水機(jī)保護(hù)在峽口塘電廠中的應(yīng)用及優(yōu)化

趙 晨，李明武

(湖北清江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443000)

峽口塘水電廠位于湖北省利川市西南部郁江干流(湖北段)中下游，共安裝2臺(tái)單機(jī)容量29 MW的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。水電廠配置合理的水機(jī)保護(hù)可有效防止事故的產(chǎn)生和避免事故擴(kuò)大，從而保障人和設(shè)備的安全不受損害并將損害降到最低限度。自俄羅斯薩揚(yáng)特大水電廠事故以來(lái)，行業(yè)對(duì)于水電廠的安全提升到了新的層面，而水機(jī)保護(hù)設(shè)計(jì)的科學(xué)性、運(yùn)行的可靠性首當(dāng)其沖，在許多技術(shù)會(huì)議的討論、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文件的修編中也進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)和規(guī)范[1]。本文簡(jiǎn)要介紹了峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)的配置情況，以及參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DL/T 1969-2019 水電廠水力機(jī)械保護(hù)配置導(dǎo)則》，提出了對(duì)部分水機(jī)保護(hù)回路的優(yōu)化改造方案。

1 峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)配置

水機(jī)保護(hù)由獨(dú)立于水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的、用于實(shí)現(xiàn)水力機(jī)械保護(hù)功能的可編程控制器或簡(jiǎn)化的獨(dú)立繼電器回路實(shí)現(xiàn)，是水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備出現(xiàn)事故、緊急事故時(shí)能實(shí)現(xiàn)事故停機(jī)、緊急事故停機(jī)的保護(hù)[2]。

1.1 峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)類(lèi)型

峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)設(shè)有保護(hù)電氣事故、機(jī)組軸瓦溫度過(guò)高保護(hù)、調(diào)速器事故低油壓保護(hù)、機(jī)組過(guò)速保護(hù)等。

1)保護(hù)電氣事故。發(fā)電機(jī)保護(hù)作用于水機(jī)保護(hù)事故停機(jī)。發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、定子接地保護(hù)等保護(hù)動(dòng)作時(shí)，動(dòng)作跳閘并將保護(hù)動(dòng)作信號(hào)送水機(jī)保護(hù)啟動(dòng)事故停機(jī)。

2)機(jī)組軸瓦溫度過(guò)高保護(hù)。水輪發(fā)電機(jī)組軸承(上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo))溫度升高通常是由于冷卻效果不良或冷卻水水壓低、冷卻水中斷等原因引起，如不及時(shí)消除，將會(huì)導(dǎo)致燒瓦事故的發(fā)生。

3)調(diào)速器事故低油壓保護(hù)。調(diào)速器事故低油壓是由于調(diào)速器壓油系統(tǒng)油泵故障或管路漏油、跑油等原因?qū)е抡{(diào)速器油壓降低到事故低油壓定值。調(diào)速器事故低油壓會(huì)導(dǎo)致機(jī)組導(dǎo)葉失控，并網(wǎng)機(jī)組無(wú)法調(diào)節(jié)負(fù)荷，一旦此時(shí)機(jī)組事故跳閘，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組過(guò)速甚至發(fā)生飛逸事故。

4)機(jī)組過(guò)速保護(hù)。機(jī)組過(guò)速的原因有并網(wǎng)機(jī)組突然甩負(fù)荷；調(diào)速器失靈，如：調(diào)速器測(cè)頻信號(hào)故障或消失，調(diào)速器壓力油混有雜質(zhì)或鐵屑導(dǎo)致調(diào)速器收到正常關(guān)閉導(dǎo)葉命令后主配發(fā)卡[3]等。機(jī)組發(fā)生過(guò)速事故，會(huì)損害水輪發(fā)電機(jī)組部件，如不及時(shí)消除，進(jìn)一步發(fā)展為飛逸事故，將嚴(yán)重危害機(jī)組、電廠安全運(yùn)行。

1.2 峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)配置

峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)回路分為事故停機(jī)和緊急事故停機(jī)，由獨(dú)立于水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的若干中間繼電器、按鈕、壓板等組成的繼電器邏輯回路實(shí)現(xiàn)，如圖1和圖2所示。

圖1 水機(jī)保護(hù)圖1

1)事故停機(jī)。事故停機(jī)起動(dòng)源包括保護(hù)電氣事故-2SZJ、機(jī)組軸瓦溫度過(guò)高-1SZJ、調(diào)速器事故低油壓-5SZJ，事故停機(jī)啟動(dòng)后中間繼電器-STJ1、-STJ2、-STJ3動(dòng)作，動(dòng)作于跳滅磁開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁停機(jī)、調(diào)速器停機(jī)、投調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥。

2)緊急事故停機(jī)。緊急事故停機(jī)起動(dòng)源包括電氣過(guò)速145%額定轉(zhuǎn)速-3SZJ、機(jī)械過(guò)速154%額定轉(zhuǎn)速-7SZJ、事故停機(jī)(-STJ2)過(guò)程中剪斷銷(xiāo)剪斷-4SZJ、手動(dòng)緊急停機(jī)按鈕按下，緊急事故停機(jī)啟動(dòng)后中間繼電器-JTJ1、-JTJ2動(dòng)作，動(dòng)作于快速關(guān)閉進(jìn)水蝶閥，同時(shí)跳滅磁開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁停機(jī)、調(diào)速器停機(jī)、投調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥。

2 峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)優(yōu)化

2.1 水機(jī)保護(hù)供電回路優(yōu)化

峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)采用DC220V直流電源，由機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU一路AC220V交流電源、一路DC220V直流電源經(jīng)NSD RDQH-100雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)整流后所得的DC220V直流電源供電，如圖3所示。

圖2 水機(jī)保護(hù)圖2

圖3 水機(jī)保護(hù)回路電源圖

為了保證水機(jī)保護(hù)回路電源穩(wěn)定、可靠，并獨(dú)立于機(jī)組LCU，使之符合《DL/T 1969-2019水電廠水力機(jī)械保護(hù)配置導(dǎo)則》《DL/T 5065-2009水力發(fā)電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中水力機(jī)械保護(hù)回路的電源應(yīng)獨(dú)立于機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU的電源[2,4]的規(guī)定，擬將水機(jī)保護(hù)供電回路優(yōu)化為直接自電廠DC220V直流系統(tǒng)取電，分別自電廠DC220V直流系統(tǒng)Ⅰ段、Ⅱ段饋電母線取一路電源作為1、2號(hào)機(jī)組水機(jī)保護(hù)電源開(kāi)關(guān)-3QF2進(jìn)線電源。

2.2 機(jī)組軸瓦溫度過(guò)高保護(hù)回路優(yōu)化

峽口塘電廠機(jī)組軸瓦溫度過(guò)高保護(hù)有上導(dǎo)瓦溫過(guò)高保護(hù)2個(gè)、推力瓦溫過(guò)高保護(hù)4個(gè)、下導(dǎo)瓦溫過(guò)高保護(hù)2個(gè)、水導(dǎo)瓦溫過(guò)高保護(hù)1個(gè)。每個(gè)軸瓦溫度過(guò)高保護(hù)由同一軸承臨近的2塊瓦溫表的溫度過(guò)高報(bào)警接點(diǎn)串聯(lián)輸出啟動(dòng)事故停機(jī)。

原瓦溫表采用主機(jī)廠配套的億江WP-C型溫度監(jiān)控儀，該溫度表受電磁干擾等影響輸出不穩(wěn)定，易造成水機(jī)保護(hù)誤動(dòng)，且易損壞，導(dǎo)致成本較高。為提高水機(jī)保護(hù)的可靠性，參照清江公司多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將瓦溫表全部更換為法國(guó)JM Concept公司XALIS 3400P1型溫度表，可防電磁干擾等，具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。

此外，該溫度表電源為AC220V，其可靠性受廠用電可靠性影響。為防止該溫度表在倒廠用電等情況下出錯(cuò)，甚至于誤動(dòng)，將該溫度表電源改造為由電廠DC220V直流系統(tǒng)經(jīng)開(kāi)關(guān)電源輸出DC24V電源供電。

通過(guò)將軸瓦溫度表更換型號(hào)并采用直流電源后，實(shí)踐運(yùn)用證明，極大提高了機(jī)組軸瓦溫度保護(hù)的可靠性。

2.3 調(diào)速器事故低油壓保護(hù)回路優(yōu)化

峽口塘電廠調(diào)速器事故低油壓保護(hù)僅啟動(dòng)事故停機(jī)，中間繼電器-STJ1、-STJ2、-STJ3動(dòng)作，動(dòng)作于跳滅磁開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁停機(jī)、調(diào)速器停機(jī)、投調(diào)速器緊急停機(jī)電磁閥。而機(jī)組在調(diào)速器事故低油壓的情況下，應(yīng)啟動(dòng)緊急事故停機(jī)，關(guān)閉進(jìn)水蝶閥，可靠截?cái)嗌嫌蝸?lái)水，切斷水輪機(jī)原動(dòng)力，保障機(jī)組安全。為符合《DL/T 1969-2019水電廠水力機(jī)械保護(hù)配置導(dǎo)則》中調(diào)速器壓力降低到事故低油壓定值時(shí)應(yīng)動(dòng)作于緊急事故停機(jī)[2]的規(guī)定，將中間繼電器-5SZJ事故低油壓開(kāi)出接點(diǎn)改接至水機(jī)保護(hù)緊急事故停機(jī)回路，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后事故低油壓保護(hù)回路圖

2.4 水機(jī)保護(hù)關(guān)進(jìn)水蝶閥回路優(yōu)化

峽口塘電廠為壩后引水式電站，每臺(tái)機(jī)組蝸殼前裝有1臺(tái)直徑3.5 m的洪城PDF100-WY-430型進(jìn)水液壓蝶閥。該進(jìn)水液壓蝶閥系統(tǒng)由液壓蝶閥主閥、液壓旁通閥、液壓鎖錠、機(jī)械鎖錠、旁通管路系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等組成。機(jī)組在任何運(yùn)行工況下，該進(jìn)水蝶閥能動(dòng)水關(guān)閉，且不產(chǎn)生有害振動(dòng)[5]，關(guān)閉時(shí)間滿足機(jī)組防飛逸保護(hù)的要求[6]。當(dāng)機(jī)組發(fā)生過(guò)速事故，機(jī)組轉(zhuǎn)速升高到整定值的情況下，水機(jī)保護(hù)啟動(dòng)緊急事故停機(jī)，關(guān)閉進(jìn)水蝶閥能可靠截?cái)嗌嫌蝸?lái)水，切斷水輪機(jī)原動(dòng)力，防止事故擴(kuò)大化，保證機(jī)組安全。

峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)啟動(dòng)緊急事故停機(jī)后中間繼電器-JTJ1動(dòng)作，動(dòng)作于關(guān)閉進(jìn)水蝶閥。優(yōu)化改造前，中間繼電器-JTJ1緊急事故停機(jī)動(dòng)作開(kāi)出關(guān)閉進(jìn)水蝶閥的接點(diǎn)接入機(jī)組進(jìn)水蝶閥控制系統(tǒng)PLC的“遠(yuǎn)控-緊急關(guān)閥”開(kāi)入接點(diǎn)，由PLC緊急關(guān)閥流程關(guān)閉進(jìn)水蝶閥。

進(jìn)水蝶閥PLC緊急關(guān)閥流程為：關(guān)主閥→投液壓鎖錠→關(guān)液壓旁通閥，需滿足前置條件：主閥全開(kāi)到位、液壓旁通閥全開(kāi)到位、液壓鎖錠拔出到位、機(jī)械鎖錠拔出到位。在機(jī)組出現(xiàn)過(guò)速事故，水機(jī)保護(hù)緊急事故停機(jī)啟動(dòng)緊急關(guān)閉進(jìn)水蝶閥時(shí)，若出現(xiàn)①因行程開(kāi)關(guān)故障等原因?qū)е轮鏖y全開(kāi)到位、液壓旁通閥全開(kāi)到位、液壓鎖錠拔出到位、機(jī)械鎖錠拔出到位信號(hào)之一消失，不滿足進(jìn)水蝶閥PLC緊急關(guān)閥流程條件；②進(jìn)水蝶閥PLC失電、故障等情況時(shí)，將不能可靠關(guān)閉進(jìn)水蝶閥，使得事故擴(kuò)大，危害機(jī)組安全。

為防止出現(xiàn)上述情況，將中間繼電器-JTJ1緊急事故停機(jī)動(dòng)作關(guān)閉進(jìn)水蝶閥開(kāi)出接點(diǎn)改接至進(jìn)水蝶閥獨(dú)立于PLC的緊急關(guān)閥回路，如圖5所示，使水機(jī)保護(hù)啟動(dòng)緊急事故停機(jī)時(shí)，中間繼電器-JTJ1動(dòng)作，能可靠關(guān)閉進(jìn)水蝶閥，切斷水輪機(jī)原動(dòng)力，防止事故擴(kuò)大化，保證機(jī)組安全。

圖5 優(yōu)化后水機(jī)保護(hù)緊急關(guān)閥回路圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了峽口塘電廠水機(jī)保護(hù)的配置情況，以及參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了對(duì)部分水機(jī)保護(hù)回路的優(yōu)化改造方案。上文所述優(yōu)化改造方案，軸瓦溫度保護(hù)、水機(jī)保護(hù)關(guān)進(jìn)水蝶閥回路優(yōu)化方案已實(shí)施改造，經(jīng)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，能可靠、正確動(dòng)作；水機(jī)保護(hù)供電回路優(yōu)化、調(diào)速器事故低油壓保護(hù)回路優(yōu)化方案暫未實(shí)施，待擇機(jī)進(jìn)行改造。作為水電廠機(jī)組機(jī)械部分故障時(shí)的主要保護(hù)，水機(jī)保護(hù)配置的完善與否直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，水機(jī)保護(hù)的合理優(yōu)化為峽口塘電廠水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。