大型水輪發(fā)電機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)改造研究

蔡銀輝，馬美香

(1.國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900； 2.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625300)

1 概 述

水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)作為機(jī)組發(fā)生過速時(shí)的最后一道安全保障，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系設(shè)備可靠及生產(chǎn)安全，因此，在實(shí)踐中不斷研究、探索優(yōu)化純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制造工作性能更可靠、維護(hù)更方便的機(jī)組純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)具有重要意義[1-4]。

1.1 設(shè)備概況

某電站裝設(shè)6臺(tái)單機(jī)容量600 MW混流式機(jī)組。其中3臺(tái)機(jī)組水輪機(jī)(型號(hào)HLF600A-LJ-6200)由亞洲通用設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)和制造。機(jī)組裝設(shè)有圓筒閥，圓筒閥安裝于機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉之間，關(guān)機(jī)時(shí)可作為截?cái)嚅y使用，圓筒閥關(guān)閉時(shí)可有效減小機(jī)組漏水量，減小狹縫射流對(duì)導(dǎo)葉的間隙空蝕和轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕。圓筒閥開啟時(shí)位于水輪機(jī)座環(huán)和頂蓋空腔室內(nèi)，不干擾水流流態(tài)。圓筒閥只處于全開或全關(guān)位置，不參于流量調(diào)節(jié)。導(dǎo)葉、圓筒閥各安裝一套由GE公司生產(chǎn)的離心式純機(jī)械過速保護(hù)裝置。

1.2 純機(jī)械過速保護(hù)動(dòng)作原理

水輪機(jī)調(diào)速器通過接力器調(diào)節(jié)活動(dòng)導(dǎo)葉開度實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)流量調(diào)整，進(jìn)而調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速。調(diào)速器一般都具有緊急停機(jī)功能，一般情況下機(jī)組發(fā)生過速時(shí)(達(dá)到過速設(shè)定值)，自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)采集到轉(zhuǎn)速信號(hào)后會(huì)下發(fā)緊急停機(jī)動(dòng)作指令，緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)主配壓閥動(dòng)作關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉。為了避免緊急停機(jī)功能失效(主配壓閥發(fā)卡、控制油路堵塞等異常)，調(diào)速系統(tǒng)一般也會(huì)設(shè)置一套事故配壓閥(過速限制器)。同時(shí)，為防止調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥和事故配壓閥電同時(shí)故障(廠用交直流供電系統(tǒng)故障、電磁閥發(fā)卡等)，調(diào)速系統(tǒng)還會(huì)配置一套純機(jī)械過速保護(hù)裝置，動(dòng)作優(yōu)先級(jí)別高于電磁閥。

常采用的純機(jī)械過速保護(hù)裝置為離心式，由離心飛擺、脫扣器液壓閥、安裝環(huán)、配重塊等部件組成，飛擺和安裝環(huán)安裝于水輪機(jī)軸或發(fā)電機(jī)軸下部。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)離心飛擺柱塞在離心力作用下被甩出，觸發(fā)脫扣器液壓閥動(dòng)作，液壓閥內(nèi)部油路切換，從而控制事故配壓閥動(dòng)作關(guān)閉導(dǎo)葉接力器或圓筒閥接力器動(dòng)作關(guān)閉圓筒閥，實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。

圖1為機(jī)組導(dǎo)葉過速保護(hù)系統(tǒng)液壓原理圖，該系統(tǒng)包含離心式純機(jī)械過速保護(hù)裝置、液動(dòng)換向閥、滑閥式事故配壓閥(含一個(gè)兩位四通電液換向閥作為事故停機(jī)電磁閥)。純機(jī)械過速保護(hù)裝置在“復(fù)歸”狀態(tài)下，P3截止，A3與T3接通。在“動(dòng)作”狀態(tài)下，P3與A3接通，T3截止。

圖1 機(jī)組導(dǎo)葉過速保護(hù)系統(tǒng)液壓原理圖

機(jī)組發(fā)生過速時(shí)，離心飛擺動(dòng)作后引起純機(jī)械過速液壓閥換向，A3與P3接通，X1通壓力油，機(jī)械過速液動(dòng)換向閥換向，A4與T4接通，T4接通事故配壓閥控制腔，控制腔因接通無壓回油管路而失壓，在事故配壓閥另一端恒壓腔壓差作用下事故配壓閥切換至關(guān)機(jī)位，P1與導(dǎo)葉接力器關(guān)機(jī)腔接通，T1與導(dǎo)葉接力器開機(jī)腔接通，A1和B1截止，導(dǎo)葉接力器(2個(gè))動(dòng)作，機(jī)組停機(jī)。

圖2為機(jī)組圓筒閥過速保護(hù)系統(tǒng)液壓原理圖，該過速保護(hù)系統(tǒng)包含一套離心式純機(jī)械過速保護(hù)裝置、液動(dòng)換向閥、梭閥。純機(jī)械過速保護(hù)裝置在“復(fù)歸”狀態(tài)下，液壓閥30的P截止，A與T接通，在“動(dòng)作”狀態(tài)下，閥30的P與A接通，T截止。

圖2 圓筒閥過速保護(hù)系統(tǒng)液壓原理圖

機(jī)組過速時(shí)，離心飛擺動(dòng)作甩出后，純機(jī)械過速液壓閥30換向，A與P接通，壓力油從管路13到管路15經(jīng)梭閥39后至液壓換向閥7，并使其動(dòng)作換向，壓力油P2通過液壓換向閥接通A1，然后直接驅(qū)動(dòng)控制圓筒閥接力器的比例電磁閥動(dòng)作，使圓筒閥各接力器(6個(gè))動(dòng)作關(guān)閉圓筒閥，機(jī)組停機(jī)。

2 存在的問題

該電站純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)自2009年陸續(xù)投運(yùn)，事故配壓閥總體運(yùn)行情況良好，但純機(jī)械過速保護(hù)裝置響應(yīng)時(shí)間逐漸延長(從飛擺動(dòng)作到導(dǎo)葉接力器開始動(dòng)作)，2015年時(shí)已從最初的3 s逐漸延長至25～37 s(3臺(tái)機(jī)組)。

后經(jīng)檢查測試，更換純機(jī)械過速保護(hù)裝置的液壓閥后響應(yīng)時(shí)間縮短為3.2 s?？梢耘袛嘌訒r(shí)主要由純機(jī)械過速保護(hù)裝置液壓閥引起，其復(fù)位彈簧長期處于壓縮位置，導(dǎo)致復(fù)位彈簧出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，故閥芯動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間延長，油路建壓時(shí)間變長，導(dǎo)致整體過速系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間延長。另一方面，液壓閥控制油口輸出壓力油的應(yīng)用方式對(duì)油路充油建壓有一定的延時(shí)影響。

此系統(tǒng)也存在一定缺陷，系統(tǒng)油管路一般通徑較小，復(fù)位時(shí)油管接通回油，管路內(nèi)容易存在空氣，當(dāng)液壓閥動(dòng)再次作后，壓力油進(jìn)入存有空氣的管路，易造成管路振動(dòng)甚至爆管現(xiàn)象。同時(shí)，導(dǎo)葉與圓筒閥各配置一純機(jī)械過速保護(hù)裝置，系統(tǒng)整體復(fù)雜冗余，維護(hù)難度和故障率都有所增加。

3 系統(tǒng)改造

針對(duì)存在的系統(tǒng)延時(shí)及冗余問題，對(duì)過速保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行改造。將純機(jī)械過速保護(hù)裝置液壓閥1改造為“復(fù)歸”時(shí)輸出壓力油，“動(dòng)作”接通回油。同時(shí)，將分別控制導(dǎo)葉、圓筒閥的兩個(gè)純機(jī)械過速裝置液壓閥合并為一套。

如圖3所示，對(duì)于導(dǎo)葉控制，當(dāng)機(jī)組過速時(shí)，離心飛擺動(dòng)作甩出后，液壓閥1動(dòng)作，輸出油源失壓，從而使機(jī)械過速滑閥控制腔失壓換向，機(jī)械過速滑閥1動(dòng)作，事故配壓閥控制腔接通回油失壓，而事故配壓閥恒壓腔一直通壓力油，事故配壓閥主活塞在壓差作用下切換到關(guān)機(jī)位，此時(shí)壓力油接通導(dǎo)葉關(guān)機(jī)腔，回油接通導(dǎo)葉開機(jī)腔，導(dǎo)葉接力器關(guān)閉，機(jī)組停機(jī)。

圖3 改造后過速保護(hù)系統(tǒng)液壓原理圖

對(duì)于圓筒閥控制，將圖2中液壓閥30更換為圖3中機(jī)械過速滑閥2，該閥控制腔油源直接采用導(dǎo)葉純機(jī)械過速裝置液壓閥1油源，與導(dǎo)葉純機(jī)械過速裝置形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。當(dāng)機(jī)組過速時(shí)，離心飛擺動(dòng)作甩出后，液壓閥1動(dòng)作，輸出油源失壓，從而使機(jī)械過速滑閥2控制腔失壓換向。接下來如圖2所示，壓力油從管路13到管路15經(jīng)梭閥39后至液壓換向閥7，并使其動(dòng)作換向，壓力油P2通過液壓換向閥接通A1，然后直接驅(qū)動(dòng)控制圓筒閥接力器的比例電磁閥動(dòng)作，使圓筒閥各接力器(6個(gè))動(dòng)作關(guān)閉圓筒閥，機(jī)組停機(jī)。

改造后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)測試，純機(jī)械過速保護(hù)裝置從飛擺動(dòng)作到導(dǎo)葉接力器開始動(dòng)作，過速系統(tǒng)正常響應(yīng)時(shí)間約為3 s。同時(shí)，圓筒閥系統(tǒng)動(dòng)作可靠，及時(shí)關(guān)閉。系統(tǒng)改造達(dá)到了預(yù)期目的。

4 結(jié) 語

純機(jī)械過速保護(hù)裝置作為機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，不涉及電氣控制回路，可保證機(jī)組在過速時(shí)快速關(guān)閉導(dǎo)葉、圓筒閥，有效防止飛逸事故的發(fā)生。設(shè)計(jì)制造出工作性能更可靠、維護(hù)更方便的機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)施工人員一直探索的問題。本文通過對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉、圓筒閥純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)研究分析，在改造后解決了系統(tǒng)關(guān)閉響應(yīng)延遲，簡化了系統(tǒng)，提高了設(shè)備動(dòng)作可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，為大型水電站機(jī)組的純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、改造提供了參考借鑒。