導葉分段關閉調節保證計算方法及安全控制

范建軍

（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆博樂833400）

導葉分段關閉調節保證計算方法及安全控制

范建軍

（博樂農五師全新勘測設計有限公司，新疆博樂833400）

結合“阿卡爾七級水電站”工程案例，分析了導葉分段關閉調節保證計算方法，根據計算所得參數標準擬定導葉調控方案，提出水電站安全控制的綜合對策，對水電站實際調度產生宏觀性引導，促進了“節能、高效、環保”等新型水電站建成與使用。

導葉；導葉分段關閉；計算；安全控制

D OI：10.3969/j.i s s n.1008_1305.2015.06.035

水電站是農村改革建設階段的保障性設施，興建水電可以解決傳統資源調配的不足，為農村創建更加多元化的發展模式提供電能保障。但隨著水能資源逐年開發，水頭較為集中河段水能基本已開發成型，目前主要開發河道縱坡較小，導致壓力管線較長，機組發生事故或甩負荷時，管道壓力和機組轉速暫態的提高，嚴重影響到電站的安全運行及發電調度系統的作業狀態。

分段關閉調保可以提升水電站內作業調度效率，導葉在水電機組運行階段發揮了重要的調節功能，導葉的作用將水的壓力和動能轉換成旋轉的機械能。導葉分段關閉規律的作用是在機組發生事故或甩負荷時要求導葉迅速關閉，在導葉迅速關閉過程中，輸水管道的壓力和機組轉速均要暫停上升，特別是軸流式機組，由于水錘的作用還會導致機組轉輪上抬，嚴重威脅水輪發電機組的安全運行。為此，在滿足調節保證值的條件下，將接力器關閉特性設計為折線關閉特性，有效地減少關機過程中水壓上升值和抬機量。因此，嚴格實施導葉分段關閉調節保證計算工作，能夠實現水電站作業模式的最優化。

1 工程概述

工程案例為“阿卡爾七級水電站”，該水電站設計水頭152.95m，設計引水流量為5.6m3/s，裝機容量為3×2250kW，年利用小時數為5197，設計年發電量3508萬kW·h，工程的興建將有效的緩解第五師電力緊缺的矛盾，同時電量還可上網輸電，為八十三團創造年發電效益733萬元，為團場經濟可持續發展創造有利條件。依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252_2000）中的工程等級劃分標準，該工程等別為Ⅴ等，工程屬小（2）型工程，主要建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。

2 工程建設的必要性

博州地區煤炭資源匱乏，該站的建成為全師職工今后使用新型清潔能源奠定了基礎，同時團場每年增加的發電產值，一定會成為該團的一個新的經濟增長點，對加速該團的脫貧致富，對邊境少數民族地區改變貧困面貌，邁向小康社會，將會起到積極的促進作用。

阿卡爾河流域水電梯級開發為第五師經濟發展和居民生活水平的提高作出了積極貢獻。根據電力平衡分析結果可知，目前該師電力嚴重不足，因此加快電力基礎設施建設顯得尤為重要和迫切，通過興建八十三團阿卡爾七級水電站，將新增裝機容量6750kW，這必將有效緩解第五師電力緊缺的局面。第五師八十三團是一個以農業為主，林牧結合，工交建商服綜合發展的農牧團場。阿卡爾河為五師獨立管理水系之一，水能資源較豐富，目前該河上已建梯級水電站7座，總裝機15700W，且水能資源有很大的開發潛力。由此可見，從第五師及團場發展的長遠利益出發，興建阿卡爾七級水電站工程十分必要，也具備一定條件。

3 阿卡爾七級站調保詳細計算方法

該電站為有壓引水式電站，采用一管三機的布置型式，壓力管采用P C C P管（鋼筒預應力鋼筋管）和鋼管組合型式，主管直徑1.8m，支管直徑0.6m，水輪機型號為C J A 475_W_135/1×14.5，水機出力2250W，機組額定轉速為375r pm。發電機型號為SF W2250_16/2150，飛逸轉速641r pm；本計算采用的機組轉動慣量G D2為5.58（t·m2），折向器的有效關閉時間1.5m i n。

該工程采用沖擊式水輪機，在其噴嘴口裝置偏流器，丟棄負荷時，能以較快速1～2s內動作，將射流偏折，離開轉輪，防止機組轉速變化過大，針閥以較慢速度關閉，從而減小水擊壓力。

3.1 計算情況

按3臺機組同時甩負荷計算；甩負荷過程中，噴針不突然折斷，故不發生直接水錘；開機時，壓力下降按一臺機組增負荷計算。

3.2 計算標準

壓力上升允許值［Z］≤30%；速率上升允許值［β］≤40%；壓力前池進口處不產生真空（負壓）。

3.3 計算∑LV值

通過測量前池進水口、壓力鋼管和支管的長度、直徑、面積、流量和流速，計算得出∑LV值，見表1。

表1 ∑L V計算表

3.4 計算壓力上升值

初選40計算壓力上升值，波速a=1000m/s。

式中：ρ、σ——管道特性系數；

V平均——計算管段平均流速，m/s；

H設——電站設計水頭，m；

g——重力加速度，g/m2；

∑LV—計算管段長度與流速的乘積之和，m2/s；

τ0—導葉開度。

對于全甩負荷τ0=1，則ρ τ0=0.742＜1，故最大水錘發生在第一相。

Z1是相對的最大壓力上升值，相對值和絕對值分別為：別為：

3.5 壓力前池末端的最大壓力值Z末

Z末=（前池最大水位-前池末端管中心高程）+最大壓力上升值Z1

3.6 壓力下降值計算

按一臺機組突然增至全負荷計算，開啟時間為40s，則：

前池末端在增加負荷時的壓力為：

所以，在前池末端不產生真空，即不產生負壓。

3.7 速率上升值計算

折向器的有效關閉時間T s=1.5m i n，則

式中：

N——額定容量，2250kW；

G D2——轉動慣量，5.58；

n0——額定轉速，375r/m i n；

n飛逸——飛逸轉速，641r/m i n；

Z平均——相對壓力上升值，（0.256+

0.00087 ）/2=0.128

由此得速率上升值為：

β=β0C f=37.5%＜[]β=40%根據上述計算結果，壓力上升值和速率上升值均在允許范圍之內，前池末端也不出現真空，因此符合要求。

4 分段關機的安全控制措施

分段關機控制是為了降低過渡過程中的壓力上升或速率上升的幅度，將導葉的直線關閉過程分成速率不同的幾段。分段關機安全控制需結合關閉閥、控制閥等裝置進行調節，建立更加完整的安全控制系統。

4.1 導葉分段關閉閥

導葉分段關閉閥安裝在調速器主配閥與水輪機導葉接力器之間的油路上，通過對接力器開機油腔的控制，使接力器具有兩段要求的不同關閉速度，以滿足水輪機調節系統調節保證計算的要求。導葉分段關閉閥不起截流作用，接力器按主配壓閥整定的開機速度開啟，與接力器位置和活塞、調節螺栓位置無關。

4.2 導葉分段控制閥

控制閥是一種利用凸輪使接力器運動時控制切換閥換位的閥門，從而控制分段關閉閥油路大小的閥門。分段關閉安全控制中，機組接力器位移凸輪機構安裝于接力器下方，利用接力器在運動過程中使斜塊觸動凸輪來控制其油路切換，實現對分段關閉閥的控制。

5 結論

新時期國家對農村地區建設給予了政策支持，以新農村建設為中心完善配套設施工程，對農村地區改革建設具有深遠意義。歷年以來，水電站在農村設施改造方面發揮了重要作用，實時改造水輪發電機組是實現水電資源優化配置的關鍵措施。導葉分段關閉調節保證計算結構是機組改造的總指導，根據計算所得參數標準擬定導葉調控方案，促進了水電資源模式的最優化發展。這次阿卡爾七級站導葉計算對實際調度產生了宏觀性引導，促進“節能、高效、環保”等新型水電站建成與使用。

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范建軍（1981年—），男，工程師。