溫泉水電站調(diào)壓閥的初步選擇

李 陽(yáng)

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

1 概 述

水電站運(yùn)行中，當(dāng)電站機(jī)組非正常情況下停止發(fā)電，很快會(huì)引起機(jī)組轉(zhuǎn)子飛逸，長(zhǎng)時(shí)間飛逸會(huì)引發(fā)機(jī)組共振，導(dǎo)致主軸彎曲、轉(zhuǎn)子與定子發(fā)生碰撞等事故損毀水輪機(jī)組；更嚴(yán)重的會(huì)造成電站進(jìn)水沖毀，發(fā)生重大生命財(cái)產(chǎn)損失。所以一旦機(jī)組發(fā)生飛逸，調(diào)速器控制程序會(huì)迅速關(guān)閉導(dǎo)葉，防止水輪機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間飛逸。但對(duì)于壓力引水管道較長(zhǎng)的電站，突然快速關(guān)閉導(dǎo)葉，會(huì)導(dǎo)致引水管道系統(tǒng)壓力上升并產(chǎn)生巨大的水錘，破壞引水管道系統(tǒng)及水輪機(jī)組，所以水電站一般設(shè)置調(diào)壓井抑制水錘產(chǎn)生，并設(shè)置進(jìn)水閥、調(diào)壓閥、爆破膜等安全設(shè)備避免上述類似事故的發(fā)生。

一般情況下，設(shè)置調(diào)壓井需要較大的投資和較長(zhǎng)的工期，而有些電站限于地形、地質(zhì)條件，還難于建造調(diào)壓井；因此對(duì)于這一類型電站，通過(guò)科學(xué)的“水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算”改用調(diào)壓閥 “以閥代井”的方案具有節(jié)省工程投資、縮短工程建設(shè)周期的優(yōu)勢(shì)。

2 調(diào)壓閥特點(diǎn)

調(diào)壓閥安裝在水輪機(jī)進(jìn)水閥前，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)在導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時(shí)調(diào)壓閥開啟，從而多余的流量從調(diào)壓閥排出，直至機(jī)組關(guān)閉后再緩慢關(guān)閉調(diào)壓閥。目前市場(chǎng)上較多采用全油壓控制型調(diào)壓閥的系統(tǒng)，調(diào)壓閥的開啟和導(dǎo)葉的快速關(guān)閉均由同一主配壓閥控制，形成串聯(lián)油路，而非采用自動(dòng)化元件協(xié)聯(lián)調(diào)壓閥及導(dǎo)葉接力器動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)包括主配壓閥、操作油路等，調(diào)壓閥全油壓控制系統(tǒng)的特點(diǎn)如下。

(1)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，能快速開啟調(diào)壓閥和快速關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉，限制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和壓力管道中水壓上升。

(2)正常的開機(jī)、停機(jī)、增減負(fù)荷等操作時(shí)，調(diào)壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

(3)當(dāng)在小波動(dòng)狀態(tài)或正常增減負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥處于關(guān)閉位置，調(diào)速器控制導(dǎo)葉正常操作。

(4)調(diào)壓閥開啟與水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器快關(guān)過(guò)程同步。當(dāng)甩負(fù)荷和事故停機(jī)時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥開啟，并開至最大開度。當(dāng)機(jī)組恢復(fù)空載狀態(tài)后，調(diào)壓閥恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。

(5)調(diào)壓閥的最快開啟時(shí)間不大于3.5 s，關(guān)閉時(shí)間在2.5～120 s范圍可調(diào)。

(6)當(dāng)調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)控制水輪機(jī)導(dǎo)葉慢關(guān)，慢關(guān)時(shí)間在2.5～120 s范圍內(nèi)可調(diào)，以確保引水系統(tǒng)的壓力升高不超過(guò)允許值。

(7)調(diào)壓閥和導(dǎo)葉開關(guān)規(guī)律可根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果整定，各個(gè)節(jié)流裝置固定可靠，不會(huì)隨意變動(dòng)。

(8)指令信號(hào)按規(guī)定形勢(shì)變化，調(diào)壓閥接力器滯后時(shí)間不大于0.2 s。

(9)參數(shù)可調(diào)，適應(yīng)不同電站的調(diào)節(jié)保證要求。

3 電站概況

溫泉水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇地區(qū)拜城縣境內(nèi)，工程壩址位于卡普斯浪河上，距離出山口上游27 km，距木扎提河匯合口約65.6 km，距拜城縣縣城約48 km。溫泉水利樞紐工程是卡普斯浪河上的控制性工程，水庫(kù)正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容4 772萬(wàn)m3，死水位1 855 m，死庫(kù)容567萬(wàn)m3，興利庫(kù)容4 205 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位1 900.2 m，校核洪水位1 903.7 m，總庫(kù)容5 364萬(wàn)m3。電站裝機(jī)容量24 MW，多年平均年發(fā)電量0.86億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 580 h。

溫泉水電站的發(fā)電引水系統(tǒng)采用一管四機(jī)的供水方式。壓力輸水系統(tǒng)由進(jìn)水塔、引水隧洞、壓力鋼管、岔管、壓力鋼支管、進(jìn)水閥、水輪機(jī)蝸殼、尾水管等組成。整個(gè)引水系統(tǒng)總長(zhǎng)603.445 m，其中引水隧洞段長(zhǎng)416 m，上平硐直徑3.5 m，下平硐直徑4.0 m。發(fā)電引水系統(tǒng)ΣL=570 m，ΣLV=2 350 m2/s，管道平均流速v0=4.12 m/s，發(fā)電洞的設(shè)計(jì)流量為52.40 m3/s。根據(jù)過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間9 s，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=4.39 s，機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=3.18 s，Tw/Ta=1.37，轉(zhuǎn)速最大上升率βmax=58%，蝸殼最大壓力值=151.19 m。

4 電站基本參數(shù)

電站水輪機(jī)為臥軸混流式水輪機(jī)，最大水頭99.60 m，最小水頭49.10 m，額定水頭54.50 m，額定出力6.35 MW，額定流量52.40 m3/s，額定轉(zhuǎn)速428.60 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1 079.72 r/min。

發(fā)電機(jī)采用臥軸結(jié)構(gòu)，額定功率6.0 MW，額定容量7.5 MVA，功率因數(shù)0.80，額定電壓10.5 kV，額定轉(zhuǎn)速428.60 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速1 079.72 r/min，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量40 t.m2。

5 調(diào)壓閥選型計(jì)算

5.1 計(jì)算原則

裝設(shè)調(diào)壓閥電站的調(diào)節(jié)保證計(jì)算主要是根據(jù)壓力引水系統(tǒng)所允許的壓力上升值、壓力下降值、機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升值，確定水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)參數(shù)，選用合適的調(diào)壓閥并確定其參數(shù)。具體來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)壓力引水系統(tǒng)所允許壓力上升值和已知機(jī)組速率上升值，選擇調(diào)壓閥的直徑、行程，確定機(jī)組的快關(guān)時(shí)間；并根據(jù)允許的壓力下降值來(lái)校核壓力引水系統(tǒng)各部分是否會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。

5.2 過(guò)渡過(guò)程分析計(jì)算

本次計(jì)算控制值為速率上升值β≤50%，壓力上升值ζ≤50%。經(jīng)計(jì)算：發(fā)電引水系統(tǒng)ΣL=570 m，ΣLV=2 350 m2/s，管道平均流速v0=4.12 m/s，水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=4.39 s，機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=3.18 s，機(jī)組快關(guān)機(jī)時(shí)間為Ts(見圖1)。

圖1 導(dǎo)葉和調(diào)壓閥關(guān)閉過(guò)程曲線

計(jì)算按S、M、S公式[1]：

β=βy×c×f

其中：

f=(1+ζ)3/2=(1+0.5)3/2=1.84

KTs=β/(f×βy-β×c)=2.22

式中，f為水錘壓力影響系數(shù)；c為水輪機(jī)飛逸特性影響系數(shù)；β為速率上升值，取50%；ξ為壓力上值，取50%。

由以上計(jì)算公式求得KTS=4.94，通過(guò)查取計(jì)算水錘曲線圖(見圖2)，取K=0.68。

圖2 計(jì)算水錘曲線

因此，得出：

調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)，機(jī)組慢關(guān)機(jī)時(shí)間及管道特性系數(shù)為(平均壓力波速a≈1 000 m/s)：

調(diào)壓閥下泄流量Qx：

調(diào)壓閥型號(hào)：

根據(jù)計(jì)算的調(diào)壓閥下泄流量Qx，選用彎管調(diào)壓閥，行程S按0.25 DN計(jì)算時(shí)，流速系數(shù)取0.58；在水頭54.5 m下,調(diào)壓閥的進(jìn)口流速：

選取標(biāo)準(zhǔn)系列直徑為800 mm的彎管調(diào)壓閥。調(diào)壓閥行程按0.25 DN計(jì)算，則行程為200 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，調(diào)壓閥選型為TFL800WG—200，調(diào)壓閥直徑為800 mm，最大行程為200 mm。

在考慮調(diào)壓閥型式上，選擇立式調(diào)壓閥(見圖3)，具體特點(diǎn)如下：

圖3 立式調(diào)壓閥

6 調(diào)保計(jì)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算表明，溫泉水電站水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在機(jī)組啟動(dòng)、空載擾動(dòng)、帶負(fù)荷及在額定水頭和最高水頭甩負(fù)荷等典型過(guò)渡過(guò)程中均穩(wěn)定，滿足有關(guān)要求。

(1)4臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩100%負(fù)荷(4 s)

導(dǎo)葉快關(guān)時(shí)間：4 s;調(diào)壓閥開啟時(shí)間：4 s；調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)間：30 s;最大壓力上升Hmax=130.0 m(上升30.5%); 最大轉(zhuǎn)速上升Xmax=620.6 r/min(上升44.8%)(見圖4)。

圖4 4臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩100%負(fù)荷計(jì)算(4 s)

(2)4臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，4臺(tái)調(diào)壓閥拒動(dòng)(導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間30 s)

當(dāng)調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)，調(diào)壓閥接力器下腔的油不能被擠壓，因此只有經(jīng)節(jié)流的壓力油經(jīng)主配壓閥進(jìn)入導(dǎo)葉關(guān)閉腔，導(dǎo)葉只能慢速關(guān)閉(暫定關(guān)閉時(shí)間30 s)，保護(hù)引水系統(tǒng)的安全。

導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間：30 s;最大壓力上升Hmax=131.5 m(上升32%); 最大轉(zhuǎn)速上升Xmax=788.6 r/min(上升84%)(見圖5)。

圖5 4臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)，4臺(tái)調(diào)壓閥拒動(dòng)(導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間30 s)

綜上所述，調(diào)壓閥開啟時(shí)間4 s，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間4 s；調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)間30 s(暫定)，調(diào)壓閥拒動(dòng)，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間30 s(暫定)。機(jī)組安裝完成現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況調(diào)整時(shí)間常數(shù)，保證調(diào)保達(dá)到最優(yōu)效果。

7 結(jié) 語(yǔ)

溫泉水利樞紐工程的建設(shè)，是卡普斯浪河流域防洪減災(zāi)、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。根據(jù)溫泉水電站基本參數(shù)，結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)壓閥選型進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算，最終確定了機(jī)組對(duì)應(yīng)調(diào)壓閥的型號(hào)。