純機械過速保護裝置在長潭水電廠的應用

張家勇，黃 彬

(廣東粵電長潭發(fā)電有限責任公司，廣東 梅州 514100)

1 概 述

長潭水電廠位于廣東省梅州市，安裝有4臺單機容量為15.5 MW的立式混流式機組，額定水頭42 m，最大水頭46.7 m，最小水頭34.1 m，額定出力15.5 MW，額定轉(zhuǎn)速214.3 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速446 r/min。在2019—2020年機組檢修季期間，長潭水電廠對4臺機組加裝了ALSTOM生產(chǎn)的DEVSS系列機械過速保護裝置，確保機組的安全運行。

2 安裝必要性

長潭水電廠自1987年投運以來，設置有115%ne、140%ne電氣一級、二級過速保護，未設置有純機械過速保護功能；當電氣過速保護系統(tǒng)故障或調(diào)速器失電時,機組轉(zhuǎn)速可能上升至飛逸轉(zhuǎn)速,將產(chǎn)生巨大的離心力，造成機組振擺急劇增大；有可能會使得機組轉(zhuǎn)動部分與固定部分產(chǎn)生碰撞，造成嚴重的人身事故和設備事故。

《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》第23.1.1條規(guī)定：“電廠應設置完善的剪斷銷剪斷、調(diào)速系統(tǒng)低油壓、電氣和機械過速等保護裝置”；第23.1.8條規(guī)定：“大中型水電站應采用‘失電保護’規(guī)則，在水輪發(fā)電機組的保護和控制回路電壓消失時，使相關(guān)保護和控制裝置能夠自動動作關(guān)閉機組導水機構(gòu)”。

因此，水電機組應安裝純機械過速保護裝置，其工作原理為當電氣一級、二級過速保護失效時，機組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到機械過速保護裝置動作值，機械過速保護裝置動作于事故配壓閥，直接關(guān)閉水輪機導葉，使機組緊急停機，防止飛逸事故。由于純機械過速保護裝置只需通過機械信號即可動作關(guān)停機組，可靠性高，與電氣一級、二級保護形成互補，可確保機組安全運行。

3 DEVSS純機械過速保護裝置結(jié)構(gòu)介紹

DEVSS機械過速保護裝置主要由離心探測器、安裝環(huán)、配重塊、脫扣器和配壓閥等部件組成。離心探測器、配重塊、安裝環(huán)固定在機組的大軸上，與大軸一起旋轉(zhuǎn)；脫扣器、配壓閥固定在機架上，不隨著大軸轉(zhuǎn)動；離心塊與脫扣器擺輪安裝間隙精確整定為3.0 mm(見圖1)。

圖1 機械過速保護裝置結(jié)構(gòu)圖

離心塊通過彈簧預壓縮設置了一定的預緊力，該預緊力略小于過速保護動作轉(zhuǎn)速時的離心力。機組在額定轉(zhuǎn)速時，由于彈簧預緊力大于離心塊離心力，離心塊不會向外移動，離心塊與擺輪之間的間隙無變化；當機組轉(zhuǎn)速逐漸增大，開始接近動作轉(zhuǎn)速時，離心塊才完全克服預緊力開始向外運動；當達到動作轉(zhuǎn)速時，離心塊幾乎瞬間甩出，快速撞擊擺輪，使脫扣器轉(zhuǎn)動，脫扣器凸輪推動配壓閥的閥桿，切換配壓閥油路，動作于事故配壓閥，通過事故配壓閥關(guān)閉導水機構(gòu)，從而使機組停機。機械過速保護裝置動作過程如下所示(見圖2、圖3)。

圖2 離心探測器、脫扣器、配壓閥結(jié)構(gòu)圖

圖3 液壓原理圖

4 保護動作值的整定

機械過速保護動作值是一個很關(guān)鍵的數(shù)字，《水電機組機械液壓過速保護裝置基本技術(shù)條件》(NB/T 35088—2016)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)速設定，整定值加上動作偏差不應大于機組的最大飛逸轉(zhuǎn)速。長潭水電廠機組設計轉(zhuǎn)速上升最大值不超過145%ne。

在實際應用中，國內(nèi)水電站整定值基本在140%～150%ne之間，大多數(shù)飛逸轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速比值大、安全裕度高的水電站，機械過速保護動作值選定為150%ne；少數(shù)飛逸轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速比值小、安全裕度低或投運時間較久的水電站，會選擇比較小的保護動作值。考慮到長潭水電廠機組飛逸轉(zhuǎn)速比值/額定轉(zhuǎn)速比較大，安全裕度較高，因此長潭水電廠初期投運的2臺機組保護動作值選定為(145%+5%)=150%ne。

考慮到長潭水電廠最近幾年甩滿負荷時出現(xiàn)的最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速實際值僅為133.8%ne，因此可考慮在滿足過渡過程調(diào)節(jié)的要求下，將動作值進一步調(diào)低，這樣更有利于保護機組。本廠機械過速保護動作值應滿足以下條件：

(1)應大于138.8%ne，即本廠機組調(diào)節(jié)保證最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速實際值133.8%ne+5%。

(2)機械過速保護作為最后一道保護，動作值應大于電氣二級保護動作值(140%ne)。

2)輔助授粉。果園放蜂：花期果園放蜂可明顯提高坐果率，且節(jié)約人工。蜂箱放置不宜太分散，可按15～22.5畝放置1個蜂箱。盡量避開花期打農(nóng)藥?；ㄆ诶ハx活動頻繁，農(nóng)藥的噴施會影響昆蟲到花朵的到訪。人工授粉：授粉宜在盛花初期進行，花朵開放當天授粉較佳。用鉛筆的橡皮頭蘸花粉點授中心花，蘸一次花粉點授3～5朵花?；ㄆ谶B續(xù)授粉2～3次效果更好。也可以用水10公斤、砂糖1公斤、尿素30克、花粉50毫克、硼酸10克的懸浮液噴霧授粉，要求懸浮液即配即用，2小時內(nèi)噴完，效果也很好。

(3)在滿足(1)和(2)的條件下數(shù)值盡量小，且又能明顯區(qū)分于電氣二級保護動作值。

經(jīng)過綜合分析，最終確定后期投運的2臺機組機械過速保護動作值選定為143%ne。

5 試 驗

5.1 出廠前試驗

機械過速保護裝置動作值精度要求滿足《水電機組機械液壓過速保護裝置基本技術(shù)條件》中規(guī)定：

(1)其內(nèi)置彈簧的特性線應為線性，在連續(xù)無故障運行35 000 h后，由于其彈性常數(shù)漂移引起的機械液壓過速保護裝置動作值偏差δ應不超過±1.0 %。

(2)出廠前試驗，試驗次數(shù)應不少于5次，動作值偏差δ均應不超過±1.0%。

(3)現(xiàn)場試驗時動作值偏差δ應不超過1.5%。

每臺機械過速保護裝置出廠前均在仿真試驗臺上分別做了10次試驗，試驗數(shù)據(jù)如下所示(見表1)。從表中可看出，出廠前試驗結(jié)果是優(yōu)于國標要求的。

表1 出廠前試驗數(shù)據(jù)

5.2 現(xiàn)場試驗

長潭水電廠先后對4臺機組進行了純機械過速保護裝置現(xiàn)場試驗，試驗步驟及要求如下：

(2)檢查機組空轉(zhuǎn)運行正常。

(3)將調(diào)速器轉(zhuǎn)為“現(xiàn)地”、“電手動”、“開度調(diào)節(jié)”、“導葉比例閥控制”方式運行狀態(tài)。

(4)操作將調(diào)速器電氣開限設置為60%。

(5)用電手動的方式勻速增加導葉開度，將機組轉(zhuǎn)速升到120%ne(對應機組頻率為60 Hz、或257.2 r/min)暫停，各部監(jiān)視人員監(jiān)視機組轉(zhuǎn)速上升到120%ne運行無異常。

(6)用電手動的方式勻速增加導葉開度，將機組轉(zhuǎn)速升到目標轉(zhuǎn)速145%ne(對應機組頻率為72.5 Hz、或310.8 r/min)，各部監(jiān)視人員監(jiān)視機組轉(zhuǎn)速上升運行情況，如出現(xiàn)異常應立即報告。一般異常情況應降回100%ne轉(zhuǎn)速后停機，嚴重異常情況應進行緊急落閘停機。

(7)監(jiān)視機組轉(zhuǎn)速達到純機械過速保護定值(143%ne，對應機組頻率為71.5 Hz、或306.5 r/min)時，機組純機械過速保護應動作。

(8)如果機組轉(zhuǎn)速達到145%ne(對應機組頻率為72.5 Hz、或310.8 r/min)時，機組純機械過速保護未能動作，操作人員應立即減小導葉開度降機組轉(zhuǎn)速到(100%ne，對應機組頻率為50 Hz)，再操作將機組自動停機。

(9)如果機組轉(zhuǎn)速超過145%ne(對應機組頻率為72.5 Hz、或310.8 r/min)時，機組純機械過速保護未能動作，由運行人員操作進行緊急落閘停機。

試驗過程中，機械過速保護裝置動作流暢可靠，現(xiàn)場試驗實際動作值均為負偏差，且優(yōu)于能源部標準規(guī)定的偏差δ均應不超過±1.0%的要求，說明裝置動作準確可靠(見表2)。

表2 現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

6 結(jié) 語

DEVSS機械過速保護裝置結(jié)構(gòu)簡單可靠，能在電氣過速保護拒動或誤動，當調(diào)速器失電時，可僅靠機械液壓系統(tǒng)將機組關(guān)停，為水電站機組提供最后一道保護，確保了機組安全運行。