班查水电站调相系统设计关键要点优化

杨敦敏，刘正勇

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

班查水电站调相系统设计关键要点优化

杨敦敏，刘正勇

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文从设备选型设计、补气位置选择、液位开关及排水排气管路的优化等方面对越南班查水电站调相系统的设计进行了详细的介绍，并指出了设计过程中的优化要点。

调相；漏气量计算；补气位置；音叉式液位开关；要点优化

0 前 言

班查（BAN CHAT）水电站位于越南Lai Chau省Nam Mu河上，装设有2台混流式水轮发电机组，机组运行的最大水头、额定水头、最小水头分别为106.90 m、90.00 m、59.20 m，单机容量110 MW，总装机容量为220 MW。电站主要任务为发电、调峰和调频，调相运行要求实现3种运行工况，即发电－调相、调相－发电、调相－停机。项目于2012年12月竣工。

1 调相压缩空气系统设计基本情况

因考虑到本电站为中低水头容量较大的机组，且电站厂房可用空间有限，故确定选用7.0 MPa的高压气系统作为本站调相气源，以减小供气设备体积并确保系统的经济可靠性；同时，高压气源在越南多个项目有广泛的应用，实践证明其可靠性高。

1.1 计算基本数据

调相压缩空气系统设计计算基本数据如下：

下游最高尾水位：▽384.32 m；

下游正常尾水位：▽369.25 m；

下游最低尾水位：▽368.19 m；

调相运行期间尾水管内最低水位：▽357.65 m（由制造厂提供）；

调相运行期间尾水管压缩空气量Vd：58 m3（根据制造厂提供资料计算）；

计算工况：在下游最高尾水位（▽384.32 m）时机组进行调相运行。

1.2 现场气压计算（▽361.70 m高程）

式中 P0——标准气压；

Pa——现场气压。

1.3 调相运行期间尾水管气压计算

式中 Pz——调相时尾水内气压；

γ——现场水的比重；

ΔH——最高尾水位和调相运行时尾水管内最低尾水位高程差。

1.4 储气罐容积计算

考虑留有适当的裕量，选Vg＝4.0 m3的储气罐2只。

式中 Vg——储气罐容积；

η——利用系数，取0.70；

P1——储气罐初始压力，取工作空压机启动压力，即P1＝6.7×9.81＝65.727（kg／cm2）；

P2——向尾水管充气后储气罐终压力3.6kg／cm2，按比尾水管内压力2.608 3 kg／cm2高约1.0kg／cm2考虑。

1.5 调相期间尾水管漏气率计算

在调相期间，机组可能产生压水空气泄漏的部位很多，且漏气不可避免，但要精确计算尾水管的漏气量是很困难的，而合理计算选取调相运行期间尾水管的漏气量，不仅影响调相空压机的工作容量，更关系到调相作业成功与否。如选择的漏气量过大，则会匹配大容量的供气设备，这将可能导致设备的利用率降低，经济性较差，但如果选择的漏气量过小，则可能使供气设备持续工作，导致设备寿命缩短，甚至调相失败。故合理选择尾水管漏气量至关重要。

目前用一般采用的以下几个经验计算公式进行漏气量的选择：

（1）《水力机械设计手册》推荐公式：

式中 q1——漏气率，m3／min；

q1——Air leakage volume；

D1——转轮直径，m；

D1——Diameter of turbine runner。

（2）阿尔斯通公司推荐公式：

（3）伏依特公司推荐公式：

根据越南同奈3水电站、同奈4水电站及达克郡水电站调相运行的实际经验来看，手册推荐公式的计算值相对偏大，后两个经验公式的计算值更接近实际情况，故根据计算，漏气量按3.33 m3／min进行考虑。

1.6 空压机生产率计算

式中 Qk——空压机总生产率；

Z——按1台机组作调相运行考虑，Z＝1；

ΔT——储气罐恢复时间，ΔT＝90 min调相运行时2台空压机同时运行，则每台空压机生产率：

调相运行时2台空压机同时运行，所选V17／ 4518 L7型空压机的生产率为3.2 m3／min，满足设计要求。

1.7 调相储气罐及空压机的选择

根据上述计算，班查电站调相储气罐最终选用容积为4 m3、7.0 MPa的立式储气罐2只，空压机V17／4518 L7型2台（空冷），其生产率为3.2 m3／min、额定压力为7.0 MPa。

2 调相系统的关键点优化设计

2.1 补气位置的优化

水轮机调相作业时，通常的供气位置有以下两处：方法一为在顶盖上设置进气管，由上冠通过转轮的泄压孔及泄水锥向转轮室内进行供气压水；方法二为由尾水管进口处设置进气口对转轮室内进行供气压水，上述两种供气方式均有成功经验。

从本站来说，转轮室尺寸较大，初次压水体积大，如果采用顶盖进气，气流均需通过转轮的泄压孔及泄水锥进入转轮室，由于泄压孔孔径较小（φ50 mm），故将对气流产生阻滞作用，相当于减少了供气量，这将可能导致调相初期供气不足，不能迅速压低尾水位，使调相失败。故经过比较分析，本站采用尾水管进口处设置2根DN100的进气管，对称布置。

2.2 尾水位监测装置选型优化

用于机组调相运行的尾水位监测装置的选择至关重要，其能否准确反映机组尾水管液位的变化关系着机组调相运行的成功与否。以前电站很多均选择普通的浮球式液位开关，但在电站的实际运行中普遍反映不能准确及时反馈尾水管液位的变化，且其采用普通的电极，在运行一段时间后，由于电极结圬等原因导致水位电极不能接通，故需定期对其进行检修维护。

通过与元件厂家交流，厂家推荐采用一种名为音叉液位开关的新型限位开关。其工作原理为：音叉由晶体激励产生振动，当音叉被液体浸没时振动频率产生变化，这个频率变化由电子线路检测出来并输出一个开关量，通常又被称作“电子浮子”。凡使用浮球液位开关时由于结构、揣流、搅动、气泡、振动等原因导致不能使用浮球液位开关的场合均可使用“电子浮子”。“电子浮子”是浮球式液位开关的升级换代产品，具有适应性强、免于维护及不需调校的优点，被测液体不同的电参数、密度或是结垢、揣流、搅动、气泡、振动、中等粘度、高温、高压等恶劣条件对测量均无影响，同时由于音叉液位开关的检测过程由电子电路完成，无活动部件，一经安装投运便不需要维护及现场调校，安装方便。

在选用新型的音叉式液位开关的同时，为避免调相过程中转轮室的“风扇效应”及尾水水面的波动可能引起的假信号，通过在监控环节加入延时处理，以确保输出的液位信号是真实可靠的。

2.3 排气管路的设计优化

在调相完毕后，机组在转为其它状态前，需通过排气管路将转轮室中的空气排出，本电站机组调相排气口设置于顶盖上，气体经过泄水锥由排气管排出，排出管口高程位于最高尾水位之上，排气管总管管径为DN150，排气阀采用电动球阀，由监控系统自动控制。

在电站第一次进行调相充气压水试验时发现，压水的过程非常顺利，用时不到45s，尾水位就被压至设计水位，但是在压水结束进行排气时，发现尾水管内水位上升速度极慢，经过约2 h的等待，仍没有明显的变化。经过分析发现，由于厂房结构的原因，排气管路的布置有一小段下凹段，在初次进行充气压水时，部分水体进入排气管内，由于试验时尾水位较低，而排气管排出管口位置较高，故尾水管内气压不足以将排气管内的积水压出，形成水堵，故不能有效排气。据此情况，对排气管路进行了优化，在其最低处接一支排水排气管引入无压的渗漏集水井，支管上采用电动阀控制，在开始排气时，同时打开主排气电动阀及支管电动阀，待支管排水完毕，则可关闭支管电动阀，空气由主排气管排出。经现场试验，系统改造后的排气非常顺畅，历时约2 min就完成排气。

3 结 语

目前班查电站两台机组已全部投产，调相系统整体运行良好，设备及元器件的设计选型基本合理，值得同类电站借鉴。但对于该调相系统，仍有可以进一步改善的地方。如尾水管水位测量，本电站虽然采用了音叉式的开关，并对输出信号进行延时处理以保证信号的准确性，但影响该液位信号的因素很多，仅仅进行延时未必能完全排除各种干扰因素。现已有电站通过监视发电机有功消耗的变化取代液位开关来控制调相供气系统的动作，并取得了良好的效果。此方式可有效避免液位开关因各种干扰因素造成的误报，并且不需增加硬件设施。在班查电站后期的运行改造中，也可以采用此方式进行调相控制。

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1003－9805（2015）01－0020－03

2014－06－23

杨敦敏（1973－），男，湖北咸宁人，高级工程师，曾从事电站电机设备设计、安装及调试工作，现从事国际经营工作。