水轮机调速器掉电导叶自关闭改造实践

李金明

（锦屏水力发电厂，四川省西昌市 615012）

0 引言

锦屏一级水电站位于雅砻江流域的中游，装机容量6台600MW的混流式水轮发电机组，最大运行水头240m，额定转速142.9 r/min，多年平均发电量166.2亿kW·h，于2014年8月24日建成投产[1]。

锦屏一级水电站机组采用南瑞SAFR-2000H系列水轮机调速器，主要由电气控制系统、液压油系统、GE FC5000主配压阀、紧急停机电磁阀、双比例伺服阀、伺服切换阀及相关液压管路组成[2]。

对于调速器控制电源全部消失的事故情况，目前行业内基本有两种控制策略，分别为导叶自复中[3]和导叶自关闭。导叶自复中即掉电后维持当前导叶开度不变，避免机组甩负荷，减小系统负荷波动，但控制系统失电后调速器存在一定的失控风险；导叶自关闭是在掉电后依靠调速器液压系统自身的特性，将水轮机导叶自动关闭，保护机组免于飞逸事故，防范电源消失存在的潜在风险，但对稳定系统负荷不利[4-6]。

1 改造前自复中装置简介

1.1 组成结构

调速器控制电源全部消失后，导叶自复中功能依靠主配压阀、定中缸、自复中切换阀及相关液压管路组成，如图1所示。

1.2 工作原理

当调速器正常运行时，自复中切换电磁阀线圈得电，阀组处于a位，使定中缸油腔通过紧急停机电磁阀、自复中切换阀接通回油箱，定中缸处于复位状态。

当调速器控制系统电源全部消失时，自复中切换阀线圈失电，自复中切换阀发生切换动作，阀组处于b位，压力油通过自复中切换阀、紧急停机电磁阀进入定中缸油腔，定中缸开始动作，推动主配压阀至中位，接力器开关腔与压力油源、回油箱隔离，导叶保持当前开度不变，如此实现调速器控制系统电源全部消失后导叶自复中功能。

在实际应用中，为防止自复中后主配压阀向开位偏离，造成导叶缓慢开启，往往将定中缸整定为使主配压阀位于中位但稍偏关方向，这样导叶自复中后存在一个回关的趋势，但极为缓慢。

2 存在问题

《防止电力生产事故的二十五项重点要求（国能安全[2014]161号）》中23.1.8条规定：大中型水电站应采用“失电动作”规则，在水轮发电机组的保护和控制回路电压消失时，使相关保护和控制装置能够自动动作关闭机组导水机构[7]。

图1 原导叶自复中装置组成结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the pre-reform device of urbine vanes auto-to-middle system after all power losing of speed governor

目前，锦屏一级电站调速器失电导叶自复中逻辑不满足上述文件要求，需要进行调速器掉电自关闭导叶逻辑改造。

3 改造实践

3.1 改造方案

3.1.1 机械部分改造

拆除原紧急停机电磁阀（见图2），增加新的液控阀、紧急停机电磁阀、液控单向阀、失电电磁阀1、失电电磁阀2，阀组间的管路连接见图2。

3.1.2 电气部分改造

调速器控制柜内共有两个电源模块，电源模块1的1路电源输出至失电电磁阀1，电源模块2的1路电源输出至失电电磁阀2。将原紧急电磁阀接线接至新的紧急停机电磁阀。因机手动控制方式通过自复中切换阀实现，所以保留原自复中切换阀接线。

3.2 可行性分析

3.2.1 两路电源运行

如图2所示，当调速器正常运行时，紧急停机电磁阀在失电状态。控制系统两个电源模块均带电，失电电磁阀1、2在得电状态。液控单向阀导通，压力油通过失电电磁阀1、液控单向阀、紧急停机先导阀进入液控阀b腔，使液控阀处于b位，进而使紧急停机电磁阀处于b位，调速器系统正常运行。

3.2.2 一路电源运行

如图2所示，当调速器控制系统电源模块1失电、电源模块2带电时，失电电磁阀1线圈失电、失电电磁阀2线圈带电，失电电磁阀1处于b位置、失电电磁阀2处于a位置，此油路状态下液控单向阀控制腔油路无压、进油口腔无压，进而液控单向阀处于截止状态，液控单向阀出油口腔油压得以维系。紧急停机先导阀、液控阀、紧急停机电磁阀状态同3.2.1中描述，机组正常运行。

如图2所示，当调速器控制系统电源模块1带电、电源模块2失电时，失电电磁阀1线圈得电、失电电磁阀2线圈失电，失电电磁阀1处于a位置、失电电磁阀2处于b位置，此油路状态下液控单向阀控制腔油路带压、进油口腔带压，进而液控单向阀处于正向导通状态，出油口接通压力油源，液控单向阀出油口腔油压得以维系。紧急停机先导阀、液控阀、紧急停机电磁阀状态同3.2.1中描述，机组正常运行。

3.2.3 电源全部消失

当调速器控制系统电源模块1、2全失电时，失电电磁阀1、2线圈失电，液控单向阀反向导通，液控阀b腔通回油箱，使液控阀处于a位。进而使紧急停机电磁阀处于a位，主配压阀控制油腔通回油，主配压阀向关导叶方向动作，导叶回关。

当调速器控制系统电源全部消失时自复中切换阀也会失电并动作，但由于紧急停机电磁阀已切换至a位置，所以此时的自复中切换阀的动作与否不影响导叶回关功能。

基于上述分析，改造后装置能实现调速器控制电源消失自关闭导叶功能。

4 功能试验

在相应的液压阀组、电磁阀、液压管路、电气接线调整完毕后，分别进行了机组静态紧急停机试验、机组静态掉电自关闭导叶试验、机组动态掉电自关闭导叶试验，试验结果均正确。

4.1 机组静态紧急停机试验

在机组停机状态下，调速器控制系统正常带电运行，将控制系统切至手动方式，开启导叶5%开度，分别按下调速器电调柜、机调柜上的紧急停机按钮，导叶正常回关，监控系统事件正常报出，LCU紧急停机流程正常启动。

4.2 机组静态掉电自关闭导叶试验

在机组停机状态下，调速器控制系统正常带电运行，将控制系统切至手动方式，开启导叶5%开度，拉开电源模块1的进线电源开关，导叶不回关；合上电源模块1的进线电源开关后，拉开电源模块2的进线电源开关，导叶不回关；同时拉开电源模块1、电源模块2的进线电源开关，导叶回关，监控系统事件正常报出，LCU紧急停机流程正常启动。

4.3 机组动态掉电自关闭导叶试验

机组开机，空载运行正常；拉开电源模块1、电源模块2的进线电源开关，导叶回关，机组停机，监控系统事件正常报出，LCU紧急停机流程正常启动。

5 结束语

新增的液控单向阀结构简单、动作可靠，与双失电电磁阀相结合，具有一定的容错能力，也即在一个失电电磁阀控制回路断线、虚接等原因造成失电时，不会造成误停机。此种改造方案改动较小，对调速器原有功能影响不大，并能可靠地实现调速器控制系统掉电后导叶自关闭的功能。