調壓閥技術在大河沿渠首水電站的應用

安　剛（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

調壓閥技術在大河沿渠首水電站的應用

安剛
（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

摘要：以新疆大河沿渠首水電站為例，通過對引水發電系統水力過渡過程計算分析，采用調壓閥技術解決長距離引水管道水錘壓力上升與機組轉速上升相互制約的問題，希望對國內中、小型水電站設計提供一定的借鑒參考。

關鍵詞：水電站；調壓閥；長距離引水管道；水力過渡過程計算

0　前言

大河沿渠首水電站位于新疆維吾爾自治區吐魯番地區大河沿鎮境內，設計引用流量為4.17m3/s，額定水頭183.0m，配置2臺3.125MW混流臥式水輪發電機組，電站引水管道總長約6.8km。電站主要建筑物由引水渠首、“圓中環”沉砂池、引水渠道、壓力前池、壓力管道（一管兩機布置）、廠房及尾水渠等組成。

1　無調保措施下的水力過渡過程計算

（1）水流慣性時間常數與機組加速時間常數計算

根據渠首電站引水系統布置及其特征參數，計算得出：2臺機組中較長一臺機組的壓力管總長Σ=6722.56m，水流慣性時間常數w=6.624s，機組加速時間常數a=4.164s。

（2）數值計算分析

數值計算結果表明，當機組關閉時間為5s時，機組最大轉速上升率為47.7%，在轉速控制標準55%以內；此時的壓力已遠遠大于壓力控制值252.94m；相關計算表明，若壓力控制在允許值內，導葉關閉時間則要大于25s。

（3）結論

根據《水電站調壓室設計規范》（DL/T5058-1996）可知，當水流慣性時間常數時，可不設調壓室，而渠首水電站的，理論上應設置調保措施。在此基礎上，無調保措施下的過渡過程數值計算結果進一步論證了設置調保措施的必要性。設置相應的調保措施可以解決引水系統壓力與轉速上升的矛盾，以保證引水系統的安全和電站穩定安全運行。

2　調保措施的選擇

（1）調壓井（塔、室）

常規的電站多采用設置調壓井來解決電站調保的問題，調壓井具有安全可靠等優點。大河沿渠首電站受地形條件限制，引水系統沒有深覆蓋的山體，管道采用淺埋布置。如設置調壓井，技術難度大、工程造價高、工期長。

（2）調壓閥

調壓閥多應用在中、小型中、高水頭電站，具有技術成熟、應用廣泛、工程造價低、節省工期等多項優點。

（3）水阻抗器

當機組甩負荷時，有功功率消失的同時，由啟動元件投入水阻抗作為機組的假負荷，將多余的電能經水阻抗消耗。當機組帶上水阻抗負荷穩定后，逐步切除水阻抗的功率而正常停機，從而保證壓力上升和轉速上升均在允許范圍內。

該技術穩定可靠性差、安全保證要求高。

（4）安全閥-爆破膜裝置

當機組急速關閉，壓力鋼管產生水錘，壓力上升超過爆破膜的整定值時，安全閥開啟，泄放管道中的水流，消減水錘壓力，并允許機組在較短時間內關機，進而限制機組轉速上升。

該技術對爆破膜的性能要求高，爆破膜需常更換，水工布置要設置消能和泄水措施。

通過對調壓井(塔、室)、調壓閥、水阻抗器、安全閥-爆破膜裝置調保措施的對比（從技術、安全可靠、經濟等方面），大河沿渠首電站選擇了調壓閥做為調保措施。

3　調壓閥的選擇

（1）設置調壓閥情況下水力過渡過程數值理論計算結論

調壓閥推薦采用的閥徑0.3m，建議機組-調壓閥9s一段直線聯動啟閉，調壓閥保持最大開度10s后再以180s一段直線關閉。

（2）調壓閥結構

旋流消能調壓閥由閥蓋、閥桿、閥體、導流筒、閥瓣、進水偏心導流體以及出水旋流消能體、出水錐管和液壓缸組成（見圖1）。采用進水分流、出水旋流消能的結構形式。該閥結構緊湊、外形尺寸大大減小，節省了安裝空間，消能性能得到有效提高。

（3）工作原理

旋流消能調壓閥主油缸用于操作閥瓣的開關，其筒體為鑄鋼件，內有活塞，從機組調速器來的油源分別接入主油缸活塞的前、后兩腔。當機組正常工作時，壓力油通在關閉腔，使調壓閥處于關閉狀態；當機組緊急停機或瞬間甩負荷超過3%時，壓力油則自動通到開啟腔，拉動閥桿連接的導流筒和閥瓣作軸向運動，使調壓閥打開，泄出設定大小的水流以確保機組及壓力管道的安全。

在調壓閥入口處設置偏心導流體，出口處設置旋流消能體。偏心導流體主要功能為引導大多數介質往閥體上方流動，借助流體對閥體內腔沖擊進行消能。旋流消能體是由多片導流葉片組成的螺旋結構，作用是將閥門進口噴入的高速不規則水流鎮流、改變成旋轉流態，并在過程中消能，然后通過出水錐管進一部消能，使進人尾水池的介質沖擊力大大降低，保證電站安全。

（4）系統控制原理

本閥為全油壓控制水輪機調壓閥：當機組轉速變化低于3%時，主配閥活塞的行程位移小于2mm，此時導葉接力器的開度作微動調節，調壓閥處于關閉狀態，僅導葉動作；當機組轉速變化高于3%時，特殊主配壓閥的活塞動作超過2mm，讓調壓閥接力器的開啟腔進壓力油快速開啟，同時，調壓閥接力器關閉腔排出的油進入到導葉接力器的關閉腔，使導葉接力器快速關閉，調壓閥與導葉聯動，當機組轉速上升時，達到控制水壓上升值的目的。

4　現場調試與運行

現場按照理論計算值機組-調壓閥9s一段直線聯動啟閉，調壓閥保持最大開度10s后再以180s一段直線關閉進行調試。發現調速器控制存在缺陷，不能保持調壓閥在最大開度持續10s。經多方討論研究后，將調壓閥180s一段直線關閉時間調整為220s。

大河沿渠首電站經過一年多的運行，機組和發電引水系統運行穩定，達到了設計預期效果。

5　結束語

“以閥代井”技術在大河沿渠首水電站成功應用，為中、小型水電站長距離引水管道建設提供了一種可靠、經濟的解決方案，為今后國內外中、小型電站的設計提供一定的借鑒參考。

參考文獻：

[1]周泰經，吳應文，等．水輪機調速器實用技術[M]．北京：中國水利水電出版社，2010．

Abstract: The experiment, CFD analysis, optimization design and simulation are conducted to overcome the defects of noise and cavitation when the ZJY46H high pressure reducing valve works at Sinkiang hydropower station. The investigation results show that the noise and cavitation characteristics of the high pressure reducing valve at hydropower station water system are reduced; the performance of the hydropower station water system is improved.

Key words: high pressure reducing valve; noise; cavitation; experiment; simulation

中圖分類號：TV734

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）03-0069-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.020

收稿日期：2014-12-22

作者簡介：安剛（1975-），男，高級工程師，從事水電站水力機械設計工作。

Instability phenomenon of turbine regulating system for power primary frequency control

KONG Zhao-nian1, TIAN Zhong-lu1, YANG Yuan-sheng2, WANG Si-wen2
(1. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China; 2. Tianjin Research Institute of Electric Science, Tianjin 300301, China)

Abstract:In China, the Twof middle-small scale hydropower station under construction has reached to 15 s to 25 s, so it is necessary to study the characteristics of the hydraulic turbine regulating system for primary frequency control. In the present paper, the results reveal that the unstable states and frequency control forms of the primary frequency control aiming at power are all closely related to the Tw. The improved primary frequency control aiming at servomotor opening is proposed.

Key words:regulating system for hydroturbine; primary frequency control (PFC); power control; instability phenomenon; opening control; guide vane servomotor

Latest research results on accuracy calculation of hydropower unit main shaft turning swing

LIN Huan-sen
(Central China Division of the State Grid Corporation, Wuhan 430077, China)

Abstract: The principle for measuring shaft turning swing of hydropower unit is illustrated in the present paper, and the parameters of shaft turning swing are also revealed. A convenient approach to check the shaft turning quality is proposed. Finally, a 4-points main shaft turning method for fast and accurate calculation of shaft turning swing is introduced.

Key words: hydropower unit; shaft turning; swing; calculation method; 4-points shaft turning method

Simulation design of static frequency converter for pumped storage hydropower station

ZHOU Kun1, WANG Ji-kang2, ZHANG Rong3
(1. Taian Pumped Storage Hydropower Station of State Grid Xinyuan Co., LTD., Taian 27100, China; 2. State Grid Xinyuan Co., LTD., Beijing 100761, China; 3. Baoding Sinosimu Technology Co., LTD., Baoding 071051, China)

Abstract: The running principle of static frequency converter for pumped storage hydropower station unit is introduced in the present paper. On the basis of star90 graphical simulation platform, the mathematical model of static frequency converter is established, and the real-time dynamic model of power generator under control of static variable frequency and speed regulation systems is verified.

Key words: pumped storage hydropower station; static frequency converter; simulation

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LEI Liang
(Tianjin Institute of Hydroelectric and Power Research, Tianjin 301900, China)

Abstract: The establishment of communication protocol development for the hydroturbine intergraded control unit on Linux platform is clarified, and the program is executed.

Key words: serial port; Linux; Java; control unit

Performance improvement and CFD analysis for high pressure reducing valve at hydropower station water system

LI Xiang-bo
(Xinjiang Ili River Basin Development and Construction Administration, Urumchi 830000, China)