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)電機機組純機械過速保護系統(tǒng)作為機組發(fā)生過速時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，在實踐中不斷研究、探索優(yōu)化純機械過速保護系統(tǒng)，設(shè)計制造工作性能更可靠、維護更方便的機組純機械過速保護系統(tǒng)具有重要意義[1-4]。

1.1 設(shè)備概況

某電站裝設(shè)6臺單機容量600 MW混流式機組。其中3臺機組水輪機(型號HLF600A-LJ-6200)由亞洲通用設(shè)備有限公司設(shè)計和制造。機組裝設(shè)有圓筒閥，圓筒閥安裝于機組活動導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉之間，關(guān)機時可作為截斷閥使用，圓筒閥關(guān)閉時可有效減小機組漏水量，減小狹縫射流對導(dǎo)葉的間隙空蝕和轉(zhuǎn)輪葉片磨蝕。圓筒閥開啟時位于水輪機座環(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)的離心式純機械過速保護裝置。

1.2 純機械過速保護動作原理

水輪機調(diào)速器通過接力器調(diào)節(jié)活動導(dǎo)葉開度實現(xiàn)水輪機流量調(diào)整，進而調(diào)整機組轉(zhuǎn)速。調(diào)速器一般都具有緊急停機功能，一般情況下機組發(fā)生過速時(達到過速設(shè)定值)，自動監(jiān)控系統(tǒng)采集到轉(zhuǎn)速信號后會下發(fā)緊急停機動作指令，緊急停機電磁閥動作，從而驅(qū)動主配壓閥動作關(guān)閉活動導(dǎo)葉。為了避免緊急停機功能失效(主配壓閥發(fā)卡、控制油路堵塞等異常)，調(diào)速系統(tǒng)一般也會設(shè)置一套事故配壓閥(過速限制器)。同時，為防止調(diào)速器緊急停機電磁閥和事故配壓閥電同時故障(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)還會配置一套純機械過速保護裝置，動作優(yōu)先級別高于電磁閥。

常采用的純機械過速保護裝置為離心式，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)安裝于水輪機軸或發(fā)電機軸下部。當機組轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時離心飛擺柱塞在離心力作用下被甩出，觸發(fā)脫扣器液壓閥動作，液壓閥內(nèi)部油路切換，從而控制事故配壓閥動作關(guān)閉導(dǎo)葉接力器或圓筒閥接力器動作關(guān)閉圓筒閥，實現(xiàn)機組停機。

圖1為機組導(dǎo)葉過速保護系統(tǒng)液壓原理圖，該系統(tǒng)包含離心式純機械過速保護裝置、液動換向閥、滑閥式事故配壓閥(含一個兩位四通電液換向閥作為事故停機電磁閥)。純機械過速保護裝置在“復(fù)歸”狀態(tài)下，P3截止，A3與T3接通。在“動作”狀態(tài)下，P3與A3接通，T3截止。

圖1 機組導(dǎo)葉過速保護系統(tǒng)液壓原理圖

機組發(fā)生過速時，離心飛擺動作后引起純機械過速液壓閥換向，A3與P3接通，X1通壓力油，機械過速液動換向閥換向，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)機位，P1與導(dǎo)葉接力器關(guān)機腔接通，T1與導(dǎo)葉接力器開機腔接通，A1和B1截止，導(dǎo)葉接力器(2個)動作，機組停機。

圖2為機組圓筒閥過速保護系統(tǒng)液壓原理圖，該過速保護系統(tǒng)包含一套離心式純機械過速保護裝置、液動換向閥、梭閥。純機械過速保護裝置在“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 圓筒閥過速保護系統(tǒng)液壓原理圖

機組過速時，離心飛擺動作甩出后，純機械過速液壓閥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，并使其動作換向，壓力油P2通過液壓換向閥接通A1，然后直接驅(qū)動控制圓筒閥接力器的比例電磁閥動作，使圓筒閥各接力器(6個)動作關(guān)閉圓筒閥，機組停機。

2 存在的問題

該電站純機械過速保護系統(tǒng)自2009年陸續(xù)投運，事故配壓閥總體運行情況良好，但純機械過速保護裝置響應(yīng)時間逐漸延長(從飛擺動作到導(dǎo)葉接力器開始動作)，2015年時已從最初的3 s逐漸延長至25～37 s(3臺機組)。

后經(jīng)檢查測試，更換純機械過速保護裝置的液壓閥后響應(yīng)時間縮短為3.2 s?？梢耘袛嘌訒r主要由純機械過速保護裝置液壓閥引起，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，故閥芯動作響應(yīng)時間延長，油路建壓時間變長，導(dǎo)致整體過速系統(tǒng)響應(yīng)時間延長。另一方面，液壓閥控制油口輸出壓力油的應(yīng)用方式對油路充油建壓有一定的延時影響。

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)位時油管接通回油，管路內(nèi)容易存在空氣，當液壓閥動再次作后，壓力油進入存有空氣的管路，易造成管路振動甚至爆管現(xiàn)象。同時，導(dǎo)葉與圓筒閥各配置一純機械過速保護裝置，系統(tǒng)整體復(fù)雜冗余，維護難度和故障率都有所增加。

3 系統(tǒng)改造

針對存在的系統(tǒng)延時及冗余問題，對過速保護系統(tǒng)進行改造。將純機械過速保護裝置液壓閥1改造為“復(fù)歸”時輸出壓力油，“動作”接通回油。同時，將分別控制導(dǎo)葉、圓筒閥的兩個純機械過速裝置液壓閥合并為一套。

如圖3所示，對于導(dǎo)葉控制，當機組過速時，離心飛擺動作甩出后，液壓閥1動作，輸出油源失壓，從而使機械過速滑閥控制腔失壓換向，機械過速滑閥1動作，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)機位，此時壓力油接通導(dǎo)葉關(guān)機腔，回油接通導(dǎo)葉開機腔，導(dǎo)葉接力器關(guān)閉，機組停機。

圖3 改造后過速保護系統(tǒng)液壓原理圖

對于圓筒閥控制，將圖2中液壓閥30更換為圖3中機械過速滑閥2，該閥控制腔油源直接采用導(dǎo)葉純機械過速裝置液壓閥1油源，與導(dǎo)葉純機械過速裝置形成并聯(lián)結(jié)構(gòu)。當機組過速時，離心飛擺動作甩出后，液壓閥1動作，輸出油源失壓，從而使機械過速滑閥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，并使其動作換向，壓力油P2通過液壓換向閥接通A1，然后直接驅(qū)動控制圓筒閥接力器的比例電磁閥動作，使圓筒閥各接力器(6個)動作關(guān)閉圓筒閥，機組停機。

改造后對系統(tǒng)進行聯(lián)動測試，純機械過速保護裝置從飛擺動作到導(dǎo)葉接力器開始動作，過速系統(tǒng)正常響應(yīng)時間約為3 s。同時，圓筒閥系統(tǒng)動作可靠，及時關(guān)閉。系統(tǒng)改造達到了預(yù)期目的。

4 結(jié) 語

純機械過速保護裝置作為機組過速保護系統(tǒng)中的重要設(shè)備，其動作準確可靠，不涉及電氣控制回路，可保證機組在過速時快速關(guān)閉導(dǎo)葉、圓筒閥，有效防止飛逸事故的發(fā)生。設(shè)計制造出工作性能更可靠、維護更方便的機組過速保護系統(tǒng)是設(shè)計施工人員一直探索的問題。本文通過對水輪發(fā)電機組導(dǎo)葉、圓筒閥純機械過速保護系統(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)備動作可靠性，在實際應(yīng)用中效果良好，為大型水電站機組的純機械過速保護系統(tǒng)設(shè)計、改造提供了參考借鑒。