水輪發電機組緊急停機控制回路的設計方案

賈昕冉

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州510640)

0 引 言

在水輪發電機組的運行過程中，為防止意外情況或故障的發生，保護設備和人員安全，需設置水輪發電機組的保護回路。水輪機保護回路有多級保護，主要分為調速器緊急停機、調速系統事故配壓閥的事故停機、水輪機進水閥門的快速關閉，以及進水閘門的關閉等。

水輪機調速器通過導葉開度調節來實現水輪發電機組轉速的調整。水輪機調速器需設置緊急停機電磁閥，機組在運行時一旦發生故障或過速時，監控系統就會給調速系統發出停機命令，由緊急停機電磁閥控制主配壓閥向關閉方向快速移動，從而驅動導葉接力器快速關閉水輪發電機組；為了防止調速器主配壓閥卡滯等情況，需另外設置一套事故配壓閥[1]，在水輪發電機組軸上設置一套純機械過速保護裝置，事故停機電磁閥可根據監控系統的指令控制事故配壓閥直接關閉機組。純機械過速保護裝置操作的優先級更高[2]，在機組轉速達到設定值后，無需任何監控指令就可通過事故配壓閥關閉機組。另外，為保護機組安全，在水電站中根據水輪機運行的需要，在機組進水部分裝設有檢修閘門，在水輪機蝸殼進口處還設置有進水閥，通常為蝴蝶閥或球閥，大型水電站有的設置為筒形閥，當調速系統故障，不能關閉導葉時，進水閥門還可關閉，起事故保護作用[3]。

由于調速器、事故配壓閥、進水閥門和進水閘門的停機保護回路各不相同，為適應不同電站的需求，對水電站緊急停機控制回路進行了研究，提出了5種緊急停機方案，為方便描述，這里以調速器的緊急停機控制回路為例。

1 5種停機保護方案

這里介紹的5種停機保護方案是在機組出現故障的情況下，由監控系統發出停機指令進行停機控制，如果電站設置有純機械的過速保護裝置，在機組轉速達到設定值時，其機械換向閥動作換向，由于其動作的優先級更高，將直接控制調速器、事故配壓閥或進水閥門動作，使機組停機，這里就不再提及。

1.1 方案1：掉電停機方案

國內外水輪發電機組保護常用的方案中，緊急停機電磁閥EV1為兩位三通的單線圈帶彈簧復歸的電磁閥，該方案的液壓系統如圖1所示。

在水輪機組正常運行時，電磁閥線圈接通電源激磁，電磁閥工作在a位，其輸出壓力油驅動液控換向閥HV1工作在a位，伺服比例閥SV1輸出的控制油經液控換向閥HV1進入主配壓閥的控制腔，通過控制主配壓閥活塞向開啟或關閉方向的移動來控制水輪機導葉接力器的運動，液壓系統如圖1(a)所示。

圖1 掉電停機液壓系統圖

當機組在故障情況下，接受監控指令讓電磁閥線圈斷電或電磁閥由于電源或線路原因掉電時，電磁閥線圈失磁，在彈簧作用下，電磁閥切換至b位，其輸出油口接通回油，液動換向閥HV1在彈簧力作下切換至b位，切斷伺服比例閥的輸出，同時讓主配閥的控制腔經液動換向閥HV1接通回油，主配壓閥迅速移動至關機位，控制水輪機導葉接力器以設定的最快速度關機，實現緊急停機，起到保護機組安全的作用，壓力開關PS1將緊急停機動作信號反饋給監控系統，液壓系統如圖1(b)所示。

1.2 方案2：得電停機方案

國內調速器通常設有手動控制方式，在機組自動系統出現故障時，自動切換至手動控制方式，導葉接力器可以暫時保持在當前運行位置，而不是緊急停機，因此緊急停機電磁閥EV2應為兩位四通雙電磁鐵帶定位機構的電磁閥[6]，該方案的液壓系統如圖2所示。

在水輪機組正常運行時，緊急停機電磁閥EV2的電磁閥線圈a接通電源激磁，電磁閥工作在a位，伺服比例閥SV2輸出的控制油經液控換向閥HV2進入主配壓閥的控制腔，機組正常工作，這時緊急停機電磁閥EV2不用長期帶電，由定位機構保持其工作在a位，液壓系統如圖2(a)所示。

當機組在故障情況下，接受監控命令讓電磁閥線圈b接通電源激磁，電磁閥切換至b位，切斷伺服比例閥的輸出，同時讓主配閥的控制腔接通回油，實現緊急停機，壓力開關PS2將緊急停機動作信號反饋給監控系統，液壓系統如圖2(b)所示。

圖2 得電停機液壓系統圖

1.3 方案3：冗余掉電停機方案

掉電停機方案簡單、實用，但有時受線路斷路故障或電磁閥線圈燒壞，也可能引起意外的停機，為解決這個問題，提出了冗余掉電停機方案。該方案共需設置2個緊急停機電磁閥EV3和EV4，電磁閥EV3的回油口與電磁閥EV4的輸出油口a相通，冗余掉電停機方案的液壓系統如圖3所示。

在只有一個緊急停機電磁閥線圈斷電時，由于另一個緊急停機電磁閥仍然處于工作位，機組仍可以正常運行；只有當2個緊急停機電磁閥同時處于停機位時，機組才會停機，免除了非停機故障造成的意外停機[7]，其工作原理如下：

1）當緊急停機電磁閥EV3與EV4的線圈均得電激磁處于工作位a時，壓力油經電磁閥EV3進入液動換向閥HV3的控制腔，驅動液控換向閥HV4工作在a位，伺服比例閥SV3的控制油經液動換向閥HV3去控制主配壓閥，機組正常運行，液壓系統如圖3(a)所示。

圖3 冗余掉電停機液壓系統圖

2）當只有緊急停機電磁閥EV4的線圈斷電或燒毀時時，緊急停機電磁閥EV3的狀態沒有改變，其輸出的壓力油也使液動換向閥HV3保持在工作位a，液壓系統如圖3(b)所示。

3）當只有緊急停機電磁閥EV3的線圈斷電或燒毀時，電磁閥EV3在彈簧力作下切換至停機位b，電磁閥EV4輸出的壓力油經電磁閥EV3可使液動換向閥HV3仍保持在工作位a，機組正常運行，液壓系統如圖3(c)所示。

4）當緊急停機電磁閥線圈EV3與EV4均由于線圈斷電或燒毀處于停機位b時，壓力油被電磁閥EV3和EV4切斷，液動換向閥HV3的控制腔經電磁閥EV3和EV4接通回油，在彈簧力的作用下切換至停機位b，切斷伺服比例閥的輸出，將主配壓閥的控制腔接通回油，強制機組停機，液壓系統如圖3(d)所示。

1.4 方案4：得電和掉電停機可選方案

雖然冗余掉電停機方案可以有效防止部分非停機故障引起的意外停機，但有的電站仍需要得電停機和掉電停機可選的方案，機組將由運行人員決定是得電停機還是掉電停機的方案運行[8]，按此要求方案的液壓系統如圖4所示。

1.4.1 掉電停機方案

掉電緊急停機電磁閥EV5為單線圈帶彈簧復位的電磁閥，在正常工作時長期帶電，電磁閥工作在正常運行位a；停機選擇電磁閥EV6為雙線圈帶機械定位的電磁閥，其工作在停機位b，液壓系統如圖4(a)所示。

掉電緊急停機電磁閥EV5在工作位a時，其輸出的控制壓力油將使液動換向閥HV4處于工作位a，機組正常運行；出現故障或意外情況，線圈掉電，在復歸彈簧的作用下，電磁閥切換至停機位b，控制壓力油被其切斷，液動換向閥HV4將換向，機組實現掉電停機。

1.4.2 得電停機方案

掉電停機電磁閥EV5線圈掉電，其長期工作在b位，停機選擇電磁閥EV6此時作為得電停機電磁閥的功能來使用，液壓系統如圖4(b)所示。

圖4 冗余掉電停機液壓系統圖

當其線圈a得電，電磁閥工作在正常運行位a，其輸出的控制壓力油經電磁閥EV3后驅使液動換向閥HV4也處于正常運行位a，機組正常運行；若停機選擇電磁閥EV6處于掉電停機位b，壓力油被電磁閥EV5和EV6切斷，液動換向閥HV4切換至b位，主配壓閥的控制腔經電磁閥EV5和EV6接通回油，機組將實現緊急停機。

1.5 方案5：得電和冗余掉電停機方案

隨著電站對安全性要求的提高，要求機組具有帶電停機和掉電停機功能，并且掉電停機須冗余配置，減少部分非停機故障引起的意外停機，其液壓系統如圖5所示。

圖5 得電和冗余掉電停機液壓系統圖

在冗余配置的掉電停機方案上，增加一個得電停機電磁閥EV7。

1）得電停機電磁閥EV7在正常工作位a時，掉電停機電磁閥EV3和EV4在正常工作位a或單個電磁閥掉電的情況下，機組仍能正常工作。

2）得電停機電磁閥EV7在正常工作位a時，掉電停機電磁閥EV3和EV4同時掉電后，機組將緊急停機。

3）得電停機電磁閥EV7切換至停機位b時，將壓力油截斷的同時，將控制液動換向閥HV3的控制腔通過電磁閥EV3和EV7接通回油，機組將緊急停機。

2 5種方案的特點分析

5種停機保護方案各有特點，可以適合不同電站、不同設備的需求。

1）方案1成本低、簡單實用。方案1能很好地起到對機組的安全保護功能，但容易因電磁閥線圈燒毀或線路斷路等原因出現不需停機的意外停機。國外的廠家重視對機組的安全保護，認為只要出現意外，就應該立刻停機以保護機組的安全，因此常用此方案。

2）方案2多用于國內帶手動的調速系統中。在自動系統出現故障的情況下，國內電站很多情況下并不是選擇停機，而是切換至手動運行狀態，在短時間內可以使水輪機接力器保持在當前位置，機組繼續運行，等待操作人員根據故障分級去選擇停機或故障消除處理。當出現電磁閥線圈燒毀的情況時，由于電磁閥帶有定位機構，停機電磁閥并不會換向，因此不會出現如方案1中的因電磁閥線圈燒毀或線路故障造成的意外停機。

3）方案3為方案1的改進方案。方案3可以避免因單一電磁閥線圈燒毀或線路斷路造成機組停機，能有效減少意外停機。目前國內調速器逐漸取消了手動運行方式，但又不希望出現過多的意外停機，所以此方案就應運而生。

4）方案4具有掉電和得電可選的功能。運行人員可方便地根據每個電站的實際情況選用，即可以選擇機組是按方案1或方案2方式運行。國內部分電站提出了這樣的要求，由于其運行方式靈活可變，在帶手動運行方式的調速系統中具有一定的優勢。方案4掉電停機還可以再增加掉電冗余保護功能，這樣方案4就可進一步演化為方案2和方案3的可選運行方案，不過這樣的系統過于復雜，目前還沒有水電站有過這樣的設置和要求。

5）方案5是在方案3的基礎上增加了帶電停機功能。與方案4的之處不同在于：方案4中掉電停機和得電停機的優先級別相同，是互為可選替換的；而方案5中，得電停機的優先級高于失電停機，只要得電停機指令動作后，不管掉電停機狀態如何，均停機。目前多用于大型水電站調速系統和進水球閥緊急停機控制系統中。

3 結 語

為提高水電站水輪機保護的可靠性，應根據電站設備的實際情況和運行特點，在同時考慮機組安全保護和經濟性的情況下，需合理設計水輪機保護回路，以保證電站的安全穩定運行。