小型水电站一种节能省工的刹车方式——水压制动探讨

李林虎 焦 蓓 李淑倩

（河南省灵宝市窄口水务管理局，河南灵宝 472503）

小型水电站一种节能省工的刹车方式
——水压制动探讨

李林虎 焦 蓓 李淑倩

（河南省灵宝市窄口水务管理局，河南灵宝 472503）

本文针对小型水电站微机管理趋势，根据万吨水压机和汽车液压刹车原理，探讨了利用水电站的压力水头作为介质来对水轮发电机组进行刹车制动，突破了小型水电站传统的 “油、水、气”系统的框架，在去掉专设的气系统上做了大胆的偿试和创新。改进后的系统省去了空压机室、空压机、贮气罐、电磁配压阀、气水分离器和系统管道、监视仪器及其附属设备，压缩了厂房占地面积，并可降低电站生产运行成本，减少设备隐患，降低事故发生率。

水电站；刹车方式；水压制动

小型水力发电站的刹车制动方式目前有三种，即气压制动、手压油泵制动和手闸制动 （也叫气刹、油刹和手刹）。单机容量在500kW及以上的水电站大多为气压制动和手压油泵制动。

1 问题的提出

水电站的长期运行实践证明：气压制动 （手动、自动两用）和手压油泵制动都有如下不可消除的弊端：

a.投资大。专设两台互为备用的空压机、储气罐、气水分离器、逆止阀等。

b.效率低。设气源仅只为刹车制动用气和检修吹扫用气（容量在3000kW以下电站—般无调相任务，故不考虑调相压气）。

c.占地面积大。须有专设的管道沟及空压机室。

d.运行费用大。需要动力电源及备品备件。

e.管理费用大。维护检修工作量较大，不少电站还因空压机频繁启动和工作时间长而不断烧坏电机。

f.工作噪音大。危害运行管理人员的身心健康。

手压油泵制动虽然投资较小，工作可靠，但不安全。因为这种方式的投入，只能手动，不能自动。正常停机时能可靠地投入刹车进行制动，而在调速器失灵、机组转速达到或超过额定值的115%需事故停机时，机组过速（转速达到或超过额定值的140%）需紧急停机时，如果运行人员在监视上稍微马虎或制动投入时间掌握不当，都会酿成事故或使事故面积扩大。例如一些电站在停机时，值班员运行经验不足过早地将刹车投入，使高速转动的机组突然遭受强行制动，强大的扭矩力将大轴扭伤；又如值班员没能坚守岗位，使制动投入过晚，使机组的低转速运转时间过长，导致轴瓦烧坏、轴面损伤。这些弊端都会在不同程度上给水力发电站带来不可抗拒的灾难和损失。为此，探讨一种经济实惠、节能省工、工作可靠、简单可行的制动方式迫在眉睫。

2 新的设想及理论探讨

鉴于气压制动和手压油泵制动在水电站存在的问题，我们设想在具有一定水头的小型水电站里采用水力刹车方式，即水压制动——刹车时利用水的压力对机组进行制动。水为液体，液体不但能传递压强，而且液体本身内部也有压强，液体内部向各个方向都有压强，其压强随深度的增加而增大。10m水深处能产生100kPa的压强，而一般小型水电站刹车制动所需要的压强为400～700kPa。将水压制动过程认为是静水压强过程，则水头损失可以忽略不计，故工作水头在40m以上的水电站均可满足水压制动方式的条件（见图1）。

图1 水压产生示意图

在小型水电站中，混流式水轮机的应用较为普遍。因为混流式水轮机运转稳定，效率较高，常用于中等水头和中等流量的水电站。因此水压制动对小型水电站比较适用。另外，在大水头、小流量 （使用水斗式、斜击式水轮机）的电站中，只需加一减压阀即可满足水压制动的需要。因此，水压制动理论在小型水力发电站中是适用的。

3 设计原理

该设计是从我国自己设计制造的万吨水压机原理和汽车液压刹车原理上得到启示的。利用水电站的势能向动能转化的特点，把水库或前池作为压力水源，从厂房主阀前取得水压，在停机时对水轮发电机组进行水压制动。帕斯卡定律是这样的：加在密闭液体上的压强，能够大小不变地向各个方向传递。然后根据这个规律，借助液压机的原理图来研究讨论水轮发电机组的水压制动问题。

如图2所示，F1为加在小活塞的压力，S1为小活塞的横截面积，F2为在横截面积为S2的大活塞上产生的压力。它们之间有如下关系：

其中 F2＝p S2，F1＝p S1（p为水的压强）

如图3所示，一定的水头产生一定的水压，加在水刹装置里的密闭液体 （水）上——符合帕斯卡定律的条件。其制动力的大小为：

图2 液压机原理

图3 水压制动示意图

其中 F1＝p S1（p为加在密闭液体（水）上的水压）故水压制动在理论上是行得通的。

水压制动工作过程如图4所示。

a.自动控制。阀门02常闭，01、03常开，三通电磁阀DK的刹车通道 （A－B）常闭，排水通道（B－C）常开。关机后，当机组转速降至额定值的35%～30%时，制动指令下达，DK动作打开制动通道（A－B），同时关闭排水通道（B－C），压力水由01→DK（A－B）→03→刹车闸进行制动，待机组停稳后，DK复归关闭制动通道（A－B），同时打开排水通道（B－C），使刹车解除。

图4 水压制动系统

b.手动操作。01、02、03常闭，DK常闭，（A－B）关，（B－C）通。关机后，当机组转速降至规定值时，打开02阀门，压力水经02充至刹车闸进行刹车制动。待机组停稳后，关02、开03，将刹车闸的水压经03、DK（B－C）排掉，使制动解除。

以上两种控制方式，均适用于电站的正常停机、事故停机和紧急停机。故水压制动在理论上也是可靠而可行的。

4 应注意的问题

a.如在水库或前池取水引压，须在取水口设置滤网，以防杂物进入水管，造成堵塞，使水压减少或消失。

b.取水口应设在水库或前池的死水位 （最低水位）以下且离池底 （或库底）有一定的高度，以防取水口漏出水面 （进气）和泥沙流入。

c.引水管须有防冻设施，以防水管冻裂或水路冰堵。

d.刹车闸及滤网、过滤器应定期清污，以防水垢影响制动效果。

e.工作水头在40m以下20m以上的水电站采用水压制动时，只需在刹车闸容积和刹车块面积上进一步作有关研究即可。

5 水压制动的特点

水压制动突破了小型水电站传统的 “油、水、气”系统的框架，在去掉专设的气系统上做了大胆的偿试和创新。改进后的设备操作简便，运行平稳，制动可靠。最重要的是，不但节约了已建电站的人力、物力和财力，较为显著地减小了生产运行成本，而且从根本上消除了设备隐患，有效地降低了事故发生率；对待建电站省去了空压机室、空压机、贮气罐、电磁配压阀、气水分离器和系统管道、监视仪器及其附属设备，有效地压缩了厂房占地面积等。在当今土地、能源都相当紧缺，资源匮乏的条件下，水压制动有着极其重要的现实意义。

其优点是：ⓐ结构简单，操作方便；ⓑ工作可靠，实用安全；ⓒ工艺普通，便于实施；ⓓ投资经济，节约能源。

其缺点是：有局限性，即低水头大流量的电站和潮汐电站不能采用 （如：使用轴流定浆式、贯流式水轮机的电站）。

6 结 语

通过以上讨论，可以把水压制动的概念延伸推广到一般中型水电站。采取水压制动后，电站除可节省空压机等低压气系统等设备的投资外，还可缩小厂房的建筑面积，减少厂房建筑物 （取消空压机室及管道沟等），大幅度降低厂用电率。此外，利用很小的投资使使用手压油泵刹车的电站变手动控制为自动控制，有效地提高了小型水电站的自动化水平和安全可靠程度。此方式不失为一条节能省工的新途径。

建议有关部门重视这个问题，在水压制动的研究试验上多下功夫，力争把水压制动的研究成果延伸推广到一般中型水电站。■

A braking mode of saving energy and labor in small hydropower station：discussion on hydraulic brake

LILinhu，JIAO Bei，LIShuqian
（Henan Lingbao Zhaikou Water Supplies Bureau，Lingbao 472500，China）

Aiming at trend ofmicro-computermanagement in small hydropower station，pressure head of hydropower station is utilized as amedium for hydroelectric generating setbraking according to the principle of ten-thousand-ton hydraulic press and automobile hydraulic brake.Traditional systematic framework of‘oil，water and gas’in small hydropower station are broken through.Removal of special gas system is boldly attempted and innovated.Improved system is not provided with air compressor room，air compressor，air tank，electromagnetic valve，gas water separator，pipeline system，surveillance equipment and its ancillary equipment，thereby compressing theworkshop area，reducing production operation costof power plant，decreasing equipment hidden danger，and lowering accident rate.

hydropower station；brakingmode；hydraulic brake

TV212

A

1673-8241（2015）08-0042-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2015.08.015