烏茲別克斯坦某水電站以調壓閥代替調壓井的研究

孫劍峰，李亞鴿，周同旭，安亞臣，盧三春

（1.東方電氣集團國際合作公司，四川 成都611731，2.天津電氣科學研究院有限公司，天津300180）

1 概述

為保證電站運行安全，對長有壓引水系統(tǒng)的水電站，通常采用調壓閥或者調壓井解決水壓上升和機組速率上升的問題。但是設置調壓井面臨破壞植被、不利于環(huán)保、土建工程量大、資金投入大的問題；由于地形、地質條件的限制，某些電站建造調壓井非常困難；對于部分舊電站，原調壓井根本無法擴建以適應電站增容改造之需求等。

烏茲別克斯坦卡姆奇克（Kamchik）小型水電站位于烏茲別克斯坦共和國納曼干州阿漢加蘭河上，為引水式發(fā)電站。該電站是東方電氣積極落實國家“一帶一路”倡議，以綠色動力驅動中國和世界經(jīng)濟發(fā)展的典型案例。電站額定水頭93 m，Tw值為13.14 s，引水系統(tǒng)長度共3 735 m，其中壓力鋼管3 576 m，由取水口、引水管路、發(fā)電廠房、尾水、開關站等組成，共安裝2臺立式10.5 MW的立式水輪發(fā)電機組（大機）和2臺2.75 MW臥式水輪發(fā)電機組（小機），詳細機組參數(shù)如表1所示。由于當?shù)赝临|疏松，不適合設置調壓井，東方電氣采用天津電氣科學研究院有限公司生產(chǎn)的2臺DN700和2臺DN400的彎管式調壓閥代替調壓井。

2 調壓閥的選型計算

表1 機組參數(shù)

根據(jù)電站設計要求，按照蝸殼允許最大壓力升高率ξ≤30%，機組最大轉速上升率β≤50%的要求，對調壓閥進行選型計算。

2.1 機組快關機時間TS

大機組快關機時間TS計算：

式中：c—水錘壓力影響系數(shù)；

NT—水輪機出力；

GD2—機組轉動慣量；

n0—機組額定轉速；

nr—水輪機飛逸轉速。

由以上計算公式，求得KTS=6.92，通過查計算水錘曲線（圖 1所示），取K=0.86，因此，得出TS=8.05 s；根據(jù)以上計算方法，得出小機組快關機時間TS=3.87 s。

圖1 計算水錘用的曲線

2.2 機組慢關機時間TSS

管道特性系數(shù)hw：

當hw＞1.5時，為末相水錘。按照斯巴爾（Sparre）公式：

根據(jù)機組快關時間TS、慢關時間TSS和帶有調壓閥系統(tǒng)的仿真計算結果的綜合分析，選用調壓閥型號為TFL700/235，調壓閥直徑D=700 mm，最大行程S=235 mm，小機組調壓閥直徑D=400 mm，最大行程S=200 mm，調壓閥的布置如圖2和圖3所示。

3 電站的過渡過程計算

根據(jù)天津電氣科學研究院和中國水利水電科學研究院共同開發(fā)的《水輪機調節(jié)系統(tǒng)過渡過程計算分析軟件》，對烏茲別克斯坦卡姆奇克水電站單臺機組進行了甩100%負荷、開機啟動以及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的仿真計算：

圖2 大機組調壓閥布置圖

圖3 小機組調壓閥布置圖

（1）大機組單臺甩100%負荷，導葉關閉時間為7 s，調壓閥打開時間為7 s時，壓力上升18.8%，發(fā)電機轉速上升48.6%，機組進入小波動后，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 大機甩100%負荷

（2）機組啟動時，達到額定轉速所用時間53 s，壓力上升14.5%，壓力下降19%，發(fā)電機轉速上升3.0%，如圖5所示。

圖5 大機開機啟動

（3）小機組單臺甩100%負荷，導葉關閉時間為4 s，調壓閥打開時間為4 s時，壓力上升5.0%，發(fā)電機轉速上升44.5%，機組進入小波動后，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 小機甩100%負荷

（4）小機組啟動時，達到額定轉速所用時間23 s，壓力上升3.6%，壓力下降4.5%，發(fā)電機轉速上升2.0%，如圖7所示。

圖7 小機開機啟動

通過過渡過程仿真計算，機組轉速上升、水壓上升、穩(wěn)態(tài)轉速擺動值及調節(jié)時間均滿足GB/T9652和IEC60308《水輪機調速系統(tǒng)試驗國際規(guī)程》中的有關規(guī)定要求。

天津電氣科學研究院有限公司研制的調壓閥及其液壓連鎖控制系統(tǒng)，其調速器控制調壓閥采用特殊主配壓閥控制，在機組甩負荷過程中，調速器控制關閉水輪機導葉與調速器控制調壓閥開啟，具有機械液壓協(xié)聯(lián)及閉鎖功能，即調速器通過高油壓特殊主配壓閥控制，導葉關閉與調壓閥開啟成液壓協(xié)聯(lián)同步控制。當調壓閥拒動時，調速器特殊主配壓閥控制系統(tǒng)應由快關轉為慢關，以保證引水管道的水壓上升不超過鋼管要求規(guī)定值。

4 結語

采用以調壓閥代替調壓井技術，解決了烏茲別克斯坦卡姆奇克水電站因地質環(huán)境等因素不利于建造調壓井的困難，同時節(jié)省了土建工程量和建設投資，在施工安全上和在生態(tài)安全性上具有明顯的優(yōu)勢。

通過對調壓閥的選型計算和帶有調壓閥系統(tǒng)的過渡過程計算的綜合對比分析，完全可以使用調壓閥來代替調壓井對水輪機機組進行調節(jié)，機組轉速上升、水壓上升、穩(wěn)態(tài)轉速擺動值及調節(jié)時間均滿足要求。