CN113236694B - 大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法 - Google Patents

大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法 Download PDF

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Abstract

大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法，包括制动环和风闸缸体，风闸缸体内设有活塞，活塞顶部设有抗磨板底座，抗磨板底座上端设有抗磨板，风闸缸体外壁上设有超声波换能器和温度传感器，超声波换能器上端正对抗磨板底座下端面，在风闸气缸底部连接驱动管，驱动管通过制动阀体的控制来驱动活塞的运动实现投撤闸动作，制动阀体采用三位四通电磁阀可以实现投闸时的保压，风闸气缸只需连接一根管路即可实现投撤闸，减少了管路连接，降低了故障率，通过控制电路可以实现现地手动控制、远程自动控制及检修控制多种控制模式，通过检测抗磨板的磨损量，可以实时知晓风闸的磨损情况并及时进行更换，并可检测风闸投入是否到位。

Description

大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法
技术领域
本发明涉及发电机组控制领域，具体涉及一种大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法。
背景技术
目前，大型水力发电机组开始执行停机流程后，在机组转速达到15％Ne时投入机械制动，机组全停后机械制动系统延时撤除。如果机械制动系统中某一个或若干个风闸未能正常投入，不易查找异常风闸且将延长机组低转速下停机时间，缩短轴瓦及镜板寿命甚至可能造成其磨损，如果风闸未能正常撤除，需要人为现场查看风闸本体来逐一查找未落风闸，发电机机坑空间环境复杂，费时费力，也不利于人身安全。
目前，大型水力发电机组开始执行停机流程后，在机组转速达到15％Ne时，利用工业用气推动活塞并带动制动环投入，使机组尽快停止转动，机械制动的投退状态通过每个风闸上安装的接触式传感器反馈的信号串联后判断，在某些水电厂，每个风闸仅采用一个位置开关，当风闸撤除时，闸板落下，位置开关动作，当所有位置开关动作时，逻辑判断机械制动撤除；风闸投入时，闸板顶起，位置开关返回，但只要有一个位置开关返回，逻辑判断机械制动投入。
现有的制动存在如下缺陷：1)受到发电机振动等原因影响，接触式传感器误报率高；2)机械制动投入时，只要有一个位置开关动作，即判断制动投入，故每次制动闸投入时，若某个或若干个风闸未正常投入，监控系统将仍然显示机械制动正常投入，无法暴露出异常的风闸，且因为投入的风闸数量减少，导致正常投入的风闸磨损加剧、制动效果变差，延长停机时间，缩短轴瓦及镜板寿命甚至可能造成其磨损；3)由于风闸和制动环长期摩擦制动，会产生大量的磨损，当制动环磨损严重时制动效果减弱，且更换麻烦。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法，利用超声波测距原理来判断机械制动系统每个风闸的投退状态和抗磨板磨损状态，提升了测量质量，降低了误判率，为人员现场快速查找确认提供指导，且通过单根气管连接风闸气缸进行投撤风闸控制，当撤闸后风闸自动复位到初始状态。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
大型水力发电机自复位风闸制动装置，包括制动环和风闸缸体，风闸缸体内设有活塞，活塞顶部设有抗磨板底座，抗磨板底座上端设有抗磨板，抗磨板硬度低于制动环，抗磨板随着活塞顶起与制动环接触产生制动力，抗磨板底座端部与抗磨板底座上端之间设有复位弹簧，风闸缸体外壁上设有超声波换能器和温度传感器，超声波换能器上端正对抗磨板底座下端面，通过超声波换能器探测制动时超声波换能器上端与抗磨板底座下端的距离可以得到抗磨板的磨损量，风闸缸体下端设有驱动管，通过向驱动管通入压缩气体驱动活塞顶起进行制动。
上述的超声波换能器、温度传感器与现地控制单元连接，现地控制单元与集控单元连接，集控单元和HMI显示屏通讯连接。
上述的驱动管与制动阀体连接，制动阀体为三位四通换向阀，制动阀体的P、T两端分别连接进气管和排气管，排气管上连接有单相阀，制动阀体线圈与控制电路电连接，进气管内通入压缩空气。
优选的方案中，上述的制动阀体为中位机能为O型的三位四通换向阀。
上述的制动阀体线圈包括撤风闸线圈KM和投风闸线圈KM，控制电路包括现地手动控制电路和远程自动控制电路；
上述的现地手动控制电路包括现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3，分别控制撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2接通；
上述的远程自动控制电路包括远程控制撤风闸继电器K3的辅助开关和远程控制投风闸继电器K4的辅助开关，分别和现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3并联连接；
上述的撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2的常开辅助开关分别与撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2电连接，且通过撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2的常闭辅助开关形成互锁，通过撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2的常开辅助开关形成自锁。
优选的方案中，上述的进气管连接有进气电磁阀，驱动管和进气电磁阀之间连接有检修投风闸电磁阀，驱动管和排气管之间连接有检修撤风闸电磁阀。
优选的方案中，上述的风闸缸体内侧顶部设有限位开关和限位块，当抗磨板磨损到达极限时，风闸投入时活塞触发限位开关。
上述的所述的控制电路内设有抗磨板更换提醒线圈KM4，抗磨板更换提醒线圈KM4与限位开关电连接，抗磨板更换提醒线圈KM4辅助开关与抗磨板更换指示灯L3连接。
优选的方案中，上述的风闸缸体和驱动管之间设有进气阀。
使用上述大型水力发电机自复位风闸制动装置的一种抗磨板磨损检测方法，检测的具体步骤为：
步骤一、初始参数测量，测量抗磨板安装之前的初始厚度H，抗磨板初次安装完成后，测量抗磨板底座下端部和超声波换能器之间的垂直距离h0；
步骤二、计算超声波在当前温度环境下的传播速度ν，当温度每升高1度，超声波传播速度增加0.6米/秒，当超声波换能器安装位置处的环境温度为M摄氏度时，有：
Figure GDA0003492703000000031
步骤三、投入风闸；
步骤四、根据渡越时间检测法TOF，得到超声波从发射到接收的传播时间T公式，超声波从发射到接收的传播路径长度为l′，抗磨板底座下端部和超声波换能器之间的在风闸投入后的垂直距离为h′，抗磨板的磨损量为△b，k为超声波换能器两探头中心点之间的距离，μ为误差量，v′为当前温度下的超声波速度，m′为超声波启动测量时的安装环境环境温度，则有：
Figure GDA0003492703000000032
Figure GDA0003492703000000033
当h′与h0相等时，△b等于μ，抗磨板未产生磨损，当△b等于H时，抗磨板完全磨损，当△b为负值时，说明风闸未投入到位，需要进行检查。
本发明提供的一种大型水力发电机自复位风闸制动装置及磨损检测方法，在风闸气缸底部连接驱动管，驱动管通过制动阀体的控制来驱动活塞的运动实现投撤闸动作，制动阀体采用三位四通电磁阀可以实现投闸时的保压，风闸气缸只需连接一根管路即可实现投撤闸，减少了管路连接，降低了故障率，通过控制电路可以实现现地手动控制、远程自动控制及检修控制多种控制模式，满足多种情景下的控制需求，通过检测抗磨板的磨损量，可以实时知晓风闸的磨损情况并及时进行更换，并可检测风闸投入是否到位。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明单个风闸制动检测单元结构图；
图2为控制电路的电气原理图；
图3为多个风闸的气路连接图；
图4为优选方案的多个风闸气路连接图；
图5为风闸控制系统的连接示意图；
图6为超声波换能器的计算原理图。
其中：制动环1、抗磨板2、风闸缸体3、活塞4、超声波换能器5、温度传感器6、抗磨板底座7、复位弹簧8、进气管9、驱动管10、排气管11、制动阀体12、限位开关13、限位块14、空压机15、保压罐16、进气阀17、现地控制单元18、集控单元19、HMI显示屏20、进气电磁阀21、检修投风闸电磁阀22、检修撤风闸电磁阀23、换能发射端探头51、换能接收端探头52、撤风闸线圈KM1、投风闸线圈KM2、换能器启动线圈KM3、抗磨板更换提醒线圈KM4、现地手动撤风闸按钮S2、现地手动投风闸按钮S3、撤风闸指示灯L1、投风闸指示灯L2、抗磨板更换指示灯L3。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细说明本发明技术方案。
如图1中所示，大型水力发电机自复位风闸制动装置，包括制动环1和风闸缸体3，风闸缸体3内设有活塞4，活塞4顶部设有抗磨板底座7，抗磨板底座7上端设有抗磨板2，抗磨板2硬度低于制动环1，可以防止制动环1磨损，抗磨板2随着活塞4顶起与制动环1接触产生制动力，抗磨板底座7端部与抗磨板底座7上端之间设有复位弹簧8，风闸缸体3外壁上设有超声波换能器5和温度传感器6，超声波换能器5上端正对抗磨板底座7下端面，通过超声波换能器5探测制动时超声波换能器5上端与抗磨板底座7下端的距离可以得到抗磨板2的磨损量，风闸缸体3下端设有驱动管10，通过向驱动管10通入压缩气体驱动活塞4顶起进行制动。
驱动管10内通入压缩气体时，气体推动活塞4向上移动直到抗磨板2抵住制动环1，当驱动管10排出压缩气体时，活塞4在复位弹簧8的拉力作用下复位进行撤闸。
如图5中所示，上述的超声波换能器5、温度传感器6与现地控制单元18连接，现地控制单元18与集控单元19连接，集控单元19和HMI显示屏20通讯连接，通过现地控制单元18可以检测风闸的环境温度及接收超声波换能器5的检测值，并可传送至集控单元19进行远程通讯和控制。
如图1中所示，上述的驱动管10与制动阀体12连接，制动阀体12为三位四通换向阀，制动阀体12的P、T两端分别连接进气管9和排气管11，排气管11上连接有单相阀，制动阀体12线圈与控制电路电连接，进气管9内通入压缩空气。
控制电路与现地控制单元18连接，可以进行现地控制，也可通过集控单元19进行远程控制。
优选的方案如图3和4中所示，上述的制动阀体12为中位机能为O型的三位四通换向阀，O型的三位四通换向阀，在中间位置时为保压，当两侧线圈吸合时，分别为进入空气和排出空气。
如图2-4中所示，上述的制动阀体12线圈包括撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2，控制电路包括现地手动控制电路和远程自动控制电路；
上述的现地手动控制电路包括现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3，分别控制撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2接通；
上述的远程自动控制电路包括远程控制撤风闸继电器K3的辅助开关和远程控制投风闸继电器K4的辅助开关，分别和现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3并联连接；
上述的撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2的常开辅助开关分别与撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2电连接，且通过撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2的常闭辅助开关形成互锁，通过撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2的常开辅助开关形成自锁。
优选的方案如图4中所示，上述的进气管9连接有进气电磁阀21，驱动管10和进气电磁阀21之间连接有检修投风闸电磁阀22，驱动管10和排气管11之间连接有检修撤风闸电磁阀23。
优选的方案如图1中所示，上述的风闸缸体3内侧顶部设有限位开关13和限位块14，当抗磨板2磨损到达极限时，风闸投入时活塞4触发限位开关13。
如图2中所示，上述的所述的控制电路内设有抗磨板更换提醒线圈KM4，抗磨板更换提醒线圈KM4与限位开关13电连接，抗磨板更换提醒线圈KM4辅助开关与抗磨板更换指示灯L3连接。
优选的方案如图3和4中，上述的风闸缸体3和驱动管10之间设有进气阀17。
如图6中所示，使用上述大型水力发电机自复位风闸制动装置的一种抗磨板磨损检测方法，检测的具体步骤为：
步骤一、初始参数测量，测量抗磨板2安装之前的初始厚度H，抗磨板2初次安装完成后，测量抗磨板底座7下端部和超声波换能器5之间的垂直距离h0；
步骤二、计算超声波在当前温度环境下的传播速度ν，当温度每升高1度，超声波传播速度增加0.6米/秒，当超声波换能器安装位置处的环境温度为M摄氏度时，有：
Figure GDA0003492703000000061
步骤三、投入风闸；
步骤四、根据渡越时间检测法TOF，得到超声波从发射到接收的传播时间T公式，超声波从发射到接收的传播路径长度为l′，抗磨板底座7下端部和超声波换能器5之间的在风闸投入后的垂直距离为h′，抗磨板2的磨损量为△b，k为超声波换能器两探头中心点之间的距离，μ为误差量，v′为当前温度下的超声波速度，m′为超声波启动测量时的安装环境环境温度，则有：
Figure GDA0003492703000000071
Figure GDA0003492703000000072
当h′与h0相等时，△b等于μ，抗磨板2未产生磨损，当△b等于H时，抗磨板2完全磨损，当△b为负值时，说明风闸未投入到位，需要进行检查。
通过△b的值得知抗磨板2的磨损量以及风闸投撤闸状态。
如图2中所示，风闸电气控制回路电压选择+110V～-110V，当一段直流母线发生接地故障，电压差仍可以维持在220V，提高了可靠性，风闸投退控制设置三种控制模式，分别为现地手动控制、远程自动控制和检修控制；
当为现地手动控制模式时，现地控制单元18中现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3分别控制撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2接通；
当为远程自动控制模式时，集控单元19中远程控制撤风闸继电器K3的辅助开关和远程控制投风闸继电器K4的辅助开关，分别控制撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2接通；
当为检修控制模式时，一般只有进排气电磁阀故障或者检修失电情况下采用，投风闸的操作步骤为，首先关闭检修撤风闸电磁阀23，再关闭进气电磁阀21，最后打开检修投风闸电磁阀22，实现纯手动投风闸；撤风闸的操作步骤为，先关闭检修投风闸电磁阀22，其次关闭进气电磁阀21，最后打开检修撤风闸电磁阀23。

Claims (7)

1.大型水力发电机自复位风闸制动装置，包括制动环(1)和风闸缸体(3)，其特征在于，风闸缸体(3)内设有活塞(4)，活塞(4)顶部设有抗磨板底座(7)，抗磨板底座(7)上端设有抗磨板(2)，抗磨板(2)硬度低于制动环(1)，抗磨板(2)随着活塞(4)顶起与制动环(1)接触产生制动力，抗磨板底座(7)端部与抗磨板底座(7)上端之间设有复位弹簧(8)，风闸缸体(3)外壁上设有超声波换能器(5)和温度传感器(6)，超声波换能器(5)上端正对抗磨板底座(7)下端面，通过超声波换能器(5)探测制动时超声波换能器(5)上端与抗磨板底座(7)下端的距离可以得到抗磨板(2)的磨损量，风闸缸体(3)下端设有驱动管(10)，通过向驱动管(10)通入压缩气体驱动活塞(4)顶起进行制动；
所述的超声波换能器(5)、温度传感器(6)与现地控制单元(18)连接，现地控制单元(18)与集控单元(19)连接，集控单元(19)和HMI显示屏(20)通讯连接；
所述的驱动管(10)与制动阀体(12)连接，制动阀体(12)为三位四通换向阀，制动阀体(12)的P、T两端分别连接进气管(9)和排气管(11)，排气管(11)上连接有单相阀，制动阀体(12)线圈与控制电路电连接，进气管(9)内通入压缩空气。
2.根据权利要求1所述的大型水力发电机自复位风闸制动装置，其特征在于，所述的制动阀体(12)为中位机能为O型的三位四通换向阀。
3.根据权利要求1所述的大型水力发电机自复位风闸制动装置，其特征在于，所述的制动阀体(12)线圈包括撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2，控制电路包括现地手动控制电路和远程自动控制电路；
所述的现地手动控制电路包括现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3，分别控制撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2接通；
所述的远程自动控制电路包括远程控制撤风闸继电器K3的辅助开关和远程控制投风闸继电器K4的辅助开关，分别和现地手动撤风闸按钮S2和现地手动投风闸按钮S3并联连接；
所述的撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2的常开辅助开关分别与撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2电连接，且通过撤风闸命令继电器K1和投风闸线圈继电器K2的常闭辅助开关形成互锁，通过撤风闸线圈KM1和投风闸线圈KM2的常开辅助开关形成自锁。
4.根据权利要求1所述的大型水力发电机自复位风闸制动装置，其特征在于，所述的进气管(9)连接有进气电磁阀(21)，驱动管(10)和进气电磁阀(21)之间连接有检修投风闸电磁阀(22)，驱动管(10)和排气管(11)之间连接有检修撤风闸电磁阀(23)。
5.根据权利要求3所述的大型水力发电机自复位风闸制动装置，其特征在于，所述的风闸缸体(3)内侧顶部设有限位开关(13)和限位块(14)，当抗磨板(2)磨损到达极限时，风闸投入时活塞(4)触发限位开关(13)。
6.根据权利要求5所述的大型水力发电机自复位风闸制动装置，其特征在于，所述的控制电路内设有抗磨板更换提醒线圈KM4，抗磨板更换提醒线圈KM4与限位开关(13)电连接，抗磨板更换提醒线圈KM4辅助开关与抗磨板更换指示灯L3连接。
7.根据权利要求5所述的大型水力发电机自复位风闸制动装置，其特征在于，所述的风闸缸体(3)和驱动管(10)之间设有进气阀(17)。
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