毛家河水電站水輪機(jī)調(diào)壓方案比選

余 華

(宜都市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖北 宜都 443300)

水電站技術(shù)

毛家河水電站水輪機(jī)調(diào)壓方案比選

余 華

(宜都市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖北 宜都 443300)

本文結(jié)合毛家河水電站實(shí)際情況，根據(jù)水輪機(jī)調(diào)壓閥流量與時間關(guān)系的假設(shè)，計(jì)算各工況下調(diào)節(jié)特性、流量與時間變化，機(jī)組最大壓力上升率和最大轉(zhuǎn)速上升率等參數(shù)，并對調(diào)壓井工程量及投資進(jìn)行了估算，經(jīng)過水輪機(jī)調(diào)壓閥和調(diào)壓井兩種方案比選，確定采用水輪機(jī)調(diào)壓閥方案經(jīng)濟(jì)、合理。

毛家河水電站；調(diào)壓方案；比選

1 工程概述

毛家河水電站是一座混合式開發(fā)的水電站，水電站最大水頭111m，額定水頭97.5m，最小水頭75m，裝機(jī)2×4000kW。壓力引水隧洞末端接壓力鋼管，壓力鋼管主管長156m，管徑2.5m。采用Y形岔管，分岔角70°，單支管長度16m，管徑經(jīng)漸變管變至1.5m后接通水輪機(jī)蝶閥。

2 水電站引水系統(tǒng)優(yōu)化背景

毛家河水電站調(diào)壓井初選地點(diǎn)，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，地形陡峭；限于地質(zhì)、地形條件，其施工難度較大，且與廠房段引水壓力管道和廠房土建施工存在干擾和制約，優(yōu)化和調(diào)整引水系統(tǒng)方案對于減少投資、縮短工期十分必要。因此，毛家河水電站建設(shè)中提出采用水輪機(jī)調(diào)壓閥代替調(diào)壓井方案。

3 水電站調(diào)壓閥應(yīng)用效果分析

隨著現(xiàn)代調(diào)速器技術(shù)不斷提升，國內(nèi)水電站水輪機(jī)調(diào)壓閥在小型水電站中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不斷豐富，水輪機(jī)調(diào)壓閥在水電站的應(yīng)用日益廣泛。國內(nèi)水電站使用水輪機(jī)調(diào)壓閥的案例見表1。

表1 國內(nèi)使用調(diào)壓閥水電站情況

經(jīng)實(shí)地調(diào)研，四川楊村、方家山等水電站調(diào)壓閥自運(yùn)行以來每年甩15%以上的負(fù)荷或甩滿負(fù)荷達(dá)40余次，水輪機(jī)調(diào)壓閥均動作正常，未出現(xiàn)拒動事故，從國內(nèi)調(diào)壓閥運(yùn)行情況看，該設(shè)備運(yùn)行安全可靠。

4 調(diào)壓閥工作原理

水電站運(yùn)行中，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)甩負(fù)荷情況時，調(diào)速器自動控制水輪機(jī)快速關(guān)閉導(dǎo)葉，壓力管道內(nèi)將會產(chǎn)生水壓，同時機(jī)組轉(zhuǎn)速將會上升。對于壓力引水管道較長的電站，改變導(dǎo)葉關(guān)閉時間，很難同時控制壓力和轉(zhuǎn)速上升值在允許范圍內(nèi)。為此，通常采用設(shè)置調(diào)壓井或調(diào)壓閥等方法解決壓力和轉(zhuǎn)速上升問題，從而保證水電站安全有效運(yùn)行。 全油壓控制型調(diào)壓閥工作原理是：負(fù)荷變化較小時，調(diào)壓閥不動作；甩較大負(fù)荷時，調(diào)壓閥開啟，同時導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置動作。調(diào)速器主配壓閥和調(diào)壓閥的液壓控制系統(tǒng)見圖1。

4.1 機(jī)組負(fù)荷不變時

水輪機(jī)調(diào)速器主配壓閥活塞兩側(cè)油壓平衡不動作，壓力油通過壓力腔經(jīng)節(jié)流閥后進(jìn)入調(diào)壓閥接力器關(guān)閉腔，調(diào)壓閥開啟腔聯(lián)通排油腔。因調(diào)壓閥關(guān)閉腔連接壓力油腔，壓力大于閥盤上的水推力，故調(diào)壓閥處于關(guān)閉位置。

4.2 導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置

當(dāng)水輪機(jī)調(diào)壓閥快速開啟時，受節(jié)流閥的限制，油壓迅速升高，油壓逆止閥動作，調(diào)壓閥關(guān)閉腔的壓力油接通導(dǎo)葉接力器關(guān)閉油腔。多余的油量經(jīng)節(jié)流閥流至調(diào)速器回油箱，故調(diào)壓閥開啟速度加快，移動至限位塊所限制的位置時間縮短，此時導(dǎo)葉接力器未處于全關(guān)位置。導(dǎo)葉剩余開度只能通過少量來自節(jié)流閥的壓力油操作緩慢移動至全關(guān)位置，從而起到導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉的功能。

5 水電站調(diào)壓方案選定

水輪機(jī)調(diào)壓閥由平衡腔、接力器、引導(dǎo)油腔、活塞行程限制環(huán)、進(jìn)排水管和補(bǔ)氣閥等組成，引導(dǎo)油腔直接與閥殼連成整體。水輪機(jī)調(diào)壓閥具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，具備導(dǎo)葉消能和補(bǔ)氣功能。操作油壓一般為1.60～4MPa，隨著調(diào)壓閥工作水頭的增加而提高，最高操作壓力為10MPa，與調(diào)速器液壓裝置配套使用。

圖1 主配壓閥和調(diào)壓閥的液壓控制系統(tǒng)

水輪機(jī)調(diào)壓閥的設(shè)置，不會影響機(jī)組間距和主廠房跨度，可與機(jī)組調(diào)速器、進(jìn)水閥等布置統(tǒng)籌考慮。

經(jīng)分析比較，毛家河水電站水輪機(jī)調(diào)壓方案為調(diào)壓閥代替調(diào)壓井，選用TFW-600/130型水輪機(jī)液壓調(diào)壓閥。

6 調(diào)壓閥工作特性分析

6.1 調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)過程

TFW- 600/130型水輪機(jī)液壓調(diào)壓閥，現(xiàn)場校驗(yàn)結(jié)果：調(diào)速器導(dǎo)葉慢關(guān)時間為9.30s，導(dǎo)葉快關(guān)時間為3.07s。水電站設(shè)置調(diào)壓閥后的調(diào)節(jié)特性、引水流量與時間的關(guān)系見圖2。

圖2 調(diào)壓閥調(diào)節(jié)特性、流量與時間關(guān)系

圖2中實(shí)線1為導(dǎo)葉快速關(guān)閉過程線；實(shí)線2為調(diào)壓閥拒動時導(dǎo)葉慢速關(guān)閉過程線；點(diǎn)劃線3為調(diào)壓閥開關(guān)全過程線。為控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，拐點(diǎn)流量Qg選擇在空載開度范圍內(nèi)，以保證水輪機(jī)流道內(nèi)沒有多余的能量滿足機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升。

6.2 調(diào)節(jié)保證計(jì)算參數(shù)

調(diào)壓閥可將蝸殼壓力升高控制在安全范圍內(nèi)，機(jī)組突遇甩負(fù)荷時，只有將蝸殼最大壓力升高率控制在20%以內(nèi)，才能確保機(jī)組安全運(yùn)行；由于引水式水電站存在水流慣性時間常數(shù)較大的問題，機(jī)組突增負(fù)荷和甩部分負(fù)荷時，應(yīng)反復(fù)校核開機(jī)時間和引水管道壓力下降值是否控制在安全范圍內(nèi)，以保證機(jī)組安全運(yùn)行。調(diào)壓閥調(diào)保計(jì)算見表2。

表2 調(diào)壓閥調(diào)保計(jì)算

續(xù)表

7 經(jīng)濟(jì)性比較

毛家河水電站采用水輪機(jī)調(diào)壓閥布置型式，每臺套調(diào)壓閥設(shè)備及安裝費(fèi)用為25萬元，總計(jì)50萬元； 采用引水系統(tǒng)設(shè)置調(diào)壓井方案，需建筑工程投資199.98萬元(見表3)。兩者比較，調(diào)壓閥方案可降低149.98萬元投資費(fèi)用。

表3 調(diào)壓井工程量及投資 單位：元

8 結(jié) 語

通過上述理論計(jì)算和經(jīng)濟(jì)技術(shù)對比，結(jié)合工程的實(shí)際情況進(jìn)行總體分析，水輪機(jī)調(diào)壓閥具有如下優(yōu)勢：?完全可以保證機(jī)組調(diào)節(jié)保證參數(shù)滿足規(guī)范及運(yùn)行要求；?降低了工程投資，提高了電站整體投資收益率；?規(guī)避了垂直調(diào)壓井的高風(fēng)險施工，大大縮短了工期，避免了對引水隧洞施工的干擾。

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Scheme Comparison on Water Turbine Pressure Regulating in Maojiahe Hydropower Station

YU Hua

(YiduDesignInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower,Yidu443300,China)

By combining with the actual situation in Maojiahe Hydropower Station and following the hypothesis on flow and time of pressure regulating valve in the water turbine, this article calculates changes of adjustment traits, flow and time, maximum pressure rise rate and maximum rotation speed rise rate. It estimates work amount and investment of surge tank. After contrasting two schemes namely pressure-adjusting valve of water turbine and surge tank, it determines that use of pressure-adjusting valve of water turbine is economical and reasonable.

Maojiahe Hydropower Station; pressure-adjusting scheme; comparison

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.011

TV72

B

1673-8241(2017)04- 0039- 04