大河沿河渠首水電站調(diào)節(jié)保證措施方案研究

李 偉

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

大河沿河梯級水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市境內(nèi)，梯級電站利用總水頭1401m，工程以“長藤結(jié)瓜、串糖葫蘆”形式，共布置8級水電站和一條供水管線，開發(fā)區(qū)段全長約42．7km。梯級總裝機(jī)容量42MW，電站保證出力11．5MW，年平均發(fā)電量2．27億kW·h，屬小(1)型Ⅳ等工程。

渠首電站為工程梯級電站中首級水電站，設(shè)計(jì)引用流量為4．17m3/s，壓力管道長約6．6km，額定水頭183m，電站裝機(jī)6250 kW。

2 建筑物布置

渠首水電站主要由引水閘、沉砂池、壓力前池、壓力管道、岔管、旁通系統(tǒng)、廠房等主要建筑物組成。

考慮下游梯級電站、灌溉、工業(yè)、城鎮(zhèn)對水質(zhì)的要求，在大河沿河紅星渠首取水口下游設(shè)置沉砂設(shè)施，一并解決下游梯級電站的排砂、排冰、排污問題。

壓力管道總長約6．5km，縱坡3%左右;其中PCCP管段長約2．1km，管徑1．8m。螺旋焊鋼管段長約 4．5km，管材采用 Q235C、Q345C，管徑為1．7m。壓力管道軸線轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩間管段采用支墩支承，并設(shè)有波紋管伸縮節(jié)、進(jìn)人孔、進(jìn)排氣閥，在管道爬坡段低點(diǎn)設(shè)置有底部放空系統(tǒng)。岔管型式為貼邊岔，主管管徑1．7m、旁通管及支管管徑為1．0m，管材為WDL610、Q345C。在副廠房上游側(cè)支管段設(shè)置檢修閘閥，旁通閥室位于廠房右側(cè)。

電站廠房主要由主、副廠房、35kV升壓站等建筑物組成。主廠房內(nèi)安裝2臺3125kW臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)，機(jī)組間距15m，主廠房內(nèi)設(shè)有一臺型號為16t的電動(dòng)單梁起重機(jī)，橋機(jī)跨度10m。安裝間布置在2#機(jī)左側(cè);副廠房內(nèi)布置中控室、高壓開關(guān)室、中壓空壓機(jī)室和衛(wèi)生間等。

3 調(diào)節(jié)保證措施方案比選

渠首電站壓力管道長達(dá)6．6km，水流慣性時(shí)間常數(shù) Tw=6．624s，機(jī)組加速時(shí)間常數(shù) Ta=4．164s。根據(jù)過渡過程數(shù)值計(jì)算，需設(shè)置調(diào)節(jié)保護(hù)措施來解決引水系統(tǒng)壓力和轉(zhuǎn)速上升的矛盾問題。同時(shí)為壓力管道管材的選擇、管道壁厚的確定提供可靠計(jì)算依據(jù)。渠首電站囿于自身的地形、地質(zhì)限制不具備修建調(diào)壓室的條件，故采用調(diào)壓閥調(diào)保措施方案。

考慮梯級電站“長藤結(jié)瓜、串糖葫蘆”布置，一旦機(jī)組丟棄負(fù)荷，同時(shí)調(diào)壓閥拒動(dòng)，壓力引水管道內(nèi)壓力值超過設(shè)計(jì)壓力而發(fā)生爆管，對電站本身及下游梯級電站均造成巨大損失和影響的因素下，設(shè)置了后備安全調(diào)節(jié)保護(hù)措施，并初步擬定了爆破膜方案和安全泄壓閥方案，并從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、運(yùn)行等方面綜合考慮，分別介紹如下:

3.1 調(diào)壓閥調(diào)保措施

調(diào)壓閥布置在主廠房進(jìn)水閥坑內(nèi)。調(diào)壓閥作用原理:調(diào)壓閥與水輪機(jī)導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)。當(dāng)電站或機(jī)組丟棄負(fù)荷較大或全負(fù)荷，在導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時(shí)調(diào)壓閥相應(yīng)的快速開啟，將機(jī)組關(guān)閉減少的過流量通過調(diào)壓閥排出，使引水管道內(nèi)的流量變化緩慢進(jìn)行，以減小因快速關(guān)閉導(dǎo)葉切斷水流引起的管道水壓上升。另一方面，因?qū)~仍是快速關(guān)閉流入轉(zhuǎn)輪室流量較少，同時(shí)保證機(jī)組的速率上升不超標(biāo)，使電站和機(jī)組得以安全運(yùn)行。

通過過渡過程數(shù)值分析，最優(yōu)調(diào)壓閥直徑為0．3m，推薦的機(jī)組-調(diào)壓閥啟閉規(guī)律為導(dǎo)葉以9s一段直線規(guī)律關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥以9s一段直線聯(lián)動(dòng)開啟，達(dá)到全開并滯后10s后，調(diào)壓閥再以180s一段直線規(guī)律關(guān)閉。

調(diào)壓閥具有較明顯的優(yōu)勢，為工程節(jié)約了投資、縮短了施工工期。

3.2 爆破膜后備調(diào)保措施方案

3.2.1 爆破膜布置原理及成果

通過對爆破膜裝置考察，因其獨(dú)特的作用及經(jīng)濟(jì)性在多個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用，在水電站工程中也有應(yīng)用，并取得了較好的使用效果。所以爆破膜技術(shù)具有一定的可行性。

渠首水電站爆破膜布置在管道末端與岔管并行，位于旁通閥室內(nèi)，爆破膜裝置主要有檢修閥門、爆破膜片、球閥組成。設(shè)計(jì)初擬布設(shè)3組膜徑0．5m的爆破膜片，3組爆破膜裝置并聯(lián)平行布置，在爆破膜交匯點(diǎn)前設(shè)置了閘閥，交匯點(diǎn)后設(shè)置了球閥，球閥用來調(diào)節(jié)相對開度消能限流，另外，在爆破膜爆破后，關(guān)閉球閥更換好膜片，為下次開機(jī)做好準(zhǔn)備。爆破膜布置見圖1，爆破膜片詳見圖2。

(1)爆破膜裝置在本工程運(yùn)用原理

在壓力管道末端設(shè)置一組或多組膜片，作為管道中人為設(shè)定的薄弱環(huán)節(jié)。正常運(yùn)行時(shí)擋水，機(jī)組甩負(fù)荷，且調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)，爆破膜破壞后泄水，防止壓力管道因壓力升高而破壞。膜片破壞后，通過調(diào)節(jié)球閥開度來進(jìn)行消能限流，待壓力管道水流平穩(wěn)后，緩慢關(guān)閉，然后對爆破膜片進(jìn)行更換。使整個(gè)引水系統(tǒng)各部分的水壓力均控制在允許值以內(nèi)，水壓力升高得到有效抑制，從而保證壓力管道的運(yùn)行安全。

(2)爆破結(jié)構(gòu)原理

爆破膜片夾持于兩法蘭中，其受力型式為“四周固定的圓形或平板均布荷載”，通過選擇設(shè)定膜片的材料及厚度，使膜片在設(shè)定壓力作用下發(fā)生破壞。

圖1 爆破膜布置圖

圖2 爆破膜片

(3)膜片的爆破壓力、片數(shù)和直徑，末端球閥的控制開度、關(guān)閉時(shí)間等參數(shù)確定

根據(jù)引水系統(tǒng)和機(jī)組所允許的壓力和轉(zhuǎn)速閾值，通過對引水系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行計(jì)算，最終確定如下:

渠首水電站工程膜片原設(shè)計(jì)直徑為0．5m的爆破膜，因泄流能力過大導(dǎo)致壓力管道中出現(xiàn)過大的負(fù)壓。通過減小膜片直徑及優(yōu)化爆破膜爆破順序，推薦布設(shè)3組膜徑0．25m的爆破膜片。3組爆破膜相繼分級啟爆的方案，1#爆破膜啟爆壓力為230．0m，2#爆破膜啟爆壓力為 235．0m，3#爆破膜啟爆壓力為240．0m。這就要求調(diào)壓閥正常工作時(shí)，爆破膜前的壓力不能超過整定的230．0m，即調(diào)壓閥正常工作時(shí)爆破膜不會爆破。推薦球閥在34．5～95%的相對開度下運(yùn)行，球閥以120s的一段直線關(guān)閉，遲滯時(shí)間應(yīng)大于等于0．2s。球閥和爆破膜過流數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 推薦球閥開度下各爆破膜過流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 爆破膜裝置優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)注意的問題

通過對爆破膜的研究、考察，針對本工程就爆破膜的適用性總結(jié)出以下幾點(diǎn)，這對工程的方案選擇、運(yùn)行安全起到至關(guān)重要作用。

(1)優(yōu)點(diǎn)。原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、施工安裝方便、便于更換。

(2)膜片材料。爆破膜材料有:鎳、鋁及鋁合金、塑料(特氟隆)、不銹鋼等。各材料特性也有較大差別，如塑料為脆性材料，不銹鋼為塑性材料。

(3)膜片采購。爆破膜專業(yè)制造廠較少，對爆破膜進(jìn)行采購較為困難。

(4)膜片制造。如將爆破膜作為非標(biāo)件單獨(dú)加工，需考慮材料的不均勻性(每批材料的拉伸、剪切強(qiáng)度均不相同)和機(jī)械加工性能(塑料考慮注塑成形，需另行制造專用模具;為防止局部微裂紋對應(yīng)力的影響，加工精度要求高)。

(5)膜片安全。爆破膜在長期水壓作用下，可能發(fā)生一定的塑性形變，從而偏離計(jì)算壓力假定值。

(6)受控爆破。調(diào)保計(jì)算水力學(xué)計(jì)算要求爆破膜動(dòng)作后整體脫落，形成全通徑流道泄水，要求爆破膜有設(shè)計(jì)指定的薄弱環(huán)，該處的應(yīng)力集中無法控制。

(7)膜片精度。爆破膜啟爆壓力根據(jù)材質(zhì)不同，精度誤差為±5%、±10%，現(xiàn)有爆破膜精度誤差最小一般為±5%。

3.2.3 爆破膜后備調(diào)節(jié)保護(hù)措施方案結(jié)論

綜合以上因素，根據(jù)渠首電站調(diào)保計(jì)算成果，爆破膜的起爆壓力間隔為5m，這對爆破膜的生產(chǎn)提出了很高的要求和精度。例如按240m水頭的±10%計(jì)算，爆破膜在240至288m水頭起爆均為合格產(chǎn)品，此范圍已大大超出調(diào)保計(jì)算要求爆破膜起爆壓力值。

3.3 安全泄壓閥后備調(diào)保措施方案

3.3.1 安全泄壓閥布置及原理

安全泄壓閥的布置與爆破膜方案基本相同，均位于管道末端，與岔管平行。安全泄壓閥主要由檢修閥門、安全泄壓閥組成。設(shè)計(jì)初擬布設(shè)1臺0．5m直徑的安全泄壓閥，在安全泄壓閥前后設(shè)置了檢修閥門，當(dāng)安全泄壓閥需檢修或維護(hù)時(shí)將前后檢修閥門關(guān)閉。安全泄壓閥布置詳見圖3，安全泄壓閥結(jié)構(gòu)詳見圖4。

圖3 安全泄壓閥布置圖

圖4 安全泄壓閥結(jié)構(gòu)圖

(1)安全泄壓閥在本工程運(yùn)用原理

當(dāng)調(diào)壓閥泄出流量過小或拒動(dòng)時(shí)，引水系統(tǒng)壓力會繼續(xù)上升，達(dá)到安全泄壓閥開啟壓力后，安全泄壓閥在一定時(shí)間內(nèi)開啟，及時(shí)下放水流降壓，將主管道的壓力限定在設(shè)定壓力以下，避免由于壓力過高而造成管道系統(tǒng)的破壞。

(2)安全、泄壓閥工作壓力、臺數(shù)和直徑等參數(shù)確定

同樣根據(jù)引水系統(tǒng)和機(jī)組所允許的壓力和轉(zhuǎn)速閾值，通過對引水系統(tǒng)過渡過程進(jìn)行計(jì)算，最終確定安全泄壓閥工作壓力、臺數(shù)和直徑等參數(shù)，確定過程如下:

渠首水電站工程原設(shè)計(jì)一臺閥徑為0．5m的安全泄壓閥，因泄流能力過大導(dǎo)致壓力管道中出現(xiàn)過大的負(fù)壓。通過對安全泄壓閥直徑優(yōu)化，推薦布設(shè)1臺安全泄壓閥，閥徑0．35m。因安全泄壓閥的開啟時(shí)間對機(jī)組轉(zhuǎn)速及水力干擾均存在影響，若開啟時(shí)間過長，則降壓效果大打折扣，甚至可能導(dǎo)致蝸殼末端最大壓力超過控制標(biāo)準(zhǔn);若開啟時(shí)間過短，則在水力干擾工況，導(dǎo)致壓力引水道部分管段出現(xiàn)較為嚴(yán)重的負(fù)壓。經(jīng)計(jì)算推薦安全泄壓閥以5s開啟，即使有誤差也應(yīng)限制在3s～6s內(nèi)，安全泄壓閥開啟時(shí)間敏感性分析計(jì)算詳見表2。由于閥徑0．35m 的安全泄壓閥過流量約 3．56m3/s，0．5m 管徑中流速達(dá)18．14m/s，流速水頭16．8m，管道中會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的負(fù)壓，因此將原設(shè)計(jì)為0．5m的管道直徑增至0．7m。

表2 安全泄壓閥開啟時(shí)間敏感性分析計(jì)算結(jié)果

3.3.2 安全泄壓閥裝置優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)注意的問題

(1)操作方便，無需為閥門另配電控系統(tǒng)和其它附加裝置。

(2)關(guān)閉嚴(yán)密可靠。主閥密封采用橡膠密封環(huán)密封，關(guān)閉動(dòng)力由主閥控制室自動(dòng)形成，保持合適關(guān)閉力，密封壽命和可靠性高。

(3)控制壓力不受流量等因素影響泄壓準(zhǔn)確。

(4)費(fèi)用。根據(jù)工程運(yùn)用要求，直徑、作用水頭不同設(shè)備價(jià)格差異較大。

(5)對電站的日常運(yùn)行維護(hù)有一定的要求。需日常巡檢設(shè)備各部件是否存在漏氣、卡死等現(xiàn)象，機(jī)械裝置需定期更換彈簧，防止彈簧長期受壓后發(fā)生永久形變。

3.3.3 安全泄壓閥后備調(diào)節(jié)保護(hù)措施方案結(jié)論

綜合以上因素，根據(jù)渠首電站調(diào)保計(jì)算成果，安全泄壓閥可滿足工程各工況運(yùn)行要求，起到了后備調(diào)節(jié)保護(hù)的作用。

3.4 后備調(diào)節(jié)保護(hù)措施結(jié)論

經(jīng)過引水系統(tǒng)過渡過程計(jì)算對兩種方案的論證，作為后備調(diào)節(jié)保護(hù)措施，兩方案均需滿足以下前提，即后備裝置開啟壓力整定值比調(diào)壓閥正常動(dòng)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，而后備裝置不動(dòng)作。

爆破膜方案，因受過渡過程計(jì)算承壓水頭控制，3組爆破膜的起爆壓力間隔為5m，及230m、235m、240m，而爆破膜爆破精度誤差最大達(dá) ±10%，同時(shí)受爆破膜材質(zhì)不可控等邊界條件限制，此方案已無法滿足工程調(diào)節(jié)保護(hù)作用。

通過兩方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等諸多因素比較，渠首水電站后備調(diào)節(jié)保護(hù)措施采用安全泄壓閥方案。為壓力管道管材的選擇、管道壁厚的確定、蝸殼末端最大壓力的控制提供可靠計(jì)算依據(jù)，最終確定壓力管道設(shè)計(jì)參數(shù)、蝸殼最大壓力、機(jī)組等設(shè)備參數(shù)。

4 結(jié)語

大河沿河渠首水電站工程特點(diǎn)是高水頭、長管道。通過工程實(shí)地考察研究和大量的計(jì)算工作，為調(diào)節(jié)保護(hù)措施的方案研究選擇奠定了基礎(chǔ)。

不論是調(diào)壓閥、還是爆破膜裝置、安全泄壓閥均能起到引水系統(tǒng)調(diào)節(jié)保護(hù)的作用，結(jié)合工程的特點(diǎn)可以靈活運(yùn)用。

［1］CECS 193:2005．城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國計(jì)劃出版社，2006．

［2］DL/T 5058—1996．水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京:中國電力出版社，1997．