班查水電站調相系統設計關鍵要點優化

楊敦敏，劉正勇

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

班查水電站調相系統設計關鍵要點優化

楊敦敏，劉正勇

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文從設備選型設計、補氣位置選擇、液位開關及排水排氣管路的優化等方面對越南班查水電站調相系統的設計進行了詳細的介紹，并指出了設計過程中的優化要點。

調相；漏氣量計算；補氣位置；音叉式液位開關；要點優化

0 前 言

班查（BAN CHAT）水電站位于越南Lai Chau省Nam Mu河上，裝設有2臺混流式水輪發電機組，機組運行的最大水頭、額定水頭、最小水頭分別為106.90 m、90.00 m、59.20 m，單機容量110 MW，總裝機容量為220 MW。電站主要任務為發電、調峰和調頻，調相運行要求實現3種運行工況，即發電－調相、調相－發電、調相－停機。項目于2012年12月竣工。

1 調相壓縮空氣系統設計基本情況

因考慮到本電站為中低水頭容量較大的機組，且電站廠房可用空間有限，故確定選用7.0 MPa的高壓氣系統作為本站調相氣源，以減小供氣設備體積并確保系統的經濟可靠性；同時，高壓氣源在越南多個項目有廣泛的應用，實踐證明其可靠性高。

1.1 計算基本數據

調相壓縮空氣系統設計計算基本數據如下：

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；

調相運行期間尾水管內最低水位：▽357.65 m（由制造廠提供）；

調相運行期間尾水管壓縮空氣量Vd：58 m3（根據制造廠提供資料計算）；

計算工況：在下游最高尾水位（▽384.32 m）時機組進行調相運行。

1.2 現場氣壓計算（▽361.70 m高程）

式中 P0——標準氣壓；

Pa——現場氣壓。

1.3 調相運行期間尾水管氣壓計算

式中 Pz——調相時尾水內氣壓；

γ——現場水的比重；

ΔH——最高尾水位和調相運行時尾水管內最低尾水位高程差。

1.4 儲氣罐容積計算

考慮留有適當的裕量，選Vg＝4.0 m3的儲氣罐2只。

式中 Vg——儲氣罐容積；

η——利用系數，取0.70；

P1——儲氣罐初始壓力，取工作空壓機啟動壓力，即P1＝6.7×9.81＝65.727（kg／cm2）；

P2——向尾水管充氣后儲氣罐終壓力3.6kg／cm2，按比尾水管內壓力2.608 3 kg／cm2高約1.0kg／cm2考慮。

1.5 調相期間尾水管漏氣率計算

在調相期間，機組可能產生壓水空氣泄漏的部位很多，且漏氣不可避免，但要精確計算尾水管的漏氣量是很困難的，而合理計算選取調相運行期間尾水管的漏氣量，不僅影響調相空壓機的工作容量，更關系到調相作業成功與否。如選擇的漏氣量過大，則會匹配大容量的供氣設備，這將可能導致設備的利用率降低，經濟性較差，但如果選擇的漏氣量過小，則可能使供氣設備持續工作，導致設備壽命縮短，甚至調相失敗。故合理選擇尾水管漏氣量至關重要。

目前用一般采用的以下幾個經驗計算公式進行漏氣量的選擇：

（1）《水力機械設計手冊》推薦公式：

式中 q1——漏氣率，m3／min；

q1——Air leakage volume；

D1——轉輪直徑，m；

D1——Diameter of turbine runner。

（2）阿爾斯通公司推薦公式：

（3）伏依特公司推薦公式：

根據越南同奈3水電站、同奈4水電站及達克郡水電站調相運行的實際經驗來看，手冊推薦公式的計算值相對偏大，后兩個經驗公式的計算值更接近實際情況，故根據計算，漏氣量按3.33 m3／min進行考慮。

1.6 空壓機生產率計算

式中 Qk——空壓機總生產率；

Z——按1臺機組作調相運行考慮，Z＝1；

ΔT——儲氣罐恢復時間，ΔT＝90 min調相運行時2臺空壓機同時運行，則每臺空壓機生產率：

調相運行時2臺空壓機同時運行，所選V17／ 4518 L7型空壓機的生產率為3.2 m3／min，滿足設計要求。

1.7 調相儲氣罐及空壓機的選擇

根據上述計算，班查電站調相儲氣罐最終選用容積為4 m3、7.0 MPa的立式儲氣罐2只，空壓機V17／4518 L7型2臺（空冷），其生產率為3.2 m3／min、額定壓力為7.0 MPa。

2 調相系統的關鍵點優化設計

2.1 補氣位置的優化

水輪機調相作業時，通常的供氣位置有以下兩處：方法一為在頂蓋上設置進氣管，由上冠通過轉輪的泄壓孔及泄水錐向轉輪室內進行供氣壓水；方法二為由尾水管進口處設置進氣口對轉輪室內進行供氣壓水，上述兩種供氣方式均有成功經驗。

從本站來說，轉輪室尺寸較大，初次壓水體積大，如果采用頂蓋進氣，氣流均需通過轉輪的泄壓孔及泄水錐進入轉輪室，由于泄壓孔孔徑較小（φ50 mm），故將對氣流產生阻滯作用，相當于減少了供氣量，這將可能導致調相初期供氣不足，不能迅速壓低尾水位，使調相失敗。故經過比較分析，本站采用尾水管進口處設置2根DN100的進氣管，對稱布置。

2.2 尾水位監測裝置選型優化

用于機組調相運行的尾水位監測裝置的選擇至關重要，其能否準確反映機組尾水管液位的變化關系著機組調相運行的成功與否。以前電站很多均選擇普通的浮球式液位開關，但在電站的實際運行中普遍反映不能準確及時反饋尾水管液位的變化，且其采用普通的電極，在運行一段時間后，由于電極結圬等原因導致水位電極不能接通，故需定期對其進行檢修維護。

通過與元件廠家交流，廠家推薦采用一種名為音叉液位開關的新型限位開關。其工作原理為：音叉由晶體激勵產生振動，當音叉被液體浸沒時振動頻率產生變化，這個頻率變化由電子線路檢測出來并輸出一個開關量，通常又被稱作“電子浮子”。凡使用浮球液位開關時由于結構、揣流、攪動、氣泡、振動等原因導致不能使用浮球液位開關的場合均可使用“電子浮子”。“電子浮子”是浮球式液位開關的升級換代產品，具有適應性強、免于維護及不需調校的優點，被測液體不同的電參數、密度或是結垢、揣流、攪動、氣泡、振動、中等粘度、高溫、高壓等惡劣條件對測量均無影響，同時由于音叉液位開關的檢測過程由電子電路完成，無活動部件，一經安裝投運便不需要維護及現場調校，安裝方便。

在選用新型的音叉式液位開關的同時，為避免調相過程中轉輪室的“風扇效應”及尾水水面的波動可能引起的假信號，通過在監控環節加入延時處理，以確保輸出的液位信號是真實可靠的。

2.3 排氣管路的設計優化

在調相完畢后，機組在轉為其它狀態前，需通過排氣管路將轉輪室中的空氣排出，本電站機組調相排氣口設置于頂蓋上，氣體經過泄水錐由排氣管排出，排出管口高程位于最高尾水位之上，排氣管總管管徑為DN150，排氣閥采用電動球閥，由監控系統自動控制。

在電站第一次進行調相充氣壓水試驗時發現，壓水的過程非常順利，用時不到45s，尾水位就被壓至設計水位，但是在壓水結束進行排氣時，發現尾水管內水位上升速度極慢，經過約2 h的等待，仍沒有明顯的變化。經過分析發現，由于廠房結構的原因，排氣管路的布置有一小段下凹段，在初次進行充氣壓水時，部分水體進入排氣管內，由于試驗時尾水位較低，而排氣管排出管口位置較高，故尾水管內氣壓不足以將排氣管內的積水壓出，形成水堵，故不能有效排氣。據此情況，對排氣管路進行了優化，在其最低處接一支排水排氣管引入無壓的滲漏集水井，支管上采用電動閥控制，在開始排氣時，同時打開主排氣電動閥及支管電動閥，待支管排水完畢，則可關閉支管電動閥，空氣由主排氣管排出。經現場試驗，系統改造后的排氣非常順暢，歷時約2 min就完成排氣。

3 結 語

目前班查電站兩臺機組已全部投產，調相系統整體運行良好，設備及元器件的設計選型基本合理，值得同類電站借鑒。但對于該調相系統，仍有可以進一步改善的地方。如尾水管水位測量，本電站雖然采用了音叉式的開關，并對輸出信號進行延時處理以保證信號的準確性，但影響該液位信號的因素很多，僅僅進行延時未必能完全排除各種干擾因素?，F已有電站通過監視發電機有功消耗的變化取代液位開關來控制調相供氣系統的動作，并取得了良好的效果。此方式可有效避免液位開關因各種干擾因素造成的誤報，并且不需增加硬件設施。在班查電站后期的運行改造中，也可以采用此方式進行調相控制。

TV734

B

1003－9805（2015）01－0020－03

2014－06－23

楊敦敏（1973－），男，湖北咸寧人，高級工程師，曾從事電站電機設備設計、安裝及調試工作，現從事國際經營工作。