水轮发电机组紧急停机控制回路的设计方案

贾昕冉

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510640)

0 引 言

在水轮发电机组的运行过程中，为防止意外情况或故障的发生，保护设备和人员安全，需设置水轮发电机组的保护回路。水轮机保护回路有多级保护，主要分为调速器紧急停机、调速系统事故配压阀的事故停机、水轮机进水阀门的快速关闭，以及进水闸门的关闭等。

水轮机调速器通过导叶开度调节来实现水轮发电机组转速的调整。水轮机调速器需设置紧急停机电磁阀，机组在运行时一旦发生故障或过速时，监控系统就会给调速系统发出停机命令，由紧急停机电磁阀控制主配压阀向关闭方向快速移动，从而驱动导叶接力器快速关闭水轮发电机组；为了防止调速器主配压阀卡滞等情况，需另外设置一套事故配压阀[1]，在水轮发电机组轴上设置一套纯机械过速保护装置，事故停机电磁阀可根据监控系统的指令控制事故配压阀直接关闭机组。纯机械过速保护装置操作的优先级更高[2]，在机组转速达到设定值后，无需任何监控指令就可通过事故配压阀关闭机组。另外，为保护机组安全，在水电站中根据水轮机运行的需要，在机组进水部分装设有检修闸门，在水轮机蜗壳进口处还设置有进水阀，通常为蝴蝶阀或球阀，大型水电站有的设置为筒形阀，当调速系统故障，不能关闭导叶时，进水阀门还可关闭，起事故保护作用[3]。

由于调速器、事故配压阀、进水阀门和进水闸门的停机保护回路各不相同，为适应不同电站的需求，对水电站紧急停机控制回路进行了研究，提出了5种紧急停机方案，为方便描述，这里以调速器的紧急停机控制回路为例。

1 5种停机保护方案

这里介绍的5种停机保护方案是在机组出现故障的情况下，由监控系统发出停机指令进行停机控制，如果电站设置有纯机械的过速保护装置，在机组转速达到设定值时，其机械换向阀动作换向，由于其动作的优先级更高，将直接控制调速器、事故配压阀或进水阀门动作，使机组停机，这里就不再提及。

1.1 方案1：掉电停机方案

国内外水轮发电机组保护常用的方案中，紧急停机电磁阀EV1为两位三通的单线圈带弹簧复归的电磁阀，该方案的液压系统如图1所示。

在水轮机组正常运行时，电磁阀线圈接通电源激磁，电磁阀工作在a位，其输出压力油驱动液控换向阀HV1工作在a位，伺服比例阀SV1输出的控制油经液控换向阀HV1进入主配压阀的控制腔，通过控制主配压阀活塞向开启或关闭方向的移动来控制水轮机导叶接力器的运动，液压系统如图1(a)所示。

图1 掉电停机液压系统图

当机组在故障情况下，接受监控指令让电磁阀线圈断电或电磁阀由于电源或线路原因掉电时，电磁阀线圈失磁，在弹簧作用下，电磁阀切换至b位，其输出油口接通回油，液动换向阀HV1在弹簧力作下切换至b位，切断伺服比例阀的输出，同时让主配阀的控制腔经液动换向阀HV1接通回油，主配压阀迅速移动至关机位，控制水轮机导叶接力器以设定的最快速度关机，实现紧急停机，起到保护机组安全的作用，压力开关PS1将紧急停机动作信号反馈给监控系统，液压系统如图1(b)所示。

1.2 方案2：得电停机方案

国内调速器通常设有手动控制方式，在机组自动系统出现故障时，自动切换至手动控制方式，导叶接力器可以暂时保持在当前运行位置，而不是紧急停机，因此紧急停机电磁阀EV2应为两位四通双电磁铁带定位机构的电磁阀[6]，该方案的液压系统如图2所示。

在水轮机组正常运行时，紧急停机电磁阀EV2的电磁阀线圈a接通电源激磁，电磁阀工作在a位，伺服比例阀SV2输出的控制油经液控换向阀HV2进入主配压阀的控制腔，机组正常工作，这时紧急停机电磁阀EV2不用长期带电，由定位机构保持其工作在a位，液压系统如图2(a)所示。

当机组在故障情况下，接受监控命令让电磁阀线圈b接通电源激磁，电磁阀切换至b位，切断伺服比例阀的输出，同时让主配阀的控制腔接通回油，实现紧急停机，压力开关PS2将紧急停机动作信号反馈给监控系统，液压系统如图2(b)所示。

图2 得电停机液压系统图

1.3 方案3：冗余掉电停机方案

掉电停机方案简单、实用，但有时受线路断路故障或电磁阀线圈烧坏，也可能引起意外的停机，为解决这个问题，提出了冗余掉电停机方案。该方案共需设置2个紧急停机电磁阀EV3和EV4，电磁阀EV3的回油口与电磁阀EV4的输出油口a相通，冗余掉电停机方案的液压系统如图3所示。

在只有一个紧急停机电磁阀线圈断电时，由于另一个紧急停机电磁阀仍然处于工作位，机组仍可以正常运行；只有当2个紧急停机电磁阀同时处于停机位时，机组才会停机，免除了非停机故障造成的意外停机[7]，其工作原理如下：

1）当紧急停机电磁阀EV3与EV4的线圈均得电激磁处于工作位a时，压力油经电磁阀EV3进入液动换向阀HV3的控制腔，驱动液控换向阀HV4工作在a位，伺服比例阀SV3的控制油经液动换向阀HV3去控制主配压阀，机组正常运行，液压系统如图3(a)所示。

图3 冗余掉电停机液压系统图

2）当只有紧急停机电磁阀EV4的线圈断电或烧毁时时，紧急停机电磁阀EV3的状态没有改变，其输出的压力油也使液动换向阀HV3保持在工作位a，液压系统如图3(b)所示。

3）当只有紧急停机电磁阀EV3的线圈断电或烧毁时，电磁阀EV3在弹簧力作下切换至停机位b，电磁阀EV4输出的压力油经电磁阀EV3可使液动换向阀HV3仍保持在工作位a，机组正常运行，液压系统如图3(c)所示。

4）当紧急停机电磁阀线圈EV3与EV4均由于线圈断电或烧毁处于停机位b时，压力油被电磁阀EV3和EV4切断，液动换向阀HV3的控制腔经电磁阀EV3和EV4接通回油，在弹簧力的作用下切换至停机位b，切断伺服比例阀的输出，将主配压阀的控制腔接通回油，强制机组停机，液压系统如图3(d)所示。

1.4 方案4：得电和掉电停机可选方案

虽然冗余掉电停机方案可以有效防止部分非停机故障引起的意外停机，但有的电站仍需要得电停机和掉电停机可选的方案，机组将由运行人员决定是得电停机还是掉电停机的方案运行[8]，按此要求方案的液压系统如图4所示。

1.4.1 掉电停机方案

掉电紧急停机电磁阀EV5为单线圈带弹簧复位的电磁阀，在正常工作时长期带电，电磁阀工作在正常运行位a；停机选择电磁阀EV6为双线圈带机械定位的电磁阀，其工作在停机位b，液压系统如图4(a)所示。

掉电紧急停机电磁阀EV5在工作位a时，其输出的控制压力油将使液动换向阀HV4处于工作位a，机组正常运行；出现故障或意外情况，线圈掉电，在复归弹簧的作用下，电磁阀切换至停机位b，控制压力油被其切断，液动换向阀HV4将换向，机组实现掉电停机。

1.4.2 得电停机方案

掉电停机电磁阀EV5线圈掉电，其长期工作在b位，停机选择电磁阀EV6此时作为得电停机电磁阀的功能来使用，液压系统如图4(b)所示。

图4 冗余掉电停机液压系统图

当其线圈a得电，电磁阀工作在正常运行位a，其输出的控制压力油经电磁阀EV3后驱使液动换向阀HV4也处于正常运行位a，机组正常运行；若停机选择电磁阀EV6处于掉电停机位b，压力油被电磁阀EV5和EV6切断，液动换向阀HV4切换至b位，主配压阀的控制腔经电磁阀EV5和EV6接通回油，机组将实现紧急停机。

1.5 方案5：得电和冗余掉电停机方案

随着电站对安全性要求的提高，要求机组具有带电停机和掉电停机功能，并且掉电停机须冗余配置，减少部分非停机故障引起的意外停机，其液压系统如图5所示。

图5 得电和冗余掉电停机液压系统图

在冗余配置的掉电停机方案上，增加一个得电停机电磁阀EV7。

1）得电停机电磁阀EV7在正常工作位a时，掉电停机电磁阀EV3和EV4在正常工作位a或单个电磁阀掉电的情况下，机组仍能正常工作。

2）得电停机电磁阀EV7在正常工作位a时，掉电停机电磁阀EV3和EV4同时掉电后，机组将紧急停机。

3）得电停机电磁阀EV7切换至停机位b时，将压力油截断的同时，将控制液动换向阀HV3的控制腔通过电磁阀EV3和EV7接通回油，机组将紧急停机。

2 5种方案的特点分析

5种停机保护方案各有特点，可以适合不同电站、不同设备的需求。

1）方案1成本低、简单实用。方案1能很好地起到对机组的安全保护功能，但容易因电磁阀线圈烧毁或线路断路等原因出现不需停机的意外停机。国外的厂家重视对机组的安全保护，认为只要出现意外，就应该立刻停机以保护机组的安全，因此常用此方案。

2）方案2多用于国内带手动的调速系统中。在自动系统出现故障的情况下，国内电站很多情况下并不是选择停机，而是切换至手动运行状态，在短时间内可以使水轮机接力器保持在当前位置，机组继续运行，等待操作人员根据故障分级去选择停机或故障消除处理。当出现电磁阀线圈烧毁的情况时，由于电磁阀带有定位机构，停机电磁阀并不会换向，因此不会出现如方案1中的因电磁阀线圈烧毁或线路故障造成的意外停机。

3）方案3为方案1的改进方案。方案3可以避免因单一电磁阀线圈烧毁或线路断路造成机组停机，能有效减少意外停机。目前国内调速器逐渐取消了手动运行方式，但又不希望出现过多的意外停机，所以此方案就应运而生。

4）方案4具有掉电和得电可选的功能。运行人员可方便地根据每个电站的实际情况选用，即可以选择机组是按方案1或方案2方式运行。国内部分电站提出了这样的要求，由于其运行方式灵活可变，在带手动运行方式的调速系统中具有一定的优势。方案4掉电停机还可以再增加掉电冗余保护功能，这样方案4就可进一步演化为方案2和方案3的可选运行方案，不过这样的系统过于复杂，目前还没有水电站有过这样的设置和要求。

5）方案5是在方案3的基础上增加了带电停机功能。与方案4的之处不同在于：方案4中掉电停机和得电停机的优先级别相同，是互为可选替换的；而方案5中，得电停机的优先级高于失电停机，只要得电停机指令动作后，不管掉电停机状态如何，均停机。目前多用于大型水电站调速系统和进水球阀紧急停机控制系统中。

3 结 语

为提高水电站水轮机保护的可靠性，应根据电站设备的实际情况和运行特点，在同时考虑机组安全保护和经济性的情况下，需合理设计水轮机保护回路，以保证电站的安全稳定运行。