為保證工程安全并降低造價(jià),中小型引水式水電站多采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施,調(diào)壓閥直徑的確定不僅直接影響工程投資,且涉及到系統(tǒng)的平壓效果。通過分析不同運(yùn)行工況、水道系統(tǒng)最大壓力上升值、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率、事故甩負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間等多種因素對(duì)調(diào)壓閥直徑的影響,提出了合理的調(diào)壓閥直徑選取需滿足的原則,并結(jié)合某電站調(diào)壓閥直徑的優(yōu)化計(jì)算,驗(yàn)證了理論分析提出的原則。

　　在水電站運(yùn)行過程中，為改善水錘現(xiàn)象，降低由機(jī)組突然甩負(fù)荷、水輪機(jī)導(dǎo)葉快速關(guān)閉帶來的管道壓力升高和轉(zhuǎn)速上升值，通常會(huì)采取設(shè)置調(diào)壓室的方式。但對(duì)一些中小型的長(zhǎng)引水式電站，設(shè)置調(diào)壓室可能受地形、地質(zhì)等條件限制，同時(shí)需投入大量的人力和資金，因此需考慮其他調(diào)節(jié)保證措施來滿足此類水電站的穩(wěn)定運(yùn)行。采用造價(jià)優(yōu)廉的調(diào)壓閥是中小型引水式電站中一種有效的調(diào)節(jié)保證措施。從20世紀(jì)80年代起，我國(guó)開始在長(zhǎng)引水式電站中采用“以閥代井”的調(diào)節(jié)保證措施。湖南龍?jiān)措娬臼俏覈?guó)第一座采用調(diào)壓閥代替調(diào)壓井的試點(diǎn)電站，該電站壓力引水管道總長(zhǎng)1950m，設(shè)計(jì)水頭83m，3臺(tái)水輪機(jī)裝設(shè)我國(guó)自行研制的TFW-400型調(diào)壓閥。之后云南西洱河二級(jí)電站、貴州白水河一級(jí)電站、廣西長(zhǎng)灘河水電站等亦采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施，有效降低了管道的壓力升高值，確保了輸水系統(tǒng)的安全，使電站運(yùn)行穩(wěn)定。但在以往的調(diào)壓閥計(jì)算中，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定調(diào)壓閥的直徑，本文則通過水力過渡過程的計(jì)算，分析了調(diào)壓閥的直徑選取和優(yōu)化問題，為中小型引水式水電站采用“以閥代井”的調(diào)保措施提供了理論依據(jù)與設(shè)計(jì)方法。

1、調(diào)壓閥直徑優(yōu)化原理

　　調(diào)壓閥的工作原理為調(diào)壓閥與機(jī)組受同一調(diào)速器控制，在機(jī)組突甩負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)葉快速關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥開啟，泄放機(jī)組由于導(dǎo)葉關(guān)閉而減少的過流量，待導(dǎo)葉完全關(guān)閉后，調(diào)壓閥再以能保證允許管道壓力上升值的速度緩慢關(guān)閉。調(diào)壓閥啟閉的非恒定流過渡過程可采用特征線法計(jì)算，其邊界條件見圖1。

圖1 調(diào)壓閥邊界條件

　　調(diào)壓閥進(jìn)、出口斷面C+、C-特征線相容性方程均成立，分別為：

　　其中

　　式中，Hp1、Hp2分別為調(diào)壓閥進(jìn)、出口斷面的測(cè)壓管水頭;Cp、Bp、CM、BM為前一時(shí)刻t-Δt的已知量(t為時(shí)間，Δt為時(shí)間步長(zhǎng));Qp為調(diào)壓閥的過流量;αp為調(diào)壓閥的過流系數(shù)，表示不同開度下通過調(diào)壓閥的單位流量;D為調(diào)壓閥的直徑;ΔHp為調(diào)壓閥的水頭損失。

　　將式(1)～(4)聯(lián)立求解，可得：

　　將式(5)代入式(1)、(2)即可求出Hp1、Hp2的值。

　　由式(5)可知，調(diào)壓閥在某一相對(duì)開度下的過流量為其直徑的單調(diào)遞增函數(shù)，說明調(diào)壓閥直徑越大，其過流量也越大。

　　當(dāng)全部機(jī)組同時(shí)突甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥直徑越大，可通過的過流量也越大，在機(jī)組導(dǎo)葉快速關(guān)閉、調(diào)壓閥同時(shí)開啟的過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速和水道系統(tǒng)壓力上升值越能得到好的控制。但在調(diào)壓閥關(guān)閉過程中，過大的流量可能會(huì)造成管道壓力出現(xiàn)新一波的上升，若第二波壓力上升過大則可能超過允許的控制標(biāo)準(zhǔn)。圖2為某電站調(diào)壓閥直徑分別為0.3、0.5m時(shí)全部機(jī)組甩負(fù)荷工況下的蝸殼壓力變化過程線。由圖可看出，相對(duì)于調(diào)壓閥直徑0.3m的情況，調(diào)壓閥直徑0.5m時(shí)第一波蝸殼壓力并未上升，但由于調(diào)壓閥直徑過大，第二波壓力遠(yuǎn)大于第一波，與上述分析一致。若要降低第二波的壓力上升值，則需加長(zhǎng)調(diào)壓閥的關(guān)閉時(shí)間，而在更長(zhǎng)的關(guān)閉時(shí)間中，更多的水流從調(diào)壓閥流走，亦增加了系統(tǒng)的水能損失。

圖2 某電站蝸殼壓力變化過程線

　　當(dāng)同一水力單元的部分機(jī)組突甩負(fù)荷時(shí)，若調(diào)壓閥的直徑過大，過多的流量將從調(diào)壓閥流走，使受干擾的正常運(yùn)行機(jī)組出力出現(xiàn)較大下降，由此可能發(fā)生相繼甩負(fù)荷事故。

　　由以上分析可知，調(diào)壓閥直徑大小受運(yùn)行工況、轉(zhuǎn)速、水錘壓力和造價(jià)等多方面因素的影響，因此選擇調(diào)壓閥直徑時(shí)需綜合考慮。調(diào)壓閥直徑的選取需滿足以下兩點(diǎn)原則：①最小的調(diào)壓閥直徑應(yīng)保證機(jī)組快速關(guān)閉時(shí)轉(zhuǎn)速上升率和第一波水錘壓力滿足調(diào)保要求;②最大的調(diào)壓閥直徑應(yīng)滿足調(diào)壓閥全開時(shí)的流量與機(jī)組額定流量基本相同，同時(shí)保證調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的第二波水錘壓力亦滿足調(diào)保要求。

2、算例分析

　　某引水式水電站有壓力輸水系統(tǒng)，采用“一洞兩機(jī)”的布置方式，裝機(jī)容量為2×2.1MW，額定水頭123.4m，壓力管道直徑1.8m，裝設(shè)兩臺(tái)水輪機(jī)，水輪機(jī)的額定流量為1.966m3/s，額定出力為2.21MW，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。由于該電站引水道較長(zhǎng)、流量較小，且投資較少，因此擬采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施。電站輸水系統(tǒng)布置見圖3，總引水道長(zhǎng)約4100m，每臺(tái)機(jī)組設(shè)置一個(gè)調(diào)壓閥。

圖3 電站輸水系統(tǒng)布置簡(jiǎn)圖(單位：m)

　　根據(jù)相關(guān)規(guī)范選取本電站的調(diào)保計(jì)算控制標(biāo)準(zhǔn)為機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率≤50%，設(shè)置調(diào)壓閥時(shí)蝸殼最大壓力升高率一般取為0.15～0.20，在該電站計(jì)算中，取調(diào)壓閥正常工作時(shí)蝸殼最大壓力升高率為0.175，即蝸殼最大壓力控制值為153.509m。

2.1、全部機(jī)組甩負(fù)荷工況

　　選取出現(xiàn)蝸殼最大壓力的工況(最大水頭下兩臺(tái)機(jī)同時(shí)突甩負(fù)荷，機(jī)組導(dǎo)葉正常關(guān)閉)為工況1，在工況1下取調(diào)壓閥直徑分別為0.2、0.3、0.4、0.5m進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的蝸殼末端壓力、機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率及機(jī)組和調(diào)壓閥的流量變化。機(jī)組—調(diào)壓閥聯(lián)動(dòng)的啟閉規(guī)律選為：機(jī)組導(dǎo)葉以15s一段直線規(guī)律關(guān)閉，同時(shí)調(diào)壓閥以15s一段直線規(guī)律開啟，達(dá)到全開并滯后10s后，調(diào)壓閥再以180s一段直線規(guī)律關(guān)閉。表1為不同調(diào)壓閥直徑時(shí)的蝸殼末端最大壓力、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率、機(jī)組最大引用流量和調(diào)壓閥最大泄流量，圖4為不同調(diào)壓閥直徑下蝸殼末端壓力變化過程線。

表1 工況1下不同調(diào)壓閥直徑計(jì)算結(jié)果

　　由表1、圖4可看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m時(shí)，由于調(diào)壓閥直徑過小，導(dǎo)致調(diào)壓閥泄流能力不足，并未起到很好的降壓效果，在機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉結(jié)束時(shí)刻，蝸殼末端出現(xiàn)最大壓力為171.06m，超過調(diào)保控制標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率也較大。②調(diào)壓閥直徑為0.5m時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升得到了很好的控制，同時(shí)蝸殼末端壓力在機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉過程中幾乎未上升，反而有很大的下降，最初的降壓效果很好，但由于調(diào)壓閥直徑過大，導(dǎo)致系統(tǒng)總流量增加過大，單個(gè)調(diào)壓閥最大泄流量達(dá)4.072m3/s，在調(diào)壓閥關(guān)閉結(jié)束時(shí)刻，蝸殼末端新一波的壓力上升到最大，遠(yuǎn)超過了第一波的最大壓力，超出了調(diào)保控制標(biāo)準(zhǔn)。③調(diào)壓閥直徑為0.3m時(shí)，機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉過程中系統(tǒng)總流量基本保持不變，蝸殼壓力上升較小，且調(diào)壓閥關(guān)閉過程中蝸殼壓力變化很小，蝸殼壓力變化過程線圍繞初始?jí)毫π》�度震蕩，第二波水錘壓力與第一波基本一致。④調(diào)壓閥直徑為0.4m時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率較低，雖第二波壓力超過第一波，但蝸殼末端最大壓力仍控制在允許范圍內(nèi)。因此，從全部機(jī)組甩負(fù)荷工況結(jié)果看，調(diào)壓閥直徑為0.3、0.4m時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速和水錘壓力均能得到控制。

圖4 不同調(diào)壓閥直徑時(shí)蝸殼末端最大壓力、機(jī)組相對(duì)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)總流量變化過程線

2.2、單臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷工況

　　選取1臺(tái)機(jī)組突然甩負(fù)荷的工況為工況2，在工況2下取調(diào)壓閥直徑分別為0.2、0.3、0.4、0.5m進(jìn)行水力干擾計(jì)算，得到不同調(diào)壓閥直徑下機(jī)組的力矩變化情況，分別見表2、圖5。機(jī)組—調(diào)壓閥啟閉規(guī)律同全部機(jī)組甩負(fù)荷工況。

表2　工況2下不同調(diào)壓閥直徑計(jì)算結(jié)果

圖5 不同調(diào)壓閥直徑時(shí)正常工作機(jī)組相對(duì)力矩變化過程線

　　由表2、圖5可看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m時(shí)，調(diào)壓閥直徑較小，致使正常工作機(jī)組的力矩上升較大，最大力矩上升率達(dá)19.0%。②調(diào)壓閥直徑為0.4、0.5m時(shí)，由于調(diào)壓閥直徑過大，在甩負(fù)荷機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟過程中大部分水流從該調(diào)壓閥流走，正常工作的機(jī)組受到了較大的擾動(dòng)，出現(xiàn)較大的力矩下降(最大力矩下降率分別達(dá)20.5%、44.8%)。因此，選擇直徑為0.3m的調(diào)壓閥較為合適。

　　通過上述兩個(gè)工況的計(jì)算分析表明，該電站選用直徑為0.3m的調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施最為合適，這樣可在機(jī)組導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí)，保證機(jī)組轉(zhuǎn)速上升和壓力上升均滿足調(diào)節(jié)保證要求。

3、結(jié)語(yǔ)

　　分析了影響調(diào)壓閥直徑大小的多種因素，提出了合理的調(diào)壓閥直徑需滿足的兩個(gè)原則，確保了調(diào)壓閥關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的第二波水錘壓力亦滿足調(diào)保要求。并結(jié)合某電站調(diào)壓閥直徑的優(yōu)化計(jì)算，驗(yàn)證了理論分析提出的原則。該原則同樣適用于任何采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施的中小型引水式電站，可供調(diào)壓閥直徑的優(yōu)化設(shè)計(jì)參考。