调压阀技术在大河沿渠首水电站的应用

安　刚（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

调压阀技术在大河沿渠首水电站的应用

安刚
（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

摘要：以新疆大河沿渠首水电站为例，通过对引水发电系统水力过渡过程计算分析，采用调压阀技术解决长距离引水管道水锤压力上升与机组转速上升相互制约的问题，希望对国内中、小型水电站设计提供一定的借鉴参考。

关键词：水电站；调压阀；长距离引水管道；水力过渡过程计算

0　前言

大河沿渠首水电站位于新疆维吾尔自治区吐鲁番地区大河沿镇境内，设计引用流量为4.17m3/s，额定水头183.0m，配置2台3.125MW混流卧式水轮发电机组，电站引水管道总长约6.8km。电站主要建筑物由引水渠首、“圆中环”沉砂池、引水渠道、压力前池、压力管道（一管两机布置）、厂房及尾水渠等组成。

1　无调保措施下的水力过渡过程计算

（1）水流惯性时间常数与机组加速时间常数计算

根据渠首电站引水系统布置及其特征参数，计算得出：2台机组中较长一台机组的压力管总长Σ=6722.56m，水流惯性时间常数w=6.624s，机组加速时间常数a=4.164s。

（2）数值计算分析

数值计算结果表明，当机组关闭时间为5s时，机组最大转速上升率为47.7%，在转速控制标准55%以内；此时的压力已远远大于压力控制值252.94m；相关计算表明，若压力控制在允许值内，导叶关闭时间则要大于25s。

（3）结论

根据《水电站调压室设计规范》（DL/T5058-1996）可知，当水流惯性时间常数时，可不设调压室，而渠首水电站的，理论上应设置调保措施。在此基础上，无调保措施下的过渡过程数值计算结果进一步论证了设置调保措施的必要性。设置相应的调保措施可以解决引水系统压力与转速上升的矛盾，以保证引水系统的安全和电站稳定安全运行。

2　调保措施的选择

（1）调压井（塔、室）

常规的电站多采用设置调压井来解决电站调保的问题，调压井具有安全可靠等优点。大河沿渠首电站受地形条件限制，引水系统没有深覆盖的山体，管道采用浅埋布置。如设置调压井，技术难度大、工程造价高、工期长。

（2）调压阀

调压阀多应用在中、小型中、高水头电站，具有技术成熟、应用广泛、工程造价低、节省工期等多项优点。

（3）水阻抗器

当机组甩负荷时，有功功率消失的同时，由启动元件投入水阻抗作为机组的假负荷，将多余的电能经水阻抗消耗。当机组带上水阻抗负荷稳定后，逐步切除水阻抗的功率而正常停机，从而保证压力上升和转速上升均在允许范围内。

该技术稳定可靠性差、安全保证要求高。

（4）安全阀-爆破膜装置

当机组急速关闭，压力钢管产生水锤，压力上升超过爆破膜的整定值时，安全阀开启，泄放管道中的水流，消减水锤压力，并允许机组在较短时间内关机，进而限制机组转速上升。

该技术对爆破膜的性能要求高，爆破膜需常更换，水工布置要设置消能和泄水措施。

通过对调压井(塔、室)、调压阀、水阻抗器、安全阀-爆破膜装置调保措施的对比（从技术、安全可靠、经济等方面），大河沿渠首电站选择了调压阀做为调保措施。

3　调压阀的选择

（1）设置调压阀情况下水力过渡过程数值理论计算结论

调压阀推荐采用的阀径0.3m，建议机组-调压阀9s一段直线联动启闭，调压阀保持最大开度10s后再以180s一段直线关闭。

（2）调压阀结构

旋流消能调压阀由阀盖、阀杆、阀体、导流筒、阀瓣、进水偏心导流体以及出水旋流消能体、出水锥管和液压缸组成（见图1）。采用进水分流、出水旋流消能的结构形式。该阀结构紧凑、外形尺寸大大减小，节省了安装空间，消能性能得到有效提高。

（3）工作原理

旋流消能调压阀主油缸用于操作阀瓣的开关，其筒体为铸钢件，内有活塞，从机组调速器来的油源分别接入主油缸活塞的前、后两腔。当机组正常工作时，压力油通在关闭腔，使调压阀处于关闭状态；当机组紧急停机或瞬间甩负荷超过3%时，压力油则自动通到开启腔，拉动阀杆连接的导流筒和阀瓣作轴向运动，使调压阀打开，泄出设定大小的水流以确保机组及压力管道的安全。

在调压阀入口处设置偏心导流体，出口处设置旋流消能体。偏心导流体主要功能为引导大多数介质往阀体上方流动，借助流体对阀体内腔冲击进行消能。旋流消能体是由多片导流叶片组成的螺旋结构，作用是将阀门进口喷入的高速不规则水流镇流、改变成旋转流态，并在过程中消能，然后通过出水锥管进一部消能，使进人尾水池的介质冲击力大大降低，保证电站安全。

（4）系统控制原理

本阀为全油压控制水轮机调压阀：当机组转速变化低于3%时，主配阀活塞的行程位移小于2mm，此时导叶接力器的开度作微动调节，调压阀处于关闭状态，仅导叶动作；当机组转速变化高于3%时，特殊主配压阀的活塞动作超过2mm，让调压阀接力器的开启腔进压力油快速开启，同时，调压阀接力器关闭腔排出的油进入到导叶接力器的关闭腔，使导叶接力器快速关闭，调压阀与导叶联动，当机组转速上升时，达到控制水压上升值的目的。

4　现场调试与运行

现场按照理论计算值机组-调压阀9s一段直线联动启闭，调压阀保持最大开度10s后再以180s一段直线关闭进行调试。发现调速器控制存在缺陷，不能保持调压阀在最大开度持续10s。经多方讨论研究后，将调压阀180s一段直线关闭时间调整为220s。

大河沿渠首电站经过一年多的运行，机组和发电引水系统运行稳定，达到了设计预期效果。

5　结束语

“以阀代井”技术在大河沿渠首水电站成功应用，为中、小型水电站长距离引水管道建设提供了一种可靠、经济的解决方案，为今后国内外中、小型电站的设计提供一定的借鉴参考。

参考文献：

[1]周泰经，吴应文，等．水轮机调速器实用技术[M]．北京：中国水利水电出版社，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

中图分类号：TV734

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）03-0069-02

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.03.020

收稿日期：2014-12-22

作者简介：安刚（1975-），男，高级工程师，从事水电站水力机械设计工作。

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

Research on software development environment for control module of low pressure unit

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)