水電站調(diào)壓閥調(diào)節(jié)原理

                       水電站調(diào)壓閥調(diào)節(jié)原理

                       上海申弘閥門有限公司

之前介紹減壓閥入口壓力小于設(shè)定值，現(xiàn)在介紹水電站調(diào)壓閥調(diào)節(jié)原理為保證工程安全并降低造價,中小型引水式水電站多采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施,調(diào)壓閥直徑的確定不僅直接影響工程投資,且涉及到系統(tǒng)的平壓效果。通過分析不同運行工況、水道系統(tǒng)大壓力上升值、機組轉(zhuǎn)速上升率、事故甩負荷導(dǎo)葉關(guān)閉時間等多種因素對調(diào)壓閥直徑的影響,提出了合理的調(diào)壓閥直徑選取需滿足的原則,并結(jié)合某電站調(diào)壓閥直徑的優(yōu)化計算,驗證了理論分析提出的原則。

在水電站運行過程中，為改善水錘現(xiàn)象，降低由機組突然甩負荷、水輪機導(dǎo)葉快速關(guān)閉帶來的管道壓力升高和轉(zhuǎn)速上升值，通常會采取設(shè)置調(diào)壓室的方式。但對一些中小型的長引水式電站，設(shè)置調(diào)壓室可能受地形、地質(zhì)等條件限制，同時需投入大量的人力和資金，因此需考慮其他調(diào)節(jié)保證措施來滿足此類水電站的穩(wěn)定運行。采用造價優(yōu)廉的調(diào)壓閥是中小型引水式電站中一種有效的調(diào)節(jié)保證措施。從20世紀80年代起，我國開始在長引水式電站中采用“以閥代井”的調(diào)節(jié)保證措施。湖南龍源電站是我國*座采用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的試點電站，該電站壓力引水管道總長1950m，設(shè)計水頭83m，3臺水輪機裝設(shè)我國自行研制的TFW-400型調(diào)壓閥。之后云南西洱河二級電站、貴州白水河一級電站、廣西長灘河水電站等亦采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施，有效降低了管道的壓力升高值，確保了輸水系統(tǒng)的安全，使電站運行穩(wěn)定。但在以往的調(diào)壓閥計算中，通常采用經(jīng)驗公式計算確定調(diào)壓閥的直徑，本文則通過水力過渡過程的計算，分析了調(diào)壓閥的直徑選取和優(yōu)化問題，為中小型引水式水電站采用“以閥代井”的調(diào)保措施提供了理論依據(jù)與設(shè)計方法。

1、水電站調(diào)壓閥調(diào)節(jié)原理調(diào)壓閥直徑優(yōu)化原理
調(diào)壓閥的工作原理為調(diào)壓閥與機組受同一調(diào)速器控制，在機組突甩負荷時，水輪機導(dǎo)葉快速關(guān)閉，同時調(diào)壓閥開啟，泄放機組由于導(dǎo)葉關(guān)閉而減少的過流量，待導(dǎo)葉*關(guān)閉后，調(diào)壓閥再以能保證允許管道壓力上升值的速度緩慢關(guān)閉。調(diào)壓閥啟閉的非恒定流過渡過程可采用特征線法計算，其邊界條件見圖1。
水輪機調(diào)節(jié)的主要目的是當阻抗力矩變化時能保證機組轉(zhuǎn)數(shù)為恒定。它可以通過自動調(diào)速器將機組開至相應(yīng)的開度,以適應(yīng)此瞬間的負荷值。當負荷增加時相對的增 加其流量.調(diào)流調(diào)壓閥又稱活塞式多功能控制閥，因其具有多種控制功能（如水位控制功能、減壓控制功能、持壓泄壓控制功能、流量控制功能等），能起到無氣蝕、無紊流、無振動、耐泥沙等作用，故在當今大型給水工程中廣泛應(yīng)用，例如長江三峽左岸電站工程、黃河小浪底水電站水利樞紐工程、內(nèi)蒙古華電包頭第二熱電廠給水工程、太原市城市供水管網(wǎng)調(diào)流調(diào)壓工程等。下面將對其應(yīng)用原理、應(yīng)用指標、應(yīng)用現(xiàn)狀、應(yīng)用前景進行討論。
1 調(diào)流調(diào)壓閥的應(yīng)用原理
調(diào)流調(diào)壓閥主要由閥體、活塞、活塞導(dǎo)軌、內(nèi)置曲柄滑塊機構(gòu)、密封、內(nèi)部零件等組成。主要采用曲柄滑塊帶動活塞運動，在閥體內(nèi)部形成軸向?qū)ΨQ的環(huán)形流道，并有效地控制流通面積，形成從入口到出口截面為遞減的流道，從而使流體的流速漸升，并通過圓周方向上的多孔，向管路中心方向形成射流對撞，從而達到消能減壓、調(diào)節(jié)流量的目的。其具體結(jié)構(gòu)見圖1。
中小型引水式水電站調(diào)壓閥尺寸優(yōu)化
圖1 調(diào)壓閥邊界條件

調(diào)壓閥進、出口斷面C+、C-特征線相容性方程均成立，分別為：

中小型引水式水電站調(diào)壓閥尺寸優(yōu)化
其中中小型引水式水電站調(diào)壓閥尺寸優(yōu)化式中，Hp1、Hp2分別為調(diào)壓閥進、出口斷面的測壓管水頭;Cp、Bp、CM、BM為前一時刻t-Δt的已知量(t為時間，Δt為時間步長);Qp為調(diào)壓閥的過流量;αp為調(diào)壓閥的過流系數(shù)，表示不同開度下通過調(diào)壓閥的單位流量;D為調(diào)壓閥的直徑;ΔHp為調(diào)壓閥的水頭損失。



將式(1)～(4)聯(lián)立求解，可得：

中小型引水式水電站調(diào)壓閥尺寸優(yōu)化
將式(5)代入式(1)、(2)即可求出Hp1、Hp2的值。

由式(5)可知，調(diào)壓閥在某一相對開度下的過流量為其直徑的單調(diào)遞增函數(shù)，說明調(diào)壓閥直徑越大，其過流量也越大。

當全部機組同時突甩負荷時，調(diào)壓閥直徑越大，可通過的過流量也越大，在機組導(dǎo)葉快速關(guān)閉、調(diào)壓閥同時開啟的過程中，機組轉(zhuǎn)速和水道系統(tǒng)壓力上升值越能得到好的控制。但在調(diào)壓閥關(guān)閉過程中，過大的流量可能會造成管道壓力出現(xiàn)新一波的上升，若第二波壓力上升過大則可能超過允許的控制標準。圖2為某電站調(diào)壓閥直徑分別為0.3、0.5m時全部機組甩負荷工況下的蝸殼壓力變化過程線。由圖可看出，相對于調(diào)壓閥直徑0.3m的情況，調(diào)壓閥直徑0.5m時*波蝸殼壓力并未上升，但由于調(diào)壓閥直徑過大，第二波壓力遠大于*波，與上述分析一致。若要降低第二波的壓力上升值，則需加長調(diào)壓閥的關(guān)閉時間，而在更長的關(guān)閉時間中，更多的水流從調(diào)壓閥流走，亦增加了系統(tǒng)的水能損失。

中小型引水式水電站調(diào)壓閥尺寸優(yōu)化


圖2 某電站蝸殼壓力變化過程線

當同一水力單元的部分機組突甩負荷時，若調(diào)壓閥的直徑過大，過多的流量將從調(diào)壓閥流走，使受干擾的正常運行機組出力出現(xiàn)較大下降，由此可能發(fā)生相繼甩負荷事故。

由以上分析可知，調(diào)壓閥直徑大小受運行工況、轉(zhuǎn)速、水錘壓力和造價等多方面因素的影響，因此選擇調(diào)壓閥直徑時需綜合考慮。調(diào)壓閥直徑的選取需滿足以下兩點原則：①小的調(diào)壓閥直徑應(yīng)保證機組快速關(guān)閉時轉(zhuǎn)速上升率和*波水錘壓力滿足調(diào)保要求;②大的調(diào)壓閥直徑應(yīng)滿足調(diào)壓閥全開時的流量與機組額定流量基本相同，同時保證調(diào)壓閥關(guān)閉時產(chǎn)生的第二波水錘壓力亦滿足調(diào)保要求。



2、算例分析
某引水式水電站有壓力輸水系統(tǒng)，采用“一洞兩機”的布置方式，裝機容量為2×2.1MW，額定水頭123.4m，壓力管道直徑1.8m，裝設(shè)兩臺水輪機，水輪機的額定流量為1.966m3/s，額定出力為2.21MW，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。由于該電站引水道較長、流量較小，且投資較少，因此擬采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施。電站輸水系統(tǒng)布置見圖3，總引水道長約4100m，每臺機組設(shè)置一個調(diào)壓閥。

中小型引水式水電站調(diào)壓閥尺寸優(yōu)化


圖3 電站輸水系統(tǒng)布置簡圖(單位：m)根據(jù)相關(guān)規(guī)范選取本電站的調(diào)保計算控制標準為機組大轉(zhuǎn)速升高率≤50%，設(shè)置調(diào)壓閥時蝸殼大壓力升高率一般取為0.15～0.20，在該電站計算中，取調(diào)壓閥正常工作時蝸殼大壓力升高率為0.175，即蝸殼大壓力控制值為153.509m。

2.1、全部機組甩負荷工況
選取出現(xiàn)蝸殼大壓力的工況(大水頭下兩臺機同時突甩負荷，機組導(dǎo)葉正常關(guān)閉)為工況1，在工況1下取調(diào)壓閥直徑分別為0.2、0.3、0.4、0.5m進行計算，得到相應(yīng)的蝸殼末端壓力、機組轉(zhuǎn)速上升率及機組和調(diào)壓閥的流量變化。機組—調(diào)壓閥聯(lián)動的啟閉規(guī)律選為：機組導(dǎo)葉以15s一段直線規(guī)律關(guān)閉，同時調(diào)壓閥以15s一段直線規(guī)律開啟，達到全開并滯后10s后，調(diào)壓閥再以180s一段直線規(guī)律關(guān)閉。表1為不同調(diào)壓閥直徑時的蝸殼末端大壓力、機組大轉(zhuǎn)速上升率、機組大引用流量和調(diào)壓閥大泄流量，圖4為不同調(diào)壓閥直徑下蝸殼末端壓力變化過程線。



表1 工況1下不同調(diào)壓閥直徑計算結(jié)果

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上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥由表1、圖4可看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m時，由于調(diào)壓閥直徑過小，導(dǎo)致調(diào)壓閥泄流能力不足，并未起到很好的降壓效果，在機組導(dǎo)葉關(guān)閉結(jié)束時刻，蝸殼末端出現(xiàn)大壓力為171.06m，超過調(diào)保控制標準，機組轉(zhuǎn)速上升率也較大。②調(diào)壓閥直徑為0.5m時，機組轉(zhuǎn)速上升得到了很好的控制，同時蝸殼末端壓力在機組導(dǎo)葉關(guān)閉過程中幾乎未上升，反而有很大的下降，初的降壓效果很好，但由于調(diào)壓閥直徑過大，導(dǎo)致系統(tǒng)總流量增加過大，單個調(diào)壓閥大泄流量達4.072m3/s，在調(diào)壓閥關(guān)閉結(jié)束時刻，蝸殼末端新一波的壓力上升到大，遠超過了*波的大壓力，超出了調(diào)?？刂茦藴?。③調(diào)壓閥直徑為0.3m時，機組導(dǎo)葉關(guān)閉過程中系統(tǒng)總流量基本保持不變，蝸殼壓力上升較小，且調(diào)壓閥關(guān)閉過程中蝸殼壓力變化很小，蝸殼壓力變化過程線圍繞初始壓力小幅度震蕩，第二波水錘壓力與*波基本一致。④調(diào)壓閥直徑為0.4m時，機組轉(zhuǎn)速上升率較低，雖第二波壓力超過*波，但蝸殼末端大壓力仍控制在允許范圍內(nèi)。因此，從全部機組甩負荷工況結(jié)果看，調(diào)壓閥直徑為0.3、0.4m時，機組轉(zhuǎn)速和水錘壓力均能得到控制。



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圖4 不同調(diào)壓閥直徑時蝸殼末端大壓力、機組相對轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)總流量變化過程線活塞式泄壓閥是湘潭中基電站輔機制造有限公司開發(fā)的產(chǎn)品。廣泛地應(yīng)用于管道、壓力容器的過壓保護。在管道或壓力容器壓力過載時，自動釋放過載部分介質(zhì)流體，使其壓力保持在安全值的范圍內(nèi)。ZJA46H型活塞式泄壓閥經(jīng)多年的電站運行證明：該產(chǎn)品性能可靠，耐用度高，受到了用戶的好評。 
    技術(shù)特點 
    ◎全活塞式結(jié)構(gòu),安全可靠； 
    ◎泄壓范圍大（泄壓流量大）； 
    ◎起跳反應(yīng)靈敏、回座及時； 
    ◎運動控制部分為剛性結(jié)構(gòu)、性能可靠； 
    ◎使用壽命長；能依據(jù)壓力過載量自動控制排放量、保壓性能好； 
    ◎雙反饋控制系統(tǒng)，工況可靠性高（選裝）； 
    ◎具有機械和電控強制排放裝置，以防出現(xiàn)**故障（選裝）。 

2.2、單臺機組甩負荷工況
選取1臺機組突然甩負荷的工況為工況2，在工況2下取調(diào)壓閥直徑分別為0.2、0.3、0.4、0.5m進行水力干擾計算，得到不同調(diào)壓閥直徑下機組的力矩變化情況，分別見表2、圖5。機組—調(diào)壓閥啟閉規(guī)律同全部機組甩負荷工況。

表2 工況2下不同調(diào)壓閥直徑計算結(jié)果



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圖5 不同調(diào)壓閥直徑時正常工作機組相對力矩變化過程線

由表2、圖5可看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m時，調(diào)壓閥直徑較小，致使正常工作機組的力矩上升較大，大力矩上升率達19.0%。②調(diào)壓閥直徑為0.4、0.5m時，由于調(diào)壓閥直徑過大，在甩負荷機組導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟過程中大部分水流從該調(diào)壓閥流走，正常工作的機組受到了較大的擾動，出現(xiàn)較大的力矩下降(大力矩下降率分別達20.5%、44.8%)。因此，選擇直徑為0.3m的調(diào)壓閥較為合適。通過上述兩個工況的計算分析表明，該電站選用直徑為0.3m的調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施為合適，這樣可在機組導(dǎo)葉快速關(guān)閉時，保證機組轉(zhuǎn)速上升和壓力上升均滿足調(diào)節(jié)保證要求。

3、結(jié)語
分析了影響調(diào)壓閥直徑大小的多種因素，提出了合理的調(diào)壓閥直徑需滿足的兩個原則，確保了調(diào)壓閥關(guān)閉時產(chǎn)生的第二波水錘壓力亦滿足調(diào)保要求。并結(jié)合某電站調(diào)壓閥直徑的優(yōu)化計算，驗證了理論分析提出的原則。該原則同樣適用于任何采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施的中小型引水式電站，可供調(diào)壓閥直徑的優(yōu)化設(shè)計參考。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：水輪機減壓閥