鳳灘水力電廠純機械過速保護系統設計方案研究

彭輝

摘要：水輪發電機組過速保護系統主要是由事故配壓閥和純機械過速保護裝置組成。在機組發生過速時，避免水輪發電機組發生飛逸現象。因此，過速保護系統設計方案質量的優劣，直接關系到機組運行的安全。本文結合鳳灘電廠水輪發電機組過速保護系統的實際應用情況，以及過速保護系統的設計原理，設計了一種能適合大中型水輪發電機組過速保護系統技術改造方案，為大中型水電站機組過速保護系統的設計或升級改造提供參考與借鑒。

Abstract： The over-speed protection system of hydro-generator sets is mainly composed of accident valve and pure mechanical over-speed protection device， which can avoid the occurrence of hydropower generating units flying phenomenon when over-speed occurs in the unit. Therefore， the quality of the over-speed protection system design is directly related to the safety of the unit operation. Based on the practical application of the over-speed protection system of the hydroelectric generating unit of Fengtan Power Plant and the design principle of the over-speed protection system， this paper designs a technical transformation scheme suitable for the over-speed protection system of large and medium-sized hydroelectric generating unit， which provides reference for the design or upgrading of the over-speed protection system of the hydropower station unit.

關鍵詞：純機械過速保護裝置；技術改造；水輪發電機組

Key words： pure mechanical over speed protection device；technical transformation；hydroelectric generating set

中圖分類號：TM621 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0113-03

1 概述

鳳灘電廠2×200MW機組設置有純機械過速保護裝置，純機械過速保護器由天津阿爾斯通提供，采用瑞典圖拉博（TURAB）原裝進口純機械液壓式保護器，安裝在上端軸與轉子連接部分，與東方電機廠提供的6.3MPa油壓等級的過速限制及兩段關閉裝置配合使用，當機組轉速超過150%（187.5rpm）時，過速保護器柱塞擺動作，接通通油路直接作用于過速限制及兩段關閉裝置內設的油壓電磁閥，使接力器關腔與油壓接通，開腔直接排油，起到關閉導葉作用。

鳳灘電廠另有4×100MW機組在安裝時未設有純機械過速保護裝置。根據《國家電網公司發電廠重大反事故措施》為防止水輪發電機組事故，要求設置完善的停機過程剪斷銷剪斷、調速系統低油壓、電氣和機械過速等保護裝置。考慮到原設計時沒有純機組過速保護裝置，需對增設純機械保護裝置設備的安裝位置、調速系統管路、布置結構、現場布設尺寸等進行技術改造。

2 機組過速保護系統介紹

水輪機調速器調整機組轉速的原理是通過調節導葉開度的大小來改變水輪機過水流量。通常調速器包含1 個或2個緊急停機電磁閥，具有緊急停機功能，在實際運行中若機組存在過速問題，那么監控系統就能夠及時的檢測到，并及時將檢測結果傳遞給調速器，而調速器接收到檢測結果后就會給緊急停機電磁閥下達動作指令，之后控制主配壓閥就會做出相應的關閉導葉接力器的動作。實踐中由于調速器有可能會出現失控的情況，為避免該情況的出現，應在水輪機調速系統中設置一套過速限制器（事故配壓閥）。

由于調速器和事故配壓閥都依賴于電源才能發揮作用，為避免水電站廠出現異常事故失去電源，而造成的調速器失靈，應設置一套不依賴電源的純機械過速保護裝置，確保調速器在失去電源的情況下也能夠發揮作用。

事故配壓閥既由事故停機電磁閥控制，也由純機械過速保護裝置控制，兩者之間是相互獨立的，其中優先級更高的是純機械過速保護裝置動作。事故配壓閥是一個2位6通閥，主要有滑閥式和插裝閥式兩種結構型式，具體如下：

①滑閥式事故配壓閥。其組成部分包括主活塞、恒壓控制端組件、事故停機電磁閥、控制腔端蓋、主閥體等。

②插裝閥式事故配壓閥。其組成部分包括4個2通插裝閥組件及控制端蓋、事故電磁閥、閥體等。事故配壓閥有兩個工作位置，即“動作”位和“復歸”。如圖1所示：P接壓力油，T接回油，A1接主配壓閥開機腔，A2接導葉接力器開機腔，B1接主配壓閥關機腔，B2接導葉接力器關閉腔。

分析圖1發現，事故配壓閥在“動作”狀態時，A1和B1油口截止，P1接通B2，T1接通A2，此時調速器控制油口被截止，導葉接力器不受調速器控制，事故配壓閥直接關閉導葉接力器；事故配壓閥在“復歸”狀態下，A1接通A2，B1接通B2，P1和T1油口截止，此時調速器控制著開關導葉接力器，事故配壓閥為通路。

目前水輪發電機組常用的是離心式純機械過速保護裝置，該裝置液壓控制油路接通事故配壓閥、貫流式機組用的多項裝置，比如蝶閥控制裝置、機組工作門控制裝置、重錘關閉裝置等。離心式純機械過速保護裝置組成部分包括脫扣器液壓閥、離心飛擺、安裝環及配重塊等。其原理是當機組轉速達到離心飛擺整定值時，離心飛擺柱塞就會被甩出，使脫扣器液壓閥動作，切換輸出油路，事故配壓閥就會接收到動作命令，關閉導葉接力器。

觀察圖1可知，純機械過速保護裝置的控制閥是一個2位3通方向閥，該閥有2種應用方式。

①較為常用的是第1種方式，由圖1可以看出：壓力油口是P4，回油口是T4，控制油口是A4；在 “動作”狀態下，P4截止，A4接通T4；在“復歸”狀態下，P4接通A4，T4截止。

②較少采用的是第2種方式，如圖1所示：純機械過速保護裝置在“動作”狀態下，P3接通A3，T3截止；在“復歸”狀態下，P3截止，A3接通T3。

3 技術改造方案設計與研究

3.1 安裝位置

根據機組結構特點，純機械過速保護器最佳安裝位置應設水發聯軸法蘭的上部，即轉子軸的下部適當位置。此處的大軸直徑為Ф1101，如圖2所示。

因過速保護器安裝在轉子軸的下部，其與大軸之間的固定即軸向定位問題，需與設備廠家作進一步分析，如何限制過速保護器的軸向位移。

3.2 油路改造

根據要求，需增設兩路壓力油管，一路提供給純機械過速保護器，一路接供給過速限制裝置。這里需要增設一套過速限制器，與純機械保護器配套使用。當純機械過速保護器動作時，接通油壓直接作用于下圖中的1DP，油壓進行接力器相關腔不用通過調速器，而使導葉全關。

①過速限制器的布置及油路。

過速限制器考慮布置在水輪機層原主令開關位置，機墩外側現調速器進、回油管入口處，具體位置根據過速限制器的尺寸而定。

過速限制器結構原理圖如圖3。其中，SP代表事故配壓閥，YF代表油閥，DG代表兩段關閉閥，DP代表電磁配壓閥，⊙代表壓力油源。

②調速系統油管路改造。

因油路發生變化，需對現有的油管路進行改造，同時需增設兩路油管。增設一路過速限制器的供、回油管，其中供油管取至壓油槽出口第一個閥門之后，回油管接入集油槽底部。增設一路過速保護器的供、回油管，其中供油管取至壓油槽出口第一個閥門之后，回油管接入漏油箱。

主油管改造前后原理比較：

改造前主油路系統原理如圖4所示。

改造后主油路系統原理如圖5所示。

③過速保護器油路布置。

過速保護器安裝在轉子軸的下部、水發聯軸法蘭的上部，其供油管取至調速系統，回油管接入水車室漏油箱內。供油管從調速系統壓油槽出口第一個閥門之后取DN20油管沿機墩外壁布置，從風洞門引入下風罩上部與過速保護器連接，再從過速保護器的動作出口經風洞門引至過速限制器處，具體布置位置需視現場設備布置情況而定。

3.3 主要設備

①過速保護器的選擇。過速保護器推薦選用瑞典圖拉博（TURAB）原裝進口設備。

②過速限制關閉裝置的選擇。通常在調速器主配壓閥與水輪機導葉接力器之間控制油管路上設置過速限制裝置。若機組正常運行，該裝置不會對系統造成任何影響，但若機組運行異常，其就會發揮作用，來自油閥的壓力油直接作用于接力器關閉導葉。

4 結語

機組過速保護系統中最重要的設備是事故配壓閥和純機械過速保護裝置，因此水電人一直在思考如何設計制造出工作性能更可靠、維護更方便的機組過速保護系統。本文結合鳳灘電廠水輪發電機組過速保護系統的實際應用情況和過速保護系統的設計原理，經過試驗、通過技術改造，取得了理想的效果，如此有利于同類型水電站機組過速保護系統設計或升級改造，與利于水電站的長遠發展。

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