賈昕冉

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州510640)

0 引 言

在水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，為防止意外情況或故障的發(fā)生，保護(hù)設(shè)備和人員安全，需設(shè)置水輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)回路。水輪機(jī)保護(hù)回路有多級(jí)保護(hù)，主要分為調(diào)速器緊急停機(jī)、調(diào)速系統(tǒng)事故配壓閥的事故停機(jī)、水輪機(jī)進(jìn)水閥門的快速關(guān)閉，以及進(jìn)水閘門的關(guān)閉等。

水輪機(jī)調(diào)速器通過導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的調(diào)整。水輪機(jī)調(diào)速器需設(shè)置緊急停機(jī)電磁閥，機(jī)組在運(yùn)行時(shí)一旦發(fā)生故障或過速時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)給調(diào)速系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)命令，由緊急停機(jī)電磁閥控制主配壓閥向關(guān)閉方向快速移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉接力器快速關(guān)閉水輪發(fā)電機(jī)組；為了防止調(diào)速器主配壓閥卡滯等情況，需另外設(shè)置一套事故配壓閥[1]，在水輪發(fā)電機(jī)組軸上設(shè)置一套純機(jī)械過速保護(hù)裝置，事故停機(jī)電磁閥可根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的指令控制事故配壓閥直接關(guān)閉機(jī)組。純機(jī)械過速保護(hù)裝置操作的優(yōu)先級(jí)更高[2]，在機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值后，無需任何監(jiān)控指令就可通過事故配壓閥關(guān)閉機(jī)組。另外，為保護(hù)機(jī)組安全，在水電站中根據(jù)水輪機(jī)運(yùn)行的需要，在機(jī)組進(jìn)水部分裝設(shè)有檢修閘門，在水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口處還設(shè)置有進(jìn)水閥，通常為蝴蝶閥或球閥，大型水電站有的設(shè)置為筒形閥，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)故障，不能關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)，進(jìn)水閥門還可關(guān)閉，起事故保護(hù)作用[3]。

由于調(diào)速器、事故配壓閥、進(jìn)水閥門和進(jìn)水閘門的停機(jī)保護(hù)回路各不相同，為適應(yīng)不同電站的需求，對(duì)水電站緊急停機(jī)控制回路進(jìn)行了研究，提出了5種緊急停機(jī)方案，為方便描述，這里以調(diào)速器的緊急停機(jī)控制回路為例。

1 5種停機(jī)保護(hù)方案

這里介紹的5種停機(jī)保護(hù)方案是在機(jī)組出現(xiàn)故障的情況下，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令進(jìn)行停機(jī)控制，如果電站設(shè)置有純機(jī)械的過速保護(hù)裝置，在機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，其機(jī)械換向閥動(dòng)作換向，由于其動(dòng)作的優(yōu)先級(jí)更高，將直接控制調(diào)速器、事故配壓閥或進(jìn)水閥門動(dòng)作，使機(jī)組停機(jī)，這里就不再提及。

1.1 方案1：掉電停機(jī)方案

國內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)組保護(hù)常用的方案中，緊急停機(jī)電磁閥EV1為兩位三通的單線圈帶彈簧復(fù)歸的電磁閥，該方案的液壓系統(tǒng)如圖1所示。

在水輪機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，電磁閥線圈接通電源激磁，電磁閥工作在a位，其輸出壓力油驅(qū)動(dòng)液控?fù)Q向閥HV1工作在a位，伺服比例閥SV1輸出的控制油經(jīng)液控?fù)Q向閥HV1進(jìn)入主配壓閥的控制腔，通過控制主配壓閥活塞向開啟或關(guān)閉方向的移動(dòng)來控制水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器的運(yùn)動(dòng)，液壓系統(tǒng)如圖1(a)所示。

圖1 掉電停機(jī)液壓系統(tǒng)圖

當(dāng)機(jī)組在故障情況下，接受監(jiān)控指令讓電磁閥線圈斷電或電磁閥由于電源或線路原因掉電時(shí)，電磁閥線圈失磁，在彈簧作用下，電磁閥切換至b位，其輸出油口接通回油，液動(dòng)換向閥HV1在彈簧力作下切換至b位，切斷伺服比例閥的輸出，同時(shí)讓主配閥的控制腔經(jīng)液動(dòng)換向閥HV1接通回油，主配壓閥迅速移動(dòng)至關(guān)機(jī)位，控制水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器以設(shè)定的最快速度關(guān)機(jī)，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)，起到保護(hù)機(jī)組安全的作用，壓力開關(guān)PS1將緊急停機(jī)動(dòng)作信號(hào)反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)如圖1(b)所示。

1.2 方案2：得電停機(jī)方案

國內(nèi)調(diào)速器通常設(shè)有手動(dòng)控制方式，在機(jī)組自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換至手動(dòng)控制方式，導(dǎo)葉接力器可以暫時(shí)保持在當(dāng)前運(yùn)行位置，而不是緊急停機(jī)，因此緊急停機(jī)電磁閥EV2應(yīng)為兩位四通雙電磁鐵帶定位機(jī)構(gòu)的電磁閥[6]，該方案的液壓系統(tǒng)如圖2所示。

在水輪機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥EV2的電磁閥線圈a接通電源激磁，電磁閥工作在a位，伺服比例閥SV2輸出的控制油經(jīng)液控?fù)Q向閥HV2進(jìn)入主配壓閥的控制腔，機(jī)組正常工作，這時(shí)緊急停機(jī)電磁閥EV2不用長(zhǎng)期帶電，由定位機(jī)構(gòu)保持其工作在a位，液壓系統(tǒng)如圖2(a)所示。

當(dāng)機(jī)組在故障情況下，接受監(jiān)控命令讓電磁閥線圈b接通電源激磁，電磁閥切換至b位，切斷伺服比例閥的輸出，同時(shí)讓主配閥的控制腔接通回油，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)，壓力開關(guān)PS2將緊急停機(jī)動(dòng)作信號(hào)反饋給監(jiān)控系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)如圖2(b)所示。

圖2 得電停機(jī)液壓系統(tǒng)圖

1.3 方案3：冗余掉電停機(jī)方案

掉電停機(jī)方案簡(jiǎn)單、實(shí)用，但有時(shí)受線路斷路故障或電磁閥線圈燒壞，也可能引起意外的停機(jī)，為解決這個(gè)問題，提出了冗余掉電停機(jī)方案。該方案共需設(shè)置2個(gè)緊急停機(jī)電磁閥EV3和EV4，電磁閥EV3的回油口與電磁閥EV4的輸出油口a相通，冗余掉電停機(jī)方案的液壓系統(tǒng)如圖3所示。

在只有一個(gè)緊急停機(jī)電磁閥線圈斷電時(shí)，由于另一個(gè)緊急停機(jī)電磁閥仍然處于工作位，機(jī)組仍可以正常運(yùn)行；只有當(dāng)2個(gè)緊急停機(jī)電磁閥同時(shí)處于停機(jī)位時(shí)，機(jī)組才會(huì)停機(jī)，免除了非停機(jī)故障造成的意外停機(jī)[7]，其工作原理如下：

1）當(dāng)緊急停機(jī)電磁閥EV3與EV4的線圈均得電激磁處于工作位a時(shí)，壓力油經(jīng)電磁閥EV3進(jìn)入液動(dòng)換向閥HV3的控制腔，驅(qū)動(dòng)液控?fù)Q向閥HV4工作在a位，伺服比例閥SV3的控制油經(jīng)液動(dòng)換向閥HV3去控制主配壓閥，機(jī)組正常運(yùn)行，液壓系統(tǒng)如圖3(a)所示。

圖3 冗余掉電停機(jī)液壓系統(tǒng)圖

2）當(dāng)只有緊急停機(jī)電磁閥EV4的線圈斷電或燒毀時(shí)時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥EV3的狀態(tài)沒有改變，其輸出的壓力油也使液動(dòng)換向閥HV3保持在工作位a，液壓系統(tǒng)如圖3(b)所示。

3）當(dāng)只有緊急停機(jī)電磁閥EV3的線圈斷電或燒毀時(shí)，電磁閥EV3在彈簧力作下切換至停機(jī)位b，電磁閥EV4輸出的壓力油經(jīng)電磁閥EV3可使液動(dòng)換向閥HV3仍保持在工作位a，機(jī)組正常運(yùn)行，液壓系統(tǒng)如圖3(c)所示。

4）當(dāng)緊急停機(jī)電磁閥線圈EV3與EV4均由于線圈斷電或燒毀處于停機(jī)位b時(shí)，壓力油被電磁閥EV3和EV4切斷，液動(dòng)換向閥HV3的控制腔經(jīng)電磁閥EV3和EV4接通回油，在彈簧力的作用下切換至停機(jī)位b，切斷伺服比例閥的輸出，將主配壓閥的控制腔接通回油，強(qiáng)制機(jī)組停機(jī)，液壓系統(tǒng)如圖3(d)所示。

1.4 方案4：得電和掉電停機(jī)可選方案

雖然冗余掉電停機(jī)方案可以有效防止部分非停機(jī)故障引起的意外停機(jī)，但有的電站仍需要得電停機(jī)和掉電停機(jī)可選的方案，機(jī)組將由運(yùn)行人員決定是得電停機(jī)還是掉電停機(jī)的方案運(yùn)行[8]，按此要求方案的液壓系統(tǒng)如圖4所示。

1.4.1 掉電停機(jī)方案

掉電緊急停機(jī)電磁閥EV5為單線圈帶彈簧復(fù)位的電磁閥，在正常工作時(shí)長(zhǎng)期帶電，電磁閥工作在正常運(yùn)行位a；停機(jī)選擇電磁閥EV6為雙線圈帶機(jī)械定位的電磁閥，其工作在停機(jī)位b，液壓系統(tǒng)如圖4(a)所示。

掉電緊急停機(jī)電磁閥EV5在工作位a時(shí)，其輸出的控制壓力油將使液動(dòng)換向閥HV4處于工作位a，機(jī)組正常運(yùn)行；出現(xiàn)故障或意外情況，線圈掉電，在復(fù)歸彈簧的作用下，電磁閥切換至停機(jī)位b，控制壓力油被其切斷，液動(dòng)換向閥HV4將換向，機(jī)組實(shí)現(xiàn)掉電停機(jī)。

1.4.2 得電停機(jī)方案

掉電停機(jī)電磁閥EV5線圈掉電，其長(zhǎng)期工作在b位，停機(jī)選擇電磁閥EV6此時(shí)作為得電停機(jī)電磁閥的功能來使用，液壓系統(tǒng)如圖4(b)所示。

圖4 冗余掉電停機(jī)液壓系統(tǒng)圖

當(dāng)其線圈a得電，電磁閥工作在正常運(yùn)行位a，其輸出的控制壓力油經(jīng)電磁閥EV3后驅(qū)使液動(dòng)換向閥HV4也處于正常運(yùn)行位a，機(jī)組正常運(yùn)行；若停機(jī)選擇電磁閥EV6處于掉電停機(jī)位b，壓力油被電磁閥EV5和EV6切斷，液動(dòng)換向閥HV4切換至b位，主配壓閥的控制腔經(jīng)電磁閥EV5和EV6接通回油，機(jī)組將實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

1.5 方案5：得電和冗余掉電停機(jī)方案

隨著電站對(duì)安全性要求的提高，要求機(jī)組具有帶電停機(jī)和掉電停機(jī)功能，并且掉電停機(jī)須冗余配置，減少部分非停機(jī)故障引起的意外停機(jī)，其液壓系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 得電和冗余掉電停機(jī)液壓系統(tǒng)圖

在冗余配置的掉電停機(jī)方案上，增加一個(gè)得電停機(jī)電磁閥EV7。

1）得電停機(jī)電磁閥EV7在正常工作位a時(shí)，掉電停機(jī)電磁閥EV3和EV4在正常工作位a或單個(gè)電磁閥掉電的情況下，機(jī)組仍能正常工作。

2）得電停機(jī)電磁閥EV7在正常工作位a時(shí)，掉電停機(jī)電磁閥EV3和EV4同時(shí)掉電后，機(jī)組將緊急停機(jī)。

3）得電停機(jī)電磁閥EV7切換至停機(jī)位b時(shí)，將壓力油截?cái)嗟耐瑫r(shí)，將控制液動(dòng)換向閥HV3的控制腔通過電磁閥EV3和EV7接通回油，機(jī)組將緊急停機(jī)。

2 5種方案的特點(diǎn)分析

5種停機(jī)保護(hù)方案各有特點(diǎn)，可以適合不同電站、不同設(shè)備的需求。

1）方案1成本低、簡(jiǎn)單實(shí)用。方案1能很好地起到對(duì)機(jī)組的安全保護(hù)功能，但容易因電磁閥線圈燒毀或線路斷路等原因出現(xiàn)不需停機(jī)的意外停機(jī)。國外的廠家重視對(duì)機(jī)組的安全保護(hù)，認(rèn)為只要出現(xiàn)意外，就應(yīng)該立刻停機(jī)以保護(hù)機(jī)組的安全，因此常用此方案。

2）方案2多用于國內(nèi)帶手動(dòng)的調(diào)速系統(tǒng)中。在自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，國內(nèi)電站很多情況下并不是選擇停機(jī)，而是切換至手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)可以使水輪機(jī)接力器保持在當(dāng)前位置，機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行，等待操作人員根據(jù)故障分級(jí)去選擇停機(jī)或故障消除處理。當(dāng)出現(xiàn)電磁閥線圈燒毀的情況時(shí)，由于電磁閥帶有定位機(jī)構(gòu)，停機(jī)電磁閥并不會(huì)換向，因此不會(huì)出現(xiàn)如方案1中的因電磁閥線圈燒毀或線路故障造成的意外停機(jī)。

3）方案3為方案1的改進(jìn)方案。方案3可以避免因單一電磁閥線圈燒毀或線路斷路造成機(jī)組停機(jī)，能有效減少意外停機(jī)。目前國內(nèi)調(diào)速器逐漸取消了手動(dòng)運(yùn)行方式，但又不希望出現(xiàn)過多的意外停機(jī)，所以此方案就應(yīng)運(yùn)而生。

4）方案4具有掉電和得電可選的功能。運(yùn)行人員可方便地根據(jù)每個(gè)電站的實(shí)際情況選用，即可以選擇機(jī)組是按方案1或方案2方式運(yùn)行。國內(nèi)部分電站提出了這樣的要求，由于其運(yùn)行方式靈活可變，在帶手動(dòng)運(yùn)行方式的調(diào)速系統(tǒng)中具有一定的優(yōu)勢(shì)。方案4掉電停機(jī)還可以再增加掉電冗余保護(hù)功能，這樣方案4就可進(jìn)一步演化為方案2和方案3的可選運(yùn)行方案，不過這樣的系統(tǒng)過于復(fù)雜，目前還沒有水電站有過這樣的設(shè)置和要求。

5）方案5是在方案3的基礎(chǔ)上增加了帶電停機(jī)功能。與方案4的之處不同在于：方案4中掉電停機(jī)和得電停機(jī)的優(yōu)先級(jí)別相同，是互為可選替換的；而方案5中，得電停機(jī)的優(yōu)先級(jí)高于失電停機(jī)，只要得電停機(jī)指令動(dòng)作后，不管掉電停機(jī)狀態(tài)如何，均停機(jī)。目前多用于大型水電站調(diào)速系統(tǒng)和進(jìn)水球閥緊急停機(jī)控制系統(tǒng)中。

3 結(jié) 語

為提高水電站水輪機(jī)保護(hù)的可靠性，應(yīng)根據(jù)電站設(shè)備的實(shí)際情況和運(yùn)行特點(diǎn)，在同時(shí)考慮機(jī)組安全保護(hù)和經(jīng)濟(jì)性的情況下，需合理設(shè)計(jì)水輪機(jī)保護(hù)回路，以保證電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。