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有關(guān)水電站設(shè)置全油壓控制調(diào)壓閥的探討
發(fā)布于：2019/11/27 9:12:11 點擊量：175
在水電站運行中，當水輪發(fā)電機組突然甩負荷時，調(diào)速器自動控制水輪機快速關(guān)閉導(dǎo)葉，壓力管道內(nèi)產(chǎn)生水壓和機組轉(zhuǎn)速上升。對于壓力引水管道較長的電站，改變導(dǎo)葉關(guān)閉時間，有時不能同時使壓力和轉(zhuǎn)速上升都控制在允許的范圍之內(nèi)。為時，通常采用設(shè)置調(diào)壓井或調(diào)壓閥等方法來解決壓力和轉(zhuǎn)速上升的矛盾，保證電站安全運行。但設(shè)置調(diào)壓井需要較大的投資和較長的工期，而有些電站限于地形、地質(zhì)條件，還難于建造調(diào)壓井，因此對于這一類中小型電站采用調(diào)壓閥方案具有較明顯的優(yōu)勢。
目前生產(chǎn)的全油壓控制TFW型調(diào)壓閥具有和導(dǎo)葉液壓聯(lián)動的特點，安全可靠、投資少、工期短等優(yōu)勢。從上個世紀80年代以來國內(nèi)已有近百座水電站設(shè)計中取消了調(diào)壓井，采用TFW型全油壓控制調(diào)壓閥，還沒有發(fā)生一起安全事故。浙江的金坑、宣平溪等水電站已經(jīng)安全運行了多年，即使是發(fā)達國家，如挪威在水電站中也大量使用調(diào)壓閥來代替調(diào)壓井(額定水頭為158m、單機容量60MW的TJΦRHM水電站就是一個例子)。 現(xiàn)就調(diào)壓閥的液壓原理、特點、過渡過程等作如下闡述。
1、全油壓控制調(diào)壓閥液壓原理
全油壓控制TFW型調(diào)壓閥基本動作是：快速開啟，緩慢關(guān)閉；小負荷變化時，調(diào)壓閥不動作；甩較大負荷時，調(diào)壓閥開啟，并具有導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的性能；增負荷時，調(diào)壓閥不起作用。 經(jīng)過改裝的調(diào)速器特殊主配壓閥和調(diào)壓閥的液壓控制系統(tǒng)，其特點是全部采用壓力油直接進行控制和操作，其液壓原理如下：
(1)機組負荷不變時。主配壓閥活塞在“平衡位置”，壓力油通過P1腔經(jīng)過節(jié)流閥A后進入調(diào)壓閥接力器關(guān)閉腔TG，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2。由于調(diào)壓閥關(guān)閉腔的壓力大于閥盤上的水推力，故調(diào)壓閥處于關(guān)閉位置。如果調(diào)壓閥本來已經(jīng)打開，就向關(guān)閉側(cè)運動。
(2)機組減少量負荷時(約機組額定出力的15％以內(nèi))。由于主配壓閥上移量較小，處于“減部分負荷”位置，僅有少量壓力油從P1腔經(jīng)節(jié)流閥A后進入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG腔而緩慢關(guān)閉導(dǎo)葉，調(diào)壓閥關(guān)閉腔壓力略微減少，但仍大于閥盤上的水推力，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2，故調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)。
(3)當機組瞬時甩較大負荷時(大于機組額定出力的15％以上)。主配壓閥活塞上移量較大，處于“甩較大負荷”位置，大量壓力油直接經(jīng)過TK腔進入調(diào)壓閥接力器開啟腔，調(diào)壓閥快速開啟，而調(diào)壓閥關(guān)閉腔TG與導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG連通，導(dǎo)葉接力器開啟腔JK通排油腔O2，導(dǎo)葉快速關(guān)閉。所以調(diào)壓閥快速開啟，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，兩者是協(xié)聯(lián)同步的，滯后時間為零。
(4)當機組增負荷時。主配壓閥活塞下移，處于“增負荷”位置，壓力油P1直接進入導(dǎo)葉接力器開啟腔中，調(diào)壓閥關(guān)閉腔壓力略微減少，但仍大于閥盤上的水推力，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2，故調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)。
(5)導(dǎo)葉兩段關(guān)閉裝置。在調(diào)壓閥開始快速開啟時，受節(jié)流閥C的限制，油壓迅速升高，油壓逆止閥開啟，調(diào)壓閥關(guān)閉腔TG的壓力油進入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG，多余的油量經(jīng)節(jié)流閥D回至調(diào)速器回油箱，故調(diào)壓閥開啟速度加快，提前開到限位環(huán)所限制的位置，此時導(dǎo)葉接力器未處于全關(guān)位置，只能通過少量來自節(jié)流閥A的壓力油緩慢關(guān)閉，從而起到導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉的功能。
(6)如果調(diào)壓閥失靈，機組只能通過節(jié)流閥A的少量壓力油慢速關(guān)閉，以保證引水管道壓力上升不超過允許值。
(7)各節(jié)流閥的作用。①節(jié)流閥A：整定調(diào)壓閥失靈時導(dǎo)葉慢關(guān)時間，也定了調(diào)壓閥的關(guān)閉時間；②節(jié)流閥C：整定油壓逆止閥的開啟壓力，以保證逆止閥迅速開啟；③節(jié)流閥D：整定導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的拐點位置。
2、調(diào)壓閥特性
國內(nèi)現(xiàn)有全油壓控制調(diào)壓閥按直徑和水頭共分7個品種，主要由四川夾江水工機械廠和重慶水輪機廠生產(chǎn)。
(1)結(jié)構(gòu)特點。TFW型調(diào)壓閥的本體帶導(dǎo)葉消能和補氣的閥殼、錐型或圓形的閥盤、平衡腔、接力器、引導(dǎo)油腔、活塞行程限制環(huán)、進排水管和補氣閥等組成。接力器及引導(dǎo)油腔直接與閥殼連成整體，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊。
(2)流量特性。根據(jù)調(diào)壓閥的閥塞類型和Yx/Dx值查詢單位流量Q1x′見表2，由此得到調(diào)壓閥的相應(yīng)流量Q＝，從而可以繪制出各種調(diào)壓閥的開度與流量關(guān)系曲線。
(3)操作特性。調(diào)壓閥最低操作油壓的范圍一般在1.3～2.0MPa之間，并隨著調(diào)壓閥工作水頭的提高而提高，最高的操作壓力一般為2.5MPa。
(4)布置要點。調(diào)壓閥的布置應(yīng)盡可能不增加機組間距和跨度，并與調(diào)速器、進水閥等協(xié)調(diào)布置。對于立式機組，一般布置在蝸殼進口前或蝸殼進口段上，對于臥式機組一般布置在水輪機進水閥后蝸殼進口前的鋼管上。調(diào)壓閥的泄流方式應(yīng)考慮消能效果，盡管水流通過調(diào)壓閥后消除了大部分能量，但仍應(yīng)考慮剩余能量的消除。
3、設(shè)置調(diào)壓閥電站的過渡過程
假定水輪機、調(diào)壓閥的流量與時間呈線性關(guān)系，而且互相匹配很好，因而整個引水系統(tǒng)的流量也呈線性關(guān)系變化。
3.1計算標準
（1）機組突甩負荷后，有關(guān)規(guī)范蝸殼最大壓力升高率按以下情況考慮：①額定水頭小于40m時，宜為70％～50％；②額定水頭在40～100m時，宜為50％～30％；③額定水頭大于100m時，宜小于30％。裝設(shè)調(diào)壓閥后，有條件將壓力升高控制在更小的升壓范圍內(nèi)，結(jié)合引水系統(tǒng)的設(shè)計和分段關(guān)閉裝置的現(xiàn)場調(diào)整，獲得較優(yōu)的關(guān)閉規(guī)律。
（2）機組甩負荷時轉(zhuǎn)速升高率按以下情況考慮：①當機組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔負調(diào)頻任務(wù)時，宜小于45％；②當機組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌摶蓵r，宜小于55％。 考慮到目前的允許轉(zhuǎn)速升高有提高的趨勢，建議裝設(shè)調(diào)壓閥后轉(zhuǎn)速升高率在計算時可按50％控制。
（3）機組突增負荷和甩部分負荷時，壓力下降應(yīng)保證在水庫死水位時整個壓力管道都有2m以上的正壓力余量。
3.2變量說明
除說明的變量之外，計算時仍需涉及到的變量如下： （1）Ts′：不考慮壓力升高，控制速率升高的情況下，機組全關(guān)閉時間； （2）β：允許的轉(zhuǎn)速升高率； （3）ζ：允許的壓力升高率； （4）QTM：允許機組減少的流量； （5）Yg：水輪機空載相對開度； （6）Yk：調(diào)壓閥全開時水輪機接力器相對開度。
3.3計算方法
(1)根據(jù)β求Ts′及調(diào)壓閥開啟時間Txk。計算Ts′與不設(shè)調(diào)壓閥時的方法一樣，可以根據(jù)《水電站機電設(shè)計手冊》(水力機械)中的有關(guān)公式計算。由此得到Txk＝(1－Yg)×Ts′。當采用導(dǎo)葉一段關(guān)閉規(guī)律時，Txk＝Ts′。
(2)根據(jù)ζ求水輪機慢關(guān)閉時間Tsm。計算Ts′與不設(shè)調(diào)壓閥時的方法一樣，可根據(jù)水錘相的特點，利用阿列維公式反算得到。
(3)計算機組允許的流量減少Q(mào)TM。按線性關(guān)系，調(diào)壓閥開始關(guān)閉前的時間為Txk＋Tp，而機組流量減少的速率允許值為(Txk＋Tp)／Tsm，因此，QTM＝(Txk＋Tp)／Tsm×QT。計算時，由于Tp的不確定性，采用QTM＝Txk／Tsm×QT簡化計算是安全的。
(4)計算調(diào)壓閥的泄放流量Qx及開度Yx。水輪機流量的減少和調(diào)壓閥泄流的增加導(dǎo)致引水系統(tǒng)的過流量變化，因此應(yīng)保證QTM≤QT－QX－Qg，由此得到調(diào)壓閥的泄放流量QTM。根據(jù)調(diào)壓閥的流量特性計算得到所需的開度Yx，并選擇調(diào)壓閥型號及參數(shù)。
(5)驗算機組增負荷造成的壓力下降。此時調(diào)壓閥不動作，計算時可按1臺機組從空載開度突增到全負荷的情況，計算方法與不設(shè)調(diào)壓閥的情況一樣，可根據(jù)有關(guān)設(shè)計手冊的公式計算壓降，從而確定合理的增負荷開機時間。
(6)驗算甩部分負荷時調(diào)壓閥仍全開時造成的壓力下降。①計算調(diào)壓閥全開時水輪機接力器開度：Yk＝(Tsm＋Txk－Ts)／Tsm；②根據(jù)機組接力器行程和導(dǎo)葉開度關(guān)系曲線查得導(dǎo)葉開度τ０，然后從轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線查得單位流量Q１′，計算水輪機流量QT＝Q１′×D12×H(1／2)；③根據(jù)調(diào)壓閥限制開度計算調(diào)壓閥全開流量：QＸ＝；④如果QＸ＞QT，則在起始段出現(xiàn)壓力下降：計算引水系統(tǒng)平均流速Ｖ、計算流速變化ΔV＝(QＸ－QT)×V／QT、計算導(dǎo)葉接力器從Yk開度開始關(guān)閉的時間Tk＝Y(jié)k×Ts′、計算管道特性系數(shù)ρ＝a×ΔV／(2×g×H)、σ＝L×ΔV／(g×H×Tk)，根據(jù)ρτ０判斷最大水錘出現(xiàn)的相序計算壓力下降。
(7)根據(jù)壓力下降計算成果確定是否需要優(yōu)化壓力管道的布置。
4、調(diào)壓閥的整定
調(diào)壓閥參數(shù)整定前，機組、調(diào)速器、油壓裝置及調(diào)壓閥設(shè)備應(yīng)全部安裝合格，并達到啟動試運行的要求后，根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算成果進行有關(guān)參數(shù)的整定。
(1)初調(diào)各節(jié)流閥至一定位置，模擬動作數(shù)次，排除管路中的空氣。
(2)切除調(diào)壓閥，調(diào)整節(jié)流閥A，整定導(dǎo)葉的慢關(guān)閉時間。
(3)投入調(diào)壓閥，調(diào)整節(jié)流閥D，整定兩段關(guān)閉的拐點位置。
(4)調(diào)整節(jié)流閥C，整定油壓逆止閥的啟動油壓。
(5)導(dǎo)葉快關(guān)閉時間和增負荷開機時間仍由特殊主配壓閥開口大小來整定。
5、結(jié)語
(1)由于全油壓控制TFW型調(diào)壓閥具有動作靈敏、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護方便、沒有滯后時間、投資少等優(yōu)點，因此自20世紀80年代以來，國內(nèi)已有近百座水電站在設(shè)計中取消了調(diào)壓井而采用TFW型含油壓控制調(diào)壓閥；即使發(fā)達國家的水電站中也大量采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井(挪威TJΦRHM水電站就是其中之一，該電站額定水頭為158m，單機容量為60MW)。
(2)由于本控制系統(tǒng)的調(diào)壓閥在負荷小擾動條件下不動作，而此類電站的水流慣性時間常數(shù)TW均較大，因此對于裝設(shè)調(diào)壓閥的電站，在選擇調(diào)速器時，其暫態(tài)反饋強度bt和緩沖時間常數(shù)Td及有關(guān)技術(shù)參數(shù)，要有盡可能大的可調(diào)范圍。
(3)由于機組流量特性和調(diào)壓閥流量特性不同，難以完全匹配一致，往往在導(dǎo)葉關(guān)閉起始時段和關(guān)閉結(jié)束時段發(fā)生壓力下降，因此合理選擇調(diào)壓閥和水輪機導(dǎo)葉的啟閉規(guī)律，使整個引水系統(tǒng)流量均勻變化，可以減少或避免壓力下降。
(4)對于高水頭電站的調(diào)壓閥可采用不銹鋼密封環(huán)，以提高止水效果和延長密封壽命，從而減少能源浪費。
(5)目前多數(shù)中小型調(diào)速器的操作油壓已經(jīng)提高到4～16MPa，計算機監(jiān)控系統(tǒng)也在大多數(shù)的水電站投入使用。為適應(yīng)這種變化，調(diào)壓閥也需作相應(yīng)的改進(如增設(shè)調(diào)壓閥行程信號裝置，參與到機組的運行控制中，防止調(diào)壓閥仍處于開啟狀態(tài)時機組增負荷)。
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