KYET水電站采用“以閥代井”的研究分析

劉 利

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 前言

KYET水電站為徑流式電站，電站裝機容量110 MW（2×45 MW＋1×20 MW），主要任務是發電。工程由攔河壩、洞室溢洪道、導流兼泄洪沖砂洞、發電引水系統、電站廠房（含水輪發電機組）、尾水渠等組成。

電站發電最大水頭173.46 m，最小水頭150.58 m，加權平均水頭165.23 m，額定水頭158.5 m，引水發電洞主管段總長7.2 km。

1 KYET水電站采用調壓閥的必要性

為限制壓力管道內壓力上升率和機組轉速上升率，在長有壓引水系統電站運行中，一般需要在壓力管道設置調壓井的方式解決引水系統壓力和轉速上升的矛盾，以保證電站安全運行。但是對KYET水電站工程而言，設置調壓井土建投資大，建設周期長，而且還受限于當地地質、地形條件，施工難度極大。若采用全油壓控制水輪機調壓閥代替調壓井方案，可大幅降低施工難度，提高工程施工期安全，節約投資，縮短工期。

2 目前國內外調壓閥使用調查

調壓閥早在20世紀30年代就已出現，解放前我國東北的鏡泊湖電站、廣東省的大隆洞電站和海南島東方電站均裝設從國外進口的調壓閥。國家水利電力部在1973年組成了“以閥代井”科學實驗研究小組，經過3年半的深入調查研究，在有關設計院、制造廠、高等院校和電站的共同努力下，解決了一系列調壓閥設計制造和“以閥代井”的水錘精確計算以及運行穩定等技術問題，建成了我國第一座長引水隧洞以調壓閥代替調壓井的龍源水電站。

通過對國內外調壓閥使用情況對比分析，目前國內使用調壓閥替代調壓井的工程以水頭在100 m左右，壓力隧洞和鋼管長度在1 000～2 000 m，單機容量在4 MW以下，單機流量在2～10 m3/s之間的電站偏多。

國外采用調壓閥代替調壓井的水電站則是以水頭在200 m左右，壓力引水系統長度在7 000 m左右，單機在30～50 MW的水電站應用偏多。

3 KYET水電站調壓閥選擇

調壓閥的主要作用是限制長引水系統水電站的水錘壓力升高值。在機組甩負荷導葉快速關閉的同時，調壓閥相應地打開泄流，待導葉關閉后，再緩慢關閉調壓閥。這樣，盡管通過水輪機的流量迅速減小，而引水管道內的流量變化卻大大減緩，從而降低了水錘壓力升高值。同時，由于導葉仍是快速關閉，使機組速率上升也限制在允許的范圍內。

根據目前國內外水電站采用調壓閥形式的情況，KYET電站選用節水型調壓閥，通過計算45MW、20 MW機組對應調壓閥選取型號分別為TFL 1 000/275，調壓閥直徑D=1 000 mm，最大行程：S=275 mm，最大下泄流量 27.03 m3/s；TFL700/175，調壓閥直徑D=700 mm，最大行程：S=175 mm，最大下泄流量12.713 m3/s。

表1 中國以調壓閥代替調壓井工程實例表

表2 國外以調壓閥代替調壓井工程實例表

4 KYET電站使用調壓閥后存在的問題

4.1 運用調壓閥的優越性及其缺陷

調壓閥的優越性在于節約工程投資、縮短工期。其缺陷在于一旦調壓閥故障拒動，對壓力管道和機組的安全有重大影響，可能出現爆管或者機組飛逸事故。

（1）調壓閥失靈拒動時，出現導葉快關、導葉慢關對壓力管道及機組的影響

電站裝機有3臺調壓閥，當其中1臺卡阻拒動時，另外2臺仍可對壓力管道及機組起到保護作用。一旦3臺調壓閥全部拒動，導葉則自動切換到導葉慢關流程，不會出現導葉快關的情況，控制壓力管道壓力不超過設計值。同時導葉在慢關的過程中，機組可能達到較高的轉速，但這一轉速不會引起機組的損傷，因主機廠家保證，在最大飛逸轉速下歷時5 min安全運行，而不產生有害變形，且電站還具備多種保護措施，如蝶閥關閉等。

（2）調壓閥阻卡拒動問題

調壓閥采用防卡設計，阻塞物可隨調壓閥開啟流入下游。

（3）調壓閥采用與調速器聯動時，其動作滯后對壓力管道及機組的影響

調壓閥動作滯后時間小于0.5 s，不會對機組及壓力管道造成任何影響。

（4）壓力鋼管過壓及負壓的防止與保護

在理論上，壓力鋼管過壓及負壓的防止與保護可采取下列方法：

壓力鋼管過壓的防止與保護：①根據調節保證計算結果合理選擇調壓閥的參數。②研究調壓閥與導葉均拒動時動水關閉進水蝶閥的可能性及動水關閉進水蝶閥對壓力管道和機組的影響。③可在主壓力管道上另行裝設泄壓設施以保證壓力管道的安全。

壓力鋼管負壓的防止與保護：①在調節保證計算過程中以壓力管道中的最小壓力為+2 m水柱為邊界條件，以保證壓力管道中不產生負壓。②根據調節保證計算結果在壓力管道沿線可能產生負壓的位置裝設真空補氣設施。

（5）設置調壓閥后調節對象參數對電網一次調頻特性影響

由于KYET水電站引水系統總長7 220 m，此時管道特性參數Tw值接近于12 s，Tw/Ta值45 MW機組為1.66，20 MW機組為2.39。

關于調頻實驗響應時間是否滿足現行國家標準要求，在KYET水電站“以閥代井”專題研究階段，目前國內相關知名專家通過對3臺機組的仿真分析計算，結論表明：水流時間常數Tw大，對應的一次調頻開始時的機組功率反調節數值大，與調速器積分增益K1對電網一次調頻特性的影響相比，水流慣性時間常數Tw對電網一次調頻特性的影響要小得多。這是因為從實質上看，電網的一次調頻動態過程主要是一個對頻率偏差的積分調節過程。由于引水系統水錘效應（水流慣性時間常數Tw），電網頻率擾動后，機組功率產生了短時向下的反向調節，反向調節的峰值Pf與調速器比例增益Kp，水流慣性時間常數Tw的大小和接力器的開啟或關閉速度（接力器開啟時間Tg或接力器開啟時間Tf）有關。引水系統水流時間常數Tw愈大，機組功率產生的反向調節峰值Pf愈大。對一次調頻響應速度起決定作用的是Tw，即水流慣性的影響。通過計算表明滿足DL/T1040電網運行準則等規程并不困難。

通過仿真分析，不同機組慣性時間常數Ta數值對應的機組功率特性是一樣的，所以，機組慣性時間常數Ta對電網一次調頻特性沒有影響。

4.2調壓閥在電站中運用的可靠性

調壓閥與接力器串聯液壓聯動系統，并設有特殊的容積差補償功能，允許在導葉接力器與調壓閥接力器有較大的容積差和不同的調節速度的情況下，也能夠正常使用。水輪機接力器與調壓閥同時受調速器的主配壓閥控制，當機組甩較大負荷時，調速器快速開啟，導葉則同步快速關閉，將機組空載以上的流量從調壓閥排出。機組轉速恢復正常時，調壓閥緩慢關閉。從而保證電站引水管路的水壓速率上升值在允許范圍內。經過國內、外大量水電站得到實踐驗證，認為使用調壓閥具有較高的可靠性。

5 KYET水電站機組及其控制系統設計、制造的若干措施

（1）機組設計應盡可能提高Ta值，以提高系統穩定性。

（2）調速器所有硬件，包括繼電器、傳感器等選用優質產品，以提高水輪機調節系統可靠性。為防止水輪機調節系統內環不穩定現象發生，調速器應特殊考慮，以可靠性為第一位，不追求死區性能指標。

（3）以專用固定節流孔方式實現Tf、Tg的整定，防止失誤性調試造成事故隱患。

（4）立即開展帶有水輪發電機功率校正器P=f(H,y)的按接力器開度為目標的一次調頻系統的研發工作，并作為向業主的推薦實施方案。

（5）Cx、Cy、開度限制器等指令 0～100%全行程作用時間提高到50 s以上，認真研究長引水系統機組啟動方式，以適應KYET水電站Tw高的特點。

（6）為確保系統穩定性，緩沖強度設計最大值取(bt)max=300%，緩沖時間常數設計最大值取(Td)max=30 s；

（7）作為技術儲備，及時、認真研究帶有調壓閥的水輪機調節系統。

6 結語

使用調壓閥相對于調壓井存在一定的優越性，所以在國內外已有許多采用調壓閥代替調壓井的工程實例。但是目前尤其國內針對調壓閥的研究還不夠全面、且大部分設計中保守考慮調壓閥拒動帶來的影響。使用調壓閥代替調壓井的具體條件沒有現行規范的要求，導致目前國內采用調壓閥技術較為保守。

通過與國內外使用調壓閥電站的比較，以及針對使用調壓閥后電站存在的問題所采取的措施，筆者認為KYET水電站采用調壓閥替代調壓井在理論上是可行的。

[1]孔昭年.水輪機控制系統的設計與計算[M].武漢：長江出版社，2012.

[2]魏守平.水輪機調節系統仿真[M].武漢：華中科技大學出版社，2011.

[3]孔昭年，田忠祿，王思文，等.阿勒泰水電站“以閥代井”研究[J].水電站機電技術，2016（01）.

[4]水電站機電設計手冊水力機械[M].

[5]中國水利水電科學研究院，天津電氣科學研究院有限公司，水利部新疆水利水電勘測設計研究院.新疆KYET水電站“以閥代井”研究報告[R].