高水頭混流式水輪機過速保護研究

沈釗根，葉志強

（浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121）

水輪發(fā)電機組過速保護裝置是為水輪發(fā)電機組在意外情況下提供保護作用的安全裝置，通常有電氣一級保護、電氣二級保護和機械二級保護。從而保證水輪發(fā)電機組在各種異常情況下有效地防止過速飛逸事故的發(fā)生，保證機組長期安全穩(wěn)定運行。

當機組轉(zhuǎn)速上升至第一級保護設(shè)定值時，調(diào)速器首先進行關(guān)機操作，當調(diào)速器關(guān)機失?。ㄕ{(diào)速器失靈），機組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升至第二級保護設(shè)定值時，機組二級過速保護裝置啟動，由事故配壓閥、分段關(guān)閉閥、分段關(guān)閉行程閥聯(lián)合作用關(guān)閉導(dǎo)葉，使機組緊急事故停機。一個典型的事故停機的程序見圖1。

1 目前二級過速保護整定值的設(shè)定規(guī)定

二級過速保護整定值在目前的常規(guī)水電站實際應(yīng)用中，通常是按最惡劣工況下的過渡過程機組轉(zhuǎn)速上升最大值加2%～5%額定轉(zhuǎn)速來確定，如二級電氣過速加2%或3%，二級機械過速加5%。

NB/T 35088-2016《水電機組機械液壓過速保護裝置基本技術(shù)條件》4.2.2.10條規(guī)定：對于常規(guī)水電機組，過速保護整定值可按水電機組制造廠確認的過渡過程機組轉(zhuǎn)速上升最大值加5%額定轉(zhuǎn)速設(shè)定，整定值加上動作偏差不應(yīng)大于機組的最大飛逸轉(zhuǎn)速。同時在4.2.11條也提到，對于抽水蓄能機組，過速保護整定值應(yīng)綜合最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速與機組最大飛逸轉(zhuǎn)速進行設(shè)定。

圖1 典型的事故停機流程圖

GB/T 11805-2019《水輪發(fā)電機組自動化元件（裝置）及其系統(tǒng)基本技術(shù)條件》3.6條規(guī)定：機械液壓過速保護裝置或機械過速開關(guān)的動作轉(zhuǎn)速觸點，即：機組調(diào)節(jié)保證最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速規(guī)定值加5%額定轉(zhuǎn)速值的觸點。電氣轉(zhuǎn)速信號裝置的動作觸點，即：機組調(diào)節(jié)保證最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速規(guī)定值加2%（該標準2008版為3%）額定轉(zhuǎn)速值的觸點。注：在抽水蓄能可逆式機組或特殊情況下，也可根據(jù)機組實際過速情況，從設(shè)備安全的角度，確定動作轉(zhuǎn)速值。

2 目前的二級保護設(shè)定方法的保護范圍分析

電氣二級保護或機械二級保護的最終目的是保證水輪發(fā)電機組在各種異常情況下有效地防止過速飛逸事故的發(fā)生，保證機組長期安全穩(wěn)定運行。飛逸可能在不同的運行水頭及導(dǎo)葉開度工況下發(fā)生，而不同的水頭與導(dǎo)葉開度意味著相應(yīng)的飛逸轉(zhuǎn)速也會不同。目前水輪機導(dǎo)葉的水力設(shè)計在正常運行范圍內(nèi)通常具有自關(guān)閉特性，因此，有較大的可能是在出現(xiàn)事故時，機組在原運行工況點的水頭與導(dǎo)葉開度下出現(xiàn)飛逸。表1是多個典型的混流式機組在其特征水頭及該水頭下最大、最小出力時對應(yīng)的導(dǎo)葉開度下的飛逸轉(zhuǎn)速與二級過速保護值之比較。

表1 飛逸轉(zhuǎn)速與二級過速保護整定值之比較

由表1可見，因高水頭混流式水輪機的飛逸轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的比值相對較低，因此如按目前的二級過速保護設(shè)置方式，二級過速保護基本失去飛逸保護作用。對于中低水頭混流式機，也有較大的范圍失去飛逸保護作用。

3 降低最大轉(zhuǎn)速上升值的可能性分析

從過渡過程的調(diào)節(jié)保證計算中可知，要降低最大轉(zhuǎn)速上升值的主要途徑有3條：①增加發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量；②加大引水系統(tǒng)的尺寸；③優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律。前兩種方法可能將使得制造及建設(shè)成本大幅提高至無法接受的程度。第三種方法已在調(diào)保計算中廣泛實施，一般來說都會將導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進行最大限度的優(yōu)化，從而實現(xiàn)調(diào)保計算中壓力上升及轉(zhuǎn)速上升最優(yōu)，因此，已很難僅僅依靠優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律來將最大轉(zhuǎn)速上升值進一步降低，以達到增加二級保護范圍的目的。

4 二級保護設(shè)置的設(shè)計方案

4.1 不設(shè)置純機械過速保護裝置的方案

從調(diào)節(jié)保證理論計算或電站現(xiàn)場的實際甩負荷試驗中，我們可以得到如圖2中紅線所示的轉(zhuǎn)速曲線。可以將二級電氣保護的設(shè)定值設(shè)為比最大轉(zhuǎn)速上升低的某個值，例如按水輪機全運行范圍內(nèi)對應(yīng)的飛逸轉(zhuǎn)速最小值，即最小水頭最小功率工況點對應(yīng)的飛逸轉(zhuǎn)速，并考慮動作誤差值。同時在電氣保護邏輯中設(shè)置一個時間延時，延時值需大于保護值水平線與轉(zhuǎn)速曲線二交點的時間間隔。當轉(zhuǎn)速第一次大于二級電氣保護設(shè)定值時，同時檢測導(dǎo)葉開度，如導(dǎo)葉已關(guān)至小于設(shè)定值，保護裝置觸發(fā)延時保護，如在延時結(jié)束時，轉(zhuǎn)速已降至保護設(shè)定值，則取消發(fā)出事故關(guān)機信號，否則發(fā)出事故關(guān)機信號。

圖2 電氣二級過速保護依據(jù)過速曲線設(shè)置延時觸發(fā)

按目前的純機械保護裝置的最新技術(shù)水平，尚沒有成熟可靠的延時發(fā)信技術(shù)，因此可以考慮不設(shè)置純機械過速保護，或?qū)⒓儥C械保護的信號仍設(shè)定在高于最大轉(zhuǎn)速上升值的位置，但此時的純機械過速保護只對部分最惡劣的飛逸工況進行保護。

二級電氣保護裝置，可以考慮冗余設(shè)置，即增設(shè)一套來自另一電源的（如直流）的保護，兩套電氣過速保護裝置均能獨立發(fā)出緊急停機信號，增加了機組過速保護的可靠性。

上述延時保護設(shè)置，可以保證甩負荷后機組保持額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)待機狀態(tài)的要求，同時最大程度的實現(xiàn)機組二級防飛逸保護。

延時保護的邏輯控制程序如圖3所示。

圖3 二級過速保護延時觸發(fā)流程圖

事實上，國外很多高水頭電站也是因為甩負荷時的過速值已經(jīng)大于穩(wěn)態(tài)飛逸值而沒有設(shè)機械過速保護裝置，已有的運行情況表明這也是安全可靠的。國外電站的一些應(yīng)用實例見表2。

表2 不設(shè)置機械過速保護的電站實例

4.2 設(shè)置純機械過速保護值低于瞬態(tài)過速值

當廠房全部失電的情況下，機械過速保護裝置提供最后一道可靠的防飛逸保護。具體如何設(shè)置需結(jié)合合同、所在電站的電網(wǎng)要求而定。當電站所在的接入的電網(wǎng)相對較小，電網(wǎng)故障率相對較高且抗沖擊能力小，通常電網(wǎng)要求機組甩負荷后保持額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)狀態(tài)，以便快速再次啟動機組。而當機組突然甩負荷時，無法事先判斷是外部電網(wǎng)原因還是電站本身的原因，而且對于像本身的故障率相對較低且容量大抗沖擊能力強的電網(wǎng)，機組甩負荷后進入緊急停機流程的可接受程度更高。如是電站內(nèi)部原因故障導(dǎo)致過速，從某種意義上講，機組出現(xiàn)甩負荷情況后先進行停機檢查也有一定的必要性。

據(jù)調(diào)查，國內(nèi)某高水頭電站設(shè)有的機械過速保護裝置的整定值是低于甩負荷時的最大過速值的，按此設(shè)定，在甩負荷時，有時會出現(xiàn)甩停機現(xiàn)象。據(jù)電站運行人員反應(yīng)，出現(xiàn)這種情況并無太多負面影響，只是需要重新進行一次開機操作，但毫無疑問這樣對機組的防飛逸保護是有利的。

5 結(jié)語

對于高水頭、高轉(zhuǎn)速機組，大波動調(diào)節(jié)保證計算的轉(zhuǎn)速上升值與水輪機的穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速很接近，有時甚至高于水輪機的穩(wěn)態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速。通過加大引水系統(tǒng)尺寸或加大發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量來降低過渡過程中的過速值，經(jīng)濟性和技術(shù)性均很差。此時需要從電網(wǎng)要求與機組保護方面綜合考慮：對于容量較小、抗沖擊能力較弱或電網(wǎng)有特別要求時，取消機械過速保護裝置，同時二級電氣過速保護設(shè)置觸發(fā)延時是可行的；對于容量較大、抗沖擊能力較強或電網(wǎng)無特別要求時，綜合考慮機組在不同的水頭和開度下的飛逸轉(zhuǎn)速，將機械過速保護裝置整定值設(shè)置為低于甩負荷時的最大過速值，對于機組防飛逸的保護更加有利。