数3次，泵组第一次启动前顶转子投入1次，停机过程中刹车投入2次。试运行期间水位差约为0.2m。

泵组试运行期间泵组停机时间。在刹车不投入情况下，机组正常停机时间约60～65s，其中停机时间43～47s，反转时间12～19s，最高反转转速6n/min;在投入刹车情况下，机组停机时间约35～40s，无反转现象。以2#排涝泵为例，不同工况下，试运行数据如图5—6所示。

图5 排涝泵刹车不投入工况下运行数据

图6 排涝泵刹车投入工况下运行数据

泵组试运行过程中，对1#、2#、3#、4#、5#排涝泵分进行了2次无故障开、停机自动操作试验，泵组试运行期间各设备工作、操控正常，运转平稳，无异常声音和振动现象。排涝泵组在启动前顶起电机转子，给长期静止贴合的电机推力瓦充油，避免了启动时烧瓦；在泵组停机，转速降至额定转速(30%ne)时，投入气压制动，使泵组迅速停机，避免了泵组烧瓦及反转[10]。

7 效益分析

7.1 经济效益

大型排涝泵配置顶转子刹车系统，设备费用为4.5万元(单台泵组)，具体费用见表1。排涝泵电机轴瓦损坏一次，需维修费用5万元，还需120工时[9]。4.5万元<5万元+120工时。综上所述，顶转子刹车系统在大型排涝泵组上的应用经济合理。

表1 设备费用清单

7.2 社会效益

该工程于2020年5月25日投入运行，至今为止，机组未发生烧瓦事故和明显反转现象。特别是2021年7月台风“烟花”期间，排涝泵机组最大运行扬程已达5.2m(设计最高扬程6.77m)，累计排水量达3316万m3，泵组运行平稳。工程的整体效益得到了充分发挥，为浙东地区的社会经济发展作出了贡献。

8 结语

姚江上游西排工程立式排涝泵组顶转子刹车系统的成功应用，收到了安全、便捷、可靠的使用效果。实践表明，该技术能防止泵机组转动时电机推力瓦与镜板之间发生干摩擦，对解决类似大中型泵组停机反转及延长机组使用寿命具有借鉴意义。