水電廠機組過速保護系統的優化完善

程言忠

（浙江浙能華光潭水力發電有限公司，浙江 杭州 311322）

0 引言

水電廠機組過速一般發生在機組甩負荷或空轉情況下調速器失靈時，其后果是有可能導致機組部件損壞，甚至是機組出現飛逸造成重大事故。因此，機組過速保護的可靠動作，對于電廠的安全穩定運行至關重要。

某水電廠原過速保護系統由調速器、事故配壓閥、主閥、轉速測控器、電磁閥、相關控制回路和邏輯等組成，鑒于機組過速保護的重要性，針對原過速保護系統中存在的安全隱患，電廠對系統進行了升級改造。

1 原過速保護系統動作原理

原過速保護的配置分兩級，第1級保護動作定值為115%額定轉速，第2級保護動作定值為150%額定轉速，其轉速測量裝置由2套轉速測控器組成，第1套轉速測控器配置霍爾開關和發電機PT信號，第2套轉速測控器配置發電機PT信號。

第1級過速保護動作原理是：收到任意一套轉速測控器的機組115%額定轉速輸出信號，且導葉在空載以上，則延時1.5 s啟動事故停機流程，或者收到任意一套轉速測控器的機組115%額定轉速輸出信號，導葉在空載以上，且調速器故障，則啟動事故停機流程。第2級過速保護動作原理是：同時收到任意一套轉速測控器的機組115%額定轉速輸出信號和任意一套轉速測控器的150%額定轉速輸出信號，則啟動緊急事故停機流程。過速保護動作流程如圖1～3所示。

圖1 原第1級過速保護動作流程圖

圖2 原第2級過速保護動作原理圖

在實際運行中，調速器包含1個緊急停機電磁閥，具有緊急停機功能。若機組過速，轉速測控器就能及時檢測到，并通過計算機監控系統將檢測結果傳遞給調速器，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，控制主配壓閥關閉導葉接力器。

電廠主閥采用球形閥，當第2級過速保護動作時，緊急關閉截斷水流，防止事故擴大。球形閥控制系統由一個球形閥PLC電氣控制箱、一套液壓操作系統閥組、一個差壓控制器和一個壓力開關組成。液壓操作系統閥組接受PLC指令，控制球形閥接力器的開關、工作密封的投入和退出。差壓控制器和壓力開關用于提供平壓信號。

圖3 原第2級過速保護動作流程圖

2 存在的問題

（1）由圖1、圖3可以看出，原過速保護沒有動作事故配壓閥。主要原因為原事故配壓閥因設計不合理，滿足不了機組調節保證值的要求，無法投入。鑒于實踐中調速器可能會出現主配壓閥拒動等失控的情況，事故配壓閥可以及時動作停機，防止機組飛逸，若不能正常投入，隱患是巨大的。

（2）原過速保護都屬于電氣過速保護，萬一機組甩負荷過程中同時發生電氣元器件本身故障或者全廠交、直流電源消失的情況，機組過速將無法控制，事故的后果難以想象。

（3）原球形閥控制系統PLC僅有一套交流220 V電源輸入，當機組甩負荷造成第2級過速保護動作且全廠交流電源失去時，球形閥將無法關閉，可能會造成事故擴大。

3 改進措施

針對以上存在的問題，對原過速保護系統進行了升級改造，主要措施為：①更換事故配壓閥，在機組正常情況下，為調速器控制接力器的通路，當機組過速時，直接操作導葉接力器關閉導葉；②在保留原電氣過速保護裝置的基礎上，加裝機組純機械過速保護裝置。從而確保過速工況下，發生監控系統、調速器失效或廠用電消失時機組導葉能正確關閉；③對球形閥控制系統進行改造，增加一路PLC直流220 V輸入電源，當廠用交流電源失去時，通過直流電源確保PLC正確動作關閉球形閥。

3.1 更換事故配壓閥

事故配壓閥安裝于主配壓閥至接力器油管路中，其液壓原理圖見圖4。

圖4 事故配壓閥液壓原理圖

事故配壓閥為失壓動作。正常情況下，電磁閥換向閥不動作，事故配壓閥處于圖4所示位置，不影響調速器到接力器的油路暢通，當電磁閥換向閥接收到電氣信號或純機械過速保護裝置的液壓油信號后，動作事故配壓閥，切斷調速器至接力器的油路，壓力油直接從事故配壓閥進入接力器關閉側，使接力器關閉導葉而停機。

事故配壓閥在滿足下列條件之一時動作：

（1）收到任意一套轉速測控器的機組115%額定轉速輸出信號，導葉在空載以上，且調速器故障；

（2）第2級過速保護動作；

（3）純機械過速保護動作。

為滿足機組調節保證值的要求，事故配壓閥的關機時間需要參照調速器的關機時間，具體可綜合考慮接力器移動規律、轉速上升和壓力上升等進行整定。

當機組完全停止后，使調速器恢復至正常停機位置，此時方可使事故配壓閥復歸，在機組開機條件中，應加入事故配壓閥復歸判據。

圖5 純機械過速保護裝置結構示意圖

3.2 加裝純機械過速保護裝置

機組純機械過速保護裝置選用了瑞典圖拉博（TURAB）的原裝進口設備，其結構如圖5所示，主要由安裝在水輪機主軸上的2個半圓緊固圈、離心飛擺和液壓閥組成，離心飛擺安裝在其中一個緊固圈上，為保持平衡，另外一個緊固圈上通常加裝配重塊。離心飛擺內的柱塞安裝在黃銅腔室內。由帶預緊力的彈簧來完成過速保護動作的觸發。當機組轉速增加到155%額定轉速時，由于柱塞的離心力大于彈簧的預緊力，會從黃銅腔室內壓縮彈簧伸出，觸動液壓閥的觸動臂，使液壓閥動作實現油路切換，再通過事故配壓閥使接力器關閉導葉而停機。

機組純機械過速保護裝置的壓力油源引自水輪機調速器油壓裝置，其液壓閥有3個接口，分別為進油口（P）、出油口（A）和漏油口（T）。正常工作時壓力油從進油口進入，流經液壓閥后從出油口流出，并進入圖4中的電磁閥換向閥，此時事故配壓閥帶壓不動作。當液壓閥被觸動后，壓力油進油口和出油口被液壓閥關閉，同時液壓閥將出油口管路切換到與漏油口接通狀態，進入圖4中電磁閥換向閥的壓力油通過漏油口回油，事故配壓閥失壓動作。

液壓閥帶有機械位置電氣開關，當液壓閥動作時，機械位置電氣開關上送至計算機監控系統，走緊急事故停機流程。并在開機流程中檢測液壓閥是否處于正常位置。

由于機組純機械過速保護裝置是靠切換油路實現機組停機，因此它可以在完全沒有電源的情況下正常工作，實現機組在過速危險狀態下的事故停機，保護機組的安全。

3.3 球形閥PLC控制回路改造

由于球形閥PLC額定輸入電壓為交流220 V，直流220 V輸入電源無法直接接入，因此，增加一套逆變電源裝置，該逆變電源裝置為交流220 V和直流220 V雙路輸入，輸出為交流220 V，輸入電源分別來自廠用220 V交流電源和直流饋電屏，交流220 V輸出則作為球形閥PLC的輸入電源。

通過以上措施，球形閥PLC實現了交直流電源雙供的功能，提高了球形閥控制系統的可靠性。

3.4 改造后過速保護動作流程圖

在更換事故配壓閥和加裝純機械過速保護裝置的基礎上，電廠對原有計算機監控系統控制邏輯進行了完善，新的過速保護動作流程圖如圖6、圖7所示。

4 改進后的效果

事故配壓閥、純機械過速保護裝置、球形閥PLC控制回路改造完成后，電廠按要求進行了開主閥、關主閥、開機、關機、一級過速、二級過速等一系列的靜態試驗，試驗證明以上設備均能正確動作。

改造后機組帶負荷試驗時，電廠又進行了第1、第2級電氣過速動作試驗，進一步驗證了事故配壓閥、球形閥的動作情況，為了保障設備安全，沒有現場實際驗證機組過速至155%額定轉速時純機械過速保護的動作情況，只是人為動作液壓閥的觸動臂來驗證能否正確動作，試驗結果也達到了預期。

圖6 改造后第1級過速保護動作流程圖

圖7 改造后第2級過速保護動作流程圖

5 結束語

該電廠針對原機組過速保護系統中存在的安全隱患，分別對事故配壓閥、球形閥PLC控制回路進行了改造，并加裝了純機械保護裝置，改造后電廠機組電氣過速保護裝置和純機械過速保護裝置同時運行，并通過計算機監控系統、調速器、事故配壓閥、球形閥等安全可靠地實現機組過速保護，從而大大提高了限制機組過速的能力，降低了機組飛逸的概率，同時為電廠實現無人值班、關門運行夯實了基礎。