水电站调压阀调节原理

                       水电站调压阀调节原理

                       上海申弘阀门有限公司

之前介绍减压阀入口压力小于设定值，现在介绍水电站调压阀调节原理为保证工程安全并降低造价,中小型引水式水电站多采用调压阀作为调节保证措施,调压阀直径的确定不仅直接影响工程投资,且涉及到系统的平压效果。通过分析不同运行工况、水道系统大压力上升值、机组转速上升率、事故甩负荷导叶关闭时间等多种因素对调压阀直径的影响,提出了合理的调压阀直径选取需满足的原则,并结合某电站调压阀直径的优化计算,验证了理论分析提出的原则。

在水电站运行过程中，为改善水锤现象，降低由机组突然甩负荷、水轮机导叶快速关闭带来的管道压力升高和转速上升值，通常会采取设置调压室的方式。但对一些中小型的长引水式电站，设置调压室可能受地形、地质等条件限制，同时需投入大量的人力和资金，因此需考虑其他调节保证措施来满足此类水电站的稳定运行。采用造价优廉的调压阀是中小型引水式电站中一种有效的调节保证措施。从20世纪80年代起，我国开始在长引水式电站中采用“以阀代井”的调节保证措施。湖南龙源电站是我国*座采用调压阀代替调压井的试点电站，该电站压力引水管道总长1950m，设计水头83m，3台水轮机装设我国自行研制的TFW-400型调压阀。之后云南西洱河二级电站、贵州白水河一级电站、广西长滩河水电站等亦采用调压阀作为调节保证措施，有效降低了管道的压力升高值，确保了输水系统的安全，使电站运行稳定。但在以往的调压阀计算中，通常采用经验公式计算确定调压阀的直径，本文则通过水力过渡过程的计算，分析了调压阀的直径选取和优化问题，为中小型引水式水电站采用“以阀代井”的调保措施提供了理论依据与设计方法。

1、水电站调压阀调节原理调压阀直径优化原理
调压阀的工作原理为调压阀与机组受同一调速器控制，在机组突甩负荷时，水轮机导叶快速关闭，同时调压阀开启，泄放机组由于导叶关闭而减少的过流量，待导叶*关闭后，调压阀再以能保证允许管道压力上升值的速度缓慢关闭。调压阀启闭的非恒定流过渡过程可采用特征线法计算，其边界条件见图1。
水轮机调节的主要目的是当阻抗力矩变化时能保证机组转数为恒定。它可以通过自动调速器将机组开至相应的开度,以适应此瞬间的负荷值。当负荷增加时相对的增 加其流量.调流调压阀又称活塞式多功能控制阀，因其具有多种控制功能（如水位控制功能、减压控制功能、持压泄压控制功能、流量控制功能等），能起到无气蚀、无紊流、无振动、耐泥沙等作用，故在当今大型给水工程中广泛应用，例如长江三峡左岸电站工程、黄河小浪底水电站水利枢纽工程、内蒙古华电包头第二热电厂给水工程、太原市城市供水管网调流调压工程等。下面将对其应用原理、应用指标、应用现状、应用前景进行讨论。
1 调流调压阀的应用原理
调流调压阀主要由阀体、活塞、活塞导轨、内置曲柄滑块机构、密封、内部零件等组成。主要采用曲柄滑块带动活塞运动，在阀体内部形成轴向对称的环形流道，并有效地控制流通面积，形成从入口到出口截面为递减的流道，从而使流体的流速渐升，并通过圆周方向上的多孔，向管路中心方向形成射流对撞，从而达到消能减压、调节流量的目的。其具体结构见图1。
中小型引水式水电站调压阀尺寸优化
图1 调压阀边界条件

调压阀进、出口断面C+、C-特征线相容性方程均成立，分别为：

中小型引水式水电站调压阀尺寸优化
其中中小型引水式水电站调压阀尺寸优化式中，Hp1、Hp2分别为调压阀进、出口断面的测压管水头;Cp、Bp、CM、BM为前一时刻t-Δt的已知量(t为时间，Δt为时间步长);Qp为调压阀的过流量;αp为调压阀的过流系数，表示不同开度下通过调压阀的单位流量;D为调压阀的直径;ΔHp为调压阀的水头损失。



将式(1)～(4)联立求解，可得：

中小型引水式水电站调压阀尺寸优化
将式(5)代入式(1)、(2)即可求出Hp1、Hp2的值。

由式(5)可知，调压阀在某一相对开度下的过流量为其直径的单调递增函数，说明调压阀直径越大，其过流量也越大。

当全部机组同时突甩负荷时，调压阀直径越大，可通过的过流量也越大，在机组导叶快速关闭、调压阀同时开启的过程中，机组转速和水道系统压力上升值越能得到好的控制。但在调压阀关闭过程中，过大的流量可能会造成管道压力出现新一波的上升，若第二波压力上升过大则可能超过允许的控制标准。图2为某电站调压阀直径分别为0.3、0.5m时全部机组甩负荷工况下的蜗壳压力变化过程线。由图可看出，相对于调压阀直径0.3m的情况，调压阀直径0.5m时*波蜗壳压力并未上升，但由于调压阀直径过大，第二波压力远大于*波，与上述分析一致。若要降低第二波的压力上升值，则需加长调压阀的关闭时间，而在更长的关闭时间中，更多的水流从调压阀流走，亦增加了系统的水能损失。

中小型引水式水电站调压阀尺寸优化


图2 某电站蜗壳压力变化过程线

当同一水力单元的部分机组突甩负荷时，若调压阀的直径过大，过多的流量将从调压阀流走，使受干扰的正常运行机组出力出现较大下降，由此可能发生相继甩负荷事故。

由以上分析可知，调压阀直径大小受运行工况、转速、水锤压力和造价等多方面因素的影响，因此选择调压阀直径时需综合考虑。调压阀直径的选取需满足以下两点原则：①小的调压阀直径应保证机组快速关闭时转速上升率和*波水锤压力满足调保要求;②大的调压阀直径应满足调压阀全开时的流量与机组额定流量基本相同，同时保证调压阀关闭时产生的第二波水锤压力亦满足调保要求。



2、算例分析
某引水式水电站有压力输水系统，采用“一洞两机”的布置方式，装机容量为2×2.1MW，额定水头123.4m，压力管道直径1.8m，装设两台水轮机，水轮机的额定流量为1.966m3/s，额定出力为2.21MW，额定转速为1000r/min。由于该电站引水道较长、流量较小，且投资较少，因此拟采用调压阀作为调节保证措施。电站输水系统布置见图3，总引水道长约4100m，每台机组设置一个调压阀。

中小型引水式水电站调压阀尺寸优化


图3 电站输水系统布置简图(单位：m)根据相关规范选取本电站的调保计算控制标准为机组大转速升高率≤50%，设置调压阀时蜗壳大压力升高率一般取为0.15～0.20，在该电站计算中，取调压阀正常工作时蜗壳大压力升高率为0.175，即蜗壳大压力控制值为153.509m。

2.1、全部机组甩负荷工况
选取出现蜗壳大压力的工况(大水头下两台机同时突甩负荷，机组导叶正常关闭)为工况1，在工况1下取调压阀直径分别为0.2、0.3、0.4、0.5m进行计算，得到相应的蜗壳末端压力、机组转速上升率及机组和调压阀的流量变化。机组—调压阀联动的启闭规律选为：机组导叶以15s一段直线规律关闭，同时调压阀以15s一段直线规律开启，达到全开并滞后10s后，调压阀再以180s一段直线规律关闭。表1为不同调压阀直径时的蜗壳末端大压力、机组大转速上升率、机组大引用流量和调压阀大泄流量，图4为不同调压阀直径下蜗壳末端压力变化过程线。



表1 工况1下不同调压阀直径计算结果

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上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,水减压阀由表1、图4可看出：①调压阀直径为0.2m时，由于调压阀直径过小，导致调压阀泄流能力不足，并未起到很好的降压效果，在机组导叶关闭结束时刻，蜗壳末端出现大压力为171.06m，超过调保控制标准，机组转速上升率也较大。②调压阀直径为0.5m时，机组转速上升得到了很好的控制，同时蜗壳末端压力在机组导叶关闭过程中几乎未上升，反而有很大的下降，初的降压效果很好，但由于调压阀直径过大，导致系统总流量增加过大，单个调压阀大泄流量达4.072m3/s，在调压阀关闭结束时刻，蜗壳末端新一波的压力上升到大，远超过了*波的大压力，超出了调保控制标准。③调压阀直径为0.3m时，机组导叶关闭过程中系统总流量基本保持不变，蜗壳压力上升较小，且调压阀关闭过程中蜗壳压力变化很小，蜗壳压力变化过程线围绕初始压力小幅度震荡，第二波水锤压力与*波基本一致。④调压阀直径为0.4m时，机组转速上升率较低，虽第二波压力超过*波，但蜗壳末端大压力仍控制在允许范围内。因此，从全部机组甩负荷工况结果看，调压阀直径为0.3、0.4m时，机组转速和水锤压力均能得到控制。



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图4 不同调压阀直径时蜗壳末端大压力、机组相对转速和系统总流量变化过程线活塞式泄压阀是湘潭中基电站辅机制造有限公司开发的产品。广泛地应用于管道、压力容器的过压保护。在管道或压力容器压力过载时，自动释放过载部分介质流体，使其压力保持在安全值的范围内。ZJA46H型活塞式泄压阀经多年的电站运行证明：该产品性能可靠，耐用度高，受到了用户的好评。 
    技术特点 
    ◎全活塞式结构,安全可靠； 
    ◎泄压范围大（泄压流量大）； 
    ◎起跳反应灵敏、回座及时； 
    ◎运动控制部分为刚性结构、性能可靠； 
    ◎使用寿命长；能依据压力过载量自动控制排放量、保压性能好； 
    ◎双反馈控制系统，工况可靠性高（选装）； 
    ◎具有机械和电控强制排放装置，以防出现**故障（选装）。 

2.2、单台机组甩负荷工况
选取1台机组突然甩负荷的工况为工况2，在工况2下取调压阀直径分别为0.2、0.3、0.4、0.5m进行水力干扰计算，得到不同调压阀直径下机组的力矩变化情况，分别见表2、图5。机组—调压阀启闭规律同全部机组甩负荷工况。

表2 工况2下不同调压阀直径计算结果



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图5 不同调压阀直径时正常工作机组相对力矩变化过程线

由表2、图5可看出：①调压阀直径为0.2m时，调压阀直径较小，致使正常工作机组的力矩上升较大，大力矩上升率达19.0%。②调压阀直径为0.4、0.5m时，由于调压阀直径过大，在甩负荷机组导叶关闭、调压阀开启过程中大部分水流从该调压阀流走，正常工作的机组受到了较大的扰动，出现较大的力矩下降(大力矩下降率分别达20.5%、44.8%)。因此，选择直径为0.3m的调压阀较为合适。通过上述两个工况的计算分析表明，该电站选用直径为0.3m的调压阀作为调节保证措施为合适，这样可在机组导叶快速关闭时，保证机组转速上升和压力上升均满足调节保证要求。

3、结语
分析了影响调压阀直径大小的多种因素，提出了合理的调压阀直径需满足的两个原则，确保了调压阀关闭时产生的第二波水锤压力亦满足调保要求。并结合某电站调压阀直径的优化计算，验证了理论分析提出的原则。该原则同样适用于任何采用调压阀作为调节保证措施的中小型引水式电站，可供调压阀直径的优化设计参考。与本产品相关论文：水轮机减压阀