凤滩水力电厂纯机械过速保护系统设计方案研究

摘要：水轮发电机组过速保护系统主要是由事故配压阀和纯机械过速保护装置组成。在机组发生过速时，避免水轮发电机组发生飞逸现象。因此，过速保护系统设计方案质量的优劣，直接关系到机组运行的安全。本文结合凤滩电厂水轮发电机组过速保护系统的实际应用情况，以及过速保护系统的设计原理，设计了一种能适合大中型水轮发电机组过速保护系统技术改造方案，为大中型水电站机组过速保护系统的设计或升级改造提供参考与借鉴。

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.

关键词：纯机械过速保护装置；技术改造；水轮发电机组

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

中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）14-0113-03

1 概述

凤滩电厂2×200MW机组设置有纯机械过速保护装置，纯机械过速保护器由天津阿尔斯通提供，采用瑞典图拉博（TURAB）原装进口纯机械液压式保护器，安装在上端轴与转子连接部分，与东方电机厂提供的6.3MPa油压等级的过速限制及两段关闭装置配合使用，当机组转速超过150%（187.5rpm）时，过速保护器柱塞摆动作，接通通油路直接作用于过速限制及两段关闭装置内设的油压电磁阀，使接力器关腔与油压接通，开腔直接排油，起到关闭导叶作用。

凤滩电厂另有4×100MW机组在安装时未设有纯机械过速保护装置。根据《国家电网公司发电厂重大反事故措施》为防止水轮发电机组事故，要求设置完善的停机过程剪断销剪断、调速系统低油压、电气和机械过速等保护装置。考虑到原设计时没有纯机组过速保护装置，需对增设纯机械保护装置设备的安装位置、调速系统管路、布置结构、现场布设尺寸等进行技术改造。

2 机组过速保护系统介绍

水机调速器调整机组转速的原理是通过调节导叶开度的大小来改变水轮机过水流量。通常调速器包含1 个或2个紧急停机电磁阀，具有紧急停机功能，在实际运行中若机组存在过速问题，那么监控系统就能够及时的检测到，并及时将检测结果传递给调速器，而调速器接收到检测结果后就会给紧急停机电磁阀下达动作指令，之后控制主配压阀就会做出相应的关闭导叶接力器的动作。实践中由于调速器有可能会出现失控的情况，为避免该情况的出现，应在水轮机调速系统中设置一套过速限制器（事故配压阀）。

由于调速器和事故配压阀都依赖于电源才能发挥作用，为避免水电站厂出现异常事故失去电源，而造成的调速器失灵，应设置一套不依赖电源的纯机械过速保护装置，确保调速器在失去电源的情况下也能够发挥作用。

事故配压阀既由事故停机电磁阀控制，也由纯机械过速保护装置控制，两者之间是相互独立的，其中优先级更高的是纯机械过速保护装置动作。事故配压阀是一个2位6通阀，主要有滑阀式和插装阀式两种结构型式，具体如下：

①滑阀式事故配压阀。其组成部分包括主活塞、恒压控制端组件、事故停机电磁阀、控制腔端盖、主阀体等。

②插装阀式事故配压阀。其组成部分包括4个2通插装阀组件及控制端盖、事故电磁阀、阀体等。事故配压阀有两个工作位置，即“动作”位和“复归”。如图1所示：P接压力油，T接回油，A1接主配压阀开机腔，A2接导叶接力器开机腔，B1接主配压阀关机腔，B2接导叶接力器关闭腔。

分析图1发现，事故配压阀在“动作”状态时，A1和B1油口截止，P1接通B2，T1接通A2，此时调速器控制油口被截止，导叶接力器不受调速器控制，事故配压阀直接关闭导叶接力器；事故配压阀在“复归”状态下，A1接通A2，B1接通B2，P1和T1油口截止，此时调速器控制着开关导叶接力器，事故配压阀为通路。

目前水轮发电机组常用的是离心式纯机械过速保护装置，该装置液压控制油路接通事故配压阀、贯流式机组用的多项装置，比如蝶阀控制装置、机组工作门控制装置、重锤关闭装置等。离心式纯机械过速保护装置组成部分包括脱扣器液压阀、离心飞摆、安装环及配重块等。其原理是当机组转速达到离心飞摆整定值时，离心飞摆柱塞就会被甩出，使脱扣器液压阀动作，切换输出油路，事故配压阀就会接收到动作命令，关闭导叶接力器。

观察图1可知，纯机械过速保护装置的控制阀是一个2位3通方向阀，该阀有2种应用方式。

①较为常用的是第1种方式，由图1可以看出：压力油口是P4，回油口是T4，控制油口是A4；在 “动作”状态下，P4截止，A4接通T4；在“复归”状态下，P4接通A4，T4截止。

②较少采用的是第2种方式，如图1所示：纯机械过速保护装置在“动作”状态下，P3接通A3，T3截止；在“复归”状态下，P3截止，A3接通T3。

3 技术改造方案设计与研究

3.1 安装位置

根据机组结构特点，纯机械过速保护器最佳安装位置应设水发联轴法兰的上部，即转子轴的下部适当位置。此处的大轴直径为Ф1101，如图2所示。

因过速保护器安装在转子轴的下部，其与大轴之间的固定即轴向定位问题，需与设备厂家作进一步分析，如何限制过速保护器的轴向位移。

3.2 油路改造

根据要求，需增设两路压力油管，一路提供给纯机械过速保护器，一路接供给过速限制装置。这里需要增设一套过速限制器，与纯机械保护器配套使用。当纯机械过速保护器动作时，接通油压直接作用于下图中的1DP，油压进行接力器相关腔不用通过调速器，而使导叶全关。

①过速限制器的布置及油路。

过速限制器考虑布置在水轮机层原主令开关位置，机墩外侧现调速器进、回油管入口处，具置根据过速限制器的尺寸而定。

过速限制器结构原理图如图3。其中，SP代表事故配压阀，YF代表油阀，DG代表两段关闭阀，DP代表电磁配压阀，代表压力油源。

②调速系统油管路改造。

因油路l生变化，需对现有的油管路进行改造，同时需增设两路油管。增设一路过速限制器的供、回油管，其中供油管取至压油槽出口第一个阀门之后，回油管接入集油槽底部。增设一路过速保护器的供、回油管，其中供油管取至压油槽出口第一个阀门之后，回油管接入漏油箱。

主油管改造前后原理比较：

改造前主油路系统原理如图4所示。

改造后主油路系统原理如图5所示。

③过速保护器油路布置。

过速保护器安装在转子轴的下部、水发联轴法兰的上部，其供油管取至调速系统，回油管接入水车室漏油箱内。供油管从调速系统压油槽出口第一个阀门之后取DN20油管沿机墩外壁布置，从风洞门引入下风罩上部与过速保护器连接，再从过速保护器的动作出口经风洞门引至过速限制器处，具体布置位置需视现场设备布置情况而定。

3.3 主要设备

①过速保护器的选择。过速保护器推荐选用瑞典图拉博（TURAB）原装进口设备。

②过速限制关闭装置的选择。通常在调速器主配压阀与水轮机导叶接力器之间控制油管路上设置过速限制装置。若机组正常运行，该装置不会对系统造成任何影响，但若机组运行异常，其就会发挥作用，来自油阀的压力油直接作用于接力器关闭导叶。

4 结语

机组过速保护系统中最重要的设备是事故配压阀和纯机械过速保护装置，因此水电人一直在思考如何设计制造出工作性能更可靠、维护更方便的机组过速保护系统。本文结合凤滩电厂水轮发电机组过速保护系统的实际应用情况和过速保护系统的设计原理，经过试验、通过技术改造，取得了理想的效果，如此有利于同类型水电站机组过速保护系统设计或升级改造，与利于水电站的长远发展。

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