純機械過速保護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)負華東電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，并有防洪、灌溉、航運、養(yǎng)殖、旅游、水上運動、林果業(yè)等綜合效益。電站總裝機容量85.5萬kW,共有9臺單機容量9.5萬kW的混流式水輪發(fā)電機組，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)電機組的保護有電氣一、二、三級保護；為防止水輪發(fā)電機組在運行中發(fā)生緊急事故，在水輪機調(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)閉切斷機組流道水流，機組的轉(zhuǎn)速就可能上升到飛逸轉(zhuǎn)速。為了限制機組過速，避免發(fā)生飛逸事故，需要設(shè)置純機械過速保護系統(tǒng)，以便在機組事故時能夠緊急關(guān)閉導(dǎo)葉接力器，保護機組安全。

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

1 純機械過速保護裝置

1.1 過速保護裝置組成

純機械過速保護裝置由過速飛擺、集成測速齒盤的緊固圈、液控換向閥、行程開關(guān)、觸動臂等組成。純機械過速保護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

正常運行情況下，過速保護裝置液控換向閥進油口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)中的液動停機閥，使得調(diào)速器切換閥與停機閥之間油路暢通。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速達到過速保護裝置動作設(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，液控換向閥動作失壓，液控換向閥內(nèi)部油路和行程開關(guān)觸點發(fā)生切換，使得液控換向閥油口P與排油口T接通，液動停機閥失壓動作，進而機組導(dǎo)葉關(guān)閉，起到防止機組過速的作用[1]。其液壓原理如圖2所示。

當(dāng)機組過速事故解除后，值班人員需手動復(fù)歸觸動臂，檢查并確保液控換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，液控換向機閥油口P與A相通。

圖2 機械過速保護裝置液動動作原理

1.3 廠內(nèi)過速保護裝置的特點

1）長期使用運行精度良好；

2）出廠時進行精確整定，現(xiàn)場即直接驗收使用；

3）能克服擺動對精度的影響；

4）安裝維護簡便；

5）能方便地和測速齒盤集成使用。

2 過速保護裝置的安裝及例檢

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主軸垂直。對主軸上沒有加工止口的機組，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）?？墒褂媒回洉r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）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（機組正常運行時，接點13與14閉合，接點21與22斷開；過速保護動作后，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，以確認系統(tǒng)液壓油管路連接正確。

9）最后檢查確認液壓閥觸動臂在正常位置；檢查確認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

每年機組停機維護時，要求對連接2個半法蘭盤的8顆M16螺栓緊固力矩進行檢查，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

由于過速保護裝置的至關(guān)重要性，每隔一定年限應(yīng)對過速保護器進行一次校驗。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 純機械過速保護裝置的維護

在運行中發(fā)生過速保護器動作停機，在機組重新啟動前，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。每次由于機組大修等原因拆卸過速保護器后，只需要安裝TURAB過速保護器的安裝說明書要求重新安裝好后即可投入使用，不需要進行重新校驗或整定。

純機械過速保護裝置本體進出油口與外部進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次進出油管路連接處滲油。

在機組停機檢修時，過速保護裝置的各個活接應(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：改變機械過速保護裝置動作邏輯，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)合機組C修，對已安裝有機械過速保護裝置的機組進行改造。

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行改造，使正常情況下進油口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，進出油口才接路不帶壓，只有當(dāng)液動閥動作時，進出油口才接通。此改動雖可以使出油管不帶壓，但是進油管仍舊帶壓，并不能完全解決進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)，此時如果保護裝置動作，則可能出現(xiàn)大面積滲油，甚至液動停機閥無法動作的情況；

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。這樣不但不能達到保護的目的 反而會擴大事故；

4）保護裝置出油口與調(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。我廠機組甩負荷時轉(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)速上升值會遠大于32～48 r；

圖4 轉(zhuǎn)速上升曲線

5）如將現(xiàn)有純機械過速保護裝置更換為充壓動作，則需對液壓閥及液控換向閥進行更換。單臺液動閥及液控換向閥成本在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)電廠在安裝純機械過速保護裝置后，過速保護控制過程不需要任何電子或電氣設(shè)備參與，同時實現(xiàn)與電氣過速保護形成互補，保證了機組在過速的情況下，電源系統(tǒng)故障情況，能安全可靠的停止運行。

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