国网浙江紧水滩电厂“故障导向安全”典型设计和应用实践

国网浙江紧水滩电厂“故障导向安全”典型设计和应用实践

吴俊健

（国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂浙江丽水323000）

摘要：本文介绍了“故障导向安全”原则在紧水滩电厂的典型设计和应用情况，着重阐述了调速器“失电停机”的设计思路和实现方案、机组振摆保护功能构成和应用策略、水电厂“水淹厂房”及一键操作落门停机的基本思路。

关键词：故障导向安全；水电厂；典型设计；应用实践

1.前言

在国际标准中“故障导向安全”命名为“failsafe”，最新定义为：Adesignedpropertyofanitemwhichpreventsitsfailuresfromresultingincriticalfault。与之对应，根据GB/T2900.99—2016《电工术语可信性》给出的定义，“故障导向安全”是“在失效的情况下保持安全的能力”。“故障导向安全”的设计策略目的在于确保系统中任何元件的故障都会导致一个预定的安全输出状态。

国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂（以下简称紧水滩电厂）位于浙江省丽水市云和县境内的龙泉溪畔，距云和县城18公里，距丽水市区62公里，安装6台单机容量50MW混流式水轮发电机组,总装机容量300MW。紧水滩电厂目前采用“无人值班，少人值守”运行模式，设备检修维护管理采取点检定修制。

根据国家能源局和国家电网公司水电厂反事故技术措施管理及相关标准等要求，以及今后水电厂向“无人值班、关门运行”“集中监视、远方操控”的目标推进，采用“故障导向安全”的管理策略是保障大坝和设备安全的根本要求。本文重点从调速器“失电停机”、机组振摆保护动作停机、水电厂“水淹厂房”及一键操作落门停机三个方面，结合紧水滩电厂的生产实际提出典型设计和解决方案。

2.调速器“失电停机”

原电监会和国家能源局“关于吸取俄罗斯萨扬事故教训，进一步加强安全监督管理的意见”文件要求：“应根据水电厂的重要性及规模，考虑机组保护和控制装置采用‘失电动作’规则的必要性，在机组的保护和控制回路电压消失时，相关保护和控制能够自动动作关闭导水机构。”NB/T35004—2013《水力发电厂自动化设计技术规范》规定：“调速器宜采用失电停机原则，在控制回路电压消失时，调速器宜自动动作关闭导水机构。”

2.1设计控制思路

水电厂的设备发生事故时，机组的控制设备将同时跳开断路器、灭磁、关导水叶，实现停机。关导水叶、跳断路器和磁场断路器的操作，有两种方式实现：一种是借助操作电源提供的电气信号实现，也称“有电动作”；另一种是在失去电源时，借助操作机构的弹簧元器件事先储存的能量释放等方式实现上述操作，也称“失电动作”。以调速器为例，如果采用“有电动作”原则，当全厂失电或调速器电源全部发生故障时（交、直流电压都消失），控制设备失去电源，调速器将处于失控状态。如果采用“失电动作”，增加一套紧急停机系统在失电时仍能使机组及时停机以保证安全，符合“故障导向安全”的原则。

2.2失电紧急停机系统典型设计

（1）系统组成

失电紧急停机系统组成包括控制电源，失电紧停控制模块及失电紧停电磁阀三个主要部分。控制电源取自调速器的直流24V冗余电源，失电紧停控制模块采用专用设计产品，失电紧停电磁阀采用直流24V电压控制、高可靠性的单稳态电磁阀。

（2）控制原理

紧水滩电厂调速器当交流220V电源、直流220V电源供电正常时，通过调速器柜内冗余24V给失电紧停控制模块供电，通过模块向并联蓄能电容充电，继电器动作。当交、直流供电电源同时消失后，紧停控制模块同时失电，电容通过继电器常闭接点，向失电紧停电磁阀的投入线圈送电，紧停电磁阀动作。

当失电紧停控制模块掉电时，同时通过继电器接点输出信号至监控系统，由监控系统启动事故停机流程，完成跳断路器、灭磁及停机流程。

3.水轮发电机组振摆保护

根据《水轮发电机组振摆保护配置与整定规范》要求，机组振摆保护应采用硬接线方式作用于水力机械事故报警及停机，宜同时作用于后备水机保护。紧水滩电厂机组振摆保护TN6000系统由系统框架、电源模块、系统模块、监测模块、继电器输出模块组成。振动摆度传感器信号直接接入到TN6000系统监测模块，再由TN6000系统监测模块将振摆数据直接输入到TN8000在线监测系统。紧水滩电厂计算机监控系统接入振摆保护一级告警、二级报警信号，并将一路振摆保护动作信号接入机组主PLC，另一路信号接入水机保护PLC。

当机组导叶开至全关以上，转速大于5%ne，振摆保护信号动作，经防抖延时后，向监控系统上位机发出“机组振摆保护事故停机”信号，并启动水力机械事故保护停机流程，投入紧急停机电磁阀，并联动正常停机回路。同样在后备水机保护PLC增加振摆保护动作启动水力机械事故保护停机流程。

4.防水淹厂房及一键落门停机

根据国网公司关于开展防水淹厂房专项复核的通知要求，国网紧水滩电厂分别进行了机组水力过渡过程复核及水力过渡过程反演计算；输水系统、过流部件、管路系统、排水系统安全性复核；进水口事故闸门可靠性复核；停机回路可靠性复核；厂用电可靠性复核；重点部位工业电视可靠性项复核等工作。根据NB/T35004—2013《水力发电厂自动化设计技术规范》规定：在厂房最低层（含操作廊道）设置不少于3套水位信号器，每套水位信号器至少包括2对限制触头输出。在中控室和发电机旁，应设置独立于计算机监控系统的事故闸门紧急关闭按钮，并以硬接线（包括独立光缆）的形式接至闸门的控制回路。

4.1防水淹厂房信号

紧水滩电厂在厂房最低层▽95廊道分间隔安装3套浮球式液位信号装置，每套输出水位升高、水位过高两个限制信号，接入独立控制单元，任一路升高可发出报警信号，任两路过高信号同时动作，发出水位过高保护动作信号。

4.2防水淹厂房保护

任两路水位过高保护动作信号启动防水淹厂房保护，经控制单元继电器接点输出“水淹厂房保护动作”信号，分别送至各台机组PLC作为开入信号，按照严重事故信号逻辑，启动快降落门、投入过速限制器、投入紧急停机电磁阀、跳开机组断路器，逆变灭磁，下发停机令给调速器。

4.3一键落门停机

紧水滩电厂在中央控制室安装“紧急停机落门操作箱”，安装紧急落门按钮，通过电缆直接引至坝顶接入快降电磁阀开出回路，紧急情况按下按钮实现快速落门；安装紧急停机按钮，通过电缆硬回路引至各台机组过速限制器控制回路，紧急情况时按下按钮投入过速限制器，并联动机组启动紧急停机流程。每只按钮至少有两副独立接点，在操作箱的按钮指令同时发出信号送至监控系统，记录操作情况并发出报警。

5.结语

根据“故障导向安全”的原则，从设备本质安全的角度考虑，水电厂应当具备调速系统失电自动停机、机组振摆保护事故停机、水淹厂房信号联动事故及硬回路一键停机落门功能。在发电机温度、转速、油压、油位、冷却水等传统水机保护的前提下，紧水滩电厂增加调速器主动保护功能，调速器所有电源消失时，紧急停机电磁阀直接动作，联动事故停机；增加机组振摆保护功能，在机组振动摆度超出规定允许值后，启动机组事故停机流程；水淹厂房信号联动事故及硬回路一键停机落门功能实现方案简洁，思路清晰，“故障导向安全”的目标明确，对同类水电厂具有一定的借鉴作用。

参考文献：

［1］姜树德.“故障导向安全”设计原则及其在水电厂的应用［J］.水电与抽水蓄能，2016，(2)：9-12.

［2］NB/T35004—2013,水力发电厂自动化设计技术规范[S].

作者简介：

吴俊健（1979-），男，工程师，高级政工师从事水电厂企业管理和安全管理工作。