天生桥二级电站水轮发电机组机械过速保护及两段关闭装置改造及应用

摘要：天生桥二级电站总装机容量为6×220MW，其中#1、#2、#4机组为GC150/40型，#5、#6机组为GC100/40型过速保护装置。该类型过速保护装置包含多个元器件，控制管路布置较为复杂，在发生异常情况时，由于所含元器件较多，分析原因比较困难，需对对个部件进行解体检查，对于机组的运行和检修维护都带来较大的风险和麻烦，随着过速保护装置技术的发展和成熟，天生桥二级电站于2012-2013年度检修中对这五台机的过速保护进行更换，更换为控制管路更为简洁，动作更加灵活的集成式过速保护装置，改造投运至今运行正常可靠，在实际运行中有很好的效果。

关键词：天生桥二级电站，机械过速保护装置，两段关闭，改造，应用

Abstract：Total installed capacity of power plants Tianshenqiao two 6 × 220MW， where # 1， # 2， # 4 crew for GC150/40 type， # 5， # 6 crew for GC100/40 type overspeed protection device. This type of over-speed protection device structure contains multiple devices， piping layout is more complex， in the event of unusual circumstances more difficult to analyze the reasons， require the disintegration of pairs of two parts inspection， operation and maintenance for the maintenance of the unit have brought greater risks and troubles， along with a plastic protective device technology development and maturation， natural bridge two power stations in the 2012-2013 overhaul of these five machines overspeed protection for replacement， the replacement of the control line is more concise， more action flexible integrated overspeed protection device， transforming into operation so far is operating normally reliable in the actual operation have a good effect.

Keywords： The TianshengqiaoⅡ power stations， machineryoverspeedprotection device， two paragraphs close ，transform， application

一、 概述

在水轮发电机组发生紧急事故，机组需紧急停机时，若水轮机调速器失灵，无法及时关闭导叶接力器切断水流时，水轮发电机组的转速就可能上升到飞逸转速。为了限制机组过速，避免发生飞逸事故，设置过速限制装置，在水轮机调速器失灵时，紧急关闭导叶接力器是保护机组安全的重要措施。尤其在水轮机引水系统未设置水轮机进水阀或快速闸门的水电站，过速限制装置的设置尤为重要。

此外，调速器或过速限制装置紧急关闭水轮机导叶接力器时，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在转轮室内可能产生较高真空，引起下游水流反冲，产生很大的冲击力，严重的会导致机组发生抬机现象，造成设备损坏。设置两段关闭装置，在导叶接力器紧急关闭到适当开度时，投入两段关闭装置，改变水轮机接力器关闭速度，延长关闭时间，来控制水轮机引水系统的压力上升，避免发生抬机现象，实践证明是有效的。

天生桥二级电站#1、#2、#4机组为GC150/40型，#5、#6机组为GC100/40型过速保护装置。#1、#2、#4、#5、#6机组过速保护装置由电磁配压阀、YF型油阀、切换滑阀、SP型事故配压阀组成，该套系统管路布置比较复杂，控制元件较多，比较容易出现部件卡涩和元件内漏的情况，在设备出现误动或拒动的作情况下，不能及时正确的判断事故原因，对于机组的运行和设备的维护带来了隐患和不便；因此在年度检修中对过速保护装置进行改造，改造为组合式过速限制器和两段关闭装置，主要由六个二通插装阀，一个电磁换向阀，一个专用的电液换向阀，一个方向阀和两个压力开关等元件和阀块组成，全部液压元件集中安装在一个阀块上，该套装置简化了外部控制管路及装置的组成结构，且动作灵活、反应灵敏，检修和维护工作量小，为检修维护及故障判断带来了极大的便利。

二、 机械过速保护、两段关闭装置结构及工作原理

（一）GC150/40型及GC100/40型过速保护及两段关闭装置

GC150/40型及GC100/40型过速保护装置均由电磁配压阀、YF型油阀、切换阀、SP型事故配压阀（图1）组成。

电磁配压阀：主要作为接收信号、动作油阀之用。

油阀：作为液压放大元件，直接操作事故配压阀。

事故配压阀：是直接操作导叶接力器的执行机构。

两段关闭装置由凸轮、机控换向阀，两段关闭阀（图2）组成。

GC150/40型及GC100/40型过速保护及两段关闭液压工作原理图（图4）。

1.机组正常运行时

机组运行调速器正常工作时，速保护切换阀阀芯处于中间位置，过速保护配压阀与事故配压阀控制电磁阀的压力油均过过速保护切换阀通向事故配压阀控制油阀顶部控制腔，油阀处于关闭状态，事故配压阀在内部活塞在差动力作用下处于右端位置，即调速器主配压阀通向接力器管路被连通，此时事故配压阀不起作用，仅作为调速器操作导叶接力器的油管路通道，此时导叶接力器的开关控制皆由调速器来实现。

2.两段关闭功能的实现

两段关闭功能是在机组关机过程中为防止导叶关闭过快，由于水流的惯性和转轮的水泵作用，在转轮室内可能产生较高真空，引起下游水流反冲，产生很大的冲击力，严重的会导致机组发生抬机现象，造成设备损坏。设置两段关闭装置，在导叶接力器紧急关闭到适当开度时，投入两段关闭装置，改变水轮机接力器关闭速度，延长关闭时间，来控制水轮机引水系统的压力上升，避免发生抬机现象，实践证明是有效的。

天生桥二级电站的两段关闭根据设计要求设置在主接力器开度为16.7%时投入，具体实现方式为在调速器反馈装置连接杆上设置凸轮，当主接力器开度到达16.7%时，凸轮突出部位触发两段关闭机控换向阀的控制方式切换油路，使两段关闭下腔带压，从而使活塞向上动作，通油开口变小，实现通油量减小，达到减慢接力器关闭导叶时间的功能，避免产生真空导致抬机情况的发生。

3.调速器故障机组飞逸时

机组运行过程中突然甩负荷，而此时调速器出现故障不能正常关闭导叶停机，机组转速会快速上升至飞逸转速造成重大事故。

天生桥二级电站机组额定转速为200r/min，飞逸转速为300r/min。当机组甩负荷而调速器出现故障不能操作接力器关闭导叶情况出现时，机组转速上升达到飞逸转速时，机组的机械过速保护离心摆锤在向心力作用下甩出触发过速保护发信装置（图3），机组过速保护配压阀行程开关配压阀切换油路走向压力油P通至切换阀B1处，切换阀内活塞动作切换油路，事故配压阀控制油阀上腔失压阀体活塞在压力油作用下打开，压力油直接从调速器前端的管路通向事故配压阀，事故配压阀动作，压力油不经调速器直接通过事故配压阀操作接力器快速关闭导叶，达到使机组转速下降避免机组飞逸造成重大事故的发生。在机械飞摆动作的同时，监控系统采集到机组转速达到飞逸转速信号之后会向事故配压阀操作电磁阀通电切换阀芯位置改变通油位，达到改变切换阀油路走向，从而使事故配压阀控制油阀上腔失压来实现事故配压阀动作操作接力器关闭导叶的动作。

停机后将150%过速飞摆触发开关和电磁配压阀复归，切换阀、油阀、事故配压阀复位恢复正常。

（二）SGPYFDGBZH-DN150型过速限制器和两段关闭装置

本套装置由若干插装阀，换向阀和集成阀体组成系统，插装阀插装于阀块体内，阀体内设有若干控制油通道，将各插装阀的相应油口分别连通，换向阀叠装于插装阀上，其控制油口分别于插装阀的相应油口连通。阀块体上设有用于检测各个油路压力的接口，过速限制及两段关闭装置串联于调速器主配压阀和水轮机导叶接力器之间的控制油管路中，机组正常运行时，该装置仅作为控制油的通道，串联在调速器主配压阀到接力器的控制油路中。

SGPYFDGBZH-DN150型过速限制器和两段关闭装置液压系统原理图（图5）

1.机组正常运行时

当调速器正常工作时：电磁换向阀C1（作为先导阀）左端（按原理图方向）通电、压力油路P与B（C1的P、A、B）相同、液控换向阀C2的右端有压（按原理图方向），液控换向阀的压力油路P与其B相通使用插装阀LC3、LC4的控制油路有压、插装阀LC3、LC4处于关闭状态，而液控换向阀A与回油路相通，使插装阀LC3、LC4的控制油路失压、插装阀LC3、LC4处于开启状态，调速器关机口A”与接力器关机口A，调速器关机口B”通过插装阀LC5和插装阀LC6与接力器关机口B相通，此时接力器由调速器控制，正常工作。

2.两段关闭功能的实现

当机组发出关闭信号后，接力器关口进油，接力器开口回油，回油路分段，一路通过插装阀LC6另一路通过插装阀LC5，LC5作为关闭时间调节阀调整好后不需动作、LC6由电磁换向阀C3控制，实现回油量的分段，分段拐点前，C3的A与回油路相通，使用LC6的控制油路失压，LC6打开，此时回油量较大，接力器关闭到设定位置时，位移传感器将信号传给监控，监控再发出信号使电磁换向阀通电，通电后C3的A与压力油路P（压力油源来自回油腔）相通，LC6的控制油路有压、插装阀LC6关闭，回油通路变为一条只能通过口径较小的LC5，回油速度减少使接力器关闭速度减慢从而实现两段关闭，通过调整LC5开口的大小控制两段关闭的时间。

3.调速器故障机组飞逸时

当调速器失灵机组飞逸时，先导电磁阀C1右端通电，C1的压力油路P与A相通，B接回油路，液控换向阀左边有压，使C2的压力油路P与A相通，B接通回油路，插装阀LC1和LC2的控制油路有压处于关闭状态，将调速器进出油路与接力器出油路断开，插装阀LC3和LC4的控制油路通过C2接通回油路失压，处于开启状态，接力器关机口与油压装置的压力油路相通，接力器开机口分两个并联支路一路通过LC6，另一路通过LC5，在汇集到插装阀LC4到回油路，两段关闭的过程与B条叙述相同。当机械过速飞摆动作时，X口失压，电磁阀C1无论处于什么状态，液控换向阀C2两端无压力，在弹簧作用下C2复位，其余动作与调速器失灵时相同。

三、 组合式过速限制器和两段关闭装置的安装及调试应用

（一）组合式过速限制器和两段关闭装置的安装

1.管路选择

天生桥二级电站机组调速器操作接力器关闭导叶最低工作压力为2.8MPa，正常工作压力为3.6-4.0MPa。

改造后选用管路尺寸计算依据如下：

机组接力器容积为250L，关闭速度为13S，要求管道流量大于250/13=1154 L/min=19L/S=0.019m3/S，V=3.5m/s

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式中d—管子内径（mm）

qv—液体流量（m3/s）

v—流速（m/s）

代入上式可得d=83mm由此可得d>83mm即可满足机组的要求。考虑到余量，选用D=120mm壁厚5mm的不锈钢管。壁厚5也是根据下表和公式充分考虑安全余量和强度。

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式中δ—金属管壁厚（mm）

p—工作压力（MPa）

d—管子内径（mm）

[σ]—金属管需用应力（MPa）

所选的管道和配压阀通径都偏大，但是在配压阀设有流量和时间调节螺栓，不会因此而影响系统的工作性能。

2.设备安装

改造后组合式过速限制器和两段关闭装置安装图（图6）

过速限制器和两段关闭装置的安装基础应牢固可靠，基础支座采用槽钢焊接支座框架，使用地脚固定螺栓穿过槽钢，使用混凝土进行浇筑完成安装基础的制作，在施工过程中需要使用水平仪器保证安装基础平面的水平，以保证阀体安装的水平，阀体安装到基础上通过地脚固定螺栓进行固定。

所有新配制的管路均应彻底检查清扫，严防管路内存在含杂物以防止造成系统油污染或是造成设备卡涩。

（二）阀体的调试应用

阀体安装、管路连接完毕之后，进入调试阶段，经过调试符合水轮发电机组运行要求之后才能进行正式投运。

调试条件：1.机组进水口阀门关闭；2.确保在调试阶段无人导水机构转动部分进行工作；3.调速器压油装置建压至正常工作压力4MPa。

功能性调试：

1.机组正常运行情况下功能检验：使机组机械过速飞摆配压阀与过速保护配压电磁阀处于复归位置，操作调速器动作接力器开关导叶，观察调速器是否能够正常将导叶接力器全开和全关，并观察整个开关过程中导叶接力器和调速器有无异常情况，此过程需缓慢进行，因为在阀组更换时拆除系统管路，空气进入管路中，如果此时操作动作过快可能引起调速器系统较大的振动。

2.调速器故障，机组过速飞逸时功能检验：操作调速器将导叶接力器至全开位置，手动触发150%过速飞摆位移行程开关，检验在机械过速配压阀动作的情况下，组合式阀组能否正常将接力器从全开位置关至全关位，如正常关闭导叶，将过速配压阀复归之后事故配压阀也应能正常复归，复归之后，手动操作配压电磁阀，检查阀组在电气信号控制下能否全关导叶，如不能正常关闭，则需检查配压阀接通阀组本体的控制油管路是否接错，或者是解体检查阀组本体内插装阀阀芯或是配压电磁阀阀芯是否有卡阻情况。动作情况正常之后，根据机组运行要求关机时间为13s，调节阀组事故配压阀动作将导叶由全开关至全关位置时间调节螺栓，使事故配压阀动作将导叶由全开关至全关的时间调整为13s，紧固锁紧螺母即可。

3.两段关闭功能校验：操作调速器将导叶接力器打开至全开位，投调速器停机阀关闭导叶，在关闭导叶过程中人为手动操作两段关闭控制电磁配压阀，观察导叶接力器在关闭过程中是否有明显减慢动作，如有，则表明阀组两段关闭正常，如果没有关闭情况没有减慢情况，则表明两段关闭电磁配压阀阀芯或是两段关闭插装控制阀阀芯没有动作，存在卡阻情况，需解体检查。动作实验检验两段关闭功能正常之后，调整两段关闭时间调整螺栓，使两段关闭时间符合机组两段关闭时间要求，即当导叶接力器开度由16.7%关闭至零位时间为3s，紧固锁紧螺母即可。

四、 结束语

组合式过速限制和两段关闭装置在天生桥二级电站2012-2013年度检修中改造投运至今，未出现任何影响机组运行的异常情况，组合式过速限制和两段关闭装置通过长时间的运行表明了其可靠性和灵敏性，本次改造极大简化了调速器系统的管路结构，减少了检修维护工作量，提高了设备运行的可靠性。因此，天生桥二级电站对过速保护装置的改造是成功的，为其余电站过速保护装置与其相同或是类似的进行改造提供了一个有力可靠的依据和借鉴。