班查水電站調(diào)相系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵要點優(yōu)化

楊敦敏，劉正勇

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

班查水電站調(diào)相系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵要點優(yōu)化

楊敦敏，劉正勇

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072）

本文從設(shè)備選型設(shè)計、補(bǔ)氣位置選擇、液位開關(guān)及排水排氣管路的優(yōu)化等方面對越南班查水電站調(diào)相系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并指出了設(shè)計過程中的優(yōu)化要點。

調(diào)相；漏氣量計算；補(bǔ)氣位置；音叉式液位開關(guān)；要點優(yōu)化

0 前 言

班查（BAN CHAT）水電站位于越南Lai Chau省Nam Mu河上，裝設(shè)有2臺混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組運行的最大水頭、額定水頭、最小水頭分別為106.90 m、90.00 m、59.20 m，單機(jī)容量110 MW，總裝機(jī)容量為220 MW。電站主要任務(wù)為發(fā)電、調(diào)峰和調(diào)頻，調(diào)相運行要求實現(xiàn)3種運行工況，即發(fā)電－調(diào)相、調(diào)相－發(fā)電、調(diào)相－停機(jī)。項目于2012年12月竣工。

1 調(diào)相壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計基本情況

因考慮到本電站為中低水頭容量較大的機(jī)組，且電站廠房可用空間有限，故確定選用7.0 MPa的高壓氣系統(tǒng)作為本站調(diào)相氣源，以減小供氣設(shè)備體積并確保系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠性；同時，高壓氣源在越南多個項目有廣泛的應(yīng)用，實踐證明其可靠性高。

1.1 計算基本數(shù)據(jù)

調(diào)相壓縮空氣系統(tǒng)設(shè)計計算基本數(shù)據(jù)如下：

下游最高尾水位：▽384.32 m；

下游正常尾水位：▽369.25 m；

下游最低尾水位：▽368.19 m；

調(diào)相運行期間尾水管內(nèi)最低水位：▽357.65 m（由制造廠提供）；

調(diào)相運行期間尾水管壓縮空氣量Vd：58 m3（根據(jù)制造廠提供資料計算）；

計算工況：在下游最高尾水位（▽384.32 m）時機(jī)組進(jìn)行調(diào)相運行。

1.2 現(xiàn)場氣壓計算（▽361.70 m高程）

式中 P0——標(biāo)準(zhǔn)氣壓；

Pa——現(xiàn)場氣壓。

1.3 調(diào)相運行期間尾水管氣壓計算

式中 Pz——調(diào)相時尾水內(nèi)氣壓；

γ——現(xiàn)場水的比重；

ΔH——最高尾水位和調(diào)相運行時尾水管內(nèi)最低尾水位高程差。

1.4 儲氣罐容積計算

考慮留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?，選Vg＝4.0 m3的儲氣罐2只。

式中 Vg——儲氣罐容積；

η——利用系數(shù)，取0.70；

P1——儲氣罐初始壓力，取工作空壓機(jī)啟動壓力，即P1＝6.7×9.81＝65.727（kg／cm2）；

P2——向尾水管充氣后儲氣罐終壓力3.6kg／cm2，按比尾水管內(nèi)壓力2.608 3 kg／cm2高約1.0kg／cm2考慮。

1.5 調(diào)相期間尾水管漏氣率計算

在調(diào)相期間，機(jī)組可能產(chǎn)生壓水空氣泄漏的部位很多，且漏氣不可避免，但要精確計算尾水管的漏氣量是很困難的，而合理計算選取調(diào)相運行期間尾水管的漏氣量，不僅影響調(diào)相空壓機(jī)的工作容量，更關(guān)系到調(diào)相作業(yè)成功與否。如選擇的漏氣量過大，則會匹配大容量的供氣設(shè)備，這將可能導(dǎo)致設(shè)備的利用率降低，經(jīng)濟(jì)性較差，但如果選擇的漏氣量過小，則可能使供氣設(shè)備持續(xù)工作，導(dǎo)致設(shè)備壽命縮短，甚至調(diào)相失敗。故合理選擇尾水管漏氣量至關(guān)重要。

目前用一般采用的以下幾個經(jīng)驗計算公式進(jìn)行漏氣量的選擇：

（1）《水力機(jī)械設(shè)計手冊》推薦公式：

式中 q1——漏氣率，m3／min；

q1——Air leakage volume；

D1——轉(zhuǎn)輪直徑，m；

D1——Diameter of turbine runner。

（2）阿爾斯通公司推薦公式：

（3）伏依特公司推薦公式：

根據(jù)越南同奈3水電站、同奈4水電站及達(dá)克郡水電站調(diào)相運行的實際經(jīng)驗來看，手冊推薦公式的計算值相對偏大，后兩個經(jīng)驗公式的計算值更接近實際情況，故根據(jù)計算，漏氣量按3.33 m3／min進(jìn)行考慮。

1.6 空壓機(jī)生產(chǎn)率計算

式中 Qk——空壓機(jī)總生產(chǎn)率；

Z——按1臺機(jī)組作調(diào)相運行考慮，Z＝1；

ΔT——儲氣罐恢復(fù)時間，ΔT＝90 min調(diào)相運行時2臺空壓機(jī)同時運行，則每臺空壓機(jī)生產(chǎn)率：

調(diào)相運行時2臺空壓機(jī)同時運行，所選V17／ 4518 L7型空壓機(jī)的生產(chǎn)率為3.2 m3／min，滿足設(shè)計要求。

1.7 調(diào)相儲氣罐及空壓機(jī)的選擇

根據(jù)上述計算，班查電站調(diào)相儲氣罐最終選用容積為4 m3、7.0 MPa的立式儲氣罐2只，空壓機(jī)V17／4518 L7型2臺（空冷），其生產(chǎn)率為3.2 m3／min、額定壓力為7.0 MPa。

2 調(diào)相系統(tǒng)的關(guān)鍵點優(yōu)化設(shè)計

2.1 補(bǔ)氣位置的優(yōu)化

水輪機(jī)調(diào)相作業(yè)時，通常的供氣位置有以下兩處：方法一為在頂蓋上設(shè)置進(jìn)氣管，由上冠通過轉(zhuǎn)輪的泄壓孔及泄水錐向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)行供氣壓水；方法二為由尾水管進(jìn)口處設(shè)置進(jìn)氣口對轉(zhuǎn)輪室內(nèi)進(jìn)行供氣壓水，上述兩種供氣方式均有成功經(jīng)驗。

從本站來說，轉(zhuǎn)輪室尺寸較大，初次壓水體積大，如果采用頂蓋進(jìn)氣，氣流均需通過轉(zhuǎn)輪的泄壓孔及泄水錐進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，由于泄壓孔孔徑較?。é?0 mm），故將對氣流產(chǎn)生阻滯作用，相當(dāng)于減少了供氣量，這將可能導(dǎo)致調(diào)相初期供氣不足，不能迅速壓低尾水位，使調(diào)相失敗。故經(jīng)過比較分析，本站采用尾水管進(jìn)口處設(shè)置2根DN100的進(jìn)氣管，對稱布置。

2.2 尾水位監(jiān)測裝置選型優(yōu)化

用于機(jī)組調(diào)相運行的尾水位監(jiān)測裝置的選擇至關(guān)重要，其能否準(zhǔn)確反映機(jī)組尾水管液位的變化關(guān)系著機(jī)組調(diào)相運行的成功與否。以前電站很多均選擇普通的浮球式液位開關(guān)，但在電站的實際運行中普遍反映不能準(zhǔn)確及時反饋尾水管液位的變化，且其采用普通的電極，在運行一段時間后，由于電極結(jié)圬等原因?qū)е滤浑姌O不能接通，故需定期對其進(jìn)行檢修維護(hù)。

通過與元件廠家交流，廠家推薦采用一種名為音叉液位開關(guān)的新型限位開關(guān)。其工作原理為：音叉由晶體激勵產(chǎn)生振動，當(dāng)音叉被液體浸沒時振動頻率產(chǎn)生變化，這個頻率變化由電子線路檢測出來并輸出一個開關(guān)量，通常又被稱作“電子浮子”。凡使用浮球液位開關(guān)時由于結(jié)構(gòu)、揣流、攪動、氣泡、振動等原因?qū)е虏荒苁褂酶∏蛞何婚_關(guān)的場合均可使用“電子浮子”?！半娮痈∽印笔歉∏蚴揭何婚_關(guān)的升級換代產(chǎn)品，具有適應(yīng)性強(qiáng)、免于維護(hù)及不需調(diào)校的優(yōu)點，被測液體不同的電參數(shù)、密度或是結(jié)垢、揣流、攪動、氣泡、振動、中等粘度、高溫、高壓等惡劣條件對測量均無影響，同時由于音叉液位開關(guān)的檢測過程由電子電路完成，無活動部件，一經(jīng)安裝投運便不需要維護(hù)及現(xiàn)場調(diào)校，安裝方便。

在選用新型的音叉式液位開關(guān)的同時，為避免調(diào)相過程中轉(zhuǎn)輪室的“風(fēng)扇效應(yīng)”及尾水水面的波動可能引起的假信號，通過在監(jiān)控環(huán)節(jié)加入延時處理，以確保輸出的液位信號是真實可靠的。

2.3 排氣管路的設(shè)計優(yōu)化

在調(diào)相完畢后，機(jī)組在轉(zhuǎn)為其它狀態(tài)前，需通過排氣管路將轉(zhuǎn)輪室中的空氣排出，本電站機(jī)組調(diào)相排氣口設(shè)置于頂蓋上，氣體經(jīng)過泄水錐由排氣管排出，排出管口高程位于最高尾水位之上，排氣管總管管徑為DN150，排氣閥采用電動球閥，由監(jiān)控系統(tǒng)自動控制。

在電站第一次進(jìn)行調(diào)相充氣壓水試驗時發(fā)現(xiàn)，壓水的過程非常順利，用時不到45s，尾水位就被壓至設(shè)計水位，但是在壓水結(jié)束進(jìn)行排氣時，發(fā)現(xiàn)尾水管內(nèi)水位上升速度極慢，經(jīng)過約2 h的等待，仍沒有明顯的變化。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，由于廠房結(jié)構(gòu)的原因，排氣管路的布置有一小段下凹段，在初次進(jìn)行充氣壓水時，部分水體進(jìn)入排氣管內(nèi)，由于試驗時尾水位較低，而排氣管排出管口位置較高，故尾水管內(nèi)氣壓不足以將排氣管內(nèi)的積水壓出，形成水堵，故不能有效排氣。據(jù)此情況，對排氣管路進(jìn)行了優(yōu)化，在其最低處接一支排水排氣管引入無壓的滲漏集水井，支管上采用電動閥控制，在開始排氣時，同時打開主排氣電動閥及支管電動閥，待支管排水完畢，則可關(guān)閉支管電動閥，空氣由主排氣管排出。經(jīng)現(xiàn)場試驗，系統(tǒng)改造后的排氣非常順暢，歷時約2 min就完成排氣。

3 結(jié) 語

目前班查電站兩臺機(jī)組已全部投產(chǎn)，調(diào)相系統(tǒng)整體運行良好，設(shè)備及元器件的設(shè)計選型基本合理，值得同類電站借鑒。但對于該調(diào)相系統(tǒng)，仍有可以進(jìn)一步改善的地方。如尾水管水位測量，本電站雖然采用了音叉式的開關(guān)，并對輸出信號進(jìn)行延時處理以保證信號的準(zhǔn)確性，但影響該液位信號的因素很多，僅僅進(jìn)行延時未必能完全排除各種干擾因素?，F(xiàn)已有電站通過監(jiān)視發(fā)電機(jī)有功消耗的變化取代液位開關(guān)來控制調(diào)相供氣系統(tǒng)的動作，并取得了良好的效果。此方式可有效避免液位開關(guān)因各種干擾因素造成的誤報，并且不需增加硬件設(shè)施。在班查電站后期的運行改造中，也可以采用此方式進(jìn)行調(diào)相控制。

TV734

B

1003－9805（2015）01－0020－03

2014－06－23

楊敦敏（1973－），男，湖北咸寧人，高級工程師，曾從事電站電機(jī)設(shè)備設(shè)計、安裝及調(diào)試工作，現(xiàn)從事國際經(jīng)營工作。