KYET水电站采用“以阀代井”的研究分析

刘 利

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 前言

KYET水电站为径流式电站，电站装机容量110 MW（2×45 MW＋1×20 MW），主要任务是发电。工程由拦河坝、洞室溢洪道、导流兼泄洪冲砂洞、发电引水系统、电站厂房（含水轮发电机组）、尾水渠等组成。

电站发电最大水头173.46 m，最小水头150.58 m，加权平均水头165.23 m，额定水头158.5 m，引水发电洞主管段总长7.2 km。

1 KYET水电站采用调压阀的必要性

为限制压力管道内压力上升率和机组转速上升率，在长有压引水系统电站运行中，一般需要在压力管道设置调压井的方式解决引水系统压力和转速上升的矛盾，以保证电站安全运行。但是对KYET水电站工程而言，设置调压井土建投资大，建设周期长，而且还受限于当地地质、地形条件，施工难度极大。若采用全油压控制水轮机调压阀代替调压井方案，可大幅降低施工难度，提高工程施工期安全，节约投资，缩短工期。

2 目前国内外调压阀使用调查

调压阀早在20世纪30年代就已出现，解放前我国东北的镜泊湖电站、广东省的大隆洞电站和海南岛东方电站均装设从国外进口的调压阀。国家水利电力部在1973年组成了“以阀代井”科学实验研究小组，经过3年半的深入调查研究，在有关设计院、制造厂、高等院校和电站的共同努力下，解决了一系列调压阀设计制造和“以阀代井”的水锤精确计算以及运行稳定等技术问题，建成了我国第一座长引水隧洞以调压阀代替调压井的龙源水电站。

通过对国内外调压阀使用情况对比分析，目前国内使用调压阀替代调压井的工程以水头在100 m左右，压力隧洞和钢管长度在1 000～2 000 m，单机容量在4 MW以下，单机流量在2～10 m3/s之间的电站偏多。

国外采用调压阀代替调压井的水电站则是以水头在200 m左右，压力引水系统长度在7 000 m左右，单机在30～50 MW的水电站应用偏多。

3 KYET水电站调压阀选择

调压阀的主要作用是限制长引水系统水电站的水锤压力升高值。在机组甩负荷导叶快速关闭的同时，调压阀相应地打开泄流，待导叶关闭后，再缓慢关闭调压阀。这样，尽管通过水轮机的流量迅速减小，而引水管道内的流量变化却大大减缓，从而降低了水锤压力升高值。同时，由于导叶仍是快速关闭，使机组速率上升也限制在允许的范围内。

根据目前国内外水电站采用调压阀形式的情况，KYET电站选用节水型调压阀，通过计算45MW、20 MW机组对应调压阀选取型号分别为TFL 1 000/275，调压阀直径D=1 000 mm，最大行程：S=275 mm，最大下泄流量 27.03 m3/s；TFL700/175，调压阀直径D=700 mm，最大行程：S=175 mm，最大下泄流量12.713 m3/s。

表1 中国以调压阀代替调压井工程实例表

表2 国外以调压阀代替调压井工程实例表

4 KYET电站使用调压阀后存在的问题

4.1 运用调压阀的优越性及其缺陷

调压阀的优越性在于节约工程投资、缩短工期。其缺陷在于一旦调压阀故障拒动，对压力管道和机组的安全有重大影响，可能出现爆管或者机组飞逸事故。

（1）调压阀失灵拒动时，出现导叶快关、导叶慢关对压力管道及机组的影响

电站装机有3台调压阀，当其中1台卡阻拒动时，另外2台仍可对压力管道及机组起到保护作用。一旦3台调压阀全部拒动，导叶则自动切换到导叶慢关流程，不会出现导叶快关的情况，控制压力管道压力不超过设计值。同时导叶在慢关的过程中，机组可能达到较高的转速，但这一转速不会引起机组的损伤，因主机厂家保证，在最大飞逸转速下历时5 min安全运行，而不产生有害变形，且电站还具备多种保护措施，如蝶阀关闭等。

（2）调压阀阻卡拒动问题

调压阀采用防卡设计，阻塞物可随调压阀开启流入下游。

（3）调压阀采用与调速器联动时，其动作滞后对压力管道及机组的影响

调压阀动作滞后时间小于0.5 s，不会对机组及压力管道造成任何影响。

（4）压力钢管过压及负压的防止与保护

在理论上，压力钢管过压及负压的防止与保护可采取下列方法：

压力钢管过压的防止与保护：①根据调节保证计算结果合理选择调压阀的参数。②研究调压阀与导叶均拒动时动水关闭进水蝶阀的可能性及动水关闭进水蝶阀对压力管道和机组的影响。③可在主压力管道上另行装设泄压设施以保证压力管道的安全。

压力钢管负压的防止与保护：①在调节保证计算过程中以压力管道中的最小压力为+2 m水柱为边界条件，以保证压力管道中不产生负压。②根据调节保证计算结果在压力管道沿线可能产生负压的位置装设真空补气设施。

（5）设置调压阀后调节对象参数对电网一次调频特性影响

由于KYET水电站引水系统总长7 220 m，此时管道特性参数Tw值接近于12 s，Tw/Ta值45 MW机组为1.66，20 MW机组为2.39。

关于调频实验响应时间是否满足现行国家标准要求，在KYET水电站“以阀代井”专题研究阶段，目前国内相关知名专家通过对3台机组的仿真分析计算，结论表明：水流时间常数Tw大，对应的一次调频开始时的机组功率反调节数值大，与调速器积分增益K1对电网一次调频特性的影响相比，水流惯性时间常数Tw对电网一次调频特性的影响要小得多。这是因为从实质上看，电网的一次调频动态过程主要是一个对频率偏差的积分调节过程。由于引水系统水锤效应（水流惯性时间常数Tw），电网频率扰动后，机组功率产生了短时向下的反向调节，反向调节的峰值Pf与调速器比例增益Kp，水流惯性时间常数Tw的大小和接力器的开启或关闭速度（接力器开启时间Tg或接力器开启时间Tf）有关。引水系统水流时间常数Tw愈大，机组功率产生的反向调节峰值Pf愈大。对一次调频响应速度起决定作用的是Tw，即水流惯性的影响。通过计算表明满足DL/T1040电网运行准则等规程并不困难。

通过仿真分析，不同机组惯性时间常数Ta数值对应的机组功率特性是一样的，所以，机组惯性时间常数Ta对电网一次调频特性没有影响。

4.2调压阀在电站中运用的可靠性

调压阀与接力器串联液压联动系统，并设有特殊的容积差补偿功能，允许在导叶接力器与调压阀接力器有较大的容积差和不同的调节速度的情况下，也能够正常使用。水轮机接力器与调压阀同时受调速器的主配压阀控制，当机组甩较大负荷时，调速器快速开启，导叶则同步快速关闭，将机组空载以上的流量从调压阀排出。机组转速恢复正常时，调压阀缓慢关闭。从而保证电站引水管路的水压速率上升值在允许范围内。经过国内、外大量水电站得到实践验证，认为使用调压阀具有较高的可靠性。

5 KYET水电站机组及其控制系统设计、制造的若干措施

（1）机组设计应尽可能提高Ta值，以提高系统稳定性。

（2）调速器所有硬件，包括继电器、传感器等选用优质产品，以提高水轮机调节系统可靠性。为防止水轮机调节系统内环不稳定现象发生，调速器应特殊考虑，以可靠性为第一位，不追求死区性能指标。

（3）以专用固定节流孔方式实现Tf、Tg的整定，防止失误性调试造成事故隐患。

（4）立即开展带有水轮发电机功率校正器P=f(H,y)的按接力器开度为目标的一次调频系统的研发工作，并作为向业主的推荐实施方案。

（5）Cx、Cy、开度限制器等指令 0～100%全行程作用时间提高到50 s以上，认真研究长引水系统机组启动方式，以适应KYET水电站Tw高的特点。

（6）为确保系统稳定性，缓冲强度设计最大值取(bt)max=300%，缓冲时间常数设计最大值取(Td)max=30 s；

（7）作为技术储备，及时、认真研究带有调压阀的水轮机调节系统。

6 结语

使用调压阀相对于调压井存在一定的优越性，所以在国内外已有许多采用调压阀代替调压井的工程实例。但是目前尤其国内针对调压阀的研究还不够全面、且大部分设计中保守考虑调压阀拒动带来的影响。使用调压阀代替调压井的具体条件没有现行规范的要求，导致目前国内采用调压阀技术较为保守。

通过与国内外使用调压阀电站的比较，以及针对使用调压阀后电站存在的问题所采取的措施，笔者认为KYET水电站采用调压阀替代调压井在理论上是可行的。

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