KYET水電站采用“以閥代井”的研究分析

劉 利

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

0 前言

KYET水電站為徑流式電站，電站裝機(jī)容量110 MW（2×45 MW＋1×20 MW），主要任務(wù)是發(fā)電。工程由攔河壩、洞室溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖砂洞、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房（含水輪發(fā)電機(jī)組）、尾水渠等組成。

電站發(fā)電最大水頭173.46 m，最小水頭150.58 m，加權(quán)平均水頭165.23 m，額定水頭158.5 m，引水發(fā)電洞主管段總長(zhǎng)7.2 km。

1 KYET水電站采用調(diào)壓閥的必要性

為限制壓力管道內(nèi)壓力上升率和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率，在長(zhǎng)有壓引水系統(tǒng)電站運(yùn)行中，一般需要在壓力管道設(shè)置調(diào)壓井的方式解決引水系統(tǒng)壓力和轉(zhuǎn)速上升的矛盾，以保證電站安全運(yùn)行。但是對(duì)KYET水電站工程而言，設(shè)置調(diào)壓井土建投資大，建設(shè)周期長(zhǎng)，而且還受限于當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、地形條件，施工難度極大。若采用全油壓控制水輪機(jī)調(diào)壓閥代替調(diào)壓井方案，可大幅降低施工難度，提高工程施工期安全，節(jié)約投資，縮短工期。

2 目前國內(nèi)外調(diào)壓閥使用調(diào)查

調(diào)壓閥早在20世紀(jì)30年代就已出現(xiàn)，解放前我國東北的鏡泊湖電站、廣東省的大隆洞電站和海南島東方電站均裝設(shè)從國外進(jìn)口的調(diào)壓閥。國家水利電力部在1973年組成了“以閥代井”科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究小組，經(jīng)過3年半的深入調(diào)查研究，在有關(guān)設(shè)計(jì)院、制造廠、高等院校和電站的共同努力下，解決了一系列調(diào)壓閥設(shè)計(jì)制造和“以閥代井”的水錘精確計(jì)算以及運(yùn)行穩(wěn)定等技術(shù)問題，建成了我國第一座長(zhǎng)引水隧洞以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的龍?jiān)此娬尽?/p>

通過對(duì)國內(nèi)外調(diào)壓閥使用情況對(duì)比分析，目前國內(nèi)使用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井的工程以水頭在100 m左右，壓力隧洞和鋼管長(zhǎng)度在1 000～2 000 m，單機(jī)容量在4 MW以下，單機(jī)流量在2～10 m3/s之間的電站偏多。

國外采用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的水電站則是以水頭在200 m左右，壓力引水系統(tǒng)長(zhǎng)度在7 000 m左右，單機(jī)在30～50 MW的水電站應(yīng)用偏多。

3 KYET水電站調(diào)壓閥選擇

調(diào)壓閥的主要作用是限制長(zhǎng)引水系統(tǒng)水電站的水錘壓力升高值。在機(jī)組甩負(fù)荷導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時(shí)，調(diào)壓閥相應(yīng)地打開泄流，待導(dǎo)葉關(guān)閉后，再緩慢關(guān)閉調(diào)壓閥。這樣，盡管通過水輪機(jī)的流量迅速減小，而引水管道內(nèi)的流量變化卻大大減緩，從而降低了水錘壓力升高值。同時(shí)，由于導(dǎo)葉仍是快速關(guān)閉，使機(jī)組速率上升也限制在允許的范圍內(nèi)。

根據(jù)目前國內(nèi)外水電站采用調(diào)壓閥形式的情況，KYET電站選用節(jié)水型調(diào)壓閥，通過計(jì)算45MW、20 MW機(jī)組對(duì)應(yīng)調(diào)壓閥選取型號(hào)分別為TFL 1 000/275，調(diào)壓閥直徑D=1 000 mm，最大行程：S=275 mm，最大下泄流量 27.03 m3/s；TFL700/175，調(diào)壓閥直徑D=700 mm，最大行程：S=175 mm，最大下泄流量12.713 m3/s。

表1 中國以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井工程實(shí)例表

表2 國外以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井工程實(shí)例表

4 KYET電站使用調(diào)壓閥后存在的問題

4.1 運(yùn)用調(diào)壓閥的優(yōu)越性及其缺陷

調(diào)壓閥的優(yōu)越性在于節(jié)約工程投資、縮短工期。其缺陷在于一旦調(diào)壓閥故障拒動(dòng)，對(duì)壓力管道和機(jī)組的安全有重大影響，可能出現(xiàn)爆管或者機(jī)組飛逸事故。

（1）調(diào)壓閥失靈拒動(dòng)時(shí)，出現(xiàn)導(dǎo)葉快關(guān)、導(dǎo)葉慢關(guān)對(duì)壓力管道及機(jī)組的影響

電站裝機(jī)有3臺(tái)調(diào)壓閥，當(dāng)其中1臺(tái)卡阻拒動(dòng)時(shí)，另外2臺(tái)仍可對(duì)壓力管道及機(jī)組起到保護(hù)作用。一旦3臺(tái)調(diào)壓閥全部拒動(dòng)，導(dǎo)葉則自動(dòng)切換到導(dǎo)葉慢關(guān)流程，不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉快關(guān)的情況，控制壓力管道壓力不超過設(shè)計(jì)值。同時(shí)導(dǎo)葉在慢關(guān)的過程中，機(jī)組可能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，但這一轉(zhuǎn)速不會(huì)引起機(jī)組的損傷，因主機(jī)廠家保證，在最大飛逸轉(zhuǎn)速下歷時(shí)5 min安全運(yùn)行，而不產(chǎn)生有害變形，且電站還具備多種保護(hù)措施，如蝶閥關(guān)閉等。

（2）調(diào)壓閥阻卡拒動(dòng)問題

調(diào)壓閥采用防卡設(shè)計(jì)，阻塞物可隨調(diào)壓閥開啟流入下游。

（3）調(diào)壓閥采用與調(diào)速器聯(lián)動(dòng)時(shí)，其動(dòng)作滯后對(duì)壓力管道及機(jī)組的影響

調(diào)壓閥動(dòng)作滯后時(shí)間小于0.5 s，不會(huì)對(duì)機(jī)組及壓力管道造成任何影響。

（4）壓力鋼管過壓及負(fù)壓的防止與保護(hù)

在理論上，壓力鋼管過壓及負(fù)壓的防止與保護(hù)可采取下列方法：

壓力鋼管過壓的防止與保護(hù)：①根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果合理選擇調(diào)壓閥的參數(shù)。②研究調(diào)壓閥與導(dǎo)葉均拒動(dòng)時(shí)動(dòng)水關(guān)閉進(jìn)水蝶閥的可能性及動(dòng)水關(guān)閉進(jìn)水蝶閥對(duì)壓力管道和機(jī)組的影響。③可在主壓力管道上另行裝設(shè)泄壓設(shè)施以保證壓力管道的安全。

壓力鋼管負(fù)壓的防止與保護(hù)：①在調(diào)節(jié)保證計(jì)算過程中以壓力管道中的最小壓力為+2 m水柱為邊界條件，以保證壓力管道中不產(chǎn)生負(fù)壓。②根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果在壓力管道沿線可能產(chǎn)生負(fù)壓的位置裝設(shè)真空補(bǔ)氣設(shè)施。

（5）設(shè)置調(diào)壓閥后調(diào)節(jié)對(duì)象參數(shù)對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻特性影響

由于KYET水電站引水系統(tǒng)總長(zhǎng)7 220 m，此時(shí)管道特性參數(shù)Tw值接近于12 s，Tw/Ta值45 MW機(jī)組為1.66，20 MW機(jī)組為2.39。

關(guān)于調(diào)頻實(shí)驗(yàn)響應(yīng)時(shí)間是否滿足現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在KYET水電站“以閥代井”專題研究階段，目前國內(nèi)相關(guān)知名專家通過對(duì)3臺(tái)機(jī)組的仿真分析計(jì)算，結(jié)論表明：水流時(shí)間常數(shù)Tw大，對(duì)應(yīng)的一次調(diào)頻開始時(shí)的機(jī)組功率反調(diào)節(jié)數(shù)值大，與調(diào)速器積分增益K1對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻特性的影響相比，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻特性的影響要小得多。這是因?yàn)閺膶?shí)質(zhì)上看，電網(wǎng)的一次調(diào)頻動(dòng)態(tài)過程主要是一個(gè)對(duì)頻率偏差的積分調(diào)節(jié)過程。由于引水系統(tǒng)水錘效應(yīng)（水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw），電網(wǎng)頻率擾動(dòng)后，機(jī)組功率產(chǎn)生了短時(shí)向下的反向調(diào)節(jié)，反向調(diào)節(jié)的峰值Pf與調(diào)速器比例增益Kp，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw的大小和接力器的開啟或關(guān)閉速度（接力器開啟時(shí)間Tg或接力器開啟時(shí)間Tf）有關(guān)。引水系統(tǒng)水流時(shí)間常數(shù)Tw愈大，機(jī)組功率產(chǎn)生的反向調(diào)節(jié)峰值Pf愈大。對(duì)一次調(diào)頻響應(yīng)速度起決定作用的是Tw，即水流慣性的影響。通過計(jì)算表明滿足DL/T1040電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則等規(guī)程并不困難。

通過仿真分析，不同機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta數(shù)值對(duì)應(yīng)的機(jī)組功率特性是一樣的，所以，機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻特性沒有影響。

4.2調(diào)壓閥在電站中運(yùn)用的可靠性

調(diào)壓閥與接力器串聯(lián)液壓聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，并設(shè)有特殊的容積差補(bǔ)償功能，允許在導(dǎo)葉接力器與調(diào)壓閥接力器有較大的容積差和不同的調(diào)節(jié)速度的情況下，也能夠正常使用。水輪機(jī)接力器與調(diào)壓閥同時(shí)受調(diào)速器的主配壓閥控制，當(dāng)機(jī)組甩較大負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器快速開啟，導(dǎo)葉則同步快速關(guān)閉，將機(jī)組空載以上的流量從調(diào)壓閥排出。機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)正常時(shí)，調(diào)壓閥緩慢關(guān)閉。從而保證電站引水管路的水壓速率上升值在允許范圍內(nèi)。經(jīng)過國內(nèi)、外大量水電站得到實(shí)踐驗(yàn)證，認(rèn)為使用調(diào)壓閥具有較高的可靠性。

5 KYET水電站機(jī)組及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制造的若干措施

（1）機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能提高Ta值，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（2）調(diào)速器所有硬件，包括繼電器、傳感器等選用優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，以提高水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可靠性。為防止水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生，調(diào)速器應(yīng)特殊考慮，以可靠性為第一位，不追求死區(qū)性能指標(biāo)。

（3）以專用固定節(jié)流孔方式實(shí)現(xiàn)Tf、Tg的整定，防止失誤性調(diào)試造成事故隱患。

（4）立即開展帶有水輪發(fā)電機(jī)功率校正器P=f(H,y)的按接力器開度為目標(biāo)的一次調(diào)頻系統(tǒng)的研發(fā)工作，并作為向業(yè)主的推薦實(shí)施方案。

（5）Cx、Cy、開度限制器等指令 0～100%全行程作用時(shí)間提高到50 s以上，認(rèn)真研究長(zhǎng)引水系統(tǒng)機(jī)組啟動(dòng)方式，以適應(yīng)KYET水電站Tw高的特點(diǎn)。

（6）為確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，緩沖強(qiáng)度設(shè)計(jì)最大值取(bt)max=300%，緩沖時(shí)間常數(shù)設(shè)計(jì)最大值取(Td)max=30 s；

（7）作為技術(shù)儲(chǔ)備，及時(shí)、認(rèn)真研究帶有調(diào)壓閥的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

6 結(jié)語

使用調(diào)壓閥相對(duì)于調(diào)壓井存在一定的優(yōu)越性，所以在國內(nèi)外已有許多采用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的工程實(shí)例。但是目前尤其國內(nèi)針對(duì)調(diào)壓閥的研究還不夠全面、且大部分設(shè)計(jì)中保守考慮調(diào)壓閥拒動(dòng)帶來的影響。使用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的具體條件沒有現(xiàn)行規(guī)范的要求，導(dǎo)致目前國內(nèi)采用調(diào)壓閥技術(shù)較為保守。

通過與國內(nèi)外使用調(diào)壓閥電站的比較，以及針對(duì)使用調(diào)壓閥后電站存在的問題所采取的措施，筆者認(rèn)為KYET水電站采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井在理論上是可行的。

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