寶珠寺水電站水輪發電機組純機械過速保護系統改造

方仲超,楊繼承

(寶珠寺水力發電廠，四川省廣元市 628003)

0 前 言

寶珠寺水電站位于四川省廣元市境內，水電站安裝4 臺由東方電機廠制造的半傘式水輪發電機組。水電站自投產以來，由于歷史原因僅有2號機組設置了純機械過速保護，其余3臺機組過速保護均采用了2級過速保護，且均為電氣控制的保護，不滿足相關反措和安全標準化的要求。針對該隱患，水電站技術人員多次咨詢設計方和廠商，根據調速器液壓設計回路及調速器各部件的現場布置，在現有的調速器結構不作大幅度調整的情況下，增設了純機械過速裝置，滿足了水電站在失去電源的情況下，能夠自動關閉機組導水機構的功能[1]，提高了過速保護系統各元器件動作的準確性、靈活性，使得機組過速保護系統更加完善、可靠。

1 原有過速保護系統介紹

1.1 系統構成及動作原理

寶珠寺水電站原過速保護系統由調速器、SP事故配壓閥、測壓接頭、測速元件、外接管路接頭、液壓元器件、機組LCU及相關邏輯和相關控制回路組成。其中調速器由東方電機廠提供，其型號為HGS-H21；SP事故配壓閥由西安江河電站技術開發有限公司提供，額定工作油壓為4.0 MPa，水平安裝。事故配壓閥主要由主閥體、主活塞、恒壓控制端組件、控制腔端蓋以及事故停機電磁閥組成[2]。

事故配壓閥是一個二位六通閥，有8 個外接油口，其中5個油口分別通過法蘭與調速系統的管路進行連接；其余3個接口通過外接接頭連接，X0為控制系統接口。圖1為事故配壓閥處于“復歸”狀態，控制接口X0為有壓狀態，調速器主配壓閥油管A1、A2分別與接力器管路B1、B2為連通狀態，導葉接力器的開、關操作由調速器控制，事故配壓閥僅作為調速器主配壓閥操作油的通道。當機組甩負荷、調速器發生事故拒動后，轉速急速升高，避免事態擴展，需緊急關閉導葉接力器，當轉速達到過速保護設定時，電磁換向閥動作1YF動作，油路發生切換，壓力油P與B接通，A接口與回油接通，液壓閥2YF與事故配壓閥控制油口X0同時失壓，2YF在下端壓力的作用下向上部移動，事故配壓閥在壓力的作用下向左滑動，此時來自調速器液壓油接通接力器關閉腔B1，接力器開啟腔B2經接通回油，作用接力器緊急關閉調速器[3-7]。

圖1 原有機械過速保護系統油路液壓原理圖

寶珠寺水電站原有的過速保護系統設有115%額定轉速+主配壓閥拒動或停機過程中+剪斷銷剪斷+轉速>115%Ne構成的一級保護，140%額定轉速為二級保護。機組的轉速測量方式主要是永磁機測頻和磁盤測頻2種方式，磁盤安裝在永磁機上部，永磁機通過萬向節與主軸連接，機組轉動過程中，永磁機與磁盤同時檢測機組轉速，并將轉速輸出為電壓信號至轉速繼電器，當轉速超過115%額定轉速時，一級過速繼電器動作，驅動調速器事故停機電磁閥動作，快速關閉導葉，從而實現停機；當轉速超過140%額定轉速時，二級過速繼電器動作，驅動調速器事故配壓閥電磁閥動作，快速關閉導葉的同時，關閉快速閘門，在確保發電機、導水機構安全條件下，達到快速停機目的，過速保護動作流程如圖2、3所示。

圖2 一級過速保護動作流程圖

1.2 系統存在的安全隱患

(1) 測速裝置的可靠性和安全性難以滿足要求：測速系統作為判斷過速的重要元件，由于機組在設計過程考慮不周，磁盤安裝在永磁機上，隨著永磁機運行時間的增長，永磁機與主軸連接件萬向節出現軸承損壞等現象。當永磁機在運行過程中出現故障，將導致機組的測速環節失靈，測速系統的雙冗余失效，機組在失去轉速信號后，導致機組被迫停機。以上現象在寶珠寺電廠4臺機組均出現，嚴重影響機組的安全穩定運行[8]。

(2) 未能實現真正的機械過速：原過速保護系統均屬于電氣過速保護，快速關閉導葉的指令執行都必須是在有電的前提下才能完成，并不是真正意義的純機械過速器。當機組甩負荷過程中又有全水電站失電事故發生，此時機組過速將無法控制，事故的后果是難以想象的。

圖3 二級過速保護動作流程圖

2 純機械過速保護系統的改造

2.1 總體方案

為消除原過速保護系統存在的安全隱患，提升機組運行過程中的安全、可靠性，決定保留原有的電氣二級過速保護外，增設1套純機械過速保護裝置，轉速動作值為150%的額定轉速，該裝置能保證在全廠失電的情況下，轉速到達150%的額定轉速時，依然可以動作事故配壓閥，迅速切換油路操作關閉導葉，從而使機組的過速得到控制。對機組的測速部件進行改造，選用技術成熟、功能先進、測速準確的光電測速部件，使得測速環節更加安全、可靠。由于設備選型及到貨原因，此次改造僅限于機械過速系統改造。

2.2 純機械過速部件安裝

寶珠寺水電站采用了ALSTOM公司DEVSS系列純機械液壓過速保護裝置，由離心探測器、脫扣器、配壓閥、過速保護切換閥、安裝附件組成，離心探測器選擇在便于安裝及維護的發電機下端軸上，此安裝部位可以方便安裝且不影響其他部位的工作。同時脫扣器和換向閥通過安裝支架固定在下機架的上平面上，可以方便螺栓的拆卸和安裝。在安裝離心探測器過程中，調整離心探測器與脫扣器的距離為1.5 mm，檢查轉環把合間隙調整到位，支架與脫扣器安裝牢固，各油管路連接正確、無滲漏現象[9]。

2.3 液壓系統的改造

圖4 純機械液壓過速保護原理圖

圖4為純機械過速保護裝置液壓原理。在原液壓圖上增設1個二位三通的方向閥，此液控單向閥受事故電磁閥和機械過速保護閥的控制，無論是過速電磁閥還是機械過速保護閥的動作，都可以使得事故配壓閥動作，作用于事故停機。改造后，原一級、二級過速流程保持不變，依然通過電磁配壓閥動作、油路切換、事故配壓閥動作、壓力油直接進入導葉關閉腔，將導葉關閉。當一級、二級過速失效，轉速繼續升高，探測器柱塞克服預緊力向外運動，當向外的運動量達到或大于飛擺與脫扣器觸發機構的間隙時，觸動觸發機構，進而帶動液壓閥組切換工作油路，機械過速行程閥閥芯左移，液壓閥上部與排油接通，液壓閥在下端壓力的作用下，向上移動，此時無論原一級、二級過速保護系統電磁閥處于何種狀態，壓力油作用事故配壓閥動作，關閉導葉接力器，實現機組停機。機組停機后，脫扣器仍然保持動作后狀態，需要手動復歸[9]。

考慮到電氣過速保護技術已經很成熟，本次未對電氣過速保護部分進行修改；即測速單元采用2只測速探頭，一路永磁機轉速繼電器測速，邏輯上采用“三取二”控制原理，一、二級過速保護開出采用LCU邏輯控制和水機保護常規回路開出。

3 純機械過速保護裝置調試試驗

過速保護系統改造后，為了驗證純機械過速保護裝置的安全性、可靠性和穩定性，在管路和設備安裝完畢后，將機械過速保護信號動作事故停機流程節點解除。將壓油裝置調壓到油壓可以操作接力器動作即可，操作接力器完成2次以上的全行程動作，確認各液壓管路無滲漏，將油壓調至額定油壓，操作接力器至全開位置，手動機械過速保護脫扣器，事故配壓閥動作，關閉時間為7.1 s，滿足調保計算要求。同時對調速器開機時間、調速器零點漂移進行校驗，均滿足要求。然后將動作事故停機流程接點恢復，進行機械過速保護啟動事故停機流程試驗[10]。

在第1臺機組改造完成后，在實際調試時，發現在復歸電磁閥過程中，有部分壓力油通過回油管上竄至調速器機械柜處，通過深入地分析液壓系統圖，發現在實際的施工過程中，將單項閥的回油管與漏油箱管路接通，在復歸過程中，液壓閥與事故配壓閥處的高壓油通過單向閥排至漏油管，漏油管直徑較小，無法及時排油，導致漏油管暫時帶壓，致使部分壓力油調速器機械柜漏油孔“噴出”，嚴重影響調速器的安全生產運行，現場管路布置見圖5。

圖5 純機械液壓過速保護原理圖

為了處理該異常現象，同時便于過速限制器裝置的檢修，分別在保護裝置P口管路上裝設1個進油閥1、在A出口處增設閥門2、在卸載閥排油管至調速器漏油管處增設閥門3。根據實際運行情況，有效地調整閥門開度，達到了過速保護裝置切除檢修又不影響機組正常運行的目的，同時也有效地杜絕了電磁閥復歸后的噴油狀況。

由于受到現場條件的限制，未能進行廠內原型過速試驗，只是人為動作液壓換向閥的觸動臂驗證事故配壓閥的動作情況，加之純機械過速保護是原有二級過速保護的后備保護，在機組實際運行過程中尚未發生失效導致純機械過速保護動作的情況，因此該裝置的實際動作情況，待機組大修后，進一步來驗證。

4 結 語

通過本次改造，達到了預期改造目的，使機組保護系統進一步完善，消除了安全隱患，提高了機組運行的安全性。本次成功的經驗，也可為中國同時期同類型機組過速保護系統升級改造提供依據和參考。

參考文獻:

[1] 國家能源局.水電廠自動化元件及其系統運行維護與檢修規程：DL/T 619-2012[S].北京:中國電力出版社, 2012.

[2] 西安江河電站技術開發有限責任公司.SGP集成事故配壓閥說明書[Z/OL]. (2012-05-19)[2018-01.11]. http://www.docin.com/p-405087560.html .

[3] 袁靜, 胡森.水電站調速器事故配壓閥誤動作原因分析與處理[J].人民長江，2014,45(11)：71-72.

[4] 劉聰.機械液壓保護系統在水電站中的應用研究[J].中國新技術新產品，2014(11)：10-11.

[5] 王漢超, 郭超.水輪發電機組過速保護系統設計方案研究[J].人民長江，2015,46(21)：80-81.

[6] 劉青，王聲國.6.3MPa油壓等級的過速限制及兩段關閉裝置設計[J]. 東方電機，1999，41(4)：37-40.

[7] 楊星海.水電站純機械過速保護系統的接入經驗[G]//中國水力發電工程學會第十九次中國水電設備學術討論論文集.大連：黑龍江科學技術出版社.

[8] 武漢安施通電氣有限公司.ALSTOM機械過速保護裝置說明書[Z/OL].(2012-11-20)[2018-01.11]. http://www.docin.com/p-532143296.html.

[9] 文興全.長湖水電廠過速保護系統改造[J].水電站機電技術，2016(39)：36-37.