方仲超,楊繼承

(寶珠寺水力發(fā)電廠，四川省廣元市 628003)

0 前 言

寶珠寺水電站位于四川省廣元市境內(nèi)，水電站安裝4 臺(tái)由東方電機(jī)廠制造的半傘式水輪發(fā)電機(jī)組。水電站自投產(chǎn)以來，由于歷史原因僅有2號(hào)機(jī)組設(shè)置了純機(jī)械過速保護(hù)，其余3臺(tái)機(jī)組過速保護(hù)均采用了2級(jí)過速保護(hù)，且均為電氣控制的保護(hù)，不滿足相關(guān)反措和安全標(biāo)準(zhǔn)化的要求。針對(duì)該隱患，水電站技術(shù)人員多次咨詢?cè)O(shè)計(jì)方和廠商，根據(jù)調(diào)速器液壓設(shè)計(jì)回路及調(diào)速器各部件的現(xiàn)場(chǎng)布置，在現(xiàn)有的調(diào)速器結(jié)構(gòu)不作大幅度調(diào)整的情況下，增設(shè)了純機(jī)械過速裝置，滿足了水電站在失去電源的情況下，能夠自動(dòng)關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的功能[1]，提高了過速保護(hù)系統(tǒng)各元器件動(dòng)作的準(zhǔn)確性、靈活性，使得機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)更加完善、可靠。

1 原有過速保護(hù)系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及動(dòng)作原理

寶珠寺水電站原過速保護(hù)系統(tǒng)由調(diào)速器、SP事故配壓閥、測(cè)壓接頭、測(cè)速元件、外接管路接頭、液壓元器件、機(jī)組LCU及相關(guān)邏輯和相關(guān)控制回路組成。其中調(diào)速器由東方電機(jī)廠提供，其型號(hào)為HGS-H21；SP事故配壓閥由西安江河電站技術(shù)開發(fā)有限公司提供，額定工作油壓為4.0 MPa，水平安裝。事故配壓閥主要由主閥體、主活塞、恒壓控制端組件、控制腔端蓋以及事故停機(jī)電磁閥組成[2]。

事故配壓閥是一個(gè)二位六通閥，有8 個(gè)外接油口，其中5個(gè)油口分別通過法蘭與調(diào)速系統(tǒng)的管路進(jìn)行連接；其余3個(gè)接口通過外接接頭連接，X0為控制系統(tǒng)接口。圖1為事故配壓閥處于“復(fù)歸”狀態(tài)，控制接口X0為有壓狀態(tài)，調(diào)速器主配壓閥油管A1、A2分別與接力器管路B1、B2為連通狀態(tài)，導(dǎo)葉接力器的開、關(guān)操作由調(diào)速器控制，事故配壓閥僅作為調(diào)速器主配壓閥操作油的通道。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷、調(diào)速器發(fā)生事故拒動(dòng)后，轉(zhuǎn)速急速升高，避免事態(tài)擴(kuò)展，需緊急關(guān)閉導(dǎo)葉接力器，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到過速保護(hù)設(shè)定時(shí)，電磁換向閥動(dòng)作1YF動(dòng)作，油路發(fā)生切換，壓力油P與B接通，A接口與回油接通，液壓閥2YF與事故配壓閥控制油口X0同時(shí)失壓，2YF在下端壓力的作用下向上部移動(dòng)，事故配壓閥在壓力的作用下向左滑動(dòng)，此時(shí)來自調(diào)速器液壓油接通接力器關(guān)閉腔B1，接力器開啟腔B2經(jīng)接通回油，作用接力器緊急關(guān)閉調(diào)速器[3-7]。

圖1 原有機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)油路液壓原理圖

寶珠寺水電站原有的過速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)有115%額定轉(zhuǎn)速+主配壓閥拒動(dòng)或停機(jī)過程中+剪斷銷剪斷+轉(zhuǎn)速>115%Ne構(gòu)成的一級(jí)保護(hù)，140%額定轉(zhuǎn)速為二級(jí)保護(hù)。機(jī)組的轉(zhuǎn)速測(cè)量方式主要是永磁機(jī)測(cè)頻和磁盤測(cè)頻2種方式，磁盤安裝在永磁機(jī)上部，永磁機(jī)通過萬向節(jié)與主軸連接，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，永磁機(jī)與磁盤同時(shí)檢測(cè)機(jī)組轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速輸出為電壓信號(hào)至轉(zhuǎn)速繼電器，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過115%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，一級(jí)過速繼電器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)調(diào)速器事故停機(jī)電磁閥動(dòng)作，快速關(guān)閉導(dǎo)葉，從而實(shí)現(xiàn)停機(jī)；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過140%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，二級(jí)過速繼電器動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)調(diào)速器事故配壓閥電磁閥動(dòng)作，快速關(guān)閉導(dǎo)葉的同時(shí)，關(guān)閉快速閘門，在確保發(fā)電機(jī)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)安全條件下，達(dá)到快速停機(jī)目的，過速保護(hù)動(dòng)作流程如圖2、3所示。

圖2 一級(jí)過速保護(hù)動(dòng)作流程圖

1.2 系統(tǒng)存在的安全隱患

(1) 測(cè)速裝置的可靠性和安全性難以滿足要求：測(cè)速系統(tǒng)作為判斷過速的重要元件，由于機(jī)組在設(shè)計(jì)過程考慮不周，磁盤安裝在永磁機(jī)上，隨著永磁機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，永磁機(jī)與主軸連接件萬向節(jié)出現(xiàn)軸承損壞等現(xiàn)象。當(dāng)永磁機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致機(jī)組的測(cè)速環(huán)節(jié)失靈，測(cè)速系統(tǒng)的雙冗余失效，機(jī)組在失去轉(zhuǎn)速信號(hào)后，導(dǎo)致機(jī)組被迫停機(jī)。以上現(xiàn)象在寶珠寺電廠4臺(tái)機(jī)組均出現(xiàn)，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[8]。

(2) 未能實(shí)現(xiàn)真正的機(jī)械過速：原過速保護(hù)系統(tǒng)均屬于電氣過速保護(hù)，快速關(guān)閉導(dǎo)葉的指令執(zhí)行都必須是在有電的前提下才能完成，并不是真正意義的純機(jī)械過速器。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷過程中又有全水電站失電事故發(fā)生，此時(shí)機(jī)組過速將無法控制，事故的后果是難以想象的。

圖3 二級(jí)過速保護(hù)動(dòng)作流程圖

2 純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)的改造

2.1 總體方案

為消除原過速保護(hù)系統(tǒng)存在的安全隱患，提升機(jī)組運(yùn)行過程中的安全、可靠性，決定保留原有的電氣二級(jí)過速保護(hù)外，增設(shè)1套純機(jī)械過速保護(hù)裝置，轉(zhuǎn)速動(dòng)作值為150%的額定轉(zhuǎn)速，該裝置能保證在全廠失電的情況下，轉(zhuǎn)速到達(dá)150%的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，依然可以動(dòng)作事故配壓閥，迅速切換油路操作關(guān)閉導(dǎo)葉，從而使機(jī)組的過速得到控制。對(duì)機(jī)組的測(cè)速部件進(jìn)行改造，選用技術(shù)成熟、功能先進(jìn)、測(cè)速準(zhǔn)確的光電測(cè)速部件，使得測(cè)速環(huán)節(jié)更加安全、可靠。由于設(shè)備選型及到貨原因，此次改造僅限于機(jī)械過速系統(tǒng)改造。

2.2 純機(jī)械過速部件安裝

寶珠寺水電站采用了ALSTOM公司DEVSS系列純機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置，由離心探測(cè)器、脫扣器、配壓閥、過速保護(hù)切換閥、安裝附件組成，離心探測(cè)器選擇在便于安裝及維護(hù)的發(fā)電機(jī)下端軸上，此安裝部位可以方便安裝且不影響其他部位的工作。同時(shí)脫扣器和換向閥通過安裝支架固定在下機(jī)架的上平面上，可以方便螺栓的拆卸和安裝。在安裝離心探測(cè)器過程中，調(diào)整離心探測(cè)器與脫扣器的距離為1.5 mm，檢查轉(zhuǎn)環(huán)把合間隙調(diào)整到位，支架與脫扣器安裝牢固，各油管路連接正確、無滲漏現(xiàn)象[9]。

2.3 液壓系統(tǒng)的改造

圖4 純機(jī)械液壓過速保護(hù)原理圖

圖4為純機(jī)械過速保護(hù)裝置液壓原理。在原液壓圖上增設(shè)1個(gè)二位三通的方向閥，此液控單向閥受事故電磁閥和機(jī)械過速保護(hù)閥的控制，無論是過速電磁閥還是機(jī)械過速保護(hù)閥的動(dòng)作，都可以使得事故配壓閥動(dòng)作，作用于事故停機(jī)。改造后，原一級(jí)、二級(jí)過速流程保持不變，依然通過電磁配壓閥動(dòng)作、油路切換、事故配壓閥動(dòng)作、壓力油直接進(jìn)入導(dǎo)葉關(guān)閉腔，將導(dǎo)葉關(guān)閉。當(dāng)一級(jí)、二級(jí)過速失效，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，探測(cè)器柱塞克服預(yù)緊力向外運(yùn)動(dòng)，當(dāng)向外的運(yùn)動(dòng)量達(dá)到或大于飛擺與脫扣器觸發(fā)機(jī)構(gòu)的間隙時(shí)，觸動(dòng)觸發(fā)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而帶動(dòng)液壓閥組切換工作油路，機(jī)械過速行程閥閥芯左移，液壓閥上部與排油接通，液壓閥在下端壓力的作用下，向上移動(dòng)，此時(shí)無論原一級(jí)、二級(jí)過速保護(hù)系統(tǒng)電磁閥處于何種狀態(tài)，壓力油作用事故配壓閥動(dòng)作，關(guān)閉導(dǎo)葉接力器，實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。機(jī)組停機(jī)后，脫扣器仍然保持動(dòng)作后狀態(tài)，需要手動(dòng)復(fù)歸[9]。

考慮到電氣過速保護(hù)技術(shù)已經(jīng)很成熟，本次未對(duì)電氣過速保護(hù)部分進(jìn)行修改；即測(cè)速單元采用2只測(cè)速探頭，一路永磁機(jī)轉(zhuǎn)速繼電器測(cè)速，邏輯上采用“三取二”控制原理，一、二級(jí)過速保護(hù)開出采用LCU邏輯控制和水機(jī)保護(hù)常規(guī)回路開出。

3 純機(jī)械過速保護(hù)裝置調(diào)試試驗(yàn)

過速保護(hù)系統(tǒng)改造后，為了驗(yàn)證純機(jī)械過速保護(hù)裝置的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，在管路和設(shè)備安裝完畢后，將機(jī)械過速保護(hù)信號(hào)動(dòng)作事故停機(jī)流程節(jié)點(diǎn)解除。將壓油裝置調(diào)壓到油壓可以操作接力器動(dòng)作即可，操作接力器完成2次以上的全行程動(dòng)作，確認(rèn)各液壓管路無滲漏，將油壓調(diào)至額定油壓，操作接力器至全開位置，手動(dòng)機(jī)械過速保護(hù)脫扣器，事故配壓閥動(dòng)作，關(guān)閉時(shí)間為7.1 s，滿足調(diào)保計(jì)算要求。同時(shí)對(duì)調(diào)速器開機(jī)時(shí)間、調(diào)速器零點(diǎn)漂移進(jìn)行校驗(yàn)，均滿足要求。然后將動(dòng)作事故停機(jī)流程接點(diǎn)恢復(fù)，進(jìn)行機(jī)械過速保護(hù)啟動(dòng)事故停機(jī)流程試驗(yàn)[10]。

在第1臺(tái)機(jī)組改造完成后，在實(shí)際調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)在復(fù)歸電磁閥過程中，有部分壓力油通過回油管上竄至調(diào)速器機(jī)械柜處，通過深入地分析液壓系統(tǒng)圖，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際的施工過程中，將單項(xiàng)閥的回油管與漏油箱管路接通，在復(fù)歸過程中，液壓閥與事故配壓閥處的高壓油通過單向閥排至漏油管，漏油管直徑較小，無法及時(shí)排油，導(dǎo)致漏油管暫時(shí)帶壓，致使部分壓力油調(diào)速器機(jī)械柜漏油孔“噴出”，嚴(yán)重影響調(diào)速器的安全生產(chǎn)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)管路布置見圖5。

圖5 純機(jī)械液壓過速保護(hù)原理圖

為了處理該異?，F(xiàn)象，同時(shí)便于過速限制器裝置的檢修，分別在保護(hù)裝置P口管路上裝設(shè)1個(gè)進(jìn)油閥1、在A出口處增設(shè)閥門2、在卸載閥排油管至調(diào)速器漏油管處增設(shè)閥門3。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，有效地調(diào)整閥門開度，達(dá)到了過速保護(hù)裝置切除檢修又不影響機(jī)組正常運(yùn)行的目的，同時(shí)也有效地杜絕了電磁閥復(fù)歸后的噴油狀況。

由于受到現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，未能進(jìn)行廠內(nèi)原型過速試驗(yàn)，只是人為動(dòng)作液壓換向閥的觸動(dòng)臂驗(yàn)證事故配壓閥的動(dòng)作情況，加之純機(jī)械過速保護(hù)是原有二級(jí)過速保護(hù)的后備保護(hù)，在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中尚未發(fā)生失效導(dǎo)致純機(jī)械過速保護(hù)動(dòng)作的情況，因此該裝置的實(shí)際動(dòng)作情況，待機(jī)組大修后，進(jìn)一步來驗(yàn)證。

4 結(jié) 語

通過本次改造，達(dá)到了預(yù)期改造目的，使機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)一步完善，消除了安全隱患，提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。本次成功的經(jīng)驗(yàn)，也可為中國(guó)同時(shí)期同類型機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)升級(jí)改造提供依據(jù)和參考。

參考文獻(xiàn):

[1] 國(guó)家能源局.水電廠自動(dòng)化元件及其系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)與檢修規(guī)程：DL/T 619-2012[S].北京:中國(guó)電力出版社, 2012.

[2] 西安江河電站技術(shù)開發(fā)有限責(zé)任公司.SGP集成事故配壓閥說明書[Z/OL]. (2012-05-19)[2018-01.11]. http://www.docin.com/p-405087560.html .

[3] 袁靜, 胡森.水電站調(diào)速器事故配壓閥誤動(dòng)作原因分析與處理[J].人民長(zhǎng)江，2014,45(11)：71-72.

[4] 劉聰.機(jī)械液壓保護(hù)系統(tǒng)在水電站中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2014(11)：10-11.

[5] 王漢超, 郭超.水輪發(fā)電機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究[J].人民長(zhǎng)江，2015,46(21)：80-81.

[6] 劉青，王聲國(guó).6.3MPa油壓等級(jí)的過速限制及兩段關(guān)閉裝置設(shè)計(jì)[J]. 東方電機(jī)，1999，41(4)：37-40.

[7] 楊星海.水電站純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)的接入經(jīng)驗(yàn)[G]//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)第十九次中國(guó)水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論論文集.大連：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社.

[8] 武漢安施通電氣有限公司.ALSTOM機(jī)械過速保護(hù)裝置說明書[Z/OL].(2012-11-20)[2018-01.11]. http://www.docin.com/p-532143296.html.

[9] 文興全.長(zhǎng)湖水電廠過速保護(hù)系統(tǒng)改造[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2016(39)：36-37.