水電廠機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化完善

程言忠

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 杭州 311322）

0 引言

水電廠機(jī)組過速一般發(fā)生在機(jī)組甩負(fù)荷或空轉(zhuǎn)情況下調(diào)速器失靈時，其后果是有可能導(dǎo)致機(jī)組部件損壞，甚至是機(jī)組出現(xiàn)飛逸造成重大事故。因此，機(jī)組過速保護(hù)的可靠動作，對于電廠的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。

某水電廠原過速保護(hù)系統(tǒng)由調(diào)速器、事故配壓閥、主閥、轉(zhuǎn)速測控器、電磁閥、相關(guān)控制回路和邏輯等組成，鑒于機(jī)組過速保護(hù)的重要性，針對原過速保護(hù)系統(tǒng)中存在的安全隱患，電廠對系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造。

1 原過速保護(hù)系統(tǒng)動作原理

原過速保護(hù)的配置分兩級，第1級保護(hù)動作定值為115%額定轉(zhuǎn)速，第2級保護(hù)動作定值為150%額定轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速測量裝置由2套轉(zhuǎn)速測控器組成，第1套轉(zhuǎn)速測控器配置霍爾開關(guān)和發(fā)電機(jī)PT信號，第2套轉(zhuǎn)速測控器配置發(fā)電機(jī)PT信號。

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

圖1 原第1級過速保護(hù)動作流程圖

圖2 原第2級過速保護(hù)動作原理圖

在實際運行中，調(diào)速器包含1個緊急停機(jī)電磁閥，具有緊急停機(jī)功能。若機(jī)組過速，轉(zhuǎn)速測控器就能及時檢測到，并通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)將檢測結(jié)果傳遞給調(diào)速器，調(diào)速器接收到檢測結(jié)果后就會給緊急停機(jī)電磁閥下達(dá)動作指令，控制主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉接力器。

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

圖3 原第2級過速保護(hù)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(hù)沒有動作事故配壓閥。主要原因為原事故配壓閥因設(shè)計不合理，滿足不了機(jī)組調(diào)節(jié)保證值的要求，無法投入。鑒于實踐中調(diào)速器可能會出現(xiàn)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(jī)，防止機(jī)組飛逸，若不能正常投入，隱患是巨大的。

（2）原過速保護(hù)都屬于電氣過速保護(hù)，萬一機(jī)組甩負(fù)荷過程中同時發(fā)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(jī)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(tǒng)PLC僅有一套交流220 V電源輸入，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷造成第2級過速保護(hù)動作且全廠交流電源失去時，球形閥將無法關(guān)閉，可能會造成事故擴(kuò)大。

3 改進(jìn)措施

針對以上存在的問題，對原過速保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，主要措施為：①更換事故配壓閥，在機(jī)組正常情況下，為調(diào)速器控制接力器的通路，當(dāng)機(jī)組過速時，直接操作導(dǎo)葉接力器關(guān)閉導(dǎo)葉；②在保留原電氣過速保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，加裝機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)裝置。從而確保過速工況下，發(fā)生監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器失效或廠用電消失時機(jī)組導(dǎo)葉能正確關(guān)閉；③對球形閥控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加一路PLC直流220 V輸入電源，當(dāng)廠用交流電源失去時，通過直流電源確保PLC正確動作關(guān)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(diào)速器到接力器的油路暢通，當(dāng)電磁閥換向閥接收到電氣信號或純機(jī)械過速保護(hù)裝置的液壓油信號后，動作事故配壓閥，切斷調(diào)速器至接力器的油路，壓力油直接從事故配壓閥進(jìn)入接力器關(guān)閉側(cè)，使接力器關(guān)閉導(dǎo)葉而停機(jī)。

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(zhuǎn)速測控器的機(jī)組115%額定轉(zhuǎn)速輸出信號，導(dǎo)葉在空載以上，且調(diào)速器故障；

（2）第2級過速保護(hù)動作；

（3）純機(jī)械過速保護(hù)動作。

為滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證值的要求，事故配壓閥的關(guān)機(jī)時間需要參照調(diào)速器的關(guān)機(jī)時間，具體可綜合考慮接力器移動規(guī)律、轉(zhuǎn)速上升和壓力上升等進(jìn)行整定。

當(dāng)機(jī)組完全停止后，使調(diào)速器恢復(fù)至正常停機(jī)位置，此時方可使事故配壓閥復(fù)歸，在機(jī)組開機(jī)條件中，應(yīng)加入事故配壓閥復(fù)歸判據(jù)。

圖5 純機(jī)械過速保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 加裝純機(jī)械過速保護(hù)裝置

機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)裝置選用了瑞典圖拉博（TURAB）的原裝進(jìn)口設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由安裝在水輪機(jī)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(nèi)的柱塞安裝在黃銅腔室內(nèi)。由帶預(yù)緊力的彈簧來完成過速保護(hù)動作的觸發(fā)。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速增加到155%額定轉(zhuǎn)速時，由于柱塞的離心力大于彈簧的預(yù)緊力，會從黃銅腔室內(nèi)壓縮彈簧伸出，觸動液壓閥的觸動臂，使液壓閥動作實現(xiàn)油路切換，再通過事故配壓閥使接力器關(guān)閉導(dǎo)葉而停機(jī)。

機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)裝置的壓力油源引自水輪機(jī)調(diào)速器油壓裝置，其液壓閥有3個接口，分別為進(jìn)油口（P）、出油口（A）和漏油口（T）。正常工作時壓力油從進(jìn)油口進(jìn)入，流經(jīng)液壓閥后從出油口流出，并進(jìn)入圖4中的電磁閥換向閥，此時事故配壓閥帶壓不動作。當(dāng)液壓閥被觸動后，壓力油進(jìn)油口和出油口被液壓閥關(guān)閉，同時液壓閥將出油口管路切換到與漏油口接通狀態(tài)，進(jìn)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(jī)械位置電氣開關(guān)，當(dāng)液壓閥動作時，機(jī)械位置電氣開關(guān)上送至計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，走緊急事故停機(jī)流程。并在開機(jī)流程中檢測液壓閥是否處于正常位置。

由于機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)裝置是靠切換油路實現(xiàn)機(jī)組停機(jī)，因此它可以在完全沒有電源的情況下正常工作，實現(xiàn)機(jī)組在過速危險狀態(tài)下的事故停機(jī)，保護(hù)機(jī)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(xiàn)了交直流電源雙供的功能，提高了球形閥控制系統(tǒng)的可靠性。

3.4 改造后過速保護(hù)動作流程圖

在更換事故配壓閥和加裝純機(jī)械過速保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，電廠對原有計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行了完善，新的過速保護(hù)動作流程圖如圖6、圖7所示。

4 改進(jìn)后的效果

事故配壓閥、純機(jī)械過速保護(hù)裝置、球形閥PLC控制回路改造完成后，電廠按要求進(jìn)行了開主閥、關(guān)主閥、開機(jī)、關(guān)機(jī)、一級過速、二級過速等一系列的靜態(tài)試驗，試驗證明以上設(shè)備均能正確動作。

改造后機(jī)組帶負(fù)荷試驗時，電廠又進(jìn)行了第1、第2級電氣過速動作試驗，進(jìn)一步驗證了事故配壓閥、球形閥的動作情況，為了保障設(shè)備安全，沒有現(xiàn)場實際驗證機(jī)組過速至155%額定轉(zhuǎn)速時純機(jī)械過速保護(hù)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(jié)果也達(dá)到了預(yù)期。

圖6 改造后第1級過速保護(hù)動作流程圖

圖7 改造后第2級過速保護(hù)動作流程圖

5 結(jié)束語

該電廠針對原機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)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(jìn)行了改造，并加裝了純機(jī)械保護(hù)裝置，改造后電廠機(jī)組電氣過速保護(hù)裝置和純機(jī)械過速保護(hù)裝置同時運行，并通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)速器、事故配壓閥、球形閥等安全可靠地實現(xiàn)機(jī)組過速保護(hù)，從而大大提高了限制機(jī)組過速的能力，降低了機(jī)組飛逸的概率，同時為電廠實現(xiàn)無人值班、關(guān)門運行夯實了基礎(chǔ)。