純機(jī)械過速保護(hù)裝置在新安江水力發(fā)電廠的應(yīng)用

張 帆，汪江峰

（1.國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 建德 311600；2.國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司/杭州分部，浙江 杭州 310051）

國網(wǎng)新源新安江水力發(fā)電廠建于1957年4月，是建國后中國自行設(shè)計、自制設(shè)備、自主建設(shè)的第一座大型水力發(fā)電站。地處浙江省建德市新安江鎮(zhèn)，電站主要擔(dān)負(fù)華東電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，并有防洪、灌溉、航運(yùn)、養(yǎng)殖、旅游、水上運(yùn)動、林果業(yè)等綜合效益。電站總裝機(jī)容量85.5萬kW,共有9臺單機(jī)容量9.5萬kW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速150 r/min，設(shè)計水頭73 m，年發(fā)電量:18.61億kW·h。

水電站水輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)有電氣一、二、三級保護(hù)；為防止水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生緊急事故，在水輪機(jī)調(diào)速器失靈，同時監(jiān)控系統(tǒng)無法正常工作，導(dǎo)葉接力器將不能自動關(guān)閉切斷機(jī)組流道水流，機(jī)組的轉(zhuǎn)速就可能上升到飛逸轉(zhuǎn)速。為了限制機(jī)組過速，避免發(fā)生飛逸事故，需要設(shè)置純機(jī)械過速保護(hù)系統(tǒng)，以便在機(jī)組事故時能夠緊急關(guān)閉導(dǎo)葉接力器，保護(hù)機(jī)組安全。

自 2012 年起，電站先后在 3、1、6、7、9、4、2、8 號機(jī)組上安裝了由瑞典（TURAB）圖拉博公司生產(chǎn)的純機(jī)械過速保護(hù)裝置，動作值設(shè)定為143.3%額定轉(zhuǎn)速，即215 r/min。該裝置作為機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)故障且電氣過速保護(hù)失靈情況下的最后一道保護(hù)，起著防止機(jī)組飛逸的作用。裝置自安裝投入使用以來，在所有機(jī)組的投產(chǎn)試驗中均驗證可以正常準(zhǔn)確動作。

1 純機(jī)械過速保護(hù)裝置

1.1 過速保護(hù)裝置組成

純機(jī)械過速保護(hù)裝置由過速飛擺、集成測速齒盤的緊固圈、液控?fù)Q向閥、行程開關(guān)、觸動臂等組成。純機(jī)械過速保護(hù)裝置過速擺和緊固圈裝配固定在主軸上，與大軸同步旋轉(zhuǎn)，其具體安裝位置如圖1所示。

圖1 安裝位置示意圖

1.2 工作原理

正常運(yùn)行情況下，過速保護(hù)裝置液控?fù)Q向閥進(jìn)油口P與出油口A管路連通（正常帶壓）,壓力為2.0 MPa，該壓力油作用于調(diào)速系統(tǒng)中的液動停機(jī)閥，使得調(diào)速器切換閥與停機(jī)閥之間油路暢通。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到過速保護(hù)裝置動作設(shè)定值時過速擺內(nèi)的不銹鋼柱塞在離心力作用下克服彈簧的預(yù)壓力，推出柱塞撞擊觸動臂，液控?fù)Q向閥動作失壓，液控?fù)Q向閥內(nèi)部油路和行程開關(guān)觸點發(fā)生切換，使得液控?fù)Q向閥油口P與排油口T接通，液動停機(jī)閥失壓動作，進(jìn)而機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉，起到防止機(jī)組過速的作用[1]。其液壓原理如圖2所示。

當(dāng)機(jī)組過速事故解除后，值班人員需手動復(fù)歸觸動臂，檢查并確保液控?fù)Q向閥觸動臂與過速擺柱塞之間的徑向距離為3 mm，使其返回到過速擺撞擊之前的位置，液控?fù)Q向機(jī)閥油口P與A相通。

圖2 機(jī)械過速保護(hù)裝置液動動作原理

1.3 廠內(nèi)過速保護(hù)裝置的特點

1）長期使用運(yùn)行精度良好；

2）出廠時進(jìn)行精確整定，現(xiàn)場即直接驗收使用；

3）能克服擺動對精度的影響；

4）安裝維護(hù)簡便；

5）能方便地和測速齒盤集成使用。

2 過速保護(hù)裝置的安裝及例檢

2.1 安裝

1）安裝前，必須保證安裝在主軸上的緊固圈平面與水輪機(jī)主軸垂直。對主軸上沒有加工止口的機(jī)組，應(yīng)采取安裝前先在主軸上畫線等方法確保緊固圈平面與水輪機(jī)主軸垂直。

2）在安裝前，先將緊固圈內(nèi)表面（與主軸配合的表面）上的防銹保護(hù)油清除干凈。之后將配重塊和過速擺分別安裝在對應(yīng)的2個半圓緊固圈上（安裝力矩為20 N·m，然后再將2個半圓緊固圈（帶過速擺和配重塊一起）垂直地安裝在水輪機(jī)主軸上選定位置（此時不要完全擰緊8顆緊固螺栓，緊固力矩為30 N·m）。注意要保證2個半圓緊固圈上序號相同的一側(cè)組合在一起，并保證有序號的一面向上。

3）根據(jù)現(xiàn)場情況配置并安裝液壓閥支架，再在支架上安裝液壓閥,安裝液壓閥時先不要完全緊固M8安裝螺釘，便于后面調(diào)整，安裝時要求液壓閥中心高度與過速擺柱塞中心在同一高度，同時液壓閥軸線與主軸中心線重合。

4）在緊固連接2個半法蘭盤緊固圈的8顆螺栓之前，首先緊固法蘭“E”側(cè)的4顆M16螺母至100 N·m；之后在緊固法蘭“S”側(cè)的4顆M16螺母至100 N·m。

5）下一步均勻緊固2個法蘭上的8顆M16螺母至120 N·m，注意每次均從“E”側(cè)螺栓開始緊固，確保緊固圈能預(yù)緊安裝在主軸上。

注：上述螺母緊固力矩必須采用力矩扳手等工具嚴(yán)格控制，不能小于或超過該緊固力矩：120 N·m。

6）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3.0 mm，之后緊固液壓閥安裝螺栓；如間距不為3.0 mm，應(yīng)調(diào)整液壓閥安裝螺栓和液壓閥位置，使最后安裝間距確保徑向3.0 mm（請注意這一點至關(guān)重要）。可使用交貨時一同提交的扳手頂部，該扳手頂部標(biāo)明厚度為3.0 mm位置處厚度即為3.0 mm，可用來檢驗安裝間距是否為3.0 mm。注意在測量安裝間距時，要保證過速擺必須正對液壓閥觸動臂。

7）根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計連接相應(yīng)的液壓油管道（過速保護(hù)）和電氣接線（指示燈或用戶的其它用途）。

液壓油管路連接時，液壓閥P口連接壓力油入口管，A口連接壓力油出口管，R口連接泄油管（回油管）。

限位開關(guān)為2對2 Pole N/C+N/O型快關(guān)開關(guān)，電氣接線要求為：AC15，A300 或 Ue＝220V，Ie=3A或 DC13，Q300 或 Ue=250V，Ie=0.27A.(參照 IEC947-5-1 標(biāo)準(zhǔn))。

電氣接線參見圖3接線圖（機(jī)組正常運(yùn)行時，接點13與14閉合，接點21與22斷開；過速保護(hù)動作后，接點13與14斷開，接點21與22閉合）。

圖3 電氣接線圖

8）完成步驟7）后手動觸動液壓閥觸動臂，以確認(rèn)系統(tǒng)液壓油管路連接正確。

9）最后檢查確認(rèn)液壓閥觸動臂在正常位置；檢查確認(rèn)過速擺柱塞與液壓閥觸動臂徑向間距為3.0 mm。安裝完成。

2.2 每年例行檢查

2.2.1 M16螺栓檢查

每年機(jī)組停機(jī)維護(hù)時，要求對連接2個半法蘭盤的8顆M16螺栓緊固力矩進(jìn)行檢查，確保每顆螺栓在螺母上的緊固力矩均為120 N·m。

2.2.2 系統(tǒng)功能檢查

機(jī)組年度檢修時，手動觸動液壓閥觸動臂，以檢測液壓閥及液壓系統(tǒng)及電氣限位開關(guān)功能是否正常。

2.2.3 例行校驗

由于過速保護(hù)裝置的至關(guān)重要性，每隔一定年限應(yīng)對過速保護(hù)器進(jìn)行一次校驗。具體校驗周期可根據(jù)電廠要求及參見NB/T35088-2016標(biāo)準(zhǔn)。

3 純機(jī)械過速保護(hù)裝置的維護(hù)

在運(yùn)行中發(fā)生過速保護(hù)器動作停機(jī)，在機(jī)組重新啟動前，先手動復(fù)位液壓閥，檢查并確保液壓閥觸動臂于過速擺的間距為3.0 mm，即可重新投入使用不需要重新校驗或整定。每次由于機(jī)組大修等原因拆卸過速保護(hù)器后，只需要安裝TURAB過速保護(hù)器的安裝說明書要求重新安裝好后即可投入使用，不需要進(jìn)行重新校驗或整定。

純機(jī)械過速保護(hù)裝置本體進(jìn)出油口與外部進(jìn)出油軟管均為不銹鋼材質(zhì)，通過活接連接，并用硅膠墊密封。該設(shè)備自投用以來共發(fā)生過3次進(jìn)出油管路連接處滲油。

在機(jī)組停機(jī)檢修時，過速保護(hù)裝置的各個活接應(yīng)拆開檢查活接的硅膠墊是否完好無損，有損壞現(xiàn)象應(yīng)及時更換，并確保檢查每個活接已緊固，檢查觸動臂處于正常工作狀態(tài)，檢修工作結(jié)束后可投入使用。

4 滲油解決方案選擇

4.1 方案提出

方案一：更換進(jìn)出油口管路連接方式，采用更可靠的法蘭配密封墊連接。

方案二：改變機(jī)械過速保護(hù)裝置動作邏輯，由現(xiàn)有的失壓動作改成充壓動作。

4.2 方案比較

方案一：可操作性高，工作量小，成本低，可結(jié)合機(jī)組C修，對已安裝有機(jī)械過速保護(hù)裝置的機(jī)組進(jìn)行改造。

方案二：優(yōu)點在于能夠減少可能的滲油點，但存在以下缺點：

1）充壓動作的原理是對液動閥進(jìn)行改造，使正常情況下進(jìn)油口P與出油口A斷開，出油管路不帶壓，只有當(dāng)液動閥動作時，進(jìn)出油口才接路不帶壓，只有當(dāng)液動閥動作時，進(jìn)出油口才接通。此改動雖可以使出油管不帶壓，但是進(jìn)油管仍舊帶壓，并不能完全解決進(jìn)出油接口滲油的問題；

2）由于出油管不帶壓，所以該段管路即使存在滲漏點也無法被及時發(fā)現(xiàn)，此時如果保護(hù)裝置動作，則可能出現(xiàn)大面積滲油，甚至液動停機(jī)閥無法動作的情況；

3）充壓動作，液壓行業(yè)一般很少采用。因為如果回油箱、集油裝置、管路布置上不合理，無油壓狀態(tài)下，控制油管路中容易存在空氣。液動閥動作后，控制油管瞬間帶壓，由于空氣具有可壓縮性，不但會產(chǎn)生動作延遲，更有壓縮空氣爆裂而產(chǎn)生爆管的危險。這樣不但不能達(dá)到保護(hù)的目的 反而會擴(kuò)大事故；

4）保護(hù)裝置出油口與調(diào)速柜中的液動閥之間有10 m左右距離，根據(jù)壓力油流速經(jīng)驗公式，2.0 MPa壓力油充滿該管道時間在2～3 s。我廠機(jī)組甩負(fù)荷時轉(zhuǎn)速上升速度在16 r/s左右（見圖4），也就是說從裝置動作到導(dǎo)葉開始關(guān)閉，轉(zhuǎn)速上升了32～48 r。以上算法是基于甩負(fù)荷時調(diào)速系統(tǒng)正常動作，接力器關(guān)閉的前提下，而事實是充油時間內(nèi)接力器不會動作關(guān)閉導(dǎo)葉，也就是說轉(zhuǎn)速上升值會遠(yuǎn)大于32～48 r；

圖4 轉(zhuǎn)速上升曲線

5）如將現(xiàn)有純機(jī)械過速保護(hù)裝置更換為充壓動作，則需對液壓閥及液控?fù)Q向閥進(jìn)行更換。單臺液動閥及液控?fù)Q向閥成本在10萬元左右，全部改造需60萬元，成本較大。

5 結(jié)語

新安江水力發(fā)電廠在安裝純機(jī)械過速保護(hù)裝置后，過速保護(hù)控制過程不需要任何電子或電氣設(shè)備參與，同時實現(xiàn)與電氣過速保護(hù)形成互補(bǔ)，保證了機(jī)組在過速的情況下，電源系統(tǒng)故障情況，能安全可靠的停止運(yùn)行。

純機(jī)械過速裝置是機(jī)組防止飛逸的有力措施，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，性能可靠，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了有力的保障。無需工作電源完全獨(dú)立于電氣保護(hù)系統(tǒng)工作，該保護(hù)系統(tǒng)已成為水電行業(yè)普遍采用的配置。