温泉水电站调压阀的初步选择

李 阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概 述

水电站运行中，当电站机组非正常情况下停止发电，很快会引起机组转子飞逸，长时间飞逸会引发机组共振，导致主轴弯曲、转子与定子发生碰撞等事故损毁水轮机组；更严重的会造成电站进水冲毁，发生重大生命财产损失。所以一旦机组发生飞逸，调速器控制程序会迅速关闭导叶，防止水轮机组长时间飞逸。但对于压力引水管道较长的电站，突然快速关闭导叶，会导致引水管道系统压力上升并产生巨大的水锤，破坏引水管道系统及水轮机组，所以水电站一般设置调压井抑制水锤产生，并设置进水阀、调压阀、爆破膜等安全设备避免上述类似事故的发生。

一般情况下，设置调压井需要较大的投资和较长的工期，而有些电站限于地形、地质条件，还难于建造调压井；因此对于这一类型电站，通过科学的“水力过渡过程计算”改用调压阀 “以阀代井”的方案具有节省工程投资、缩短工程建设周期的优势。

2 调压阀特点

调压阀安装在水轮机进水阀前，机组甩负荷时在导叶快速关闭的同时调压阀开启，从而多余的流量从调压阀排出，直至机组关闭后再缓慢关闭调压阀。目前市场上较多采用全油压控制型调压阀的系统，调压阀的开启和导叶的快速关闭均由同一主配压阀控制，形成串联油路，而非采用自动化元件协联调压阀及导叶接力器动作。控制系统的设计包括主配压阀、操作油路等，调压阀全油压控制系统的特点如下。

(1)机组甩负荷时，能快速开启调压阀和快速关闭水轮机导叶，限制机组转速上升和压力管道中水压上升。

(2)正常的开机、停机、增减负荷等操作时，调压阀处于关闭状态。

(3)当在小波动状态或正常增减负荷时，调压阀处于关闭位置，调速器控制导叶正常操作。

(4)调压阀开启与水轮机导叶接力器快关过程同步。当甩负荷和事故停机时，导叶关闭，同时调压阀开启，并开至最大开度。当机组恢复空载状态后，调压阀恢复关闭状态。

(5)调压阀的最快开启时间不大于3.5 s，关闭时间在2.5～120 s范围可调。

(6)当调压阀拒动时，控制系统控制水轮机导叶慢关，慢关时间在2.5～120 s范围内可调，以确保引水系统的压力升高不超过允许值。

(7)调压阀和导叶开关规律可根据调节保证计算结果整定，各个节流装置固定可靠，不会随意变动。

(8)指令信号按规定形势变化，调压阀接力器滞后时间不大于0.2 s。

(9)参数可调，适应不同电站的调节保证要求。

3 电站概况

温泉水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏地区拜城县境内，工程坝址位于卡普斯浪河上，距离出山口上游27 km，距木扎提河汇合口约65.6 km，距拜城县县城约48 km。温泉水利枢纽工程是卡普斯浪河上的控制性工程，水库正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相应库容4 772万m3，死水位1 855 m，死库容567万m3，兴利库容4 205 万m3，设计洪水位1 900.2 m，校核洪水位1 903.7 m，总库容5 364万m3。电站装机容量24 MW，多年平均年发电量0.86亿kW·h，装机年利用小时数3 580 h。

温泉水电站的发电引水系统采用一管四机的供水方式。压力输水系统由进水塔、引水隧洞、压力钢管、岔管、压力钢支管、进水阀、水轮机蜗壳、尾水管等组成。整个引水系统总长603.445 m，其中引水隧洞段长416 m，上平硐直径3.5 m，下平硐直径4.0 m。发电引水系统ΣL=570 m，ΣLV=2 350 m2/s，管道平均流速v0=4.12 m/s，发电洞的设计流量为52.40 m3/s。根据过渡过程分析计算导叶直线关闭时间9 s，水流惯性时间常数Tw=4.39 s，机组惯性时间常数Ta=3.18 s，Tw/Ta=1.37，转速最大上升率βmax=58%，蜗壳最大压力值=151.19 m。

4 电站基本参数

电站水轮机为卧轴混流式水轮机，最大水头99.60 m，最小水头49.10 m，额定水头54.50 m，额定出力6.35 MW，额定流量52.40 m3/s，额定转速428.60 r/min，飞逸转速1 079.72 r/min。

发电机采用卧轴结构，额定功率6.0 MW，额定容量7.5 MVA，功率因数0.80，额定电压10.5 kV，额定转速428.60 r/min，飞逸转速1 079.72 r/min，转动惯量40 t.m2。

5 调压阀选型计算

5.1 计算原则

装设调压阀电站的调节保证计算主要是根据压力引水系统所允许的压力上升值、压力下降值、机组的转速上升值，确定水轮发电机组的调节参数，选用合适的调压阀并确定其参数。具体来说，就是根据压力引水系统所允许压力上升值和已知机组速率上升值，选择调压阀的直径、行程，确定机组的快关时间；并根据允许的压力下降值来校核压力引水系统各部分是否会出现负压现象。

5.2 过渡过程分析计算

本次计算控制值为速率上升值β≤50%，压力上升值ζ≤50%。经计算：发电引水系统ΣL=570 m，ΣLV=2 350 m2/s，管道平均流速v0=4.12 m/s，水流惯性时间常数Tw=4.39 s，机组惯性时间常数Ta=3.18 s，机组快关机时间为Ts(见图1)。

图1 导叶和调压阀关闭过程曲线

计算按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为水锤压力影响系数；c为水轮机飞逸特性影响系数；β为速率上升值，取50%；ξ为压力上值，取50%。

由以上计算公式求得KTS=4.94，通过查取计算水锤曲线图(见图2)，取K=0.68。

图2 计算水锤曲线

因此，得出：

调压阀拒动时，机组慢关机时间及管道特性系数为(平均压力波速a≈1 000 m/s)：

调压阀下泄流量Qx：

调压阀型号：

根据计算的调压阀下泄流量Qx，选用弯管调压阀，行程S按0.25 DN计算时，流速系数取0.58；在水头54.5 m下,调压阀的进口流速：

选取标准系列直径为800 mm的弯管调压阀。调压阀行程按0.25 DN计算，则行程为200 mm。

根据计算结果，调压阀选型为TFL800WG—200，调压阀直径为800 mm，最大行程为200 mm。

在考虑调压阀型式上，选择立式调压阀(见图3)，具体特点如下：

图3 立式调压阀

6 调保计算结果

通过计算表明，温泉水电站水轮机调节系统在机组启动、空载扰动、带负荷及在额定水头和最高水头甩负荷等典型过渡过程中均稳定，满足有关要求。

(1)4台机组同时甩100%负荷(4 s)

导叶快关时间：4 s;调压阀开启时间：4 s；调压阀关闭时间：30 s;最大压力上升Hmax=130.0 m(上升30.5%); 最大转速上升Xmax=620.6 r/min(上升44.8%)(见图4)。

图4 4台机组同时甩100%负荷计算(4 s)

(2)4台机组同时甩负荷时，4台调压阀拒动(导叶关闭时间30 s)

当调压阀拒动时，调压阀接力器下腔的油不能被挤压，因此只有经节流的压力油经主配压阀进入导叶关闭腔，导叶只能慢速关闭(暂定关闭时间30 s)，保护引水系统的安全。

导叶关闭时间：30 s;最大压力上升Hmax=131.5 m(上升32%); 最大转速上升Xmax=788.6 r/min(上升84%)(见图5)。

图5 4台机组同时甩负荷时，4台调压阀拒动(导叶关闭时间30 s)

综上所述，调压阀开启时间4 s，导叶关闭时间4 s；调压阀关闭时间30 s(暂定)，调压阀拒动，导叶关闭时间30 s(暂定)。机组安装完成现场试验，可根据现场具体情况调整时间常数，保证调保达到最优效果。

7 结 语

温泉水利枢纽工程的建设，是卡普斯浪河流域防洪减灾、促进地区经济社会发展的需要。根据温泉水电站基本参数，结合水轮发电机组相关数据对调压阀选型进行了相关计算，最终确定了机组对应调压阀的型号。