水輪發(fā)電機(jī)組過速保護(hù)裝置分析

瞿輝　王建飛

摘要：如果水輪發(fā)電機(jī)組因?yàn)橥话l(fā)事故的影響導(dǎo)致停機(jī)且水輪機(jī)的調(diào)速器無效，導(dǎo)葉片無法關(guān)閉，那么就可能會(huì)出現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速明顯上升，達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速的范圍。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)組出現(xiàn)過速情況的限制，增加相關(guān)的限速裝置，一旦水輪機(jī)調(diào)速器無效后，必須對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行關(guān)閉操作。文章對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組過速保護(hù)裝置進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；發(fā)電機(jī)組；調(diào)速器；過速保護(hù)裝置；導(dǎo)葉片 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TK730 文章編號(hào)：1009-2374（2017）04-0123-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.063

1 概述

在水輪發(fā)電機(jī)組上安裝的過速環(huán)以及控制閥共同組成了水輪發(fā)電機(jī)組的機(jī)械過速保護(hù)裝置。該種過速保護(hù)裝置較為可靠，可以應(yīng)用于各種樣式的水輪發(fā)電機(jī)組，一旦水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超出允許值的情況后，該裝置就會(huì)主動(dòng)停機(jī)該機(jī)組。

2 機(jī)械過速保護(hù)裝置原理

2.1 結(jié)構(gòu)原理

控制閥和過速環(huán)共同組成了機(jī)械過速保護(hù)裝置，該裝置的工作原理如下：水輪機(jī)大軸上安裝一齒圈，確?？梢耘c機(jī)組運(yùn)行狀況同步，齒圈上存在大量離心飛擺，通過彈簧予以控制，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速正常時(shí)候，彈簧的壓力大于離心擺獲得的離心力，所以此時(shí)離心擺是被牢牢固定的，一旦機(jī)組開始超出允許值運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)彈簧所產(chǎn)生的壓力就會(huì)明顯小于離心擺獲得離心力，此時(shí)離心擺壓縮彈簧向外甩出，從而撞擊到控制閥上面的撞塊，此時(shí)連接緊急停機(jī)閥的油路會(huì)被聯(lián)通，機(jī)組被停止運(yùn)行，且向控制中心發(fā)出警告。

2.2 動(dòng)作原理

行程開關(guān)、控制閥以及過速環(huán)這三個(gè)組成部分共同組成了機(jī)械過速保護(hù)裝置，其中過速環(huán)安裝的位置為水輪發(fā)電機(jī)組額大軸，其運(yùn)行是與大軸同步的，如果機(jī)組在正常地運(yùn)行，那么彈簧的彈力大于離心擺受到的離心力，所以可以保證其處于相對(duì)齒圈靜止的狀態(tài)，而且齒圈上面還有配重塊，其作用是確保齒圈能夠平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，一旦水輪發(fā)電機(jī)組受到不正常操作或者是處于過速的狀態(tài)的話，那么離心擺受到的離心力就要大于彈簧形成的壓力，進(jìn)而使得擺塊圍繞固定轉(zhuǎn)動(dòng)中心擺動(dòng)一個(gè)角度，讓其運(yùn)轉(zhuǎn)的最大半徑有一個(gè)增值，在這個(gè)時(shí)候，擺塊會(huì)與控制閥的撞塊發(fā)生相撞，從而使得撞塊失去對(duì)控制閥芯的控制，閥芯被彈簧推動(dòng)，從而使得緊急停機(jī)電路被聯(lián)通，進(jìn)而使得機(jī)組的主配壓閥運(yùn)行，完成停機(jī)，而且行程開關(guān)也會(huì)運(yùn)行，發(fā)出停機(jī)信號(hào)，在此之后可以通過拉動(dòng)手柄來手動(dòng)啟動(dòng)機(jī)組。

其中控制閥的組成部分是閥體、閥芯、撞塊、恢復(fù)手柄以及彈簧和行程開關(guān)，如果水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行是正常的，那么此時(shí)閥芯是被撞塊頂住固定的，撞塊尖端距離離心擺外圓之間有一定的距離。如果水輪發(fā)電機(jī)組開始超速地運(yùn)行，那么就會(huì)出現(xiàn)離心動(dòng)作，一旦機(jī)組出現(xiàn)過速的情況，離心擺就會(huì)動(dòng)作，離心擺外圓會(huì)被甩出，從而撞擊撞塊尖端，撞塊發(fā)生位移，無法控制閥芯，彈簧發(fā)生作用，從而推動(dòng)閥芯快速移動(dòng)，使得緊急停機(jī)油路被接通，進(jìn)而停止機(jī)組運(yùn)行，此時(shí)行程開關(guān)也會(huì)向控制中心發(fā)出機(jī)組被停機(jī)的信號(hào)，當(dāng)通過手柄把閥芯和撞塊恢復(fù)到初始位置之后，機(jī)組就可以被重新啟動(dòng)。

3 我廠機(jī)械過速保護(hù)裝置簡(jiǎn)介

3.1 功能簡(jiǎn)介

此次四號(hào)機(jī)新加裝的機(jī)械過速保護(hù)裝置為GC-150型機(jī)組過速限制裝置，具有電氣-液壓和機(jī)動(dòng)-液壓雙重控制功能。除了能夠按照電站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)關(guān)閉機(jī)組做保護(hù)措施之外，還可以在電站監(jiān)控系統(tǒng)無效、調(diào)速器以及操作電源無效的時(shí)候，直接接收從機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置中的機(jī)動(dòng)換向閥發(fā)出的液壓控制信號(hào)，在水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生過速時(shí)，保護(hù)關(guān)閉機(jī)組，以保護(hù)設(shè)備安全、可靠。

GC-150型機(jī)組過速限制裝置在結(jié)構(gòu)上采用二通插裝式液壓閥集成控制塊結(jié)構(gòu)，通過精心設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)、專用電液換向閥、二通插裝閥、控制蓋板和閥塊來實(shí)現(xiàn)保護(hù)關(guān)閉操作功能。該裝置液壓系統(tǒng)在一個(gè)閥塊上集中了所有的零部件，所以無論是安裝還是調(diào)試和維護(hù)都是非常省事的。

3.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

水輪發(fā)電機(jī)組上安裝的過速環(huán)、控制閥以及行程開關(guān)共同組成了機(jī)械過速保護(hù)裝置，確保當(dāng)各種水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速高于允許值之后，會(huì)主動(dòng)發(fā)出體積的信號(hào)，而且還會(huì)主動(dòng)做出動(dòng)作對(duì)機(jī)組進(jìn)行停機(jī)操作。水輪發(fā)電機(jī)組安裝機(jī)械過速保護(hù)裝置后，可以確保水輪發(fā)電機(jī)組能夠在出現(xiàn)故障后依靠保護(hù)裝置保護(hù)自身不致?lián)p壞。目前絕大部分的水輪發(fā)電機(jī)組都已經(jīng)應(yīng)用了該種保護(hù)裝置。

液壓控制閥組液壓閥緊固圈機(jī)組過速限制裝置是由二通插裝閥，一個(gè)專用電液換向閥YV01（說明：YV01為雙電磁鐵、帶定位機(jī)構(gòu)的專用電液換向閥），保護(hù)關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)裝置，測(cè)壓接頭、6個(gè)外接法蘭，2個(gè)外接管接頭等液壓元器件和閥塊組成。全部液壓元器件集中安裝在一個(gè)閥塊上，成為一個(gè)插裝集成式機(jī)組過速限制裝置。閥組上還配有安裝支架，用于整個(gè)閥組的安裝固定。機(jī)組過速限制裝置，有8個(gè)外接油口。通過操作機(jī)組過速限制裝置上的電液換向閥YV01，可完成對(duì)機(jī)組保護(hù)關(guān)閉操作。此外，機(jī)組過速限制裝置上，還設(shè)有微型測(cè)壓接頭，可用于在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，監(jiān)測(cè)壓力油源、接力器開腔、接力器關(guān)腔、外控液壓信號(hào)等關(guān)鍵位置的壓力。

4 機(jī)組過速限制裝置操作、控制

機(jī)組過速限制裝置進(jìn)行任何操作與控制時(shí)，必須按電站運(yùn)行規(guī)范要求做好安全措施，以防止人員傷害事故的發(fā)生。機(jī)組過速限制裝置，可以通過3種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組保護(hù)關(guān)閉操作。

4.1 純手動(dòng)操作

手動(dòng)操作機(jī)組過速限制裝置上電液換向閥YV01，完成對(duì)機(jī)組保護(hù)關(guān)閉操作。

4.1.1 關(guān)閉操作前提條件：（1）機(jī)組不在全關(guān)位置（具有一定開度，試驗(yàn)時(shí)開啟到全開位置）；（2）專用電液換向閥YV01（雙線圈）處于復(fù)歸位置；（3）水輪機(jī)接力器鎖定在拔出位置。

4.1.2 手動(dòng)保護(hù)關(guān)閉操作步驟：（1）手動(dòng)將專用電液換向閥YV03（雙線圈）切換到投入位置，閥位強(qiáng)制換向，保護(hù)關(guān)閉系統(tǒng)投入，將機(jī)組保護(hù)關(guān)閉至全關(guān)位置；（2）機(jī)組保護(hù)關(guān)閉至全關(guān)位置時(shí)，若調(diào)速器主閥處于回中位置。此時(shí)，若手動(dòng)將專用電液換向閥YV03（雙線圈）切換到復(fù)歸位置，接力器就恢復(fù)到調(diào)速器控制狀態(tài)。

4.2 純電氣操作

由機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的電氣信號(hào)，操作機(jī)組過速限制裝置上電液換向閥YV01，完成對(duì)機(jī)組保護(hù)關(guān)閉操作。

4.2.1 開啟操作前提條件。滿足機(jī)組保護(hù)關(guān)閉流程條件，但以下是必須條件：（1）機(jī)組不在全關(guān)位置（具有一定開度，試驗(yàn)時(shí)開啟到全開位置）；（2）專用電液換向閥YV01（雙線圈）處于復(fù)歸位置；（3）水輪機(jī)接力器鎖定在拔出位置。

4.2.2 電動(dòng)保護(hù)關(guān)閉操作步驟。（1）專用電液換向閥YV01（雙線圈）投入線圈瞬時(shí)通電（維持2S后自動(dòng)將投入線圈電源切除），閥位強(qiáng)制換向，保護(hù)關(guān)閉系統(tǒng)投入，將機(jī)組保護(hù)關(guān)閉至全關(guān)位置；（2）機(jī)組保護(hù)關(guān)閉至全關(guān)位置時(shí)，若調(diào)速器主閥處于回中位置。此時(shí)，若電動(dòng)將專用電液換向閥YV03（雙線圈）切換到復(fù)歸位置，接力器就恢復(fù)到調(diào)速器控制狀態(tài)。

4.3 純液壓關(guān)閉操作

由機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置機(jī)動(dòng)換向閥的液壓控制信號(hào)，完成對(duì)機(jī)組保護(hù)關(guān)閉操作。在機(jī)組過速限制裝置投入運(yùn)行后，若發(fā)生機(jī)組保護(hù)關(guān)閉，必須查找出事故原因，并將事故排除，采用手動(dòng)方式復(fù)歸機(jī)組過速限制裝置。

機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置機(jī)動(dòng)換向閥的液壓控制信號(hào)，來控制機(jī)組保護(hù)關(guān)閉。在機(jī)組過速限制裝置上，設(shè)有外控油口X0。正常狀態(tài)下（即機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置未動(dòng)作），外控油口X0是通過機(jī)械液壓保護(hù)裝置的機(jī)動(dòng)換向閥與壓力油源相連接，即外控油口X0處于有壓狀態(tài)。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組過速時(shí)，機(jī)械液壓保護(hù)裝置動(dòng)作后，機(jī)動(dòng)換向閥閥位發(fā)生切換，外控油口X0通過機(jī)動(dòng)換向閥與回油相通，此時(shí)無論筒形閥處于何位置，機(jī)組過速限制裝置會(huì)自動(dòng)將機(jī)組關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)機(jī)械液壓過速保護(hù)關(guān)閉機(jī)組的目的。外控油口X0是來自機(jī)組機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置控制液壓信號(hào)接入，液壓控制系統(tǒng)能夠在該液壓信號(hào)控制下，可靠關(guān)閉機(jī)組。

機(jī)械液壓過速保護(hù)裝置，其機(jī)動(dòng)換向閥的液壓控制信號(hào)，動(dòng)作方式如圖1所示：

說明：①接回油箱；②接壓力油源；③液壓控制信號(hào)，提供給筒形閥液壓控制系統(tǒng)；④機(jī)動(dòng)換向閥；⑤離心飛擺；⑥水輪機(jī)大軸機(jī)動(dòng)換向閥動(dòng)作前，油口P與A相通，油口T接回油，機(jī)動(dòng)換向閥動(dòng)作后，油口A與T相通排油，油口P封堵住。漫灣機(jī)組過速保護(hù)系統(tǒng)與筒形閥液壓控制系統(tǒng)改造，在調(diào)速器液壓系統(tǒng)與筒形閥液壓系統(tǒng)之間，設(shè)計(jì)有一個(gè)隔離閥YQV02，其目的是將兩個(gè)液壓系統(tǒng)完全隔離，防止兩個(gè)液壓系統(tǒng)之間相互竄油。

5 機(jī)組過速限制裝置時(shí)間調(diào)節(jié)控制

在機(jī)組過速限制裝置上，設(shè)置有保護(hù)關(guān)閉時(shí)間調(diào)節(jié)裝置，用于機(jī)組保護(hù)關(guān)閉過程時(shí)間調(diào)節(jié)。機(jī)組保護(hù)關(guān)閉時(shí)間，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照水輪機(jī)水力調(diào)保計(jì)算的有關(guān)技術(shù)要求設(shè)定，此次機(jī)組過速限制裝置上的時(shí)間整定值為7s，實(shí)際整定值為7.02s。

6 安裝

6.1 安裝系統(tǒng)功能描述

本系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部件——安裝在水輪機(jī)主軸上的緊固圈（含過速擺）和液壓閥（帶電器限位開關(guān)）。安裝時(shí)要求緊固圈上的過速擺和液壓閥觸動(dòng)臂的安裝間距（徑向）必須嚴(yán)格控制為3mm。

6.2 安裝注意事項(xiàng)

6.2.1 在安裝前必須先將緊固圈內(nèi)表面上的防銹保護(hù)油清除干凈。

6.2.2 安裝液壓閥時(shí)其安裝螺栓不要完全緊固，便于后面調(diào)整，安裝時(shí)要求液壓閥中心高度與過速擺柱塞在同一高度，同時(shí)液壓閥軸線與主軸中心線重合。

6.2.3 在緊固連接兩個(gè)半法蘭盤緊固圈的8顆螺栓前，檢查并確保緊固圈法蘭與配重塊及過速擺之間每側(cè)

均有1～2mm的間隙，以確保緊固圈能預(yù)緊安裝在主軸上。

6.2.4 將液壓閥安裝在其支架上，檢查并確保液壓閥觸動(dòng)臂與過速擺柱塞之間徑向間距為3mm之后緊固液壓閥安裝螺栓。

6.2.5 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)連接相應(yīng)的液壓油管路和電氣接線。

6.2.6 機(jī)組過速限制裝置開箱、檢查機(jī)組過速限制裝置在工廠內(nèi)已裝配，并經(jīng)過調(diào)整試驗(yàn)，以整體包裝運(yùn)輸至工地。在工地開箱安裝時(shí)，機(jī)組過速限制裝置工地不要求解體，但需仔細(xì)檢查各管道接口內(nèi)有無異物、堵塞，若有，需仔細(xì)清除；同時(shí)檢查各螺栓有無松動(dòng)，若有，請(qǐng)把合緊固。

6.3 調(diào)試

機(jī)組過速限制裝置安裝、配管及對(duì)外連接完畢，并對(duì)機(jī)組過速限制裝置、調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全面調(diào)試，試驗(yàn)合格后，方可以投入使用。機(jī)組過速限制裝置設(shè)計(jì)成集成式，其機(jī)械部分不需要特別調(diào)試，調(diào)試工作量主要集中在液壓、電氣與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試上。主要調(diào)試工作是系統(tǒng)功能、關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)試，與LCU控制流程調(diào)試。

6.4 運(yùn)行

調(diào)速器液壓系統(tǒng)投入運(yùn)行前，應(yīng)檢查系統(tǒng)壓力、油位、油溫、電壓等是否正常。油溫會(huì)影響油液的粘度，進(jìn)而影響液壓系統(tǒng)的工作性能。電加熱器不能對(duì)系統(tǒng)的油液進(jìn)行均勻加熱，而當(dāng)油液循環(huán)不充分時(shí)，會(huì)造成加熱器附近的油液被烤焦而出現(xiàn)析碳現(xiàn)象，析出的碳會(huì)影響系統(tǒng)的性能、加劇液壓閥的磨損。因此投運(yùn)前油溫偏低時(shí)應(yīng)采用油泵循環(huán)打油的方式對(duì)油液進(jìn)行加熱，以獲得系統(tǒng)一致的油溫。

7 機(jī)組過速限制裝置維護(hù)

水輪發(fā)電機(jī)組的限速裝置屬于全液壓集成系統(tǒng)，屬于模塊化的結(jié)構(gòu)，閥塊集成了所有的液壓模塊，而且在閥塊內(nèi)，其中具有較大尺寸的流道，具有較強(qiáng)的流通能立，所以液壓系統(tǒng)在限速裝置狀態(tài)正常時(shí)所需要的維護(hù)工作量極少。

7.1 日常維護(hù)

對(duì)于限速保護(hù)裝置的日常維護(hù)中需要清掃其中的灰塵，確保液壓系統(tǒng)清潔，此外還需要對(duì)油液的清潔度進(jìn)行定期的檢查，確保其能夠符合ISO標(biāo)準(zhǔn)16/13。此外設(shè)備在運(yùn)行的過程中，需要對(duì)系統(tǒng)壓力以及油溫進(jìn)行監(jiān)控，確保其處于合理的范圍之內(nèi)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行了一段時(shí)間之后，需要重點(diǎn)對(duì)元件和端子的固定螺絲進(jìn)行檢查，確保不會(huì)因?yàn)樗蓜?dòng)而導(dǎo)致接觸不良的情況發(fā)生，從而阻礙了機(jī)組的安全運(yùn)行。如果限速保護(hù)裝置尚未啟用，需要在各液壓元件中灌注清潔的L-TSA46號(hào)汽輪機(jī)油，未噴漆的加工表面涂上潤滑脂，以防止生銹。管接頭孔應(yīng)堵住、以防止灰塵和臟物進(jìn)入內(nèi)部。

7.2 機(jī)組過速限制裝置及其元件維護(hù)

如果對(duì)閥塊進(jìn)行拆卸，需要確保其O形密封圈沒有老化發(fā)硬且完好，再重新組裝，否則需要對(duì)其立即進(jìn)行更換。想要確?？煽棵芊?，就需要正確的使用O形密封圈，在裝配的過程中需要確保每一個(gè)密封墊密封圈的規(guī)格都是正確的，密封圈必須能夠完全放入溝槽，如果閥塊或者是液壓元件在部分密封圈的上面，可以適當(dāng)涂抹黃油在溝槽內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行粘貼，所有的密封面都必須清理干凈，每顆螺絲也都需要均勻用力，確保密封面被壓緊。

8 結(jié)語

這種機(jī)械過速保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、動(dòng)作準(zhǔn)確，應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)組中，能保證水輪發(fā)電機(jī)組在各種異常情況下都能有效地防止過速飛車的事故發(fā)生，保證了水輪發(fā)電機(jī)組長期安全、可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 東方電機(jī)控制設(shè)備有限公司.GC-150型機(jī)組過速限制裝置使用說明書[S].

作者簡(jiǎn)介：瞿輝（1979-），男，湖北利川人，葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)有限公司技師，研究方向：水輪發(fā)電機(jī)。

（責(zé)任編輯：小 燕）