溫泉水電站調壓閥的初步選擇

李 陽

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概 述

水電站運行中，當電站機組非正常情況下停止發電，很快會引起機組轉子飛逸，長時間飛逸會引發機組共振，導致主軸彎曲、轉子與定子發生碰撞等事故損毀水輪機組；更嚴重的會造成電站進水沖毀，發生重大生命財產損失。所以一旦機組發生飛逸，調速器控制程序會迅速關閉導葉，防止水輪機組長時間飛逸。但對于壓力引水管道較長的電站，突然快速關閉導葉，會導致引水管道系統壓力上升并產生巨大的水錘，破壞引水管道系統及水輪機組，所以水電站一般設置調壓井抑制水錘產生，并設置進水閥、調壓閥、爆破膜等安全設備避免上述類似事故的發生。

一般情況下，設置調壓井需要較大的投資和較長的工期，而有些電站限于地形、地質條件，還難于建造調壓井；因此對于這一類型電站，通過科學的“水力過渡過程計算”改用調壓閥 “以閥代井”的方案具有節省工程投資、縮短工程建設周期的優勢。

2 調壓閥特點

調壓閥安裝在水輪機進水閥前，機組甩負荷時在導葉快速關閉的同時調壓閥開啟，從而多余的流量從調壓閥排出，直至機組關閉后再緩慢關閉調壓閥。目前市場上較多采用全油壓控制型調壓閥的系統，調壓閥的開啟和導葉的快速關閉均由同一主配壓閥控制，形成串聯油路，而非采用自動化元件協聯調壓閥及導葉接力器動作。控制系統的設計包括主配壓閥、操作油路等，調壓閥全油壓控制系統的特點如下。

(1)機組甩負荷時，能快速開啟調壓閥和快速關閉水輪機導葉，限制機組轉速上升和壓力管道中水壓上升。

(2)正常的開機、停機、增減負荷等操作時，調壓閥處于關閉狀態。

(3)當在小波動狀態或正常增減負荷時，調壓閥處于關閉位置，調速器控制導葉正常操作。

(4)調壓閥開啟與水輪機導葉接力器快關過程同步。當甩負荷和事故停機時，導葉關閉，同時調壓閥開啟，并開至最大開度。當機組恢復空載狀態后，調壓閥恢復關閉狀態。

(5)調壓閥的最快開啟時間不大于3.5 s，關閉時間在2.5～120 s范圍可調。

(6)當調壓閥拒動時，控制系統控制水輪機導葉慢關，慢關時間在2.5～120 s范圍內可調，以確保引水系統的壓力升高不超過允許值。

(7)調壓閥和導葉開關規律可根據調節保證計算結果整定，各個節流裝置固定可靠，不會隨意變動。

(8)指令信號按規定形勢變化，調壓閥接力器滯后時間不大于0.2 s。

(9)參數可調，適應不同電站的調節保證要求。

3 電站概況

溫泉水利樞紐工程位于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區拜城縣境內，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，水庫正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相應庫容4 772萬m3，死水位1 855 m，死庫容567萬m3，興利庫容4 205 萬m3，設計洪水位1 900.2 m，校核洪水位1 903.7 m，總庫容5 364萬m3。電站裝機容量24 MW，多年平均年發電量0.86億kW·h，裝機年利用小時數3 580 h。

溫泉水電站的發電引水系統采用一管四機的供水方式。壓力輸水系統由進水塔、引水隧洞、壓力鋼管、岔管、壓力鋼支管、進水閥、水輪機蝸殼、尾水管等組成。整個引水系統總長603.445 m，其中引水隧洞段長416 m，上平硐直徑3.5 m，下平硐直徑4.0 m。發電引水系統ΣL=570 m，ΣLV=2 350 m2/s，管道平均流速v0=4.12 m/s，發電洞的設計流量為52.40 m3/s。根據過渡過程分析計算導葉直線關閉時間9 s，水流慣性時間常數Tw=4.39 s，機組慣性時間常數Ta=3.18 s，Tw/Ta=1.37，轉速最大上升率βmax=58%，蝸殼最大壓力值=151.19 m。

4 電站基本參數

電站水輪機為臥軸混流式水輪機，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，額定轉速428.60 r/min，飛逸轉速1 079.72 r/min。

發電機采用臥軸結構，額定功率6.0 MW，額定容量7.5 MVA，功率因數0.80，額定電壓10.5 kV，額定轉速428.60 r/min，飛逸轉速1 079.72 r/min，轉動慣量40 t.m2。

5 調壓閥選型計算

5.1 計算原則

裝設調壓閥電站的調節保證計算主要是根據壓力引水系統所允許的壓力上升值、壓力下降值、機組的轉速上升值，確定水輪發電機組的調節參數，選用合適的調壓閥并確定其參數。具體來說，就是根據壓力引水系統所允許壓力上升值和已知機組速率上升值，選擇調壓閥的直徑、行程，確定機組的快關時間；并根據允許的壓力下降值來校核壓力引水系統各部分是否會出現負壓現象。

5.2 過渡過程分析計算

本次計算控制值為速率上升值β≤50%，壓力上升值ζ≤50%。經計算：發電引水系統ΣL=570 m，ΣLV=2 350 m2/s，管道平均流速v0=4.12 m/s，水流慣性時間常數Tw=4.39 s，機組慣性時間常數Ta=3.18 s，機組快關機時間為Ts(見圖1)。

圖1 導葉和調壓閥關閉過程曲線

計算按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；c為水輪機飛逸特性影響系數；β為速率上升值，取50%；ξ為壓力上值，取50%。

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

圖2 計算水錘曲線

因此，得出：

調壓閥拒動時，機組慢關機時間及管道特性系數為(平均壓力波速a≈1 000 m/s)：

調壓閥下泄流量Qx：

調壓閥型號：

根據計算的調壓閥下泄流量Qx，選用彎管調壓閥，行程S按0.25 DN計算時，流速系數取0.58；在水頭54.5 m下,調壓閥的進口流速：

選取標準系列直徑為800 mm的彎管調壓閥。調壓閥行程按0.25 DN計算，則行程為200 mm。

根據計算結果，調壓閥選型為TFL800WG—200，調壓閥直徑為800 mm，最大行程為200 mm。

在考慮調壓閥型式上，選擇立式調壓閥(見圖3)，具體特點如下：

圖3 立式調壓閥

6 調保計算結果

通過計算表明，溫泉水電站水輪機調節系統在機組啟動、空載擾動、帶負荷及在額定水頭和最高水頭甩負荷等典型過渡過程中均穩定，滿足有關要求。

(1)4臺機組同時甩100%負荷(4 s)

導葉快關時間：4 s;調壓閥開啟時間：4 s；調壓閥關閉時間：30 s;最大壓力上升Hmax=130.0 m(上升30.5%); 最大轉速上升Xmax=620.6 r/min(上升44.8%)(見圖4)。

圖4 4臺機組同時甩100%負荷計算(4 s)

(2)4臺機組同時甩負荷時，4臺調壓閥拒動(導葉關閉時間30 s)

當調壓閥拒動時，調壓閥接力器下腔的油不能被擠壓，因此只有經節流的壓力油經主配壓閥進入導葉關閉腔，導葉只能慢速關閉(暫定關閉時間30 s)，保護引水系統的安全。

導葉關閉時間：30 s;最大壓力上升Hmax=131.5 m(上升32%); 最大轉速上升Xmax=788.6 r/min(上升84%)(見圖5)。

圖5 4臺機組同時甩負荷時，4臺調壓閥拒動(導葉關閉時間30 s)

綜上所述，調壓閥開啟時間4 s，導葉關閉時間4 s；調壓閥關閉時間30 s(暫定)，調壓閥拒動，導葉關閉時間30 s(暫定)。機組安裝完成現場試驗，可根據現場具體情況調整時間常數，保證調保達到最優效果。

7 結 語

溫泉水利樞紐工程的建設，是卡普斯浪河流域防洪減災、促進地區經濟社會發展的需要。根據溫泉水電站基本參數，結合水輪發電機組相關數據對調壓閥選型進行了相關計算，最終確定了機組對應調壓閥的型號。