纯机械过速保护装置在新安江水力发电厂的应用

张 帆，汪江峰

（1.国网新源水电有限公司新安江水力发电厂，浙江 建德 311600；2.国网新源控股有限公司检修分公司/杭州分部，浙江 杭州 310051）

国网新源新安江水力发电厂建于1957年4月，是建国后中国自行设计、自制设备、自主建设的第一座大型水力发电站。地处浙江省建德市新安江镇，电站主要担负华东电网调峰、调频和事故备用，并有防洪、灌溉、航运、养殖、旅游、水上运动、林果业等综合效益。电站总装机容量85.5万kW,共有9台单机容量9.5万kW的混流式水轮发电机组，额定转速150 r/min，设计水头73 m，年发电量:18.61亿kW·h。

水电站水轮发电机组的保护有电气一、二、三级保护；为防止水轮发电机组在运行中发生紧急事故，在水轮机调速器失灵，同时监控系统无法正常工作，导叶接力器将不能自动关闭切断机组流道水流，机组的转速就可能上升到飞逸转速。为了限制机组过速，避免发生飞逸事故，需要设置纯机械过速保护系统，以便在机组事故时能够紧急关闭导叶接力器，保护机组安全。

自 2012 年起，电站先后在 3、1、6、7、9、4、2、8 号机组上安装了由瑞典（TURAB）图拉博公司生产的纯机械过速保护装置，动作值设定为143.3%额定转速，即215 r/min。该装置作为机组调速系统故障且电气过速保护失灵情况下的最后一道保护，起着防止机组飞逸的作用。装置自安装投入使用以来，在所有机组的投产试验中均验证可以正常准确动作。

1 纯机械过速保护装置

1.1 过速保护装置组成

纯机械过速保护装置由过速飞摆、集成测速齿盘的紧固圈、液控换向阀、行程开关、触动臂等组成。纯机械过速保护装置过速摆和紧固圈装配固定在主轴上，与大轴同步旋转，其具体安装位置如图1所示。

图1 安装位置示意图

1.2 工作原理

正常运行情况下，过速保护装置液控换向阀进油口P与出油口A管路连通（正常带压）,压力为2.0 MPa，该压力油作用于调速系统中的液动停机阀，使得调速器切换阀与停机阀之间油路畅通。当机组转速达到过速保护装置动作设定值时过速摆内的不锈钢柱塞在离心力作用下克服弹簧的预压力，推出柱塞撞击触动臂，液控换向阀动作失压，液控换向阀内部油路和行程开关触点发生切换，使得液控换向阀油口P与排油口T接通，液动停机阀失压动作，进而机组导叶关闭，起到防止机组过速的作用[1]。其液压原理如图2所示。

当机组过速事故解除后，值班人员需手动复归触动臂，检查并确保液控换向阀触动臂与过速摆柱塞之间的径向距离为3 mm，使其返回到过速摆撞击之前的位置，液控换向机阀油口P与A相通。

图2 机械过速保护装置液动动作原理

1.3 厂内过速保护装置的特点

1）长期使用运行精度良好；

2）出厂时进行精确整定，现场即直接验收使用；

3）能克服摆动对精度的影响；

4）安装维护简便；

5）能方便地和测速齿盘集成使用。

2 过速保护装置的安装及例检

2.1 安装

1）安装前，必须保证安装在主轴上的紧固圈平面与水轮机主轴垂直。对主轴上没有加工止口的机组，应采取安装前先在主轴上画线等方法确保紧固圈平面与水轮机主轴垂直。

2）在安装前，先将紧固圈内表面（与主轴配合的表面）上的防锈保护油清除干净。之后将配重块和过速摆分别安装在对应的2个半圆紧固圈上（安装力矩为20 N·m，然后再将2个半圆紧固圈（带过速摆和配重块一起）垂直地安装在水轮机主轴上选定位置（此时不要完全拧紧8颗紧固螺栓，紧固力矩为30 N·m）。注意要保证2个半圆紧固圈上序号相同的一侧组合在一起，并保证有序号的一面向上。

3）根据现场情况配置并安装液压阀支架，再在支架上安装液压阀,安装液压阀时先不要完全紧固M8安装螺钉，便于后面调整，安装时要求液压阀中心高度与过速摆柱塞中心在同一高度，同时液压阀轴线与主轴中心线重合。

4）在紧固连接2个半法兰盘紧固圈的8颗螺栓之前，首先紧固法兰“E”侧的4颗M16螺母至100 N·m；之后在紧固法兰“S”侧的4颗M16螺母至100 N·m。

5）下一步均匀紧固2个法兰上的8颗M16螺母至120 N·m，注意每次均从“E”侧螺栓开始紧固，确保紧固圈能预紧安装在主轴上。

注：上述螺母紧固力矩必须采用力矩扳手等工具严格控制，不能小于或超过该紧固力矩：120 N·m。

6）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3.0 mm，之后紧固液压阀安装螺栓；如间距不为3.0 mm，应调整液压阀安装螺栓和液压阀位置，使最后安装间距确保径向3.0 mm（请注意这一点至关重要）。可使用交货时一同提交的扳手顶部，该扳手顶部标明厚度为3.0 mm位置处厚度即为3.0 mm，可用来检验安装间距是否为3.0 mm。注意在测量安装间距时，要保证过速摆必须正对液压阀触动臂。

7）根据系统设计连接相应的液压油管道（过速保护）和电气接线（指示灯或用户的其它用途）。

液压油管路连接时，液压阀P口连接压力油入口管，A口连接压力油出口管，R口连接泄油管（回油管）。

限位开关为2对2 Pole N/C+N/O型快关开关，电气接线要求为：AC15，A300 或 Ue＝220V，Ie=3A或 DC13，Q300 或 Ue=250V，Ie=0.27A.(参照 IEC947-5-1 标准)。

电气接线参见图3接线图（机组正常运行时，接点13与14闭合，接点21与22断开；过速保护动作后，接点13与14断开，接点21与22闭合）。

图3 电气接线图

8）完成步骤7）后手动触动液压阀触动臂，以确认系统液压油管路连接正确。

9）最后检查确认液压阀触动臂在正常位置；检查确认过速摆柱塞与液压阀触动臂径向间距为3.0 mm。安装完成。

2.2 每年例行检查

2.2.1 M16螺栓检查

每年机组停机维护时，要求对连接2个半法兰盘的8颗M16螺栓紧固力矩进行检查，确保每颗螺栓在螺母上的紧固力矩均为120 N·m。

2.2.2 系统功能检查

机组年度检修时，手动触动液压阀触动臂，以检测液压阀及液压系统及电气限位开关功能是否正常。

2.2.3 例行校验

由于过速保护装置的至关重要性，每隔一定年限应对过速保护器进行一次校验。具体校验周期可根据电厂要求及参见NB/T35088-2016标准。

3 纯机械过速保护装置的维护

在运行中发生过速保护器动作停机，在机组重新启动前，先手动复位液压阀，检查并确保液压阀触动臂于过速摆的间距为3.0 mm，即可重新投入使用不需要重新校验或整定。每次由于机组大修等原因拆卸过速保护器后，只需要安装TURAB过速保护器的安装说明书要求重新安装好后即可投入使用，不需要进行重新校验或整定。

纯机械过速保护装置本体进出油口与外部进出油软管均为不锈钢材质，通过活接连接，并用硅胶垫密封。该设备自投用以来共发生过3次进出油管路连接处渗油。

在机组停机检修时，过速保护装置的各个活接应拆开检查活接的硅胶垫是否完好无损，有损坏现象应及时更换，并确保检查每个活接已紧固，检查触动臂处于正常工作状态，检修工作结束后可投入使用。

4 渗油解决方案选择

4.1 方案提出

方案一：更换进出油口管路连接方式，采用更可靠的法兰配密封垫连接。

方案二：改变机械过速保护装置动作逻辑，由现有的失压动作改成充压动作。

4.2 方案比较

方案一：可操作性高，工作量小，成本低，可结合机组C修，对已安装有机械过速保护装置的机组进行改造。

方案二：优点在于能够减少可能的渗油点，但存在以下缺点：

1）充压动作的原理是对液动阀进行改造，使正常情况下进油口P与出油口A断开，出油管路不带压，只有当液动阀动作时，进出油口才接路不带压，只有当液动阀动作时，进出油口才接通。此改动虽可以使出油管不带压，但是进油管仍旧带压，并不能完全解决进出油接口渗油的问题；

2）由于出油管不带压，所以该段管路即使存在渗漏点也无法被及时发现，此时如果保护装置动作，则可能出现大面积渗油，甚至液动停机阀无法动作的情况；

3）充压动作，液压行业一般很少采用。因为如果回油箱、集油装置、管路布置上不合理，无油压状态下，控制油管路中容易存在空气。液动阀动作后，控制油管瞬间带压，由于空气具有可压缩性，不但会产生动作延迟，更有压缩空气爆裂而产生爆管的危险。这样不但不能达到保护的目的 反而会扩大事故；

4）保护装置出油口与调速柜中的液动阀之间有10 m左右距离，根据压力油流速经验公式，2.0 MPa压力油充满该管道时间在2～3 s。我厂机组甩负荷时转速上升速度在16 r/s左右（见图4），也就是说从装置动作到导叶开始关闭，转速上升了32～48 r。以上算法是基于甩负荷时调速系统正常动作，接力器关闭的前提下，而事实是充油时间内接力器不会动作关闭导叶，也就是说转速上升值会远大于32～48 r；

图4 转速上升曲线

5）如将现有纯机械过速保护装置更换为充压动作，则需对液压阀及液控换向阀进行更换。单台液动阀及液控换向阀成本在10万元左右，全部改造需60万元，成本较大。

5 结语

新安江水力发电厂在安装纯机械过速保护装置后，过速保护控制过程不需要任何电子或电气设备参与，同时实现与电气过速保护形成互补，保证了机组在过速的情况下，电源系统故障情况，能安全可靠的停止运行。

纯机械过速装置是机组防止飞逸的有力措施，该系统结构简洁，性能可靠，为机组的安全运行提供了有力的保障。无需工作电源完全独立于电气保护系统工作，该保护系统已成为水电行业普遍采用的配置。