水電站調(diào)壓閥選型

                              水電站調(diào)壓閥選型

                              上海申弘閥門(mén)有限公司

1水電站調(diào)壓閥選型 調(diào)壓閥介紹
（1）之前介紹自力式調(diào)節(jié)閥作用，現(xiàn)在介紹調(diào)壓閥是長(zhǎng)壓力引水遂洞水電站的一種安全設(shè)備，一般，當(dāng)壓力引水管道ΣELV/H大于15～30時(shí)，要設(shè)置調(diào)壓井，由于調(diào)壓井土建工程量較大，工期較長(zhǎng)，采用調(diào)壓閥取代調(diào)壓井，可節(jié)約投資（大約可以節(jié)約調(diào)壓井投資的90%），縮短工期。例如： ①在新疆古爾圖河7級(jí)H=62m，裝機(jī)2X3750kW和1X2500kW；②非洲安哥拉洛馬烏電站H=177m，2X15MW和2X10MW，不設(shè)調(diào)壓井，裝設(shè)了Φ 600和Φ 400調(diào)壓閥。都可以說(shuō)是成功的案例。
（2）調(diào)壓閥的特性主要是流量特性。調(diào)壓閥的作用是當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)在機(jī)組導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時(shí)調(diào)壓閥快速開(kāi)啟，將機(jī)組關(guān)閉時(shí)需減少的流量從調(diào)壓閥排出，待機(jī)組關(guān)閉后再緩慢關(guān)閉調(diào)壓閥。也就是說(shuō)，裝設(shè)調(diào)壓閥后，引水系統(tǒng)內(nèi)的流量變化得以緩慢進(jìn)行，從而削減了水壓上升值。另一方面，由于機(jī)組仍然是快速關(guān)閉的，從而保證了速率上升值也不會(huì)過(guò)高，所以說(shuō)，調(diào)壓閥是降低引水系統(tǒng)壓力上升值和機(jī)組速率上升值的有效措施之一，起到了調(diào)壓井的作用。
（3）全油壓控制調(diào)壓閥液壓原理。全油壓控制TFW型調(diào)壓閥基本動(dòng)作是：快速開(kāi)啟，緩慢關(guān)閉；小負(fù)荷變化時(shí)，調(diào)壓閥不動(dòng)作；甩較大負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥開(kāi)啟，并具有導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的性能；增負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥不起作用。經(jīng)過(guò)改裝的調(diào)速器特殊主配壓閥和調(diào)壓閥的液壓控制系統(tǒng)見(jiàn)圖1，其特點(diǎn)是全部采用壓力油直接進(jìn)行控制和操作。

調(diào)壓閥是長(zhǎng)壓力引水隧洞水電站的一種安全設(shè)備，一般，當(dāng)壓力引水管道ΣLV/H大于15～30時(shí)，要設(shè)置調(diào)壓井，由于調(diào)壓井土建工程量較大，工期較長(zhǎng)，采用調(diào)壓閥取代調(diào)壓井，可節(jié)約投資，縮短工期。以龍?jiān)措娬緸槔?jié)約了調(diào)壓井投資的90%，使電站提前一年發(fā)電。因此，采用調(diào)壓閥取代調(diào)壓井，是節(jié)約投資、加快工程進(jìn)度的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。減壓閥的工作原理——互為備用的雙反饋系統(tǒng)
在減壓閥的工作原理中，反饋系統(tǒng)是指根據(jù)減壓閥出口壓力的變化信號(hào)來(lái)控制過(guò)流面積（節(jié)流錐開(kāi)度）的獨(dú)立系統(tǒng)。ZJY46H組合式減壓閥裝備有互為備用的雙反饋系統(tǒng)，啟用A系統(tǒng)即停用B系統(tǒng)的運(yùn)行模式可以達(dá)到減壓閥不停機(jī)檢修的目的。
根據(jù)ZJY46H組合式減壓閥的工作原理中雙反饋系統(tǒng)的工作原理，互為備用的雙反饋控制系統(tǒng)和反沖排污系統(tǒng)，確保了減壓閥的抗故障能力和防泥沙能力， 
本系列調(diào)壓閥是通過(guò)試驗(yàn)研究和在龍?jiān)吹人娬菊{(diào)壓閥設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的系列產(chǎn)品，以適應(yīng)中小型水電站的需要。
上海申弘閥門(mén)有限公司生產(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,由于調(diào)壓閥是通過(guò)泄去多余流量來(lái)達(dá)到確保機(jī)組及壓力隧洞系統(tǒng)的安全的，因此選型是否合理將直接影響電站的安全運(yùn)行。 
（1）.必須由負(fù)責(zé)電站設(shè)計(jì)的單位按《系列設(shè)計(jì)資料匯集》進(jìn)行準(zhǔn)確的引水系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算，以確定調(diào)壓閥的選型和所需行程，防止因不合理的參數(shù)設(shè)置而產(chǎn)生過(guò)大的水錘壓力。 
（2）.由于調(diào)壓閥開(kāi)啟時(shí)的壓力油是入主油缸開(kāi)啟腔后，將背壓腔排出的油一部分經(jīng)逆止閥排回調(diào)速器油箱，另一部分則回到調(diào)速器主接力器油缸用以控制機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉，因此在選型設(shè)計(jì)時(shí)必須注意兩油缸容積的匹配，應(yīng)使調(diào)壓閥主油缸直徑D7的容積大于調(diào)速器主接力器油缸的容積，避免因調(diào)速器主接力器油缸的容積大而產(chǎn)生機(jī)組不能全關(guān)的現(xiàn)象。 
（3）.由于調(diào)壓閥是采用全液壓控制的，因此，合理地縮短調(diào)速器與調(diào)壓閥之間的距離能大限度地減少液壓控制的滯后時(shí)間，對(duì)提高調(diào)速器的調(diào)速品質(zhì)具有良好的作用。 
（4）.為防止液壓系統(tǒng)中因集氣現(xiàn)象而動(dòng)作不準(zhǔn)確，應(yīng)合理地布置管路，使調(diào)速器比調(diào)壓閥的安裝高程高些才是正確的

調(diào)壓閥系列是根據(jù)水輪機(jī)型譜“五五～六五"期間規(guī)劃生產(chǎn)的中小型水輪機(jī)系列及調(diào)壓閥生產(chǎn)現(xiàn)狀而定的，按直徑和水頭共分為七個(gè)品種，主要參數(shù)參見(jiàn)表一。 
以峨眉馳騁生產(chǎn)的TFW型調(diào)壓閥為例，其型號(hào)表示意義：如“TFW400/130"中的T、F分別表示“調(diào)"、“閥"，W代表“臥"式，400為調(diào)壓閥閥盤(pán)進(jìn)水止口直徑為400mm，130為名義水頭130m。 
調(diào)壓閥的本體采用臥式布置，即其進(jìn)水管、油缸的中心線與地面呈平行，主要由閥殼、閥塞、主油缸、引導(dǎo)油缸、補(bǔ)氣閥等組成。 
閥殼為鑄鋼件，由左右對(duì)稱的兩個(gè)半蝸形管合成，共有三個(gè)開(kāi)放的孔口，其中一端為進(jìn)水口，一端為出水口，一端為與主油缸連接的預(yù)留孔；閥殼的蝸形管內(nèi)有固定導(dǎo)葉，使水流進(jìn)入后就形成環(huán)流并在閥體內(nèi)相互碰撞消能，然后排向尾水，消能性能良好。為減少振動(dòng)，設(shè)有補(bǔ)氣裝置，使大氣能均勻地直接進(jìn)入調(diào)壓閥泄水流道入口端的負(fù)壓區(qū)。 
TFW400/130型為錐形閥塞，其余型號(hào)為圓形閥塞，閥塞材料為鑄鋼，表面鍍鉻防銹，閥塞上設(shè)有均壓孔，目的是平衡閥塞兩邊的水壓，以減少操作油壓。 
主油缸及引導(dǎo)油缸用于操作閥塞的開(kāi)關(guān)，其筒體為鑄鋼件，內(nèi)有活塞，從機(jī)組調(diào)速器來(lái)的油源分別接入主油缸活塞的前后兩腔，當(dāng)機(jī)組正常工作時(shí)，壓力油通在關(guān)閉腔，使調(diào)壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)機(jī)組緊急停機(jī)或瞬間甩負(fù)荷超過(guò)約15%時(shí)，壓力油則自動(dòng)通在開(kāi)啟腔，使調(diào)壓閥打開(kāi)泄出設(shè)定大小的水流以確保機(jī)組及壓力隧洞系統(tǒng)的安全。 
補(bǔ)氣閥裝在閥殼上，能在調(diào)壓閥泄水時(shí)使大氣直接進(jìn)入調(diào)壓閥泄水道入口端的負(fù)壓區(qū)，以減少水流沖刷對(duì)閥殼內(nèi)部流道的氣蝕和減少調(diào)壓閥的振動(dòng)。 
閥塞與閥殼之間用硬密封，即閥塞上是堆焊的不銹鋼止水環(huán)，閥殼上則用可拆換的青銅止水，二者之間通過(guò)精細(xì)研磨以達(dá)到嚴(yán)密接觸，具有良好的止水性能。油缸筒體與活塞之間、活塞桿與閥殼之間等所有會(huì)產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的部位則全部采用特制的橡膠圈密封。 
為實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)壓閥的控制，另需在液壓系統(tǒng)中安裝控制用特殊主配壓閥、節(jié)流閥和油壓逆止閥。其中特殊主配壓閥安裝在機(jī)組調(diào)速器內(nèi)以取代調(diào)速器原裝的主，特殊主配壓閥的構(gòu)造是多增加了一個(gè)閥盤(pán)用于控制調(diào)壓閥。 
調(diào)壓閥的特性主要是流量特性（詳見(jiàn)系列設(shè)計(jì)資料匯集）。 
調(diào)壓閥的作用是當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)在機(jī)組導(dǎo)葉快速關(guān)閉的同時(shí)調(diào)壓閥快速開(kāi)啟，將機(jī)組關(guān)閉時(shí)需減少的流量從調(diào)壓閥排出，待機(jī)組關(guān)閉后再緩慢關(guān)閉調(diào)壓閥。也就是說(shuō)，裝設(shè)調(diào)壓閥后，引水系統(tǒng)內(nèi)的流量變化得以緩慢進(jìn)行，從而削減了水壓上升值。另一方面，由于機(jī)組仍然是快速關(guān)閉的，從而保證了速率上升值也不會(huì)過(guò)高，所以說(shuō)，調(diào)壓閥是降低引水系統(tǒng)壓力上升值和機(jī)組速率上升值的有效措施之一，起到了調(diào)壓井的作用。 
TFW型調(diào)壓閥的控制系統(tǒng)采用全液壓控制和操作，通過(guò)安裝在調(diào)速器內(nèi)的特殊主配壓閥等元件同時(shí)控制和操作導(dǎo)葉接力器及調(diào)壓閥，其工作原理如下（見(jiàn)圖4）： 
（1）.機(jī)組負(fù)荷不變時(shí)，主配壓閥活塞處于中間位置（圖示位置），調(diào)速器來(lái)的壓力油P1經(jīng)節(jié)流孔A進(jìn)入調(diào)壓閥主油缸關(guān)閉腔，此時(shí)調(diào)壓閥關(guān)閉腔油壓P1=P2，其開(kāi)啟腔通排油，由于關(guān)閉腔的油壓大于調(diào)壓閥閥盤(pán)上的水推力，故調(diào)壓閥處于關(guān)閉位置。 
（2）.機(jī)組減少量負(fù)荷時(shí)（約機(jī)組額定出力的15%以內(nèi)），由于主配壓閥中間閥盤(pán)活塞的上移量小于搭疊量S，此時(shí)僅有少量壓力油P1經(jīng)節(jié)流孔A進(jìn)入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔而緩慢地關(guān)閉導(dǎo)葉，此時(shí)少量壓力油經(jīng)孔A所形成壓降△P較小，調(diào)壓閥關(guān)閉腔的油壓（P2=P1-△P）仍能維持調(diào)壓閥處在關(guān)閉位置，此時(shí)調(diào)壓閥開(kāi)啟腔通排油，因此在負(fù)荷減少量不大時(shí)，調(diào)壓閥不動(dòng)作，導(dǎo)葉接力器關(guān)閉速度緩慢。 
（3）.當(dāng)機(jī)組瞬時(shí)甩較多負(fù)荷時(shí)（大于機(jī)組額定出力的15%左右），主配壓閥中間閥盤(pán)活塞的上移量大于搭疊量S，孔口兩側(cè)的壓差△P增加，P2減少，而調(diào)壓閥主油缸開(kāi)啟腔與壓力油P1接通，調(diào)壓閥快速開(kāi)啟，調(diào)壓閥關(guān)閉腔排出的壓力油加上少量經(jīng)A孔的壓力油流至導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔快速關(guān)閉導(dǎo)葉。由于采用同一個(gè)主配壓閥控制，所以調(diào)壓閥快速開(kāi)啟與導(dǎo)葉快速關(guān)閉是協(xié)聯(lián)同步的。 
（4）.當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)，主配壓閥活塞下移，壓力油P1直接進(jìn)入導(dǎo)葉接力器開(kāi)啟腔中（不受A孔限制），A孔前后壓力相等，調(diào)壓閥關(guān)閉腔油壓未變，開(kāi)啟腔通排油，故調(diào)壓閥仍處在關(guān)閉位置。 
（5）.“分段裝置"：在調(diào)壓閥開(kāi)始快速開(kāi)啟時(shí)，引導(dǎo)油缸的排油因受節(jié)流孔C限制而油壓迅速升高，迫使油壓逆止閥克服油壓而開(kāi)啟，于是在調(diào)壓閥快速開(kāi)啟的過(guò)程中，其關(guān)閉腔的壓力油只部分關(guān)閉導(dǎo)葉接力器，而其它的少量壓力油不斷地經(jīng)調(diào)節(jié)閥D排走，于是調(diào)壓閥開(kāi)啟速度較“分段裝置"未投入時(shí)加快了，當(dāng)調(diào)節(jié)閥提前開(kāi)到限位環(huán)所限制的位置而停止時(shí)（此時(shí)導(dǎo)葉尚未全部關(guān)閉），引導(dǎo)油缸的油壓消失，油壓逆止閥很快地自動(dòng)關(guān)閉，此時(shí)僅有經(jīng)A孔來(lái)的少量壓力油緩慢地繼續(xù)關(guān)閉導(dǎo)葉接力器，從而使導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉，因此調(diào)節(jié)閥D開(kāi)口的大小可直接控制導(dǎo)葉分段關(guān)閉的拐點(diǎn)位置。導(dǎo)葉關(guān)閉后，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低到正常轉(zhuǎn)速時(shí)，主配壓閥回到中間位置，調(diào)壓閥主油缸開(kāi)啟腔通排油，于是壓力油P1經(jīng)A孔以規(guī)定的速度慢速關(guān)閉調(diào)壓閥。 
如果調(diào)壓閥因失靈而拒絕動(dòng)作，不論主配壓閥上閥盤(pán)上開(kāi)口有多大，流過(guò)它的只有經(jīng)過(guò)A孔的少量壓力油，機(jī)組只能慢關(guān)閉，以保證引水系統(tǒng)壓力上升不超過(guò)允許值。 
各節(jié)流孔的作用： 
A孔：整定調(diào)壓閥失靈時(shí)導(dǎo)葉慢關(guān)閉時(shí)間及調(diào)壓閥的關(guān)閉時(shí)間。 
B孔：控制引導(dǎo)油腔的油壓，以保證逆止閥迅速開(kāi)啟。 
D孔：整定導(dǎo)葉分段關(guān)閉的拐點(diǎn)位置。導(dǎo)葉快關(guān)機(jī)時(shí)間仍由調(diào)速器主配壓閥開(kāi)口大小整定。




水電站調(diào)壓閥選型圖1 液壓系統(tǒng)原理圖
2 水電站2X4000kW機(jī)組調(diào)壓閥的選擇
2.1 電站參數(shù)
額定水頭Hr=62.5m，大水頭Hmax=70.2m，小水頭Hmin=61.8m，引水遂洞和壓力鋼管參數(shù)L1=1330m，V1=2.54m/s，L2=82.3m，V2=4.08m/s，電站裝機(jī)2臺(tái)4000kW水輪發(fā)電機(jī)組。電站不設(shè)調(diào)壓井，但設(shè)調(diào)壓閥。
2.2 主機(jī)選型
2.2.1 水輪機(jī)HLA772c-LJ-108
額定轉(zhuǎn)速n=600r/min，額定流量Qr=Qt=7.21m3/s，額定效率G=94.21%，飛逸轉(zhuǎn)速nf=1082r/min，比轉(zhuǎn)速ns=221.41，水推力Poc=25t，水輪機(jī)出力N水=4167kW，吸出高程Hs=+1.5m
2.2.2 發(fā)電機(jī)選型SF4000-10/2600
額定容量4000kW/5000kVA，額定電壓U=6.3kV，額定電流I=458.2A
額定功率因數(shù)5=0.8，額定轉(zhuǎn)速n=600r/min，GD2=33t.m2
2.3 調(diào)壓閥的選擇
電站裝設(shè)調(diào)壓閥，要求全甩負(fù)荷時(shí)壓力鋼管的壓力上升值 ξ 不大于20%，機(jī)組速率上升值 β 不大于40%。分段拐點(diǎn)開(kāi)度τg=14%（空載開(kāi)度τx=12%）對(duì)應(yīng)接力器行程Yg=17%，拐點(diǎn)流量Qg=1.345m3/s。接力器關(guān)閉規(guī)律曲線見(jiàn)圖2。

圖2 接力器關(guān)閉規(guī)律曲線圖
2.3.1 根據(jù)β 求T's及Tsg
計(jì)算采用哈爾濱大電機(jī)研究所“水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)"中所的公式，得：

式中
ΔtN--滯后時(shí)間取0.3s；
GD2--機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量33t.m2；
f--水錘影響系數(shù)，根據(jù)水錘壓力為0.2反算得 σ =0.182，f=1+σ=1.182；
C--水輪機(jī)飛逸特性影響系數(shù)，

式（1）中
nH--甩負(fù)荷前正常轉(zhuǎn)速；
n'IP--該水頭下單位轉(zhuǎn)速；
n'IH--單位飛逸轉(zhuǎn)速。
將β =0.4、ΔtN、f、C及其它已知值代入公式，求得導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全行程有效關(guān)閉時(shí)間T's=7.25s。
按線性關(guān)系Tsg=（1-Yg）T's=（1-0.17）X 7.25=6.0175s
2.3.2 根據(jù)允許的壓力上升值求TSS

ρ τ > 1為末相水錘
根據(jù)末相水錘公式




2.3.3 計(jì)算要求通過(guò)調(diào)壓閥的泄放流量QX

通過(guò)計(jì)算得出的調(diào)壓閥特性曲線見(jiàn)圖3。

圖3 TFW600/130調(diào)壓閥特性圖
2.3.4 計(jì)算調(diào)壓閥行程
根據(jù)Qx=4.401m3/s及（1+N）H=1.2 X 70.2=84.24m，故可選用TFW600/130調(diào)壓閥，TFW600/130調(diào)壓閥的參數(shù)如表1。
表1 TFW600/130調(diào)壓閥參數(shù)表

根據(jù)TFW600/130調(diào)壓閥特性圖（圖3）查得，本電站所需調(diào)壓閥行程Yx=75mm。
2.3.5 壓力下降驗(yàn)算
（1）引水系統(tǒng)允許的壓力下降值：本電站引水系統(tǒng)控制壓力下降點(diǎn)在隧洞末端的B點(diǎn)，極限死水位為546m，隧洞末端頂部高程為520m，故在該處的毛水頭為546-520=26m，扣除水頭損失及流速水頭2m，并留2m的安全余度，實(shí)際在該處允許的大水壓下降值為22m。
（2）部分甩負(fù)荷時(shí)的“壓降"驗(yàn)算：
①求調(diào)壓閥全開(kāi)所對(duì)應(yīng)的接力器行程K

式中

即當(dāng)在接力器行程83%甩負(fù)荷時(shí)調(diào)壓閥仍開(kāi)到全行程（即Yx=75mm）。
② 計(jì)算壓力下降值
水庫(kù)在低水位546m時(shí)的水頭為61.8m

從接力器行程與機(jī)組開(kāi)度關(guān)系曲線查得對(duì)應(yīng)接力器0.83時(shí)的機(jī)組開(kāi)度為0.81，從機(jī)組綜合特性曲線查得Q'1=760L/s

此時(shí)調(diào)壓閥開(kāi)到75mm，其過(guò)流量Qx=4.401m3/s < Q，故不會(huì)出現(xiàn)壓力降，即壓力鋼管內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓力。
3 裝設(shè)調(diào)壓閥電站對(duì)調(diào)速器的要求
（1）調(diào)壓閥的開(kāi)啟和關(guān)閉都是由調(diào)速器控制，當(dāng)機(jī)組緊急停機(jī)或瞬間甩負(fù)荷超過(guò)約15%時(shí)，調(diào)壓閥由調(diào)速器聯(lián)動(dòng)開(kāi)啟，使調(diào)壓閥打開(kāi)泄出設(shè)定大小的水流以確保機(jī)組及壓力隧洞系統(tǒng)的安全。
（2）由于采用同一個(gè)主配壓閥控制，所以調(diào)壓閥快速開(kāi)啟與導(dǎo)葉快速關(guān)閉是協(xié)聯(lián)同步的（如果可能，也可考慮采用雙主配壓閥控制）。
（3）因調(diào)壓閥是否能按設(shè)計(jì)要求動(dòng)作，關(guān)系到電站的運(yùn)行安全性。為了安全起見(jiàn)，調(diào)速器和調(diào)壓閥之間必須采用電氣和液壓雙聯(lián)動(dòng)的操作方式，雙保險(xiǎn)。當(dāng)機(jī)組緊急停機(jī)或瞬間甩負(fù)荷超過(guò)約15%時(shí)，或測(cè)壓電路感知壓力鋼管壓力超過(guò)使可壓力時(shí)，調(diào)壓閥在調(diào)速器控制下快速開(kāi)啟。當(dāng)壓力鋼管壓力減小到設(shè)定的安全壓力時(shí)，調(diào)壓閥再緩慢關(guān)閉。
（4）活動(dòng)導(dǎo)葉接力器必須設(shè)分段關(guān)閉裝置。
4 結(jié)語(yǔ)
隨著調(diào)壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化和應(yīng)用技術(shù)的成熟，其操作更簡(jiǎn)便，運(yùn)行更安全可靠，與功能相同的調(diào)壓井相對(duì)比，調(diào)壓閥節(jié)省了工程投資，縮短了施工周期，在中小型水電站的引水系統(tǒng)中得到應(yīng)用。以上關(guān)于調(diào)壓閥的選擇供同行參考。與本文相關(guān)的論文：ZJY46H組合式減壓閥減靜壓技術(shù)探討