長(zhǎng)管道小型水電站的調(diào)壓閥選型計(jì)算

虢 強(qiáng)（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊　830000）

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長(zhǎng)管道小型水電站的調(diào)壓閥選型計(jì)算

虢 強(qiáng)
（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊830000）

【摘 要】當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器控制水輪機(jī)活動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉，壓力管道內(nèi)產(chǎn)生壓力，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升。對(duì)于壓力引水管道較長(zhǎng)的電站，改變導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，就不一定能同時(shí)使壓力和轉(zhuǎn)速上升都控制在允許的范圍之內(nèi)。使用調(diào)壓閥的作用在于：在機(jī)組甩負(fù)荷、導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時(shí)相應(yīng)地打開泄流通道，從而降低水錘壓力上升，待導(dǎo)葉全關(guān)后，再緩慢關(guān)閉，使引水管道的流量變化緩慢，防止引水管道水壓升高及機(jī)組轉(zhuǎn)速過高。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Tw≤12s的中小型電站采用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井后，不但能夠節(jié)省投資、縮短工期，而且調(diào)壓閥的布置還不易受地質(zhì)、地形等條件限制。

【關(guān)鍵詞】水電站；調(diào)壓閥；壓力上升；轉(zhuǎn)速上升

1 工程概況

烏依布拉克河地處新疆烏什縣境內(nèi)，位于新疆烏依布拉克河出山口下游階地，西距烏什縣亞曼蘇鄉(xiāng)約12km，東距英阿瓦提鄉(xiāng)約40km，南與烏什縣隔河相望（相距約45km），為引水式水電站。水電站主要由引水渠首、引水渠道、壓力前池、泄水陡坡、壓力管道、廠房、升壓站、尾水渠等組成。工程設(shè)計(jì)規(guī)模：水電站裝機(jī)容量4MW（2×2MW），為Ⅴ等工程，規(guī)模為?。?）型。年平均發(fā)電量2820萬kW·h，保證出力2.7MW，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)6993h。水輪機(jī)型號(hào)HLA542-WJ-80，發(fā)電機(jī)型號(hào)SF2000-6/1430。

a.前池水位。前池最高水位1778.32m，前池正常水位1778.02m，前池最低水位1777.39m。

b.尾水位。最高尾水位1601.295m，正常尾水位1601.245m，最低尾水位1600.825m。

c.電站水頭。最大水頭177.495m，設(shè)計(jì)水頭165.0m，最小水頭163.6m。

d.引水流量2.9m3/s。

e.裝機(jī)容量4MW。

f.站址海拔1602m。

g.機(jī)組容量2×2MW。

2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算

烏依布拉克水電站壓力管道總長(zhǎng)4607.7m，根據(jù)壓力等級(jí)設(shè)計(jì)，玻璃鋼夾砂管長(zhǎng)4000m，鋼管長(zhǎng)607.7m，玻璃鋼夾砂管位于樁號(hào)0 + 000～4 + 000，鋼管位于樁號(hào)4 +000～4 +607.7。主管管徑1400mm，支管管徑1000mm，支管長(zhǎng)度23.0m。慣性時(shí)間常數(shù)Tw計(jì)算公式為：

式中L——壓力引水道各段長(zhǎng)度，m；

v——上述各段水道流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81m/s2；

Hd——水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭，m。

計(jì)算可得Tw= 5.42s，Tw> 2s，因此需設(shè)置調(diào)壓設(shè)施，Tw<12s可以采用調(diào)壓閥設(shè)施。該電站所處區(qū)域?qū)儆诘貏?shì)總的輪廓是西北高、中間低，高處為中低山丘陵，低處為烏依布拉克河及托什干河沖洪積谷地，此外山前分布有山前洪積傾斜礫質(zhì)平原及山溝谷地貌，不存在建設(shè)調(diào)壓井的地形條件，因此采用調(diào)壓閥是合適的。

3 調(diào)壓閥的計(jì)算

3.1 按轉(zhuǎn)速升高限制計(jì)算導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Ts

水擊波在管道中傳播速度為：

式中D——壓力管管徑，m；

e——壓力管壁厚，m；

K/E——鋼管取0.01，混凝土管取0.10。

水錘波相長(zhǎng)為：

壓力鋼管特性系數(shù)為：

式中n0——機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，r/min；

GD2——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，t·m；

β——轉(zhuǎn)速允許升高值，取50%；

N0——機(jī)組出力，kW。

水擊影響系數(shù)為：

式中ξ——壓力允許升高值，取25%。

壓力鋼管特性系數(shù)為：

經(jīng)計(jì)算（見表1、表2）在滿足轉(zhuǎn)速升高限制條件下導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為0.34s。

表1　管道特性系數(shù)

表2　水輪機(jī)基本參數(shù)

3.2 按壓力升高限制計(jì)算導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間Tss

先初擬Tss= 16.0s，判別水錘的類型：因水錘波的相長(zhǎng)Tr=15.82s <初擬的Tss= 16.0s，故屬于間接水錘。

第一相水錘公式為：

末相水錘計(jì)算公式為：

式中τ0——當(dāng)機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的開度，取1.0。

計(jì)算可得出Tss=36.31s，即滿足壓力升高限制條件下導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間為36.31s。

3.3 調(diào)壓閥選型

a.該站調(diào)壓閥參數(shù)計(jì)算。根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出該站調(diào)壓閥的關(guān)閉時(shí)間為T = Tss- Ts= 36s。

最大壓力水頭（1 +ξ）Hd=206.25m。

b.調(diào)壓閥選型。根據(jù)以上流量、壓力參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況查設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇調(diào)壓閥型號(hào)為TFW400/320，為球形閥盤。調(diào)壓閥參數(shù)為：調(diào)壓閥最大泄流量Qx=5.07m3/s（該電站水頭條件下），調(diào)壓閥行程Yx=100mm，調(diào)壓閥額定水頭HP= 320m，調(diào)壓閥直徑Dx=400mm。

調(diào)壓閥所需行程為Sx= YxDx。

調(diào)壓閥相對(duì)行程/調(diào)壓直徑為Yx/Dx= 0.14。

調(diào)壓閥相對(duì)行程為Yx=0.065m。

調(diào)壓閥所需行程為Sx=0.022m。

調(diào)壓閥布置采用垂直進(jìn)水，臥式結(jié)構(gòu)。下圖為主廠房平面布置圖。

主廠房平面布置圖（單位：mm）　

4 結(jié) 論

通常限制水擊壓力升高的方法主要有設(shè)置調(diào)壓井、加設(shè)調(diào)壓閥、采用導(dǎo)葉分段關(guān)閉等。導(dǎo)葉分段關(guān)閉法多用在低水頭電站，高水頭電站多采用設(shè)置調(diào)壓井或加設(shè)調(diào)壓閥的方法來解決壓力和轉(zhuǎn)速上升的問題，以保證電站運(yùn)行安全。調(diào)壓井建造投資高、工期長(zhǎng)，特別容易受地質(zhì)、地形等條件制約，有些地形還難于建造調(diào)壓井，因此對(duì)于中小型電站采用調(diào)壓閥就具有明顯的優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)生產(chǎn)的全油壓控制TFW型調(diào)壓閥具有和導(dǎo)葉液壓聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，可靠安全，投資小，施工期短。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)越來越多的長(zhǎng)管道中小型水電站采用調(diào)壓閥設(shè)計(jì)，并安全運(yùn)行至今。本文對(duì)烏伊布拉克水電站調(diào)壓閥的選型計(jì)算，希望能對(duì)后續(xù)建設(shè)的長(zhǎng)管道中小型水電站的設(shè)計(jì)提供一種方案選擇。

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施工技術(shù)

Pressure regulating valve model selection calculation in long pipeline small hydropower station

GUO Qiang
（China Energy Engineering Group Xinjiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi 830000，China）

Abstract：When hydro-generating set occurs load rejection，speed governors can be used for controlling the activities of turbines and closing guide vane.Pressure is produced in pressure pipeline.The set rotation speed is increased.If guide vane closing time is changed in power station with longer pressure water diversion pipeline，pressure and rotation speed increase cannot be necessarily controlled within an allowable scope.The functions of pressure regulating valve include the follows：spillway channel can be correspondingly opened when the set occurs load rejection and guide vane is rapidly closed，thereby reducing water hammer pressure increase.After the guide vane is fully closed，the spillway channel can be slowly closed，thereby slowly changing the flow capacity in the water diversion pipeline，and preventing water pressure increase in water diversion pipeline and too high rotation speed of the set.After water regulating valve is adopted to replace water regulating well in medium and small power station with guide vane closing time Tw≤12s.Such method can save investment and shorten construction duration，and the layout of pressure regulating valves cannot be easily limited by geology，terrain and other conditions.

Key words：hydropower station；pressure regulating valve；pressure increase；rotation speed increase

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.014

中圖分類號(hào)：TV732.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-8241（2016）03-0058-03