水輪機調速器掉電導葉自關閉改造實踐

李金明

（錦屏水力發電廠，四川省西昌市 615012）

0 引言

錦屏一級水電站位于雅礱江流域的中游，裝機容量6臺600MW的混流式水輪發電機組，最大運行水頭240m，額定轉速142.9 r/min，多年平均發電量166.2億kW·h，于2014年8月24日建成投產[1]。

錦屏一級水電站機組采用南瑞SAFR-2000H系列水輪機調速器，主要由電氣控制系統、液壓油系統、GE FC5000主配壓閥、緊急停機電磁閥、雙比例伺服閥、伺服切換閥及相關液壓管路組成[2]。

對于調速器控制電源全部消失的事故情況，目前行業內基本有兩種控制策略，分別為導葉自復中[3]和導葉自關閉。導葉自復中即掉電后維持當前導葉開度不變，避免機組甩負荷，減小系統負荷波動，但控制系統失電后調速器存在一定的失控風險；導葉自關閉是在掉電后依靠調速器液壓系統自身的特性，將水輪機導葉自動關閉，保護機組免于飛逸事故，防范電源消失存在的潛在風險，但對穩定系統負荷不利[4-6]。

1 改造前自復中裝置簡介

1.1 組成結構

調速器控制電源全部消失后，導葉自復中功能依靠主配壓閥、定中缸、自復中切換閥及相關液壓管路組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

當調速器正常運行時，自復中切換電磁閥線圈得電，閥組處于a位，使定中缸油腔通過緊急停機電磁閥、自復中切換閥接通回油箱，定中缸處于復位狀態。

當調速器控制系統電源全部消失時，自復中切換閥線圈失電，自復中切換閥發生切換動作，閥組處于b位，壓力油通過自復中切換閥、緊急停機電磁閥進入定中缸油腔，定中缸開始動作，推動主配壓閥至中位，接力器開關腔與壓力油源、回油箱隔離，導葉保持當前開度不變，如此實現調速器控制系統電源全部消失后導葉自復中功能。

在實際應用中，為防止自復中后主配壓閥向開位偏離，造成導葉緩慢開啟，往往將定中缸整定為使主配壓閥位于中位但稍偏關方向，這樣導葉自復中后存在一個回關的趨勢，但極為緩慢。

2 存在問題

《防止電力生產事故的二十五項重點要求（國能安全[2014]161號）》中23.1.8條規定：大中型水電站應采用“失電動作”規則，在水輪發電機組的保護和控制回路電壓消失時，使相關保護和控制裝置能夠自動動作關閉機組導水機構[7]。

圖1 原導葉自復中裝置組成結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the pre-reform device of urbine vanes auto-to-middle system after all power losing of speed governor

目前，錦屏一級電站調速器失電導葉自復中邏輯不滿足上述文件要求，需要進行調速器掉電自關閉導葉邏輯改造。

3 改造實踐

3.1 改造方案

3.1.1 機械部分改造

拆除原緊急停機電磁閥（見圖2），增加新的液控閥、緊急停機電磁閥、液控單向閥、失電電磁閥1、失電電磁閥2，閥組間的管路連接見圖2。

3.1.2 電氣部分改造

調速器控制柜內共有兩個電源模塊，電源模塊1的1路電源輸出至失電電磁閥1，電源模塊2的1路電源輸出至失電電磁閥2。將原緊急電磁閥接線接至新的緊急停機電磁閥。因機手動控制方式通過自復中切換閥實現，所以保留原自復中切換閥接線。

3.2 可行性分析

3.2.1 兩路電源運行

如圖2所示，當調速器正常運行時，緊急停機電磁閥在失電狀態。控制系統兩個電源模塊均帶電，失電電磁閥1、2在得電狀態。液控單向閥導通，壓力油通過失電電磁閥1、液控單向閥、緊急停機先導閥進入液控閥b腔，使液控閥處于b位，進而使緊急停機電磁閥處于b位，調速器系統正常運行。

3.2.2 一路電源運行

如圖2所示，當調速器控制系統電源模塊1失電、電源模塊2帶電時，失電電磁閥1線圈失電、失電電磁閥2線圈帶電，失電電磁閥1處于b位置、失電電磁閥2處于a位置，此油路狀態下液控單向閥控制腔油路無壓、進油口腔無壓，進而液控單向閥處于截止狀態，液控單向閥出油口腔油壓得以維系。緊急停機先導閥、液控閥、緊急停機電磁閥狀態同3.2.1中描述，機組正常運行。

如圖2所示，當調速器控制系統電源模塊1帶電、電源模塊2失電時，失電電磁閥1線圈得電、失電電磁閥2線圈失電，失電電磁閥1處于a位置、失電電磁閥2處于b位置，此油路狀態下液控單向閥控制腔油路帶壓、進油口腔帶壓，進而液控單向閥處于正向導通狀態，出油口接通壓力油源，液控單向閥出油口腔油壓得以維系。緊急停機先導閥、液控閥、緊急停機電磁閥狀態同3.2.1中描述，機組正常運行。

3.2.3 電源全部消失

當調速器控制系統電源模塊1、2全失電時，失電電磁閥1、2線圈失電，液控單向閥反向導通，液控閥b腔通回油箱，使液控閥處于a位。進而使緊急停機電磁閥處于a位，主配壓閥控制油腔通回油，主配壓閥向關導葉方向動作，導葉回關。

當調速器控制系統電源全部消失時自復中切換閥也會失電并動作，但由于緊急停機電磁閥已切換至a位置，所以此時的自復中切換閥的動作與否不影響導葉回關功能。

基于上述分析，改造后裝置能實現調速器控制電源消失自關閉導葉功能。

4 功能試驗

在相應的液壓閥組、電磁閥、液壓管路、電氣接線調整完畢后，分別進行了機組靜態緊急停機試驗、機組靜態掉電自關閉導葉試驗、機組動態掉電自關閉導葉試驗，試驗結果均正確。

4.1 機組靜態緊急停機試驗

在機組停機狀態下，調速器控制系統正常帶電運行，將控制系統切至手動方式，開啟導葉5%開度，分別按下調速器電調柜、機調柜上的緊急停機按鈕，導葉正常回關，監控系統事件正常報出，LCU緊急停機流程正常啟動。

4.2 機組靜態掉電自關閉導葉試驗

在機組停機狀態下，調速器控制系統正常帶電運行，將控制系統切至手動方式，開啟導葉5%開度，拉開電源模塊1的進線電源開關，導葉不回關；合上電源模塊1的進線電源開關后，拉開電源模塊2的進線電源開關，導葉不回關；同時拉開電源模塊1、電源模塊2的進線電源開關，導葉回關，監控系統事件正常報出，LCU緊急停機流程正常啟動。

4.3 機組動態掉電自關閉導葉試驗

機組開機，空載運行正常；拉開電源模塊1、電源模塊2的進線電源開關，導葉回關，機組停機，監控系統事件正常報出，LCU緊急停機流程正常啟動。

5 結束語

新增的液控單向閥結構簡單、動作可靠，與雙失電電磁閥相結合，具有一定的容錯能力，也即在一個失電電磁閥控制回路斷線、虛接等原因造成失電時，不會造成誤停機。此種改造方案改動較小，對調速器原有功能影響不大，并能可靠地實現調速器控制系統掉電后導葉自關閉的功能。