水轮发电机组过速保护装置分析

瞿辉　王建飞

摘要：如果水轮发电机组因为突发事故的影响导致停机且水轮机的调速器无效，导叶片无法关闭，那么就可能会出现水轮发电机组的转速明显上升，达到飞逸转速的范围。为了能够实现对机组出现过速情况的限制，增加相关的限速装置，一旦水轮机调速器无效后，必须对导叶进行关闭操作。文章对水轮发电机组过速保护装置进行了分析。

关键词：水轮机；发电机组；调速器；过速保护装置；导叶片 文献标识码：A

中图分类号：TK730 文章编号：1009-2374（2017）04-0123-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.063

1 概述

在水轮发电机组上安装的过速环以及控制阀共同组成了水轮发电机组的机械过速保护装置。该种过速保护装置较为可靠，可以应用于各种样式的水轮发电机组，一旦水轮发电机组出现转速超出允许值的情况后，该装置就会主动停机该机组。

2 机械过速保护装置原理

2.1 结构原理

控制阀和过速环共同组成了机械过速保护装置，该装置的工作原理如下：水轮机大轴上安装一齿圈，确保可以与机组运行状况同步，齿圈上存在大量离心飞摆，通过弹簧予以控制，当机组的转速正常时候，弹簧的压力大于离心摆获得的离心力，所以此时离心摆是被牢牢固定的，一旦机组开始超出允许值运转，此时弹簧所产生的压力就会明显小于离心摆获得离心力，此时离心摆压缩弹簧向外甩出，从而撞击到控制阀上面的撞块，此时连接紧急停机阀的油路会被联通，机组被停止运行，且向控制中心发出警告。

2.2 动作原理

行程开关、控制阀以及过速环这三个组成部分共同组成了机械过速保护装置，其中过速环安装的位置为水轮发电机组额大轴，其运行是与大轴同步的，如果机组在正常地运行，那么弹簧的弹力大于离心摆受到的离心力，所以可以保证其处于相对齿圈静止的状态，而且齿圈上面还有配重块，其作用是确保齿圈能够平稳运动，一旦水轮发电机组受到不正常操作或者是处于过速的状态的话，那么离心摆受到的离心力就要大于弹簧形成的压力，进而使得摆块围绕固定转动中心摆动一个角度，让其运转的最大半径有一个增值，在这个时候，摆块会与控制阀的撞块发生相撞，从而使得撞块失去对控制阀芯的控制，阀芯被弹簧推动，从而使得紧急停机电路被联通，进而使得机组的主配压阀运行，完成停机，而且行程开关也会运行，发出停机信号，在此之后可以通过拉动手柄来手动启动机组。

其中控制阀的组成部分是阀体、阀芯、撞块、恢复手柄以及弹簧和行程开关，如果水轮发电机组的运行是正常的，那么此时阀芯是被撞块顶住固定的，撞块尖端距离離心摆外圆之间有一定的距离。如果水轮发电机组开始超速地运行，那么就会出现离心动作，一旦机组出现过速的情况，离心摆就会动作，离心摆外圆会被甩出，从而撞击撞块尖端，撞块发生位移，无法控制阀芯，弹簧发生作用，从而推动阀芯快速移动，使得紧急停机油路被接通，进而停止机组运行，此时行程开关也会向控制中心发出机组被停机的信号，当通过手柄把阀芯和撞块恢复到初始位置之后，机组就可以被重新启动。

3 我厂机械过速保护装置简介

3.1 功能简介

此次四号机新加装的机械过速保护装置为GC-150型机组过速限制装置，具有电气-液压和机动-液压双重控制功能。除了能够按照电站监控系统发出的信号关闭机组做保护措施之外，还可以在电站监控系统无效、调速器以及操作电源无效的时候，直接接收从机械液压过速保护装置中的机动换向阀发出的液压控制信号，在水轮发电机组发生过速时，保护关闭机组，以保护设备安全、可靠。

GC-150型机组过速限制装置在结构上采用二通插装式液压阀集成控制块结构，通过精心设计的液压系统、专用电液换向阀、二通插装阀、控制盖板和阀块来实现保护关闭操作功能。该装置液压系统在一个阀块上集中了所有的零部件，所以无论是安装还是调试和维护都是非常省事的。

3.2 结构简介

水轮发电机组上安装的过速环、控制阀以及行程开关共同组成了机械过速保护装置，确保当各种水轮发电机出现转速高于允许值之后，会主动发出体积的信号，而且还会主动做出动作对机组进行停机操作。水轮发电机组安装机械过速保护装置后，可以确保水轮发电机组能够在出现故障后依靠保护装置保护自身不致损坏。目前绝大部分的水轮发电机组都已经应用了该种保护装置。

液压控制阀组液压阀紧固圈机组过速限制装置是由二通插装阀，一个专用电液换向阀YV01（说明：YV01为双电磁铁、带定位机构的专用电液换向阀），保护关闭时间调节装置，测压接头、6个外接法兰，2个外接管接头等液压元器件和阀块组成。全部液压元器件集中安装在一个阀块上，成为一个插装集成式机组过速限制装置。阀组上还配有安装支架，用于整个阀组的安装固定。机组过速限制装置，有8个外接油口。通过操作机组过速限制装置上的电液换向阀YV01，可完成对机组保护关闭操作。此外，机组过速限制装置上，还设有微型测压接头，可用于在现场调试时，监测压力油源、接力器开腔、接力器关腔、外控液压信号等关键位置的压力。

4 机组过速限制装置操作、控制

机组过速限制装置进行任何操作与控制时，必须按电站运行规范要求做好安全措施，以防止人员伤害事故的发生。机组过速限制装置，可以通过3种方式实现对机组保护关闭操作。

4.1 纯手动操作

手动操作机组过速限制装置上电液换向阀YV01，完成对机组保护关闭操作。

4.1.1 关闭操作前提条件：（1）机组不在全关位置（具有一定开度，试验时开启到全开位置）；（2）专用电液换向阀YV01（双线圈）处于复归位置；（3）水轮机接力器锁定在拔出位置。

4.1.2 手动保护关闭操作步骤：（1）手动将专用电液换向阀YV03（双线圈）切换到投入位置，阀位强制换向，保护关闭系统投入，将机组保护关闭至全关位置；（2）机组保护关闭至全关位置时，若调速器主阀处于回中位置。此时，若手动将专用电液换向阀YV03（双线圈）切换到复归位置，接力器就恢复到调速器控制状态。

4.2 纯电气操作

由机组监控系统的电气信号，操作机组过速限制装置上电液换向阀YV01，完成对机组保护关闭操作。

4.2.1 开启操作前提条件。满足机组保护关闭流程条件，但以下是必须条件：（1）机组不在全关位置（具有一定开度，试验时开启到全开位置）；（2）专用电液换向阀YV01（双线圈）处于复归位置；（3）水轮机接力器锁定在拔出位置。

4.2.2 电动保护关闭操作步骤。（1）专用电液换向阀YV01（双线圈）投入线圈瞬时通电（维持2S后自动将投入线圈电源切除），阀位强制换向，保护关闭系统投入，将机组保护关闭至全关位置；（2）机组保护关闭至全关位置时，若调速器主阀处于回中位置。此时，若电动将专用电液换向阀YV03（双线圈）切换到复归位置，接力器就恢复到调速器控制状态。

4.3 纯液压关闭操作

由机械液压过速保护装置机动换向阀的液压控制信号，完成对机组保护关闭操作。在机组过速限制装置投入运行后，若发生机组保护关闭，必须查找出事故原因，并将事故排除，采用手动方式复归机组过速限制装置。

机械液压过速保护装置机动换向阀的液压控制信号，来控制机组保护关闭。在机组过速限制装置上，设有外控油口X0。正常状态下（即机械液压过速保护装置未动作），外控油口X0是通过机械液压保护装置的机动换向阀与压力油源相连接，即外控油口X0处于有压状态。当水轮发电机组过速时，机械液压保护装置动作后，机动换向阀阀位发生切换，外控油口X0通过机动换向阀与回油相通，此时无论筒形阀处于何位置，机组过速限制装置会自动将机组关闭，实现机械液压过速保护关闭机组的目的。外控油口X0是来自机组机械液压过速保护装置控制液压信号接入，液压控制系统能够在该液压信号控制下，可靠关闭机组。

机械液压过速保护装置，其机动换向阀的液压控制信号，动作方式如图1所示：

说明：①接回油箱；②接压力油源；③液压控制信号，提供给筒形阀液压控制系统；④机动换向阀；⑤离心飞摆；⑥水轮机大轴机动换向阀动作前，油口P与A相通，油口T接回油，机动换向阀动作后，油口A与T相通排油，油口P封堵住。漫湾机组过速保护系统与筒形阀液压控制系统改造，在调速器液压系统与筒形阀液压系统之间，设计有一个隔离阀YQV02，其目的是将两个液压系统完全隔离，防止两个液压系统之间相互窜油。

5 机组过速限制装置时间调节控制

在机组过速限制装置上，设置有保护关闭时间调节装置，用于机组保护关闭过程时间调节。机组保护关闭时间，应当严格按照水轮机水力调保计算的有关技术要求设定，此次机组过速限制装置上的时间整定值为7s，实际整定值为7.02s。

6 安装

6.1 安装系统功能描述

本系统包括两个主要部件——安装在水轮机主轴上的紧固圈（含过速摆）和液压阀（带电器限位开关）。安装时要求紧固圈上的过速摆和液压阀触动臂的安装间距（径向）必须严格控制为3mm。

6.2 安装注意事项

6.2.1 在安装前必须先将紧固圈内表面上的防锈保护油清除干净。

6.2.2 安装液压阀时其安装螺栓不要完全紧固，便于后面调整，安装时要求液压阀中心高度与过速摆柱塞在同一高度，同时液压阀轴线与主轴中心线重合。

6.2.3 在紧固连接两个半法兰盘紧固圈的8颗螺栓前，检查并确保紧固圈法兰与配重块及过速摆之间每侧

均有1～2mm的间隙，以确保紧固圈能预紧安装在主轴上。

6.2.4 将液压阀安装在其支架上，检查并确保液压阀触动臂与过速摆柱塞之间径向间距为3mm之后紧固液压阀安装螺栓。

6.2.5 根据系统设计连接相应的液压油管路和电气接线。

6.2.6 机组过速限制装置开箱、检查机组过速限制装置在工厂内已装配，并经过调整试验，以整体包装运输至工地。在工地开箱安装时，机组过速限制装置工地不要求解体，但需仔细检查各管道接口内有无异物、堵塞，若有，需仔细清除；同时检查各螺栓有无松动，若有，请把合紧固。

6.3 调试

机组过速限制装置安装、配管及对外连接完毕，并对机组过速限制装置、调速系统进行全面调试，试验合格后，方可以投入使用。机组过速限制装置设计成集成式，其机械部分不需要特别调试，调试工作量主要集中在液压、电气与监控系统联合调试上。主要调试工作是系统功能、关机时间调试，与LCU控制流程调试。

6.4 运行

调速器液压系统投入运行前，应检查系统压力、油位、油温、电压等是否正常。油温会影响油液的粘度，进而影响液压系统的工作性能。电加热器不能对系统的油液进行均匀加热，而当油液循环不充分时，会造成加热器附近的油液被烤焦而出现析碳现象，析出的碳会影响系统的性能、加剧液压阀的磨损。因此投运前油温偏低时应采用油泵循环打油的方式对油液进行加热，以获得系统一致的油温。

7 机组过速限制装置维护

水轮发电机组的限速装置属于全液压集成系统，属于模块化的结构，阀块集成了所有的液压模块，而且在阀块内，其中具有较大尺寸的流道，具有较强的流通能立，所以液压系统在限速装置状态正常时所需要的维护工作量极少。

7.1 日常维护

对于限速保护装置的日常维护中需要清扫其中的灰尘，确保液压系统清洁，此外还需要对油液的清洁度进行定期的检查，确保其能够符合ISO标准16/13。此外设备在运行的过程中，需要对系统压力以及油温进行监控，确保其处于合理的范围之内，当机组运行了一段时间之后，需要重點对元件和端子的固定螺丝进行检查，确保不会因为松动而导致接触不良的情况发生，从而阻碍了机组的安全运行。如果限速保护装置尚未启用，需要在各液压元件中灌注清洁的L-TSA46号汽轮机油，未喷漆的加工表面涂上润滑脂，以防止生锈。管接头孔应堵住、以防止灰尘和脏物进入内部。

7.2 机组过速限制装置及其元件维护

如果对阀块进行拆卸，需要确保其O形密封圈没有老化发硬且完好，再重新组装，否则需要对其立即进行更换。想要确保可靠密封，就需要正确的使用O形密封圈，在装配的过程中需要确保每一个密封垫密封圈的规格都是正确的，密封圈必须能够完全放入沟槽，如果阀块或者是液压元件在部分密封圈的上面，可以适当涂抹黄油在沟槽内，对其进行粘贴，所有的密封面都必须清理干净，每颗螺丝也都需要均匀用力，确保密封面被压紧。

8 结语

这种机械过速保护装置结构简单、安装方便、动作准确，应用于水轮发电机组中，能保证水轮发电机组在各种异常情况下都能有效地防止过速飞车的事故发生，保证了水轮发电机组长期安全、可靠地运行。

参考文献

[1] 东方电机控制设备有限公司.GC-150型机组过速限制装置使用说明书[S].

作者简介：瞿辉（1979-），男，湖北利川人，葛洲坝集团机电建设有限公司技师，研究方向：水轮发电机。

（责任编辑：小 燕）