水电厂机组过速保护系统的优化完善

程言忠

（浙江浙能华光潭水力发电有限公司，浙江 杭州 311322）

0 引言

水电厂机组过速一般发生在机组甩负荷或空转情况下调速器失灵时，其后果是有可能导致机组部件损坏，甚至是机组出现飞逸造成重大事故。因此，机组过速保护的可靠动作，对于电厂的安全稳定运行至关重要。

某水电厂原过速保护系统由调速器、事故配压阀、主阀、转速测控器、电磁阀、相关控制回路和逻辑等组成，鉴于机组过速保护的重要性，针对原过速保护系统中存在的安全隐患，电厂对系统进行了升级改造。

1 原过速保护系统动作原理

原过速保护的配置分两级，第1级保护动作定值为115%额定转速，第2级保护动作定值为150%额定转速，其转速测量装置由2套转速测控器组成，第1套转速测控器配置霍尔开关和发电机PT信号，第2套转速测控器配置发电机PT信号。

第1级过速保护动作原理是：收到任意一套转速测控器的机组115%额定转速输出信号，且导叶在空载以上，则延时1.5 s启动事故停机流程，或者收到任意一套转速测控器的机组115%额定转速输出信号，导叶在空载以上，且调速器故障，则启动事故停机流程。第2级过速保护动作原理是：同时收到任意一套转速测控器的机组115%额定转速输出信号和任意一套转速测控器的150%额定转速输出信号，则启动紧急事故停机流程。过速保护动作流程如图1～3所示。

图1 原第1级过速保护动作流程图

图2 原第2级过速保护动作原理图

在实际运行中，调速器包含1个紧急停机电磁阀，具有紧急停机功能。若机组过速，转速测控器就能及时检测到，并通过计算机监控系统将检测结果传递给调速器，调速器接收到检测结果后就会给紧急停机电磁阀下达动作指令，控制主配压阀关闭导叶接力器。

电厂主阀采用球形阀，当第2级过速保护动作时，紧急关闭截断水流，防止事故扩大。球形阀控制系统由一个球形阀PLC电气控制箱、一套液压操作系统阀组、一个差压控制器和一个压力开关组成。液压操作系统阀组接受PLC指令，控制球形阀接力器的开关、工作密封的投入和退出。差压控制器和压力开关用于提供平压信号。

图3 原第2级过速保护动作流程图

2 存在的问题

（1）由图1、图3可以看出，原过速保护没有动作事故配压阀。主要原因为原事故配压阀因设计不合理，满足不了机组调节保证值的要求，无法投入。鉴于实践中调速器可能会出现主配压阀拒动等失控的情况，事故配压阀可以及时动作停机，防止机组飞逸，若不能正常投入，隐患是巨大的。

（2）原过速保护都属于电气过速保护，万一机组甩负荷过程中同时发生电气元器件本身故障或者全厂交、直流电源消失的情况，机组过速将无法控制，事故的后果难以想象。

（3）原球形阀控制系统PLC仅有一套交流220 V电源输入，当机组甩负荷造成第2级过速保护动作且全厂交流电源失去时，球形阀将无法关闭，可能会造成事故扩大。

3 改进措施

针对以上存在的问题，对原过速保护系统进行了升级改造，主要措施为：①更换事故配压阀，在机组正常情况下，为调速器控制接力器的通路，当机组过速时，直接操作导叶接力器关闭导叶；②在保留原电气过速保护装置的基础上，加装机组纯机械过速保护装置。从而确保过速工况下，发生监控系统、调速器失效或厂用电消失时机组导叶能正确关闭；③对球形阀控制系统进行改造，增加一路PLC直流220 V输入电源，当厂用交流电源失去时，通过直流电源确保PLC正确动作关闭球形阀。

3.1 更换事故配压阀

事故配压阀安装于主配压阀至接力器油管路中，其液压原理图见图4。

图4 事故配压阀液压原理图

事故配压阀为失压动作。正常情况下，电磁阀换向阀不动作，事故配压阀处于图4所示位置，不影响调速器到接力器的油路畅通，当电磁阀换向阀接收到电气信号或纯机械过速保护装置的液压油信号后，动作事故配压阀，切断调速器至接力器的油路，压力油直接从事故配压阀进入接力器关闭侧，使接力器关闭导叶而停机。

事故配压阀在满足下列条件之一时动作：

（1）收到任意一套转速测控器的机组115%额定转速输出信号，导叶在空载以上，且调速器故障；

（2）第2级过速保护动作；

（3）纯机械过速保护动作。

为满足机组调节保证值的要求，事故配压阀的关机时间需要参照调速器的关机时间，具体可综合考虑接力器移动规律、转速上升和压力上升等进行整定。

当机组完全停止后，使调速器恢复至正常停机位置，此时方可使事故配压阀复归，在机组开机条件中，应加入事故配压阀复归判据。

图5 纯机械过速保护装置结构示意图

3.2 加装纯机械过速保护装置

机组纯机械过速保护装置选用了瑞典图拉博（TURAB）的原装进口设备，其结构如图5所示，主要由安装在水轮机主轴上的2个半圆紧固圈、离心飞摆和液压阀组成，离心飞摆安装在其中一个紧固圈上，为保持平衡，另外一个紧固圈上通常加装配重块。离心飞摆内的柱塞安装在黄铜腔室内。由带预紧力的弹簧来完成过速保护动作的触发。当机组转速增加到155%额定转速时，由于柱塞的离心力大于弹簧的预紧力，会从黄铜腔室内压缩弹簧伸出，触动液压阀的触动臂，使液压阀动作实现油路切换，再通过事故配压阀使接力器关闭导叶而停机。

机组纯机械过速保护装置的压力油源引自水轮机调速器油压装置，其液压阀有3个接口，分别为进油口（P）、出油口（A）和漏油口（T）。正常工作时压力油从进油口进入，流经液压阀后从出油口流出，并进入图4中的电磁阀换向阀，此时事故配压阀带压不动作。当液压阀被触动后，压力油进油口和出油口被液压阀关闭，同时液压阀将出油口管路切换到与漏油口接通状态，进入图4中电磁阀换向阀的压力油通过漏油口回油，事故配压阀失压动作。

液压阀带有机械位置电气开关，当液压阀动作时，机械位置电气开关上送至计算机监控系统，走紧急事故停机流程。并在开机流程中检测液压阀是否处于正常位置。

由于机组纯机械过速保护装置是靠切换油路实现机组停机，因此它可以在完全没有电源的情况下正常工作，实现机组在过速危险状态下的事故停机，保护机组的安全。

3.3 球形阀PLC控制回路改造

由于球形阀PLC额定输入电压为交流220 V，直流220 V输入电源无法直接接入，因此，增加一套逆变电源装置，该逆变电源装置为交流220 V和直流220 V双路输入，输出为交流220 V，输入电源分别来自厂用220 V交流电源和直流馈电屏，交流220 V输出则作为球形阀PLC的输入电源。

通过以上措施，球形阀PLC实现了交直流电源双供的功能，提高了球形阀控制系统的可靠性。

3.4 改造后过速保护动作流程图

在更换事故配压阀和加装纯机械过速保护装置的基础上，电厂对原有计算机监控系统控制逻辑进行了完善，新的过速保护动作流程图如图6、图7所示。

4 改进后的效果

事故配压阀、纯机械过速保护装置、球形阀PLC控制回路改造完成后，电厂按要求进行了开主阀、关主阀、开机、关机、一级过速、二级过速等一系列的静态试验，试验证明以上设备均能正确动作。

改造后机组带负荷试验时，电厂又进行了第1、第2级电气过速动作试验，进一步验证了事故配压阀、球形阀的动作情况，为了保障设备安全，没有现场实际验证机组过速至155%额定转速时纯机械过速保护的动作情况，只是人为动作液压阀的触动臂来验证能否正确动作，试验结果也达到了预期。

图6 改造后第1级过速保护动作流程图

图7 改造后第2级过速保护动作流程图

5 结束语

该电厂针对原机组过速保护系统中存在的安全隐患，分别对事故配压阀、球形阀PLC控制回路进行了改造，并加装了纯机械保护装置，改造后电厂机组电气过速保护装置和纯机械过速保护装置同时运行，并通过计算机监控系统、调速器、事故配压阀、球形阀等安全可靠地实现机组过速保护，从而大大提高了限制机组过速的能力，降低了机组飞逸的概率，同时为电厂实现无人值班、关门运行夯实了基础。