桓仁电站机组机械过速保护装置改造探究
2023-10-11刘海晨
刘海晨
（国电电力发展股份有限公司和禹水电开发公司，辽宁 本溪 117200）
1 电站概述
桓仁电站位于中国辽宁省桓仁县境内、鸭绿江干流中国侧的最大支流浑江的中游河段上。浑江为鸭绿江的主要支流，发源于长白山系的老岭，全长445 km，落差744 m，流域面积为14 776 km2。河道多蛇曲，河谷多处狭窄，水能资源开发条件较好。流域开发7 个梯级，即：桓仁电站、西江水电站、凤鸣水电站、回龙山水电站、太平哨水电站、双岭水电站、金哨水电站，然后接鸭绿江的水丰水电站。江上三处筑坝，从上游到下游依次形成桓仁水库、回龙山水库、太平哨水库。
桓仁电站水库库容36.4 亿m3，设计水头53.2 m，最大水头57.1 m，最小水头47.1 m。总装机22.25 万kW，保证出力3.28 万kW，年平均发电量4.77 亿kW·h。工程于1958 年破土动工，1960 年8 月工程缓建，1965 年恢复施工，1967 年7 月水库蓄水，1968 年7月20 日1 号机组并网发电，1975 年7 月工程竣工。
2 机械过速保护装置安装的必要性和可行性
桓仁电站3 台水轮发电机组的过速保护仅有电气一级（115%Ne）和电气二级（140%Ne）保护，未配置机械过速保护装置。当水电机组在并网发电过程中突发紧急事件，出现主阀拒动等调速系统失灵的情况，同时水电站自动监控系统无法正常工作，致使机组调速环失去动力源，无法通过双联臂、拐臂控制导叶的关闭以切断来水，最终可能使机组的转速上升至飞逸转速，对设备造成严重损坏[1]。为了限制机组过速，避免发生飞逸事故，需要按照《防止电力生产事故的二十五项重点要求》中的相关条款要求，在桓仁电站3 台机组上设置机械过速保护装置，以便在可能发生的过速事故出现时，紧急关闭导水叶切断来水，起到保护机组安全的作用。
随着科学技术的发展，机械加工工艺和水平不断提高。市场上出现了多种品牌的机械过速产品。各种品牌的产品各有优劣，均有在新建机组和老旧改造机组上应用的成功案例。特别是近几年来，市场上的机械过速产品相较于早期的产品而言，集成度更高，可靠性更好，防误动表现更加突出，同时饱受诟病的装置渗油也得到了很好的解决。经过调研，同属东北区域的太平湾电站、云峰电站、白山水电站、丰满水电站、敦化抽水蓄能电站等均安装了图拉博机械过速装置，且表现良好。该系列机械过速装置在桓仁电站3 台机组上的应用是可行的。
2023 年和禹水电开发公司对桓仁电站1 号~3 号机组进行了改造，在水轮机轴上增设了瑞典TURAB 的机械过速保护装置。设备技术参数如表1 所示。
表1 1~3 号机组参数
同时对机组投运以来一直运行的事故配压阀进行改造。原有的事故配压阀采用滑阀的结构形式，配套的电磁阀与事故配压阀分体布置，占用空间较大。改造后，事故配压阀将原有的滑阀结构形式更新为插装阀式，大大缩小了原设备的占用空间。
3 机械过速保护装置简介
3.1 过速保护装置组成
机械过速保护装置由紧固圈、过速摆、配重、机控换向装置、反馈开关、安装附件等组成。所有设备都已组装好，现场只需按要求安装即可使用。安装如图1 所示。
图1 安装示意图
3.2 工作原理
3.2.1 机械过速保护装置原理
将弹簧按参数预压在柱塞内，在转速不断升高离心率不断增大转速接近达到预压力的时候，转速继续上升克服预压力压缩弹簧使柱塞伸出，触动机控换向装置，使液压系统动作而关机；同时发出信号。
3.2.2 现场设备工作原理
正常运行情况下，过速保护装置液控换向阀正常带压（P →A），R 接排油，换向阀A 口与12EM01和12HV01 的油路连接控制事故配压阀动作。当机组转速达到飞摆设定值，液控换向阀动作，事故配压阀失压动作，进而机组导叶关闭，实现关机。原理如图2 所示。
图2 动作原理图
3.3 机械过速保护装置的性能要求
（1）弹簧具有长期的线性度，长期使用不发生蠕变（K 值不变）；
（2）结构设计必须简单可靠；
（3）出厂时进行精确整定，现场即直接验收使用；
（4）不能误动和拒动。
4 事故配压阀
4.1 事故概述
事故配压装置是当发生事故的时候或者主配操作失灵的情况下能够实现紧急停机的机构。正常情况下操作油来自主配压阀，在发生事故时操作油来自压力罐。
4.2 原理
原理图中两个为一组，它们的启闭状态由液控换向阀V9 控制。正常工作情况下，电磁换向阀V8工作于左位，来自机械液压过速保护装置的控制油位压力油，液控换向阀V9 工作于左位，C1，C2 控制腔通回油处于开启状态，由主配控制接力器的开关；C3，C4 控制腔通压力油处于关闭状态，切断来自压力罐的操作油。在事故情况下（1）电磁阀V8 工作于右位，C1，C2 控制腔通压力油处于关闭状态，切断来自主配压阀的操作油；C3，C4 控制腔通回油处于开启状态，来自压力罐的操作油能进入接力器的关腔，使接力器关闭。（2）机械过速保护装置动作时，来自机械过速保护装置的控制油接通回油，液控换向阀V9 工作于右位，C1，C2 控制腔通压力油处于关闭状态，切断来自主配压阀的操作油；C3，C4控制腔通回油处于开启状态，来自压力罐的操作油能进入接力器的关腔，使接力器关闭。原理如图3所示。
5 设备的安装调试
5.1 过速保护装置的安装
（1）将紧固圈安装在机组主轴上（现场订货前确认的指定安装位置）；
（2）安装液控换向阀（卧式机组需严格按照出厂设计位置安装）；
（3）正确安装设备安装距离（间距参照厂家设计要求）；
（4）根据系统设计连接相应的液压油管道和信号接点。具体参照设计要求及厂家设备安装说明书执行；
（5）完成步骤4 后静态实验检查液压系统逻辑原理是否正确。
注：以上安装步骤及要求请严格按照设备厂家安装维护说明书执行。
5.2 事故配压阀的安装
（1）现场安装根据厂家设计要求执行；
（2）根据设计要求及原理对油管路进行连接；
（3）安装完成后管路充油检查各个焊接部位是否渗漏；
（4）安装完成以后要手动操作设备，确保设计要求原理正常；
（5）按要求进行改造后的实验。
注：设备安装过程需严格按照产品厂家安装说明书执行。
5.3 系统调试
（1）检查各个连接处焊接点是否渗漏；
（2）打开导叶，根据设计原理静态，检查设备系统原理逻辑；
（3）开机实验。
6 机械过速保护装置的维护
（1）机械过速保护装置随机组检修时，根据厂家使用说明书进行零部件的检查；
（2）例行检测可根据电厂要求及参见NB/T 35088-2016《水电机组机械液压过速保护装置基本技术条件》标准执行。
7 事故配压阀的改造选型
7.1 滑阀式事故配压阀
桓仁电站现有事故配压阀控制成分布形式，分别由事故配本体、控制油阀、紧急停机电磁阀三部分组成。分布式独立安装，占用空间大，设备之间有一定距离。近年来在试验过程中有事故配压阀在动作后复位过程中有无法复位现象发生，需要借助外力辅助复位。
通过与厂家分析有以下原因：
（1）厂内设备使用年限较长；
（2）早期加工工艺精度相对较差，各部件间精度配合要求较高；
（3）长期不动作容易卡塞；
（4）内部存在较大内漏相互串油。
7.2 插装阀事故配压阀性能特点
（1）模块标准化组合结构，体积小，安装方便；
（2)采用插装阀组件，使事故配动作灵敏、耐磨损、抗油污；
（3）内部零件精密配合，保证事故配压阀内部零泄漏；
通过对其他电厂调研大部分年代相同电厂或新建电厂都已更换或直接采用插装阀事故配压阀，综合以上情况最终将桓仁电站3 台机组事故配压阀更换为插装阀式，通过改造使用作为后续公司其他机组改造提供参照。
但通过对其他早期改造项目考察发现，早期的插装阀事故配压阀外部渗油点多较明显（模块密封及工艺孔密封等）。所以在厂家设计生产过程中需要强调厂家采用质量可靠的密封件及对加工工艺孔的精密处理，以减少和降低事故配压阀外部的漏油点。保证设备稳定、安全可靠。
8 结语
桓仁电站在安装机械过速保护装置后，实现机械与电气过速保护互补，能够在机组转速不断上升且不需要任何电气元件参与下实现机组停止运行。纯机械保护装置的安装为少人或无人值守提供了更加可靠的保障。
插装式事故配压阀的安装改变了以前老旧事故配压阀运行弊端，为机组的安全、稳定运行提供了保障。
