烏茲別克斯坦某水電站以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的研究

孫劍峰，李亞鴿，周同旭，安亞臣，盧三春

（1.東方電氣集團(tuán)國際合作公司，四川 成都611731，2.天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津300180）

1 概述

為保證電站運行安全，對長有壓引水系統(tǒng)的水電站，通常采用調(diào)壓閥或者調(diào)壓井解決水壓上升和機組速率上升的問題。但是設(shè)置調(diào)壓井面臨破壞植被、不利于環(huán)保、土建工程量大、資金投入大的問題；由于地形、地質(zhì)條件的限制，某些電站建造調(diào)壓井非常困難；對于部分舊電站，原調(diào)壓井根本無法擴建以適應(yīng)電站增容改造之需求等。

烏茲別克斯坦卡姆奇克（Kamchik）小型水電站位于烏茲別克斯坦共和國納曼干州阿漢加蘭河上，為引水式發(fā)電站。該電站是東方電氣積極落實國家“一帶一路”倡議，以綠色動力驅(qū)動中國和世界經(jīng)濟發(fā)展的典型案例。電站額定水頭93 m，Tw值為13.14 s，引水系統(tǒng)長度共3 735 m，其中壓力鋼管3 576 m，由取水口、引水管路、發(fā)電廠房、尾水、開關(guān)站等組成，共安裝2臺立式10.5 MW的立式水輪發(fā)電機組（大機）和2臺2.75 MW臥式水輪發(fā)電機組（小機），詳細(xì)機組參數(shù)如表1所示。由于當(dāng)?shù)赝临|(zhì)疏松，不適合設(shè)置調(diào)壓井，東方電氣采用天津電氣科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的2臺DN700和2臺DN400的彎管式調(diào)壓閥代替調(diào)壓井。

2 調(diào)壓閥的選型計算

表1 機組參數(shù)

根據(jù)電站設(shè)計要求，按照蝸殼允許最大壓力升高率ξ≤30%，機組最大轉(zhuǎn)速上升率β≤50%的要求，對調(diào)壓閥進(jìn)行選型計算。

2.1 機組快關(guān)機時間TS

大機組快關(guān)機時間TS計算：

式中：c—水錘壓力影響系數(shù)；

NT—水輪機出力；

GD2—機組轉(zhuǎn)動慣量；

n0—機組額定轉(zhuǎn)速；

nr—水輪機飛逸轉(zhuǎn)速。

由以上計算公式，求得KTS=6.92，通過查計算水錘曲線（圖 1所示），取K=0.86，因此，得出TS=8.05 s；根據(jù)以上計算方法，得出小機組快關(guān)機時間TS=3.87 s。

圖1 計算水錘用的曲線

2.2 機組慢關(guān)機時間TSS

管道特性系數(shù)hw：

當(dāng)hw＞1.5時，為末相水錘。按照斯巴爾（Sparre）公式：

根據(jù)機組快關(guān)時間TS、慢關(guān)時間TSS和帶有調(diào)壓閥系統(tǒng)的仿真計算結(jié)果的綜合分析，選用調(diào)壓閥型號為TFL700/235，調(diào)壓閥直徑D=700 mm，最大行程S=235 mm，小機組調(diào)壓閥直徑D=400 mm，最大行程S=200 mm，調(diào)壓閥的布置如圖2和圖3所示。

3 電站的過渡過程計算

根據(jù)天津電氣科學(xué)研究院和中國水利水電科學(xué)研究院共同開發(fā)的《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)過渡過程計算分析軟件》，對烏茲別克斯坦卡姆奇克水電站單臺機組進(jìn)行了甩100%負(fù)荷、開機啟動以及系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的仿真計算：

圖2 大機組調(diào)壓閥布置圖

圖3 小機組調(diào)壓閥布置圖

（1）大機組單臺甩100%負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉時間為7 s，調(diào)壓閥打開時間為7 s時，壓力上升18.8%，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升48.6%，機組進(jìn)入小波動后，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖4所示。

圖4 大機甩100%負(fù)荷

（2）機組啟動時，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所用時間53 s，壓力上升14.5%，壓力下降19%，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升3.0%，如圖5所示。

圖5 大機開機啟動

（3）小機組單臺甩100%負(fù)荷，導(dǎo)葉關(guān)閉時間為4 s，調(diào)壓閥打開時間為4 s時，壓力上升5.0%，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升44.5%，機組進(jìn)入小波動后，系統(tǒng)穩(wěn)定，如圖6所示。

圖6 小機甩100%負(fù)荷

（4）小機組啟動時，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所用時間23 s，壓力上升3.6%，壓力下降4.5%，發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升2.0%，如圖7所示。

圖7 小機開機啟動

通過過渡過程仿真計算，機組轉(zhuǎn)速上升、水壓上升、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速擺動值及調(diào)節(jié)時間均滿足GB/T9652和IEC60308《水輪機調(diào)速系統(tǒng)試驗國際規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定要求。

天津電氣科學(xué)研究院有限公司研制的調(diào)壓閥及其液壓連鎖控制系統(tǒng)，其調(diào)速器控制調(diào)壓閥采用特殊主配壓閥控制，在機組甩負(fù)荷過程中，調(diào)速器控制關(guān)閉水輪機導(dǎo)葉與調(diào)速器控制調(diào)壓閥開啟，具有機械液壓協(xié)聯(lián)及閉鎖功能，即調(diào)速器通過高油壓特殊主配壓閥控制，導(dǎo)葉關(guān)閉與調(diào)壓閥開啟成液壓協(xié)聯(lián)同步控制。當(dāng)調(diào)壓閥拒動時，調(diào)速器特殊主配壓閥控制系統(tǒng)應(yīng)由快關(guān)轉(zhuǎn)為慢關(guān)，以保證引水管道的水壓上升不超過鋼管要求規(guī)定值。

4 結(jié)語

采用以調(diào)壓閥代替調(diào)壓井技術(shù)，解決了烏茲別克斯坦卡姆奇克水電站因地質(zhì)環(huán)境等因素不利于建造調(diào)壓井的困難，同時節(jié)省了土建工程量和建設(shè)投資，在施工安全上和在生態(tài)安全性上具有明顯的優(yōu)勢。

通過對調(diào)壓閥的選型計算和帶有調(diào)壓閥系統(tǒng)的過渡過程計算的綜合對比分析，完全可以使用調(diào)壓閥來代替調(diào)壓井對水輪機機組進(jìn)行調(diào)節(jié)，機組轉(zhuǎn)速上升、水壓上升、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速擺動值及調(diào)節(jié)時間均滿足要求。