導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算方法及安全控制

范建軍

（博樂農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆博樂833400）

導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算方法及安全控制

范建軍

（博樂農(nóng)五師全新勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，新疆博樂833400）

結(jié)合“阿卡爾七級(jí)水電站”工程案例，分析了導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算方法，根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)擬定導(dǎo)葉調(diào)控方案，提出水電站安全控制的綜合對(duì)策，對(duì)水電站實(shí)際調(diào)度產(chǎn)生宏觀性引導(dǎo)，促進(jìn)了“節(jié)能、高效、環(huán)?！钡刃滦退娬窘ǔ膳c使用。

導(dǎo)葉；導(dǎo)葉分段關(guān)閉；計(jì)算；安全控制

D OI：10.3969/j.i s s n.1008_1305.2015.06.035

水電站是農(nóng)村改革建設(shè)階段的保障性設(shè)施，興建水電可以解決傳統(tǒng)資源調(diào)配的不足，為農(nóng)村創(chuàng)建更加多元化的發(fā)展模式提供電能保障。但隨著水能資源逐年開發(fā)，水頭較為集中河段水能基本已開發(fā)成型，目前主要開發(fā)河道縱坡較小，導(dǎo)致壓力管線較長(zhǎng)，機(jī)組發(fā)生事故或甩負(fù)荷時(shí)，管道壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速暫態(tài)的提高，嚴(yán)重影響到電站的安全運(yùn)行及發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)的作業(yè)狀態(tài)。

分段關(guān)閉調(diào)?？梢蕴嵘娬緝?nèi)作業(yè)調(diào)度效率，導(dǎo)葉在水電機(jī)組運(yùn)行階段發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)葉的作用將水的壓力和動(dòng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律的作用是在機(jī)組發(fā)生事故或甩負(fù)荷時(shí)要求導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，在導(dǎo)葉迅速關(guān)閉過程中，輸水管道的壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速均要暫停上升，特別是軸流式機(jī)組，由于水錘的作用還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)輪上抬，嚴(yán)重威脅水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。為此，在滿足調(diào)節(jié)保證值的條件下，將接力器關(guān)閉特性設(shè)計(jì)為折線關(guān)閉特性，有效地減少關(guān)機(jī)過程中水壓上升值和抬機(jī)量。因此，嚴(yán)格實(shí)施導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算工作，能夠?qū)崿F(xiàn)水電站作業(yè)模式的最優(yōu)化。

1 工程概述

工程案例為“阿卡爾七級(jí)水電站”，該水電站設(shè)計(jì)水頭152.95m，設(shè)計(jì)引水流量為5.6m3/s，裝機(jī)容量為3×2250kW，年利用小時(shí)數(shù)為5197，設(shè)計(jì)年發(fā)電量3508萬(wàn)kW·h，工程的興建將有效的緩解第五師電力緊缺的矛盾，同時(shí)電量還可上網(wǎng)輸電，為八十三團(tuán)創(chuàng)造年發(fā)電效益733萬(wàn)元，為團(tuán)場(chǎng)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。依據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252_2000）中的工程等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，該工程等別為Ⅴ等，工程屬?。?）型工程，主要建筑物級(jí)別為5級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。

2 工程建設(shè)的必要性

博州地區(qū)煤炭資源匱乏，該站的建成為全師職工今后使用新型清潔能源奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)團(tuán)場(chǎng)每年增加的發(fā)電產(chǎn)值，一定會(huì)成為該團(tuán)的一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，對(duì)加速該團(tuán)的脫貧致富，對(duì)邊境少數(shù)民族地區(qū)改變貧困面貌，邁向小康社會(huì)，將會(huì)起到積極的促進(jìn)作用。

阿卡爾河流域水電梯級(jí)開發(fā)為第五師經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平的提高作出了積極貢獻(xiàn)。根據(jù)電力平衡分析結(jié)果可知，目前該師電力嚴(yán)重不足，因此加快電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)顯得尤為重要和迫切，通過興建八十三團(tuán)阿卡爾七級(jí)水電站，將新增裝機(jī)容量6750kW，這必將有效緩解第五師電力緊缺的局面。第五師八十三團(tuán)是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主，林牧結(jié)合，工交建商服綜合發(fā)展的農(nóng)牧團(tuán)場(chǎng)。阿卡爾河為五師獨(dú)立管理水系之一，水能資源較豐富，目前該河上已建梯級(jí)水電站7座，總裝機(jī)15700W，且水能資源有很大的開發(fā)潛力。由此可見，從第五師及團(tuán)場(chǎng)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)利益出發(fā)，興建阿卡爾七級(jí)水電站工程十分必要，也具備一定條件。

3 阿卡爾七級(jí)站調(diào)保詳細(xì)計(jì)算方法

該電站為有壓引水式電站，采用一管三機(jī)的布置型式，壓力管采用P C C P管（鋼筒預(yù)應(yīng)力鋼筋管）和鋼管組合型式，主管直徑1.8m，支管直徑0.6m，水輪機(jī)型號(hào)為C J A 475_W_135/1×14.5，水機(jī)出力2250W，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為375r pm。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF W2250_16/2150，飛逸轉(zhuǎn)速641r pm；本計(jì)算采用的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G D2為5.58（t·m2），折向器的有效關(guān)閉時(shí)間1.5m i n。

該工程采用沖擊式水輪機(jī)，在其噴嘴口裝置偏流器，丟棄負(fù)荷時(shí)，能以較快速1～2s內(nèi)動(dòng)作，將射流偏折，離開轉(zhuǎn)輪，防止機(jī)組轉(zhuǎn)速變化過大，針閥以較慢速度關(guān)閉，從而減小水擊壓力。

3.1 計(jì)算情況

按3臺(tái)機(jī)組同時(shí)甩負(fù)荷計(jì)算；甩負(fù)荷過程中，噴針不突然折斷，故不發(fā)生直接水錘；開機(jī)時(shí)，壓力下降按一臺(tái)機(jī)組增負(fù)荷計(jì)算。

3.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

壓力上升允許值［Z］≤30%；速率上升允許值［β］≤40%；壓力前池進(jìn)口處不產(chǎn)生真空（負(fù)壓）。

3.3 計(jì)算∑LV值

通過測(cè)量前池進(jìn)水口、壓力鋼管和支管的長(zhǎng)度、直徑、面積、流量和流速，計(jì)算得出∑LV值，見表1。

表1 ∑L V計(jì)算表

3.4 計(jì)算壓力上升值

初選40計(jì)算壓力上升值，波速a=1000m/s。

式中：ρ、σ——管道特性系數(shù)；

V平均——計(jì)算管段平均流速，m/s；

H設(shè)——電站設(shè)計(jì)水頭，m；

g——重力加速度，g/m2；

∑LV—計(jì)算管段長(zhǎng)度與流速的乘積之和，m2/s；

τ0—導(dǎo)葉開度。

對(duì)于全甩負(fù)荷τ0=1，則ρ τ0=0.742＜1，故最大水錘發(fā)生在第一相。

Z1是相對(duì)的最大壓力上升值，相對(duì)值和絕對(duì)值分別為：別為：

3.5 壓力前池末端的最大壓力值Z末

Z末=（前池最大水位-前池末端管中心高程）+最大壓力上升值Z1

3.6 壓力下降值計(jì)算

按一臺(tái)機(jī)組突然增至全負(fù)荷計(jì)算，開啟時(shí)間為40s，則：

前池末端在增加負(fù)荷時(shí)的壓力為：

所以，在前池末端不產(chǎn)生真空，即不產(chǎn)生負(fù)壓。

3.7 速率上升值計(jì)算

折向器的有效關(guān)閉時(shí)間T s=1.5m i n，則

式中：

N——額定容量，2250kW；

G D2——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，5.58；

n0——額定轉(zhuǎn)速，375r/m i n；

n飛逸——飛逸轉(zhuǎn)速，641r/m i n；

Z平均——相對(duì)壓力上升值，（0.256+

0.00087 ）/2=0.128

由此得速率上升值為：

β=β0C f=37.5%＜[]β=40%根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，壓力上升值和速率上升值均在允許范圍之內(nèi)，前池末端也不出現(xiàn)真空，因此符合要求。

4 分段關(guān)機(jī)的安全控制措施

分段關(guān)機(jī)控制是為了降低過渡過程中的壓力上升或速率上升的幅度，將導(dǎo)葉的直線關(guān)閉過程分成速率不同的幾段。分段關(guān)機(jī)安全控制需結(jié)合關(guān)閉閥、控制閥等裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，建立更加完整的安全控制系統(tǒng)。

4.1 導(dǎo)葉分段關(guān)閉閥

導(dǎo)葉分段關(guān)閉閥安裝在調(diào)速器主配閥與水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器之間的油路上，通過對(duì)接力器開機(jī)油腔的控制，使接力器具有兩段要求的不同關(guān)閉速度，以滿足水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求。導(dǎo)葉分段關(guān)閉閥不起截流作用，接力器按主配壓閥整定的開機(jī)速度開啟，與接力器位置和活塞、調(diào)節(jié)螺栓位置無(wú)關(guān)。

4.2 導(dǎo)葉分段控制閥

控制閥是一種利用凸輪使接力器運(yùn)動(dòng)時(shí)控制切換閥換位的閥門，從而控制分段關(guān)閉閥油路大小的閥門。分段關(guān)閉安全控制中，機(jī)組接力器位移凸輪機(jī)構(gòu)安裝于接力器下方，利用接力器在運(yùn)動(dòng)過程中使斜塊觸動(dòng)凸輪來(lái)控制其油路切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)分段關(guān)閉閥的控制。

5 結(jié)論

新時(shí)期國(guó)家對(duì)農(nóng)村地區(qū)建設(shè)給予了政策支持，以新農(nóng)村建設(shè)為中心完善配套設(shè)施工程，對(duì)農(nóng)村地區(qū)改革建設(shè)具有深遠(yuǎn)意義。歷年以來(lái)，水電站在農(nóng)村設(shè)施改造方面發(fā)揮了重要作用，實(shí)時(shí)改造水輪發(fā)電機(jī)組是實(shí)現(xiàn)水電資源優(yōu)化配置的關(guān)鍵措施。導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)構(gòu)是機(jī)組改造的總指導(dǎo)，根據(jù)計(jì)算所得參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)擬定導(dǎo)葉調(diào)控方案，促進(jìn)了水電資源模式的最優(yōu)化發(fā)展。這次阿卡爾七級(jí)站導(dǎo)葉計(jì)算對(duì)實(shí)際調(diào)度產(chǎn)生了宏觀性引導(dǎo)，促進(jìn)“節(jié)能、高效、環(huán)?！钡刃滦退娬窘ǔ膳c使用。

［1］曹樹平，陳亮，胡慶超.集成式水輪機(jī)分段調(diào)速控制閥的設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2005（11）.

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范建軍（1981年—），男，工程師。