調壓閥-爆破膜裝置在調保中的應用研究

封曉輝，申世吉

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春130021）

調壓閥-爆破膜裝置在調保中的應用研究

封曉輝，申世吉

（吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林長春130021）

對于長管引水式水電站，為滿足其調節保證的要求，結合某電站的輸水系統布置特點，提出采用調壓閥-爆破膜作為調保措施的方案，并對調壓閥直徑的選定和爆破膜基本參數確定、優化等問題進行了計算分析，以確保電站的穩定運行。

水電站；調節保證；調壓閥；爆破膜

1 工程概況

某長引水式水電站裝機容量2×4.32mW，額定流量4.078m3/s，額定水頭234.8m，轉動慣量G D2=5.0 t·m2，水輪機型號HL***-WJ-92。電站輸水系統布置圖如圖1所示。管路特性參數見表1。

圖1 電站輸水系統布置示意圖（單位:m）

表1 當量化后的管路特性參數

結合該電站的特征參數，并根據水力發電廠機電設計規范（DL/T5186-2004）［1］，提出該電站的調保計算控制條件:

（1）機組轉速最大上升率≤60.0%；

（2）蝸殼最大壓力升高率≤30%，即為328m；

（3）輸水道全線洞頂的最小內水壓力＞2m；

（4）壓力管道中最大真空度≤8m。

2 計算目的及原理

水電站運行過程中，由于各種原因，機組突然與系統解離或突然全甩負荷，致使機組轉速突然大幅度升高，引水管道中的壓力也急速上升，將對電站的引水系統和機組產生破壞作用。為此，在水電站設計中，為了保證機組正常運行，必須要進行調保計算。在調節保證計算中，限制水力壓力的升高和機組轉速的升高是相互制約的。在無法滿足同時限制壓力和轉速上升要求時，則需要采用調保措施，滿足兩者要求。

目前在水電站設計中，所采用的調保措施比較多，包括增加機組的轉動慣量、設置調壓室、縮短引水管道的長度、增大引水管道斷面以及減少管內流速等。這些措施常常受地形、地質條件的影響或者投資較大、施工困難等因素的制約，難以施行。綜合目前國內外幾種調保措施得出，調壓閥-爆破膜裝置作為水電站的調保措施是一個值得推薦的方案，其不受地形地質、投資、風險等因素影響，并且經濟效益明顯［2-3］。

調壓閥-爆破膜裝置作為調節保證措施的基本原理:機組正常運行時，引水管內壓力平穩，調壓閥處于關閉狀態。當甩負荷時，引水管內發生水錘，壓力上升超過調壓閥整定值，調壓閥開啟，泄放一定的流量，限制了水錘壓力的上升，由于此時通過水輪機的流量減少，因而也減少了機組的剩余流量，限制了機組的轉速上升。如果調壓閥損壞、壓力超過整定值其仍未動作或者調壓閥泄流量不夠情況下，引水系統壓力將繼續升高，達到爆破膜的整定壓力，爆破膜爆破，水流噴出，同樣起到保護作用。一般情況下爆破膜的爆破整定壓力比調壓閥的正常工作時產生的壓力值高，這樣才能保證正常情況下調壓閥動作，而爆破膜不啟爆。

3 計算結果及分析

3.1 調壓閥設置

調壓閥的過流量［4］:水錘計算的正、負特征線方程［5］:

式中:τ為調壓閥開度；Q11為單位流量，HA（t）、HB（t）、QA（t）、QB（t）分別為A、B邊在t時刻的瞬態水頭和瞬態流量。結合（1）、（2）、（3），即可獲得閥前壓力、閥后壓力、過閥流量3個未知量。

3.1.1 調壓閥與機組啟閉規律

導葉及調壓閥的啟閉規律對引水系統的水錘壓強與機組轉速上升率的大小影響較大，它決定于調速系統特性，而且在一定范圍內是可調的，因此采用合理的啟閉規律可以降低水錘壓強與限制機組轉速升高，且不需要額外增加電站機組投資，是一種經濟有效的措施。對調壓閥和機組導葉聯動的啟閉規律進行了優化，優化后蝸殼最大壓力升高率≤18%，即為297m，其它指標不變，即機組的轉輪GD2=5.0t·m2，調壓閥動作時機組轉速最大上升率應在≤60%，尾水管進口真空度≤8m。見表2。

表2 調壓閥與機組聯合啟閉規律

3.1.2 調壓閥的直徑

調壓閥直徑關系到其開啟時的過流量，理論上調壓閥的直徑越大則系統的降壓效果越好，但調壓閥的直徑過大，造價加大，其泄流能力加大，過高的流速除可能帶來高速水流的氣蝕與消能問題外，在發生單臺機甩負荷的事故情況下，大部分水流從調壓閥流走，從而將導致同一水力單元的另外一臺機組出力出現較大下降，產生較嚴重的水力干擾，由此可能發生相繼甩負荷事故。故較優的調壓閥直徑應滿足:

（1）最小閥徑應滿足導葉關閉、調壓閥開啟時不會產生過大的壓力上升；

（2）最大閥徑應滿足導葉關閉、調壓閥開啟時系統總流量不產生過大的增加，即事故前后系統總流量近似相等。詳見表3。

表3 不同調壓閥直徑方案對比

圖2 調壓閥直徑0.35m、啟閉規律為3時蝸殼末端-調壓閥前壓力及機組相對轉速變化過程線

由表2、3及圖2可知，調壓閥直徑取0.30m時，蝸殼末端壓力超過整定值；直徑取0.40m時，泄流量過大，均不能滿足調保要求及直徑優化原則。調壓閥直徑選取0.35m，啟閉規律為3時，調壓閥直徑優化原則（1）、（2）及調保要求均能滿足，蝸殼末端最大壓力及最大轉速上升率均有一定的富裕度，魯棒性很好。

3.2 爆破膜設置

3.2.1 爆破膜計算原理

爆破膜金屬膜片的爆破壓力、膜片材質、厚度、片數和直徑等參數，可根據引水系統和機組所允許的壓力和轉速閾值，通過對輸水系統過渡過程進行計算來確定。在計算中，每片爆破膜膜片啟爆后的排量，按薄壁小孔口出流公式［6］計算:QB=， 式中，μ為流量系數，取值一般在0.58至0.62之間；FB為膜片爆破面積（m2）；H為作用在爆破膜孔口的水壓力（米水柱）。另外，爆破膜膜片直徑不宜過大，片數不宜過少，以免膜片爆破時壓力下降過大而產生負壓。此外，爆破膜還應有不同壓力控制等級的備用片數，以策安全。

3.2.2 爆破膜直徑、數量及排列方式

（1）單個爆破膜爆破

單個爆破膜相關參數計算結果見表4。

表4 單個爆破膜直徑優化結果

根據小孔出流計算公式選擇直徑大的膜徑，出流量大，導致管道前端負壓難以控制，故不能采用；直徑0.15m的爆破膜，雖泄流能力不足，但造成的負壓均可控，轉速最大上升率又可以通過降低爆破壓力整定值實現，蝸殼末端最大壓力的降低可通過多次爆破增加排量來實現。因此，本文提出兩個或者多個爆破膜相繼爆破的方案，理論上可行。

（2）多個爆破膜爆破

多個爆破膜爆破的計算結果見表5。

表5 多個爆破膜爆破計算結果

兩個爆破膜相繼爆破時較單個爆破蝸殼末端壓力及最大轉速上升率有了明顯的改善，見表4，以膜后球閥開度限制泄流量來保證管道內負壓滿足條件，由于泄流量被球閥開度限制，由表4計算方案對比可知爆破方案1、2總的泄流量仍不足以把蝸殼末端壓力控制至調保壓力控制標準以下，方案3爆破膜相繼啟爆時，球閥開度在45～95%之間調節，蝸殼末端壓力、轉速最大上升率及管道中負壓等均能控制在調保參數控制標準內，滿足要求。

圖3 三膜徑0.15m爆破膜爆破蝸殼末端壓力及機組相對轉速變化過程線（球閥開度95%）

三爆爆破方式:1#爆破膜先爆破，3#爆破膜再爆破，2#爆破膜最后爆破，由于是對稱結構，爆破次序無影響，采用并聯對稱結構利于控制和爆破后換膜片的方便，如圖4。

圖4 三個爆破膜排列布置示意圖

4 結語

（1）對于某長管引水式電站，結合該電站的輸水系統布置特點及經濟、技術上的要求，對其水力過渡過程進行計算，采用調壓閥-爆破膜作為調保措施的方案能夠較好的滿足電站的調保要求。

（2）通過計算及分析確定該電站的調壓閥直徑。通過對比演算對爆破膜的直徑、數量、排列方式的確定進行了一系列優化，以確定爆破膜參數來確保電站的穩定運行，其結論對一些中小型水電站的具有借鑒意義。

［1］DL/T5186-2004.水輪機發電廠機電設備規范［S］.

［2］胡沛成，倪福生.水電站用爆破膜代替調壓井的過渡過程和工程措施［J］.河海大學常州分校學報，1999，13（04）:2-5.

［3］Peicheng H，Pusheng Z，ElkouH A F.ReliEf Valve and SafeTy Mem-brane Arrangement in Lieu of Surge Tank，Journal of Energy Engi-neering［J］，ASCE，Augus T1989，115（02）:78-83.

［4］馬世波，張健，劉亞寧，等.中小型水電站調節保證措施研究［J］.水電能源科學，2008，26（03）:170-171.

［5］Wylie E B，STreeTer V L，Suo Lisheng.Fluid Transient in SysTems［M］.EnGLewood Cliffs:PrenTice Hall，1993.

［6］劉建軍，章寶華.流體力學［M］.北京:北京大學出版社，2006.

圖4 EH4深埋隧洞二維反演電阻率圖

根據圖4的電性參數特征，可以看出剖面上部視電阻率值基本在50～150，下部視電阻率值≥250，我們取視電阻率值等于150的等值線作為劃分覆蓋層與基巖界線的基準，則粗黑線上方推斷為覆蓋層，下方推斷為基巖。由圖可見剖面小樁號覆蓋層較薄，最淺處約15m，大樁號的附近覆蓋層較厚，最大厚度趨近200m，其中在樁號830～1050處有一相對凹陷形態，推斷該覆蓋層厚度較大。覆蓋層下方，基巖頂板線高程整體呈現小樁號高，大樁號低的特性，樁號0～700段視電阻率等值線形態較平緩，表明巖性穩定性較好；樁號700～1100段等值線形態不規則，比較錯亂，表明巖性穩定性較差；樁號1100～2000段等值線成層性較好，表明巖性穩定性較好。整個剖面覆蓋層以及基巖頂板線具體分布情況見圖4。

另外，根據視電阻率等值線密集和橫向斜率形態突變情況，結合大范圍的低電阻率值區，推斷在剖面樁號830至1110處有斷裂構造發育、巖體破碎、傾向大樁號一側，傾角較陡。

4 結語

通過本次高頻大地電磁工作，完成深埋隧道軸線縱剖面1條，通過對成果資料的綜合分析解釋，初步查明了深埋隧道軸線剖面的巨厚覆蓋層分布情況，并提示在剖面有斷裂構造發育，反映了該方法技術在深埋隧道探測巨厚覆蓋層分布和確定斷層位置的有效性。在實際應用中，對于50～500m的覆蓋層，EH4探測效果較好，但由于天然場的一段高頻信號較弱，造成小于50m的覆蓋層探測效果不明顯。為取得較好的反演成果，采集原始數據時，使用人工場補充天然場弱信號段，遠離干擾區（高壓線、電線、火車軌道、公路等），從而提高勘探精度。

參考文獻

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［2］劉恒祥，郝忠友.深厚覆蓋層的探查［J］.水利技術監督，2014（01）:39-42.

［3］張雪.花隧洞開挖中斷層和透水層的處理方法［J］.水利技術監督，2013（01）:46-49.

［4］陳樂壽，劉任，王天生.大地電磁測深資料處理與解釋［M］.北京:石油工業出版社，1989.

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TV735

B

1672-2469（2015）10-0082-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.26

封曉輝（1987年—），男，助理工程師。