中小型水電站減壓閥作用

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之前介紹 ZJY46H組合式減壓閥減靜壓技術(shù)探討，現(xiàn)在介紹中小型水電站減壓閥作用 在水電站運(yùn)行過程中，為改善水錘現(xiàn)象，降低由機(jī)組突然甩負(fù)荷、水輪機(jī)導(dǎo)葉快速關(guān)閉帶來(lái)的管道壓力升高和轉(zhuǎn)速上升值，通常會(huì)采取設(shè)置調(diào)壓室的方式。但對(duì)一些中小型的長(zhǎng)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(shí)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(lái)滿足此類水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。采用造價(jià)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(jì)80年代起，我國(guó)開始在長(zhǎng)引水式電站中采用“以閥代井"的調(diào)節(jié)保證措施。湖南龍?jiān)措娬臼俏覈?guó)*座采用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的試點(diǎn)電站，該電站壓力引水管道總長(zhǎng)1950m，設(shè)計(jì)水頭83m，3臺(tái)水輪機(jī)裝設(shè)我國(guó)自行研制的TFW-400型調(diào)壓閥。之后云南西洱河二級(jí)電站、貴州白水河一級(jí)電站、廣西長(zhǎng)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(yùn)行穩(wěn)定。但在以往的調(diào)壓閥計(jì)算中，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定調(diào)壓閥的直徑，本文則通過水力過渡過程的計(jì)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(jì)方法。
    1 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(jī)組受同一調(diào)速器控制，在機(jī)組突甩負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)葉快速關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥開啟，泄放機(jī)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(jì)算，其邊界條件見圖1。

圖1 調(diào)壓閥邊界條件
    調(diào)壓閥進(jìn)、出口斷面C＋、C－特征線相容性方程均成立，分別為：
    其中
    式中，Hp1、Hp2分別為調(diào)壓閥進(jìn)、出口斷面的測(cè)壓管水頭；Cp、Bp、CM、BM為前一時(shí)刻t－Δt的已知量（t為時(shí)間，Δt為時(shí)間步長(zhǎng)）；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：    
    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(duì)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(dāng)全部機(jī)組同時(shí)突甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥直徑越大，可通過的過流量也越大，在機(jī)組導(dǎo)葉快速關(guān)閉、調(diào)壓閥同時(shí)開啟的過程中，機(jī)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)。圖2為某電站調(diào)壓閥直徑分別為0.3、0.5m時(shí)全部機(jī)組甩負(fù)荷工況下的蝸殼壓力變化過程線。由圖可看出，相對(duì)于調(diào)壓閥直徑0.3m的情況，調(diào)壓閥直徑0.5m時(shí)*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(yuǎn)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(zhǎng)調(diào)壓閥的關(guān)閉時(shí)間，而在更長(zhǎng)的關(guān)閉時(shí)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。

圖2 某電站蝸殼壓力變化過程線
    當(dāng)同一水力單元的部分機(jī)組突甩負(fù)荷時(shí)，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(yùn)行機(jī)組出力出現(xiàn)較大下降，由此可能發(fā)生相繼甩負(fù)荷事故。
    由以上分析可知，調(diào)壓閥直徑大小受運(yùn)行工況、轉(zhuǎn)速、水錘壓力和造價(jià)等多方面因素的影響，因此選擇調(diào)壓閥直徑時(shí)需綜合考慮。調(diào)壓閥直徑的選取需滿足以下兩點(diǎn)原則：①小的調(diào)壓閥直徑應(yīng)保證機(jī)組快速關(guān)閉時(shí)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(shí)的流量與機(jī)組額定流量基本相同，同時(shí)保證調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的第二波水錘壓力亦滿足調(diào)保要求。各國(guó)一般把裝機(jī)容量5000kW以下的水電站定為小水電站，5000～10萬(wàn)kW為中型水電站，10萬(wàn)～100萬(wàn)kW為大型水電站，超過100萬(wàn)kW的為巨型水電站。

    中國(guó)規(guī)定將水電站分為五等，其中：裝機(jī)容量大于75萬(wàn)kW為一等〔大(1)型水電站〕，75萬(wàn)～25萬(wàn)kW為二等〔大(2)型水電站〕，25萬(wàn)～2.5萬(wàn)kW為三等〔中型水電站〕，2.5萬(wàn)～0.05萬(wàn)kw為四等〔小(1)型水電站〕，小于0.05萬(wàn)kW為五等〔小(2)型水電站〕；但統(tǒng)計(jì)上常將1.2萬(wàn)kW以下作為小水電站。裝機(jī)容量很小的水電站或水力發(fā)電裝置。世界各國(guó)對(duì)小水電沒有一致的定義和容量范圍的劃分界限。即使同一國(guó)家，不同時(shí)期，標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。一般，按裝機(jī)容量可把小水電劃分為微型(micro)、小小型(mini)和小型(small)3檔。小水電和大中型水電站一樣，都是水力發(fā)電，但它不是小型化的大水電。小水電本身具有一系列特點(diǎn)，如：①分散性，即單站容量不大，但其資源到處存在;②對(duì)生態(tài)環(huán)境負(fù)影響很小;③簡(jiǎn)單性，即技術(shù)是成熟的，無(wú)須復(fù)雜昂貴的技術(shù);④當(dāng)?shù)鼗?，即?dāng)?shù)厝罕娔軌騾⑴c建設(shè)，并可盡量使用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔO(shè);⑤標(biāo)準(zhǔn)化，即較易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化和機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化，以降低造價(jià)、縮短工期。小水電的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備制造和運(yùn)行管理要適應(yīng)這些特點(diǎn)，方能達(dá)到技術(shù)、運(yùn)行可靠、投資經(jīng)濟(jì)和成本低廉。

定義

其裝機(jī)容量規(guī)模因各國(guó)國(guó)情而異，如美國(guó)的小水電定為裝機(jī)容量15000kW及以下，日本、挪威為10000kW及以下，土耳其為5000kW及以下。1980年10月17日至11月 8日在中國(guó)杭州和菲律賓馬尼拉召開的第二次小水電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用考察研究討論會(huì)，建議對(duì)小水電的規(guī)模作以下定義：小水電站為1001～12000kW，小小水電站為101～1000kW，微型水電站為100kW及以下。
中國(guó)定義

中國(guó)的小水電在現(xiàn)階段是指由地方、集體或個(gè)人集資興辦與經(jīng)營(yíng)管理的，裝機(jī)容量25000kW及以下的水電站和配套的地方供電電網(wǎng)。
中國(guó)規(guī)模

中國(guó)在1986年規(guī)定，單站容量25000千 瓦以下的水電站均可按小水電政策建設(shè)和管理。中國(guó)小水電資源豐富，共有15億千瓦，其可開發(fā)資源為 7000萬(wàn)千瓦。中國(guó)的小水電建設(shè)成績(jī)居世界。
1991年末有小型水電站54660座，裝機(jī)容量為1385.3萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量373.27億千瓦·時(shí)。
1991年全國(guó)建有小水電的縣共1628個(gè)，占縣級(jí)行政區(qū)劃總數(shù)的68 %。全國(guó)主要由小水電供電的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有2萬(wàn)個(gè)，占鄉(xiāng)鎮(zhèn)總數(shù)的36%。

    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(jī)"的布置方式，裝機(jī)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(tái)水輪機(jī)，水輪機(jī)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(zhǎng)、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(zhǎng)約4100m，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一個(gè)調(diào)壓閥。

圖3 電站輸水系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖（單位：m）
    根據(jù)相關(guān)規(guī)范選取本電站的調(diào)保計(jì)算控制標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)組大轉(zhuǎn)速升高率≤50％，設(shè)置調(diào)壓閥時(shí)蝸殼大壓力升高率一般取為0.15～0.20，在該電站計(jì)算中，取調(diào)壓閥正常工作時(shí)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(jī)組甩負(fù)荷工況
    選取出現(xiàn)蝸殼大壓力的工況（大水頭下兩臺(tái)機(jī)同時(shí)突甩負(fù)荷，機(jī)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(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的蝸殼末端壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率及機(jī)組和調(diào)壓閥的流量變化。機(jī)組—調(diào)壓閥聯(lián)動(dòng)的啟閉規(guī)律選為：機(jī)組導(dǎo)葉以15s一段直線規(guī)律關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥以15s一段直線規(guī)律開啟，達(dá)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(shí)的蝸殼末端大壓力、機(jī)組大轉(zhuǎn)速上升率、機(jī)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(jì)算結(jié)果
水輪機(jī)

電站設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。中國(guó)小型水輪機(jī)分500kW以下和500～10000kW兩部分。主要機(jī)型有反擊式和沖擊式兩大類。反擊式又分為軸流式、混流式和貫流式。沖擊式又分為水斗式、斜擊式和雙擊式。貫流式水輪機(jī)又分為全貫流和半貫流式。半貫流式水輪機(jī)常用燈泡貫流式機(jī)組與軸伸貫流式機(jī)組。共有轉(zhuǎn)輪系列21個(gè)，機(jī)組品種85個(gè)。
發(fā)電機(jī)

中國(guó)小型水輪發(fā)電機(jī)多數(shù)為同步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)使用較少：額定頻率為50Hz，功率因數(shù)為0.8。320kW以下小型水輪發(fā)電機(jī)的額定電壓為400/230V;500kW以上水輪發(fā)電機(jī)，額定電壓一般為3.15kV或6.3kV。
調(diào)速器

調(diào)速器已定型，有特小型系列，包括TT-35、TT-75、TT-150及TT-300，為液壓、電動(dòng)操作，通流式。小型系列有XT-300、XT-600、XT-1000，為壓力油箱式。電子液壓式調(diào)速器也已開始制造使用。
勵(lì)磁系統(tǒng)

勵(lì)磁系統(tǒng)早期多使用直流勵(lì)磁機(jī)，現(xiàn)已廣泛使用半導(dǎo)體勵(lì)磁裝置、無(wú)刷勵(lì)磁裝置。

    由表1、圖4可看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m時(shí)，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(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉結(jié)束時(shí)刻，蝸殼末端出現(xiàn)大壓力為171.06m，超過調(diào)?？刂茦?biāo)準(zhǔn)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率也較大。②調(diào)壓閥直徑為0.5m時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升得到了很好的控制，同時(shí)蝸殼末端壓力在機(jī)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(gè)調(diào)壓閥大泄流量達(dá)4.072m3/s，在調(diào)壓閥關(guān)閉結(jié)束時(shí)刻，蝸殼末端新一波的壓力上升到大，遠(yuǎn)超過了*波的大壓力，超出了調(diào)保控制標(biāo)準(zhǔn)。③調(diào)壓閥直徑為0.3m時(shí)，機(jī)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?jí)毫π》日鹗?，第二波水錘壓力與*波基本一致。④調(diào)壓閥直徑為0.4m時(shí)，機(jī)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(jī)組甩負(fù)荷工況結(jié)果看，調(diào)壓閥直徑為0.3、0.4m時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速和水錘壓力均能得到控制。

圖4 不同調(diào)壓閥直徑時(shí)蝸殼末端大壓力、機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)總流量變化過程線
    2.2 單臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷工況
    選取1臺(tái)機(jī)組突然甩負(fù)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(jìn)行水力干擾計(jì)算，得到不同調(diào)壓閥直徑下機(jī)組的力矩變化情況，分別見表2、圖5。機(jī)組—調(diào)壓閥啟閉規(guī)律同全部機(jī)組甩負(fù)荷工況。
表2 工況2下不同調(diào)壓閥直徑計(jì)算結(jié)果

1. 品名、型號(hào)規(guī)格、數(shù)量、價(jià)格.      

圖5 不同調(diào)壓閥直徑時(shí)正常工作機(jī)組相對(duì)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(shí)，調(diào)壓閥直徑較小，致使正常工作機(jī)組的力矩上升較大，大力矩上升率達(dá)19.0％。②調(diào)壓閥直徑為0.4、0.5m時(shí)，由于調(diào)壓閥直徑過大，在甩負(fù)荷機(jī)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(jī)組受到了較大的擾動(dòng)，出現(xiàn)較大的力矩下降（大力矩下降率分別達(dá)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(gè)工況的計(jì)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(jī)組導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí)，保證機(jī)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(yǔ)
    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(gè)原則，確保了調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)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(jì)算，驗(yàn)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(jì)參考。上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,