調(diào)壓閥-爆破膜裝置在調(diào)保中的應(yīng)用研究

封曉輝，申世吉

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021）

調(diào)壓閥-爆破膜裝置在調(diào)保中的應(yīng)用研究

封曉輝，申世吉

（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021）

對(duì)于長(zhǎng)管引水式水電站，為滿足其調(diào)節(jié)保證的要求，結(jié)合某電站的輸水系統(tǒng)布置特點(diǎn)，提出采用調(diào)壓閥-爆破膜作為調(diào)保措施的方案，并對(duì)調(diào)壓閥直徑的選定和爆破膜基本參數(shù)確定、優(yōu)化等問題進(jìn)行了計(jì)算分析，以確保電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

水電站；調(diào)節(jié)保證；調(diào)壓閥；爆破膜

1 工程概況

某長(zhǎng)引水式水電站裝機(jī)容量2×4.32mW，額定流量4.078m3/s，額定水頭234.8m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G D2=5.0 t·m2，水輪機(jī)型號(hào)HL***-WJ-92。電站輸水系統(tǒng)布置圖如圖1所示。管路特性參數(shù)見表1。

圖1 電站輸水系統(tǒng)布置示意圖（單位:m）

表1 當(dāng)量化后的管路特性參數(shù)

結(jié)合該電站的特征參數(shù)，并根據(jù)水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范（DL/T5186-2004）［1］，提出該電站的調(diào)保計(jì)算控制條件:

（1）機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率≤60.0%；

（2）蝸殼最大壓力升高率≤30%，即為328m；

（3）輸水道全線洞頂?shù)淖钚?nèi)水壓力＞2m；

（4）壓力管道中最大真空度≤8m。

2 計(jì)算目的及原理

水電站運(yùn)行過程中，由于各種原因，機(jī)組突然與系統(tǒng)解離或突然全甩負(fù)荷，致使機(jī)組轉(zhuǎn)速突然大幅度升高，引水管道中的壓力也急速上升，將對(duì)電站的引水系統(tǒng)和機(jī)組產(chǎn)生破壞作用。為此，在水電站設(shè)計(jì)中，為了保證機(jī)組正常運(yùn)行，必須要進(jìn)行調(diào)保計(jì)算。在調(diào)節(jié)保證計(jì)算中，限制水力壓力的升高和機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高是相互制約的。在無法滿足同時(shí)限制壓力和轉(zhuǎn)速上升要求時(shí)，則需要采用調(diào)保措施，滿足兩者要求。

目前在水電站設(shè)計(jì)中，所采用的調(diào)保措施比較多，包括增加機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、設(shè)置調(diào)壓室、縮短引水管道的長(zhǎng)度、增大引水管道斷面以及減少管內(nèi)流速等。這些措施常常受地形、地質(zhì)條件的影響或者投資較大、施工困難等因素的制約，難以施行。綜合目前國(guó)內(nèi)外幾種調(diào)保措施得出，調(diào)壓閥-爆破膜裝置作為水電站的調(diào)保措施是一個(gè)值得推薦的方案，其不受地形地質(zhì)、投資、風(fēng)險(xiǎn)等因素影響，并且經(jīng)濟(jì)效益明顯［2-3］。

調(diào)壓閥-爆破膜裝置作為調(diào)節(jié)保證措施的基本原理:機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，引水管內(nèi)壓力平穩(wěn)，調(diào)壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)甩負(fù)荷時(shí)，引水管內(nèi)發(fā)生水錘，壓力上升超過調(diào)壓閥整定值，調(diào)壓閥開啟，泄放一定的流量，限制了水錘壓力的上升，由于此時(shí)通過水輪機(jī)的流量減少，因而也減少了機(jī)組的剩余流量，限制了機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升。如果調(diào)壓閥損壞、壓力超過整定值其仍未動(dòng)作或者調(diào)壓閥泄流量不夠情況下，引水系統(tǒng)壓力將繼續(xù)升高，達(dá)到爆破膜的整定壓力，爆破膜爆破，水流噴出，同樣起到保護(hù)作用。一般情況下爆破膜的爆破整定壓力比調(diào)壓閥的正常工作時(shí)產(chǎn)生的壓力值高，這樣才能保證正常情況下調(diào)壓閥動(dòng)作，而爆破膜不啟爆。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 調(diào)壓閥設(shè)置

調(diào)壓閥的過流量［4］:水錘計(jì)算的正、負(fù)特征線方程［5］:

式中:τ為調(diào)壓閥開度；Q11為單位流量，HA（t）、HB（t）、QA（t）、QB（t）分別為A、B邊在t時(shí)刻的瞬態(tài)水頭和瞬態(tài)流量。結(jié)合（1）、（2）、（3），即可獲得閥前壓力、閥后壓力、過閥流量3個(gè)未知量。

3.1.1 調(diào)壓閥與機(jī)組啟閉規(guī)律

導(dǎo)葉及調(diào)壓閥的啟閉規(guī)律對(duì)引水系統(tǒng)的水錘壓強(qiáng)與機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率的大小影響較大，它決定于調(diào)速系統(tǒng)特性，而且在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，因此采用合理的啟閉規(guī)律可以降低水錘壓強(qiáng)與限制機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，且不需要額外增加電站機(jī)組投資，是一種經(jīng)濟(jì)有效的措施。對(duì)調(diào)壓閥和機(jī)組導(dǎo)葉聯(lián)動(dòng)的啟閉規(guī)律進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后蝸殼最大壓力升高率≤18%，即為297m，其它指標(biāo)不變，即機(jī)組的轉(zhuǎn)輪GD2=5.0t·m2，調(diào)壓閥動(dòng)作時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速最大上升率應(yīng)在≤60%，尾水管進(jìn)口真空度≤8m。見表2。

表2 調(diào)壓閥與機(jī)組聯(lián)合啟閉規(guī)律

3.1.2 調(diào)壓閥的直徑

調(diào)壓閥直徑關(guān)系到其開啟時(shí)的過流量，理論上調(diào)壓閥的直徑越大則系統(tǒng)的降壓效果越好，但調(diào)壓閥的直徑過大，造價(jià)加大，其泄流能力加大，過高的流速除可能帶來高速水流的氣蝕與消能問題外，在發(fā)生單臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷的事故情況下，大部分水流從調(diào)壓閥流走，從而將導(dǎo)致同一水力單元的另外一臺(tái)機(jī)組出力出現(xiàn)較大下降，產(chǎn)生較嚴(yán)重的水力干擾，由此可能發(fā)生相繼甩負(fù)荷事故。故較優(yōu)的調(diào)壓閥直徑應(yīng)滿足:

（1）最小閥徑應(yīng)滿足導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大的壓力上升；

（2）最大閥徑應(yīng)滿足導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟時(shí)系統(tǒng)總流量不產(chǎn)生過大的增加，即事故前后系統(tǒng)總流量近似相等。詳見表3。

表3 不同調(diào)壓閥直徑方案對(duì)比

圖2 調(diào)壓閥直徑0.35m、啟閉規(guī)律為3時(shí)蝸殼末端-調(diào)壓閥前壓力及機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速變化過程線

由表2、3及圖2可知，調(diào)壓閥直徑取0.30m時(shí)，蝸殼末端壓力超過整定值；直徑取0.40m時(shí)，泄流量過大，均不能滿足調(diào)保要求及直徑優(yōu)化原則。調(diào)壓閥直徑選取0.35m，啟閉規(guī)律為3時(shí)，調(diào)壓閥直徑優(yōu)化原則（1）、（2）及調(diào)保要求均能滿足，蝸殼末端最大壓力及最大轉(zhuǎn)速上升率均有一定的富裕度，魯棒性很好。

3.2 爆破膜設(shè)置

3.2.1 爆破膜計(jì)算原理

爆破膜金屬膜片的爆破壓力、膜片材質(zhì)、厚度、片數(shù)和直徑等參數(shù)，可根據(jù)引水系統(tǒng)和機(jī)組所允許的壓力和轉(zhuǎn)速閾值，通過對(duì)輸水系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行計(jì)算來確定。在計(jì)算中，每片爆破膜膜片啟爆后的排量，按薄壁小孔口出流公式［6］計(jì)算:QB=， 式中，μ為流量系數(shù)，取值一般在0.58至0.62之間；FB為膜片爆破面積（m2）；H為作用在爆破膜孔口的水壓力（米水柱）。另外，爆破膜膜片直徑不宜過大，片數(shù)不宜過少，以免膜片爆破時(shí)壓力下降過大而產(chǎn)生負(fù)壓。此外，爆破膜還應(yīng)有不同壓力控制等級(jí)的備用片數(shù)，以策安全。

3.2.2 爆破膜直徑、數(shù)量及排列方式

（1）單個(gè)爆破膜爆破

單個(gè)爆破膜相關(guān)參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 單個(gè)爆破膜直徑優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)小孔出流計(jì)算公式選擇直徑大的膜徑，出流量大，導(dǎo)致管道前端負(fù)壓難以控制，故不能采用；直徑0.15m的爆破膜，雖泄流能力不足，但造成的負(fù)壓均可控，轉(zhuǎn)速最大上升率又可以通過降低爆破壓力整定值實(shí)現(xiàn)，蝸殼末端最大壓力的降低可通過多次爆破增加排量來實(shí)現(xiàn)。因此，本文提出兩個(gè)或者多個(gè)爆破膜相繼爆破的方案，理論上可行。

（2）多個(gè)爆破膜爆破

多個(gè)爆破膜爆破的計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 多個(gè)爆破膜爆破計(jì)算結(jié)果

兩個(gè)爆破膜相繼爆破時(shí)較單個(gè)爆破蝸殼末端壓力及最大轉(zhuǎn)速上升率有了明顯的改善，見表4，以膜后球閥開度限制泄流量來保證管道內(nèi)負(fù)壓滿足條件，由于泄流量被球閥開度限制，由表4計(jì)算方案對(duì)比可知爆破方案1、2總的泄流量仍不足以把蝸殼末端壓力控制至調(diào)保壓力控制標(biāo)準(zhǔn)以下，方案3爆破膜相繼啟爆時(shí)，球閥開度在45～95%之間調(diào)節(jié)，蝸殼末端壓力、轉(zhuǎn)速最大上升率及管道中負(fù)壓等均能控制在調(diào)保參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，滿足要求。

圖3 三膜徑0.15m爆破膜爆破蝸殼末端壓力及機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速變化過程線（球閥開度95%）

三爆爆破方式:1#爆破膜先爆破，3#爆破膜再爆破，2#爆破膜最后爆破，由于是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，爆破次序無影響，采用并聯(lián)對(duì)稱結(jié)構(gòu)利于控制和爆破后換膜片的方便，如圖4。

圖4 三個(gè)爆破膜排列布置示意圖

4 結(jié)語

（1）對(duì)于某長(zhǎng)管引水式電站，結(jié)合該電站的輸水系統(tǒng)布置特點(diǎn)及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)上的要求，對(duì)其水力過渡過程進(jìn)行計(jì)算，采用調(diào)壓閥-爆破膜作為調(diào)保措施的方案能夠較好的滿足電站的調(diào)保要求。

（2）通過計(jì)算及分析確定該電站的調(diào)壓閥直徑。通過對(duì)比演算對(duì)爆破膜的直徑、數(shù)量、排列方式的確定進(jìn)行了一系列優(yōu)化，以確定爆破膜參數(shù)來確保電站的穩(wěn)定運(yùn)行，其結(jié)論對(duì)一些中小型水電站的具有借鑒意義。

［1］DL/T5186-2004.水輪機(jī)發(fā)電廠機(jī)電設(shè)備規(guī)范［S］.

［2］胡沛成，倪福生.水電站用爆破膜代替調(diào)壓井的過渡過程和工程措施［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報(bào)，1999，13（04）:2-5.

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［6］劉建軍，章寶華.流體力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2006.

圖4 EH4深埋隧洞二維反演電阻率圖

根據(jù)圖4的電性參數(shù)特征，可以看出剖面上部視電阻率值基本在50～150，下部視電阻率值≥250，我們?nèi)∫曤娮杪手档扔?50的等值線作為劃分覆蓋層與基巖界線的基準(zhǔn)，則粗黑線上方推斷為覆蓋層，下方推斷為基巖。由圖可見剖面小樁號(hào)覆蓋層較薄，最淺處約15m，大樁號(hào)的附近覆蓋層較厚，最大厚度趨近200m，其中在樁號(hào)830～1050處有一相對(duì)凹陷形態(tài)，推斷該覆蓋層厚度較大。覆蓋層下方，基巖頂板線高程整體呈現(xiàn)小樁號(hào)高，大樁號(hào)低的特性，樁號(hào)0～700段視電阻率等值線形態(tài)較平緩，表明巖性穩(wěn)定性較好；樁號(hào)700～1100段等值線形態(tài)不規(guī)則，比較錯(cuò)亂，表明巖性穩(wěn)定性較差；樁號(hào)1100～2000段等值線成層性較好，表明巖性穩(wěn)定性較好。整個(gè)剖面覆蓋層以及基巖頂板線具體分布情況見圖4。

另外，根據(jù)視電阻率等值線密集和橫向斜率形態(tài)突變情況，結(jié)合大范圍的低電阻率值區(qū)，推斷在剖面樁號(hào)830至1110處有斷裂構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎、傾向大樁號(hào)一側(cè)，傾角較陡。

4 結(jié)語

通過本次高頻大地電磁工作，完成深埋隧道軸線縱剖面1條，通過對(duì)成果資料的綜合分析解釋，初步查明了深埋隧道軸線剖面的巨厚覆蓋層分布情況，并提示在剖面有斷裂構(gòu)造發(fā)育，反映了該方法技術(shù)在深埋隧道探測(cè)巨厚覆蓋層分布和確定斷層位置的有效性。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于50～500m的覆蓋層，EH4探測(cè)效果較好，但由于天然場(chǎng)的一段高頻信號(hào)較弱，造成小于50m的覆蓋層探測(cè)效果不明顯。為取得較好的反演成果，采集原始數(shù)據(jù)時(shí)，使用人工場(chǎng)補(bǔ)充天然場(chǎng)弱信號(hào)段，遠(yuǎn)離干擾區(qū)（高壓線、電線、火車軌道、公路等），從而提高勘探精度。

參考文獻(xiàn)

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TV735

B

1672-2469（2015）10-0082-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.26

封曉輝（1987年—），男，助理工程師。