大渡河安谷水電站水輪發電機組防飛逸設計

呂 勤 川, 張 冰 雪

(1.四川省水利水電勘測設計研究院，四川 成都 610072；2.中國水電建設集團圣達水電有限公司，四川 樂山 614013)

1 概 述

大渡河安谷水電站是大渡河干流梯級開發中的最后一級，壩址位于樂山市安谷河段的生姜坡，距上游沙灣水電站約35 km，下游距樂山市區約15 km，裝有4臺單機容量為190 MW的軸流轉槳式水輪發電機組(大機)和1臺12 MW軸流轉槳式水輪發電機組(生態機組)。大機發電機型號為SF190-68/14000，水輪機型號為ZZD658-LH-865，機組進出口流道均由隔墩分為3孔,從上游到下游設有進口攔污柵、進口檢修門、進口事故檢修門和尾水檢修門。事故檢修門孔口尺寸為6.54 m×18 m。事故檢修門采用潛孔平面定輪門，不使用時鎖定于門槽頂部。廠房進口400.7 m高程平臺上設置雙向門機1臺，主起升機構容量為3 200 kN，配置1套平衡梁和2套自動掛脫梁，分別用于廠房進口攔污柵、廠房進口檢修門和廠房進口事故檢修門的啟閉及吊運。

2 大型軸流轉槳式機組防飛逸特點

大中型混流式機組通常設置進水主閥(蝶閥或球閥)、快速閘門、筒型閥作為機組防飛逸措施，具有獨立的壓力油源和控制系統，機組防飛逸措施完善。對于大型軸流轉槳式機組，由于機組進口設置的是事故檢修門，主要作用是用于機組檢修時擋水，在機組發生事故需關閉流道時可動水閉門，下門時間長達1～2 h，因而其不能有效地起到機組防飛逸保護作用。

如何防止大型軸流轉槳式機組飛逸，保證機組長期、安全穩定運行，是水電站實現無人值班、少人值守的重要環節。大型軸流轉槳式機組通常采用設置過速限制器作為機組防飛逸保護措施。正常運行情況下，機組調速系統和過速限制系統共用一套壓力油源，一旦機組甩負荷、壓力油源壓力消失，機組將會產生飛逸。安谷水電站在設有電氣過速、純機械過速保護的基礎上，增設了一套事故壓力油罐用以保證壓力油源的可靠性，從而進一步提高了機組防飛逸的可靠性。

3 事故壓力油罐容量的選擇

3.1 接力器的有關參數

(1)導葉接力器的有關參數見表1。

表1 導葉接力器有關參數表

(2)槳葉接力器的有關參數見表2。

3.2 事故壓力油罐容量的選擇

筆者介紹了事故壓力油罐選擇的兩種思路：

表2 槳葉接力器參數表

(1)事故壓力油罐操作水輪機導葉接力器和槳葉接力器的一次全關行程。

事故壓力油罐是工作壓力油罐的全備用，只要工作壓力油罐的油壓下降到事故低油壓以下、低于導葉接力器可關閉的最低操作油壓時，需切除工作壓力油罐，壓力油源切換到事故壓力油罐，事故壓力油罐同時供給調速器系統和過速限制系統油壓。事故壓力油源關閉導葉接力器時，槳葉與導葉處于協聯，事故壓力油源同時關閉槳葉接力器，當油壓在正常工作油壓下限時、油泵不工作的情況下，需要操作水輪機導葉接力器和槳葉接力器的一次全關行程。事故壓力油罐容量選擇計算如下：

導葉接力器工作總容積Vd=0.571 m3

槳葉接力器工作總容積Vj=0.905 m3

接力器的最低操作油壓Pmin=4.8 MPa

事故停機后的油壓PRR=PR+ΔP=4.8+0.1=4.9(MPa)

取壓力裕量ΔP=0.1 MPa。

考慮工作油壓下限、油泵不啟動時，接力器完成1個全行程的動作和槳葉1個行程的動作后，其操作總用油量為：

VU=Vd+Vj=0.571+0.905=1.476(m3)

根據波依耳定律，PVk=C(常數)

K=1.3，即PV1.3=C.

事故壓力油罐內工作油壓的下限P0min=6 MPa時的罐內空氣容積Vair為：

事故壓力罐在調速器最高工作壓力時，油氣比為1∶2.5。

考慮到裕量，在調速系統招標時，事故油罐容量定為14 m3。

(2)事故壓力油罐操作水輪機導葉接力器的一次全關行程。

當機組事故停機時，工作壓力油罐壓力下降、低于導葉接力器可關閉的最低操作油壓時，無法關閉導葉接力器，需切除調速系統工作壓力油罐，將壓力油源切換到事故壓力油罐，事故壓力油罐只提供壓力油給過速限制器、鎖錠及其控制油路，完成導葉緊急關閉和鎖錠的投入，防止機組飛逸事故的發生，不向調速器提供壓力油。

事故壓力油罐的容積按油壓在正常工作油壓下限時、油泵不工作的情況下，能操作水輪機導葉接力器的一個全關行程。考慮到裕量，操作用的油量按1.5倍導葉接力器容量。事故壓力罐在最高工作壓力時，油氣比應為1∶2.5。

操作油量：VU=1.5Vd=1.5×0.571

=0.857(m3)

根據波依耳定律，PVk=C(常數)

K=1.3，即PV1.3=C.

壓力油罐內工作油壓的下限P0min=6 MPa時的罐內空氣容積Vair為：

事故油罐在調速器最高工作壓力時，油氣比為1∶2.5。

考慮到裕量，事故油罐容量定為8 m3。

事故油罐不向調速器和受油器提供壓力油，事故油罐容量由調速器系統招標時的14 m3優化為8 m3，只提供壓力油給過速限制器、鎖錠及其控制油路，其可靠性反而提高了。

3.3 事故油源的油路切換

事故油源的油路切換由一個單向逆止切換裝置完成。該裝置由一個電磁配壓閥、兩個插裝閥集成。機組在正常運行、事故停機各種工況時均由工作壓力油罐提供壓力油源，工作壓力油罐油路接通，事故油罐油路形成閉鎖，不起作用。只有當工作壓力油罐油壓下降、低于4.8 MPa無法關閉導葉接力器時，工作壓力油罐上的壓力開關接點動作，由監控系統發指令，啟動單向逆止切換裝置上的電磁配壓閥，完成事故油源油路的切換。事故油源切換后，工作壓力油罐油路通向調速器和受油器，事故油罐只提供壓力油給過速限制器、鎖錠及其控制油路，完成導葉的緊急關閉和鎖錠的投入，不向調速器提供壓力油。

4 過速限制系統

4.1 過速限制系統的組成

安谷水電站機組過速保護系統由TURAB純機械過速保護裝置和SGP-150-6.3型事故配壓閥及其集成在事故配壓閥的電磁配壓閥組成，TURAB純機械過速保護裝置的機械換向閥與事故配壓閥的電磁配壓閥油路串聯連接。

TURAB純機械過速保護裝置由安裝在水輪機主軸上的緊固圈及柱塞擺和液壓閥(帶電氣位置開關)組成。柱塞擺安裝在兩個半圓法蘭緊固圈之間。柱塞擺內的柱塞由不銹鋼制成并安裝在黃銅腔室內，由帶預緊力的彈簧完成過速保護動作的觸發。當機組轉速增加到預設過速保護動作值時，柱塞擺中的不銹鋼柱塞會(隨著轉速增加)從黃銅腔室中的壓縮彈簧中伸出來觸動液壓閥的觸動臂，從而切斷過速限制裝置與主配壓閥之間的壓力油路(小流量)，使過速限制裝置動作，直接將大流量的壓力油引入導葉接力器的關閉腔使導葉迅速關閉，起到對水輪機過速保護的作用，防止轉速過度升高而造成對機組的損害。

圖2 過速限制系統原理圖

SGP-150-6.3型事故配壓閥是一個二位八通的滑閥，帶有動作位置接點信號。圖2為正常工作狀態。圖2中A接導葉接力器關腔,B接導葉接力器開腔, C接調速器導葉主配關腔,D接調速器導葉主配開腔,E接事故壓力油,F接回油箱,G接常壓力油,H接控制油。

4.2 過速限制系統的作用

當機組發生事故時，機組轉速升至140%ne，微機轉速信號裝置140%ne接點動作，監控系統發出指令，啟動過速限制系統的二位四通電磁配壓閥，電磁配壓閥的A腔接通O腔回油，事故配壓閥的H腔泄壓，事故配壓閥在G腔壓力油作用下動作，A腔導葉接力器關腔接通E腔事故壓力油，B腔導葉接力器開腔接通F腔回油箱，緊急關閉導葉停機，防止機組飛逸事故發生。

當機組發生事故時，機組轉速升至155%ne，在機械離心力的作用下，安裝在水輪機大軸上的TURAB純機械液壓過速保護裝置中的不銹鋼柱塞觸動液壓換向閥，機械換向閥的A腔接通O腔

回油，事故配壓閥的H腔通過電磁配壓閥的A腔、P腔至機械換向閥的A腔、O腔回油，事故配壓閥在G腔壓力油作用下動作，A腔導葉接力器關腔接通E腔事故壓力油，B腔導葉接力器開腔接通F腔回油箱，緊急關閉導葉停機，防止機組飛逸事故發生。

除設有140%ne電氣過速保護、155%ne純機械過速保護外，在調速器機柜內還設有一套緊急停機電磁閥。在調速器失靈、主配拒動時，機組轉速升至115%ne，監控系統發出指令，緊急停機電磁閥動作，導葉主配壓閥控制腔油路泄壓，導葉主配活塞快速移動，緊急關閉導葉停機，防止機組飛逸事故發生。

5 結 語

在大型軸流轉槳式機組進口設置事故檢修門不能有效起到機組防飛逸保護作用。筆者介紹了安谷水電站采用過速限制器作為機組防飛逸措施，增設了一套事故壓力油罐用以保證壓力油源的可靠性，優化了事故壓力油源的油路設計，為同類型電站提供了一種借鑒。