桓仁電站機組機械過速保護裝置改造探究

劉海晨

（國電電力發展股份有限公司和禹水電開發公司，遼寧 本溪 117200）

1 電站概述

桓仁電站位于中國遼寧省桓仁縣境內、鴨綠江干流中國側的最大支流渾江的中游河段上。渾江為鴨綠江的主要支流，發源于長白山系的老嶺，全長445 km，落差744 m，流域面積為14 776 km2。河道多蛇曲，河谷多處狹窄，水能資源開發條件較好。流域開發7 個梯級，即：桓仁電站、西江水電站、鳳鳴水電站、回龍山水電站、太平哨水電站、雙嶺水電站、金哨水電站，然后接鴨綠江的水豐水電站。江上三處筑壩，從上游到下游依次形成桓仁水庫、回龍山水庫、太平哨水庫。

桓仁電站水庫庫容36.4 億m3，設計水頭53.2 m，最大水頭57.1 m，最小水頭47.1 m。總裝機22.25 萬kW，保證出力3.28 萬kW，年平均發電量4.77 億kW·h。工程于1958 年破土動工，1960 年8 月工程緩建，1965 年恢復施工，1967 年7 月水庫蓄水，1968 年7月20 日1 號機組并網發電，1975 年7 月工程竣工。

2 機械過速保護裝置安裝的必要性和可行性

桓仁電站3 臺水輪發電機組的過速保護僅有電氣一級（115%Ne）和電氣二級（140%Ne）保護，未配置機械過速保護裝置。當水電機組在并網發電過程中突發緊急事件，出現主閥拒動等調速系統失靈的情況，同時水電站自動監控系統無法正常工作，致使機組調速環失去動力源，無法通過雙聯臂、拐臂控制導葉的關閉以切斷來水，最終可能使機組的轉速上升至飛逸轉速，對設備造成嚴重損壞[1]。為了限制機組過速，避免發生飛逸事故，需要按照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》中的相關條款要求，在桓仁電站3 臺機組上設置機械過速保護裝置，以便在可能發生的過速事故出現時，緊急關閉導水葉切斷來水，起到保護機組安全的作用。

隨著科學技術的發展，機械加工工藝和水平不斷提高。市場上出現了多種品牌的機械過速產品。各種品牌的產品各有優劣，均有在新建機組和老舊改造機組上應用的成功案例。特別是近幾年來，市場上的機械過速產品相較于早期的產品而言，集成度更高，可靠性更好，防誤動表現更加突出，同時飽受詬病的裝置滲油也得到了很好的解決。經過調研，同屬東北區域的太平灣電站、云峰電站、白山水電站、豐滿水電站、敦化抽水蓄能電站等均安裝了圖拉博機械過速裝置，且表現良好。該系列機械過速裝置在桓仁電站3 臺機組上的應用是可行的。

2023 年和禹水電開發公司對桓仁電站1 號~3 號機組進行了改造，在水輪機軸上增設了瑞典TURAB 的機械過速保護裝置。設備技術參數如表1 所示。

表1 1~3 號機組參數

同時對機組投運以來一直運行的事故配壓閥進行改造。原有的事故配壓閥采用滑閥的結構形式，配套的電磁閥與事故配壓閥分體布置，占用空間較大。改造后，事故配壓閥將原有的滑閥結構形式更新為插裝閥式，大大縮小了原設備的占用空間。

3 機械過速保護裝置簡介

3.1 過速保護裝置組成

機械過速保護裝置由緊固圈、過速擺、配重、機控換向裝置、反饋開關、安裝附件等組成。所有設備都已組裝好，現場只需按要求安裝即可使用。安裝如圖1 所示。

圖1 安裝示意圖

3.2 工作原理

3.2.1 機械過速保護裝置原理

將彈簧按參數預壓在柱塞內，在轉速不斷升高離心率不斷增大轉速接近達到預壓力的時候，轉速繼續上升克服預壓力壓縮彈簧使柱塞伸出，觸動機控換向裝置，使液壓系統動作而關機；同時發出信號。

3.2.2 現場設備工作原理

正常運行情況下，過速保護裝置液控換向閥正常帶壓（P →A），R 接排油，換向閥A 口與12EM01和12HV01 的油路連接控制事故配壓閥動作。當機組轉速達到飛擺設定值，液控換向閥動作，事故配壓閥失壓動作，進而機組導葉關閉，實現關機。原理如圖2 所示。

圖2 動作原理圖

3.3 機械過速保護裝置的性能要求

（1）彈簧具有長期的線性度，長期使用不發生蠕變（K 值不變）；

（2）結構設計必須簡單可靠；

（3）出廠時進行精確整定，現場即直接驗收使用；

（4）不能誤動和拒動。

4 事故配壓閥

4.1 事故概述

事故配壓裝置是當發生事故的時候或者主配操作失靈的情況下能夠實現緊急停機的機構。正常情況下操作油來自主配壓閥，在發生事故時操作油來自壓力罐。

4.2 原理

原理圖中兩個為一組，它們的啟閉狀態由液控換向閥V9 控制。正常工作情況下，電磁換向閥V8工作于左位，來自機械液壓過速保護裝置的控制油位壓力油，液控換向閥V9 工作于左位，C1，C2 控制腔通回油處于開啟狀態，由主配控制接力器的開關；C3，C4 控制腔通壓力油處于關閉狀態，切斷來自壓力罐的操作油。在事故情況下（1）電磁閥V8 工作于右位，C1，C2 控制腔通壓力油處于關閉狀態，切斷來自主配壓閥的操作油；C3，C4 控制腔通回油處于開啟狀態，來自壓力罐的操作油能進入接力器的關腔，使接力器關閉。（2）機械過速保護裝置動作時，來自機械過速保護裝置的控制油接通回油，液控換向閥V9 工作于右位，C1，C2 控制腔通壓力油處于關閉狀態，切斷來自主配壓閥的操作油；C3，C4控制腔通回油處于開啟狀態，來自壓力罐的操作油能進入接力器的關腔，使接力器關閉。原理如圖3所示。

5 設備的安裝調試

5.1 過速保護裝置的安裝

（1）將緊固圈安裝在機組主軸上（現場訂貨前確認的指定安裝位置）；

（2）安裝液控換向閥（臥式機組需嚴格按照出廠設計位置安裝）；

（3）正確安裝設備安裝距離（間距參照廠家設計要求）；

（4）根據系統設計連接相應的液壓油管道和信號接點。具體參照設計要求及廠家設備安裝說明書執行；

（5）完成步驟4 后靜態實驗檢查液壓系統邏輯原理是否正確。

注：以上安裝步驟及要求請嚴格按照設備廠家安裝維護說明書執行。

5.2 事故配壓閥的安裝

（1）現場安裝根據廠家設計要求執行；

（2）根據設計要求及原理對油管路進行連接；

（3）安裝完成后管路充油檢查各個焊接部位是否滲漏；

（4）安裝完成以后要手動操作設備，確保設計要求原理正常；

（5）按要求進行改造后的實驗。

注：設備安裝過程需嚴格按照產品廠家安裝說明書執行。

5.3 系統調試

（1）檢查各個連接處焊接點是否滲漏；

（2）打開導葉，根據設計原理靜態，檢查設備系統原理邏輯；

（3）開機實驗。

6 機械過速保護裝置的維護

（1）機械過速保護裝置隨機組檢修時，根據廠家使用說明書進行零部件的檢查；

（2）例行檢測可根據電廠要求及參見NB/T 35088-2016《水電機組機械液壓過速保護裝置基本技術條件》標準執行。

7 事故配壓閥的改造選型

7.1 滑閥式事故配壓閥

桓仁電站現有事故配壓閥控制成分布形式，分別由事故配本體、控制油閥、緊急停機電磁閥三部分組成。分布式獨立安裝，占用空間大，設備之間有一定距離。近年來在試驗過程中有事故配壓閥在動作后復位過程中有無法復位現象發生，需要借助外力輔助復位。

通過與廠家分析有以下原因：

（1）廠內設備使用年限較長；

（2）早期加工工藝精度相對較差，各部件間精度配合要求較高；

（3）長期不動作容易卡塞；

（4）內部存在較大內漏相互串油。

7.2 插裝閥事故配壓閥性能特點

（1）模塊標準化組合結構，體積小，安裝方便；

（2)采用插裝閥組件，使事故配動作靈敏、耐磨損、抗油污；

（3）內部零件精密配合，保證事故配壓閥內部零泄漏；

通過對其他電廠調研大部分年代相同電廠或新建電廠都已更換或直接采用插裝閥事故配壓閥，綜合以上情況最終將桓仁電站3 臺機組事故配壓閥更換為插裝閥式，通過改造使用作為后續公司其他機組改造提供參照。

但通過對其他早期改造項目考察發現，早期的插裝閥事故配壓閥外部滲油點多較明顯（模塊密封及工藝孔密封等）。所以在廠家設計生產過程中需要強調廠家采用質量可靠的密封件及對加工工藝孔的精密處理，以減少和降低事故配壓閥外部的漏油點。保證設備穩定、安全可靠。

8 結語

桓仁電站在安裝機械過速保護裝置后，實現機械與電氣過速保護互補，能夠在機組轉速不斷上升且不需要任何電氣元件參與下實現機組停止運行。純機械保護裝置的安裝為少人或無人值守提供了更加可靠的保障。

插裝式事故配壓閥的安裝改變了以前老舊事故配壓閥運行弊端，為機組的安全、穩定運行提供了保障。