鳳灘水力電廠純機(jī)械過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

彭輝

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)主要是由事故配壓閥和純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置組成。在機(jī)組發(fā)生過(guò)速時(shí)，避免水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生飛逸現(xiàn)象。因此，過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的安全。本文結(jié)合鳳灘電廠水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，以及過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)了一種能適合大中型水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)技術(shù)改造方案，為大中型水電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或升級(jí)改造提供參考與借鑒。

Abstract： The over-speed protection system of hydro-generator sets is mainly composed of accident valve and pure mechanical over-speed protection device， which can avoid the occurrence of hydropower generating units flying phenomenon when over-speed occurs in the unit. Therefore， the quality of the over-speed protection system design is directly related to the safety of the unit operation. Based on the practical application of the over-speed protection system of the hydroelectric generating unit of Fengtan Power Plant and the design principle of the over-speed protection system， this paper designs a technical transformation scheme suitable for the over-speed protection system of large and medium-sized hydroelectric generating unit， which provides reference for the design or upgrading of the over-speed protection system of the hydropower station unit.

關(guān)鍵詞：純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置；技術(shù)改造；水輪發(fā)電機(jī)組

Key words： pure mechanical over speed protection device；technical transformation；hydroelectric generating set

中圖分類(lèi)號(hào)：TM621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0113-03

1 概述

鳳灘電廠2×200MW機(jī)組設(shè)置有純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置，純機(jī)械過(guò)速保護(hù)器由天津阿爾斯通提供，采用瑞典圖拉博（TURAB）原裝進(jìn)口純機(jī)械液壓式保護(hù)器，安裝在上端軸與轉(zhuǎn)子連接部分，與東方電機(jī)廠提供的6.3MPa油壓等級(jí)的過(guò)速限制及兩段關(guān)閉裝置配合使用，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速超過(guò)150%（187.5rpm）時(shí)，過(guò)速保護(hù)器柱塞擺動(dòng)作，接通通油路直接作用于過(guò)速限制及兩段關(guān)閉裝置內(nèi)設(shè)的油壓電磁閥，使接力器關(guān)腔與油壓接通，開(kāi)腔直接排油，起到關(guān)閉導(dǎo)葉作用。

鳳灘電廠另有4×100MW機(jī)組在安裝時(shí)未設(shè)有純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置。根據(jù)《國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)電廠重大反事故措施》為防止水輪發(fā)電機(jī)組事故，要求設(shè)置完善的停機(jī)過(guò)程剪斷銷(xiāo)剪斷、調(diào)速系統(tǒng)低油壓、電氣和機(jī)械過(guò)速等保護(hù)裝置。考慮到原設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有純機(jī)組過(guò)速保護(hù)裝置，需對(duì)增設(shè)純機(jī)械保護(hù)裝置設(shè)備的安裝位置、調(diào)速系統(tǒng)管路、布置結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)尺寸等進(jìn)行技術(shù)改造。

2 機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)介紹

水輪機(jī)調(diào)速器調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速的原理是通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度的大小來(lái)改變水輪機(jī)過(guò)水流量。通常調(diào)速器包含1 個(gè)或2個(gè)緊急停機(jī)電磁閥，具有緊急停機(jī)功能，在實(shí)際運(yùn)行中若機(jī)組存在過(guò)速問(wèn)題，那么監(jiān)控系統(tǒng)就能夠及時(shí)的檢測(cè)到，并及時(shí)將檢測(cè)結(jié)果傳遞給調(diào)速器，而調(diào)速器接收到檢測(cè)結(jié)果后就會(huì)給緊急停機(jī)電磁閥下達(dá)動(dòng)作指令，之后控制主配壓閥就會(huì)做出相應(yīng)的關(guān)閉導(dǎo)葉接力器的動(dòng)作。實(shí)踐中由于調(diào)速器有可能會(huì)出現(xiàn)失控的情況，為避免該情況的出現(xiàn)，應(yīng)在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置一套過(guò)速限制器（事故配壓閥）。

由于調(diào)速器和事故配壓閥都依賴(lài)于電源才能發(fā)揮作用，為避免水電站廠出現(xiàn)異常事故失去電源，而造成的調(diào)速器失靈，應(yīng)設(shè)置一套不依賴(lài)電源的純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置，確保調(diào)速器在失去電源的情況下也能夠發(fā)揮作用。

事故配壓閥既由事故停機(jī)電磁閥控制，也由純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置控制，兩者之間是相互獨(dú)立的，其中優(yōu)先級(jí)更高的是純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置動(dòng)作。事故配壓閥是一個(gè)2位6通閥，主要有滑閥式和插裝閥式兩種結(jié)構(gòu)型式，具體如下：

①滑閥式事故配壓閥。其組成部分包括主活塞、恒壓控制端組件、事故停機(jī)電磁閥、控制腔端蓋、主閥體等。

②插裝閥式事故配壓閥。其組成部分包括4個(gè)2通插裝閥組件及控制端蓋、事故電磁閥、閥體等。事故配壓閥有兩個(gè)工作位置，即“動(dòng)作”位和“復(fù)歸”。如圖1所示：P接壓力油，T接回油，A1接主配壓閥開(kāi)機(jī)腔，A2接導(dǎo)葉接力器開(kāi)機(jī)腔，B1接主配壓閥關(guān)機(jī)腔，B2接導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔。

分析圖1發(fā)現(xiàn)，事故配壓閥在“動(dòng)作”狀態(tài)時(shí)，A1和B1油口截止，P1接通B2，T1接通A2，此時(shí)調(diào)速器控制油口被截止，導(dǎo)葉接力器不受調(diào)速器控制，事故配壓閥直接關(guān)閉導(dǎo)葉接力器；事故配壓閥在“復(fù)歸”狀態(tài)下，A1接通A2，B1接通B2，P1和T1油口截止，此時(shí)調(diào)速器控制著開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉接力器，事故配壓閥為通路。

目前水輪發(fā)電機(jī)組常用的是離心式純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置，該裝置液壓控制油路接通事故配壓閥、貫流式機(jī)組用的多項(xiàng)裝置，比如蝶閥控制裝置、機(jī)組工作門(mén)控制裝置、重錘關(guān)閉裝置等。離心式純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置組成部分包括脫扣器液壓閥、離心飛擺、安裝環(huán)及配重塊等。其原理是當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到離心飛擺整定值時(shí)，離心飛擺柱塞就會(huì)被甩出，使脫扣器液壓閥動(dòng)作，切換輸出油路，事故配壓閥就會(huì)接收到動(dòng)作命令，關(guān)閉導(dǎo)葉接力器。

觀察圖1可知，純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置的控制閥是一個(gè)2位3通方向閥，該閥有2種應(yīng)用方式。

①較為常用的是第1種方式，由圖1可以看出：壓力油口是P4，回油口是T4，控制油口是A4；在 “動(dòng)作”狀態(tài)下，P4截止，A4接通T4；在“復(fù)歸”狀態(tài)下，P4接通A4，T4截止。

②較少采用的是第2種方式，如圖1所示：純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置在“動(dòng)作”狀態(tài)下，P3接通A3，T3截止；在“復(fù)歸”狀態(tài)下，P3截止，A3接通T3。

3 技術(shù)改造方案設(shè)計(jì)與研究

3.1 安裝位置

根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，純機(jī)械過(guò)速保護(hù)器最佳安裝位置應(yīng)設(shè)水發(fā)聯(lián)軸法蘭的上部，即轉(zhuǎn)子軸的下部適當(dāng)位置。此處的大軸直徑為Ф1101，如圖2所示。

因過(guò)速保護(hù)器安裝在轉(zhuǎn)子軸的下部，其與大軸之間的固定即軸向定位問(wèn)題，需與設(shè)備廠家作進(jìn)一步分析，如何限制過(guò)速保護(hù)器的軸向位移。

3.2 油路改造

根據(jù)要求，需增設(shè)兩路壓力油管，一路提供給純機(jī)械過(guò)速保護(hù)器，一路接供給過(guò)速限制裝置。這里需要增設(shè)一套過(guò)速限制器，與純機(jī)械保護(hù)器配套使用。當(dāng)純機(jī)械過(guò)速保護(hù)器動(dòng)作時(shí)，接通油壓直接作用于下圖中的1DP，油壓進(jìn)行接力器相關(guān)腔不用通過(guò)調(diào)速器，而使導(dǎo)葉全關(guān)。

①過(guò)速限制器的布置及油路。

過(guò)速限制器考慮布置在水輪機(jī)層原主令開(kāi)關(guān)位置，機(jī)墩外側(cè)現(xiàn)調(diào)速器進(jìn)、回油管入口處，具體位置根據(jù)過(guò)速限制器的尺寸而定。

過(guò)速限制器結(jié)構(gòu)原理圖如圖3。其中，SP代表事故配壓閥，YF代表油閥，DG代表兩段關(guān)閉閥，DP代表電磁配壓閥，⊙代表壓力油源。

②調(diào)速系統(tǒng)油管路改造。

因油路發(fā)生變化，需對(duì)現(xiàn)有的油管路進(jìn)行改造，同時(shí)需增設(shè)兩路油管。增設(shè)一路過(guò)速限制器的供、回油管，其中供油管取至壓油槽出口第一個(gè)閥門(mén)之后，回油管接入集油槽底部。增設(shè)一路過(guò)速保護(hù)器的供、回油管，其中供油管取至壓油槽出口第一個(gè)閥門(mén)之后，回油管接入漏油箱。

主油管改造前后原理比較：

改造前主油路系統(tǒng)原理如圖4所示。

改造后主油路系統(tǒng)原理如圖5所示。

③過(guò)速保護(hù)器油路布置。

過(guò)速保護(hù)器安裝在轉(zhuǎn)子軸的下部、水發(fā)聯(lián)軸法蘭的上部，其供油管取至調(diào)速系統(tǒng)，回油管接入水車(chē)室漏油箱內(nèi)。供油管從調(diào)速系統(tǒng)壓油槽出口第一個(gè)閥門(mén)之后取DN20油管沿機(jī)墩外壁布置，從風(fēng)洞門(mén)引入下風(fēng)罩上部與過(guò)速保護(hù)器連接，再?gòu)倪^(guò)速保護(hù)器的動(dòng)作出口經(jīng)風(fēng)洞門(mén)引至過(guò)速限制器處，具體布置位置需視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置情況而定。

3.3 主要設(shè)備

①過(guò)速保護(hù)器的選擇。過(guò)速保護(hù)器推薦選用瑞典圖拉博（TURAB）原裝進(jìn)口設(shè)備。

②過(guò)速限制關(guān)閉裝置的選擇。通常在調(diào)速器主配壓閥與水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器之間控制油管路上設(shè)置過(guò)速限制裝置。若機(jī)組正常運(yùn)行，該裝置不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成任何影響，但若機(jī)組運(yùn)行異常，其就會(huì)發(fā)揮作用，來(lái)自油閥的壓力油直接作用于接力器關(guān)閉導(dǎo)葉。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)中最重要的設(shè)備是事故配壓閥和純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置，因此水電人一直在思考如何設(shè)計(jì)制造出工作性能更可靠、維護(hù)更方便的機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)。本文結(jié)合鳳灘電廠水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況和過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、通過(guò)技術(shù)改造，取得了理想的效果，如此有利于同類(lèi)型水電站機(jī)組過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或升級(jí)改造，與利于水電站的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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