水輪發電機組過速保護裝置分析

瞿輝　王建飛

摘要：如果水輪發電機組因為突發事故的影響導致停機且水輪機的調速器無效，導葉片無法關閉，那么就可能會出現水輪發電機組的轉速明顯上升，達到飛逸轉速的范圍。為了能夠實現對機組出現過速情況的限制，增加相關的限速裝置，一旦水輪機調速器無效后，必須對導葉進行關閉操作。文章對水輪發電機組過速保護裝置進行了分析。

關鍵詞：水輪機；發電機組；調速器；過速保護裝置；導葉片 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK730 文章編號：1009-2374（2017）04-0123-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.063

1 概述

在水輪發電機組上安裝的過速環以及控制閥共同組成了水輪發電機組的機械過速保護裝置。該種過速保護裝置較為可靠，可以應用于各種樣式的水輪發電機組，一旦水輪發電機組出現轉速超出允許值的情況后，該裝置就會主動停機該機組。

2 機械過速保護裝置原理

2.1 結構原理

控制閥和過速環共同組成了機械過速保護裝置，該裝置的工作原理如下：水輪機大軸上安裝一齒圈，確保可以與機組運行狀況同步，齒圈上存在大量離心飛擺，通過彈簧予以控制，當機組的轉速正常時候，彈簧的壓力大于離心擺獲得的離心力，所以此時離心擺是被牢牢固定的，一旦機組開始超出允許值運轉，此時彈簧所產生的壓力就會明顯小于離心擺獲得離心力，此時離心擺壓縮彈簧向外甩出，從而撞擊到控制閥上面的撞塊，此時連接緊急停機閥的油路會被聯通，機組被停止運行，且向控制中心發出警告。

2.2 動作原理

行程開關、控制閥以及過速環這三個組成部分共同組成了機械過速保護裝置，其中過速環安裝的位置為水輪發電機組額大軸，其運行是與大軸同步的，如果機組在正常地運行，那么彈簧的彈力大于離心擺受到的離心力，所以可以保證其處于相對齒圈靜止的狀態，而且齒圈上面還有配重塊，其作用是確保齒圈能夠平穩運動，一旦水輪發電機組受到不正常操作或者是處于過速的狀態的話，那么離心擺受到的離心力就要大于彈簧形成的壓力，進而使得擺塊圍繞固定轉動中心擺動一個角度，讓其運轉的最大半徑有一個增值，在這個時候，擺塊會與控制閥的撞塊發生相撞，從而使得撞塊失去對控制閥芯的控制，閥芯被彈簧推動，從而使得緊急停機電路被聯通，進而使得機組的主配壓閥運行，完成停機，而且行程開關也會運行，發出停機信號，在此之后可以通過拉動手柄來手動啟動機組。

其中控制閥的組成部分是閥體、閥芯、撞塊、恢復手柄以及彈簧和行程開關，如果水輪發電機組的運行是正常的，那么此時閥芯是被撞塊頂住固定的，撞塊尖端距離離心擺外圓之間有一定的距離。如果水輪發電機組開始超速地運行，那么就會出現離心動作，一旦機組出現過速的情況，離心擺就會動作，離心擺外圓會被甩出，從而撞擊撞塊尖端，撞塊發生位移，無法控制閥芯，彈簧發生作用，從而推動閥芯快速移動，使得緊急停機油路被接通，進而停止機組運行，此時行程開關也會向控制中心發出機組被停機的信號，當通過手柄把閥芯和撞塊恢復到初始位置之后，機組就可以被重新啟動。

3 我廠機械過速保護裝置簡介

3.1 功能簡介

此次四號機新加裝的機械過速保護裝置為GC-150型機組過速限制裝置，具有電氣-液壓和機動-液壓雙重控制功能。除了能夠按照電站監控系統發出的信號關閉機組做保護措施之外，還可以在電站監控系統無效、調速器以及操作電源無效的時候，直接接收從機械液壓過速保護裝置中的機動換向閥發出的液壓控制信號，在水輪發電機組發生過速時，保護關閉機組，以保護設備安全、可靠。

GC-150型機組過速限制裝置在結構上采用二通插裝式液壓閥集成控制塊結構，通過精心設計的液壓系統、專用電液換向閥、二通插裝閥、控制蓋板和閥塊來實現保護關閉操作功能。該裝置液壓系統在一個閥塊上集中了所有的零部件，所以無論是安裝還是調試和維護都是非常省事的。

3.2 結構簡介

水輪發電機組上安裝的過速環、控制閥以及行程開關共同組成了機械過速保護裝置，確保當各種水輪發電機出現轉速高于允許值之后，會主動發出體積的信號，而且還會主動做出動作對機組進行停機操作。水輪發電機組安裝機械過速保護裝置后，可以確保水輪發電機組能夠在出現故障后依靠保護裝置保護自身不致損壞。目前絕大部分的水輪發電機組都已經應用了該種保護裝置。

液壓控制閥組液壓閥緊固圈機組過速限制裝置是由二通插裝閥，一個專用電液換向閥YV01（說明：YV01為雙電磁鐵、帶定位機構的專用電液換向閥），保護關閉時間調節裝置，測壓接頭、6個外接法蘭，2個外接管接頭等液壓元器件和閥塊組成。全部液壓元器件集中安裝在一個閥塊上，成為一個插裝集成式機組過速限制裝置。閥組上還配有安裝支架，用于整個閥組的安裝固定。機組過速限制裝置，有8個外接油口。通過操作機組過速限制裝置上的電液換向閥YV01，可完成對機組保護關閉操作。此外，機組過速限制裝置上，還設有微型測壓接頭，可用于在現場調試時，監測壓力油源、接力器開腔、接力器關腔、外控液壓信號等關鍵位置的壓力。

4 機組過速限制裝置操作、控制

機組過速限制裝置進行任何操作與控制時，必須按電站運行規范要求做好安全措施，以防止人員傷害事故的發生。機組過速限制裝置，可以通過3種方式實現對機組保護關閉操作。

4.1 純手動操作

手動操作機組過速限制裝置上電液換向閥YV01，完成對機組保護關閉操作。

4.1.1 關閉操作前提條件：（1）機組不在全關位置（具有一定開度，試驗時開啟到全開位置）；（2）專用電液換向閥YV01（雙線圈）處于復歸位置；（3）水輪機接力器鎖定在拔出位置。

4.1.2 手動保護關閉操作步驟：（1）手動將專用電液換向閥YV03（雙線圈）切換到投入位置，閥位強制換向，保護關閉系統投入，將機組保護關閉至全關位置；（2）機組保護關閉至全關位置時，若調速器主閥處于回中位置。此時，若手動將專用電液換向閥YV03（雙線圈）切換到復歸位置，接力器就恢復到調速器控制狀態。

4.2 純電氣操作

由機組監控系統的電氣信號，操作機組過速限制裝置上電液換向閥YV01，完成對機組保護關閉操作。

4.2.1 開啟操作前提條件。滿足機組保護關閉流程條件，但以下是必須條件：（1）機組不在全關位置（具有一定開度，試驗時開啟到全開位置）；（2）專用電液換向閥YV01（雙線圈）處于復歸位置；（3）水輪機接力器鎖定在拔出位置。

4.2.2 電動保護關閉操作步驟。（1）專用電液換向閥YV01（雙線圈）投入線圈瞬時通電（維持2S后自動將投入線圈電源切除），閥位強制換向，保護關閉系統投入，將機組保護關閉至全關位置；（2）機組保護關閉至全關位置時，若調速器主閥處于回中位置。此時，若電動將專用電液換向閥YV03（雙線圈）切換到復歸位置，接力器就恢復到調速器控制狀態。

4.3 純液壓關閉操作

由機械液壓過速保護裝置機動換向閥的液壓控制信號，完成對機組保護關閉操作。在機組過速限制裝置投入運行后，若發生機組保護關閉，必須查找出事故原因，并將事故排除，采用手動方式復歸機組過速限制裝置。

機械液壓過速保護裝置機動換向閥的液壓控制信號，來控制機組保護關閉。在機組過速限制裝置上，設有外控油口X0。正常狀態下（即機械液壓過速保護裝置未動作），外控油口X0是通過機械液壓保護裝置的機動換向閥與壓力油源相連接，即外控油口X0處于有壓狀態。當水輪發電機組過速時，機械液壓保護裝置動作后，機動換向閥閥位發生切換，外控油口X0通過機動換向閥與回油相通，此時無論筒形閥處于何位置，機組過速限制裝置會自動將機組關閉，實現機械液壓過速保護關閉機組的目的。外控油口X0是來自機組機械液壓過速保護裝置控制液壓信號接入，液壓控制系統能夠在該液壓信號控制下，可靠關閉機組。

機械液壓過速保護裝置，其機動換向閥的液壓控制信號，動作方式如圖1所示：

說明：①接回油箱；②接壓力油源；③液壓控制信號，提供給筒形閥液壓控制系統；④機動換向閥；⑤離心飛擺；⑥水輪機大軸機動換向閥動作前，油口P與A相通，油口T接回油，機動換向閥動作后，油口A與T相通排油，油口P封堵住。漫灣機組過速保護系統與筒形閥液壓控制系統改造，在調速器液壓系統與筒形閥液壓系統之間，設計有一個隔離閥YQV02，其目的是將兩個液壓系統完全隔離，防止兩個液壓系統之間相互竄油。

5 機組過速限制裝置時間調節控制

在機組過速限制裝置上，設置有保護關閉時間調節裝置，用于機組保護關閉過程時間調節。機組保護關閉時間，應當嚴格按照水輪機水力調保計算的有關技術要求設定，此次機組過速限制裝置上的時間整定值為7s，實際整定值為7.02s。

6 安裝

6.1 安裝系統功能描述

本系統包括兩個主要部件——安裝在水輪機主軸上的緊固圈（含過速擺）和液壓閥（帶電器限位開關）。安裝時要求緊固圈上的過速擺和液壓閥觸動臂的安裝間距（徑向）必須嚴格控制為3mm。

6.2 安裝注意事項

6.2.1 在安裝前必須先將緊固圈內表面上的防銹保護油清除干凈。

6.2.2 安裝液壓閥時其安裝螺栓不要完全緊固，便于后面調整，安裝時要求液壓閥中心高度與過速擺柱塞在同一高度，同時液壓閥軸線與主軸中心線重合。

6.2.3 在緊固連接兩個半法蘭盤緊固圈的8顆螺栓前，檢查并確保緊固圈法蘭與配重塊及過速擺之間每側

均有1～2mm的間隙，以確保緊固圈能預緊安裝在主軸上。

6.2.4 將液壓閥安裝在其支架上，檢查并確保液壓閥觸動臂與過速擺柱塞之間徑向間距為3mm之后緊固液壓閥安裝螺栓。

6.2.5 根據系統設計連接相應的液壓油管路和電氣接線。

6.2.6 機組過速限制裝置開箱、檢查機組過速限制裝置在工廠內已裝配，并經過調整試驗，以整體包裝運輸至工地。在工地開箱安裝時，機組過速限制裝置工地不要求解體，但需仔細檢查各管道接口內有無異物、堵塞，若有，需仔細清除；同時檢查各螺栓有無松動，若有，請把合緊固。

6.3 調試

機組過速限制裝置安裝、配管及對外連接完畢，并對機組過速限制裝置、調速系統進行全面調試，試驗合格后，方可以投入使用。機組過速限制裝置設計成集成式，其機械部分不需要特別調試，調試工作量主要集中在液壓、電氣與監控系統聯合調試上。主要調試工作是系統功能、關機時間調試，與LCU控制流程調試。

6.4 運行

調速器液壓系統投入運行前，應檢查系統壓力、油位、油溫、電壓等是否正常。油溫會影響油液的粘度，進而影響液壓系統的工作性能。電加熱器不能對系統的油液進行均勻加熱，而當油液循環不充分時，會造成加熱器附近的油液被烤焦而出現析碳現象，析出的碳會影響系統的性能、加劇液壓閥的磨損。因此投運前油溫偏低時應采用油泵循環打油的方式對油液進行加熱，以獲得系統一致的油溫。

7 機組過速限制裝置維護

水輪發電機組的限速裝置屬于全液壓集成系統，屬于模塊化的結構，閥塊集成了所有的液壓模塊，而且在閥塊內，其中具有較大尺寸的流道，具有較強的流通能立，所以液壓系統在限速裝置狀態正常時所需要的維護工作量極少。

7.1 日常維護

對于限速保護裝置的日常維護中需要清掃其中的灰塵，確保液壓系統清潔，此外還需要對油液的清潔度進行定期的檢查，確保其能夠符合ISO標準16/13。此外設備在運行的過程中，需要對系統壓力以及油溫進行監控，確保其處于合理的范圍之內，當機組運行了一段時間之后，需要重點對元件和端子的固定螺絲進行檢查，確保不會因為松動而導致接觸不良的情況發生，從而阻礙了機組的安全運行。如果限速保護裝置尚未啟用，需要在各液壓元件中灌注清潔的L-TSA46號汽輪機油，未噴漆的加工表面涂上潤滑脂，以防止生銹。管接頭孔應堵住、以防止灰塵和臟物進入內部。

7.2 機組過速限制裝置及其元件維護

如果對閥塊進行拆卸，需要確保其O形密封圈沒有老化發硬且完好，再重新組裝，否則需要對其立即進行更換。想要確保可靠密封，就需要正確的使用O形密封圈，在裝配的過程中需要確保每一個密封墊密封圈的規格都是正確的，密封圈必須能夠完全放入溝槽，如果閥塊或者是液壓元件在部分密封圈的上面，可以適當涂抹黃油在溝槽內，對其進行粘貼，所有的密封面都必須清理干凈，每顆螺絲也都需要均勻用力，確保密封面被壓緊。

8 結語

這種機械過速保護裝置結構簡單、安裝方便、動作準確，應用于水輪發電機組中，能保證水輪發電機組在各種異常情況下都能有效地防止過速飛車的事故發生，保證了水輪發電機組長期安全、可靠地運行。

參考文獻

[1] 東方電機控制設備有限公司.GC-150型機組過速限制裝置使用說明書[S].

作者簡介：瞿輝（1979-），男，湖北利川人，葛洲壩集團機電建設有限公司技師，研究方向：水輪發電機。

（責任編輯：小 燕）