水電站調壓閥選型

                              水電站調壓閥選型

                              上海申弘閥門有限公司

1水電站調壓閥選型 調壓閥介紹
（1）之前介紹自力式調節閥作用，現在介紹調壓閥是長壓力引水遂洞水電站的一種安全設備，一般，當壓力引水管道ΣELV/H大于15～30時，要設置調壓井，由于調壓井土建工程量較大，工期較長，采用調壓閥取代調壓井，可節約投資（大約可以節約調壓井投資的90%），縮短工期。例如： ①在新疆古爾圖河7級H=62m，裝機2X3750kW和1X2500kW；②非洲安哥拉洛馬烏電站H=177m，2X15MW和2X10MW，不設調壓井，裝設了Φ 600和Φ 400調壓閥。都可以說是成功的案例。
（2）調壓閥的特性主要是流量特性。調壓閥的作用是當機組甩負荷時在機組導葉快速關閉的同時調壓閥快速開啟，將機組關閉時需減少的流量從調壓閥排出，待機組關閉后再緩慢關閉調壓閥。也就是說，裝設調壓閥后，引水系統內的流量變化得以緩慢進行，從而削減了水壓上升值。另一方面，由于機組仍然是快速關閉的，從而保證了速率上升值也不會過高，所以說，調壓閥是降低引水系統壓力上升值和機組速率上升值的有效措施之一，起到了調壓井的作用。
（3）全油壓控制調壓閥液壓原理。全油壓控制TFW型調壓閥基本動作是：快速開啟，緩慢關閉；小負荷變化時，調壓閥不動作；甩較大負荷時，調壓閥開啟，并具有導葉兩段關閉的性能；增負荷時，調壓閥不起作用。經過改裝的調速器特殊主配壓閥和調壓閥的液壓控制系統見圖1，其特點是全部采用壓力油直接進行控制和操作。

調壓閥是長壓力引水隧洞水電站的一種安全設備，一般，當壓力引水管道ΣLV/H大于15～30時，要設置調壓井，由于調壓井土建工程量較大，工期較長，采用調壓閥取代調壓井，可節約投資，縮短工期。以龍源電站為例，節約了調壓井投資的90%，使電站提前一年發電。因此，采用調壓閥取代調壓井，是節約投資、加快工程進度的一項重要技術措施。減壓閥的工作原理——互為備用的雙反饋系統
在減壓閥的工作原理中，反饋系統是指根據減壓閥出口壓力的變化信號來控制過流面積（節流錐開度）的獨立系統。ZJY46H組合式減壓閥裝備有互為備用的雙反饋系統，啟用A系統即停用B系統的運行模式可以達到減壓閥不停機檢修的目的。
根據ZJY46H組合式減壓閥的工作原理中雙反饋系統的工作原理，互為備用的雙反饋控制系統和反沖排污系統，確保了減壓閥的抗故障能力和防泥沙能力， 
本系列調壓閥是通過試驗研究和在龍源等水電站調壓閥設計、制造、安裝、運行試驗的基礎上設計而成的系列產品，以適應中小型水電站的需要。
上海申弘閥門有限公司生產相關的產品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,由于調壓閥是通過泄去多余流量來達到確保機組及壓力隧洞系統的安全的，因此選型是否合理將直接影響電站的安全運行。 
（1）.必須由負責電站設計的單位按《系列設計資料匯集》進行準確的引水系統調節保證計算，以確定調壓閥的選型和所需行程，防止因不合理的參數設置而產生過大的水錘壓力。 
（2）.由于調壓閥開啟時的壓力油是入主油缸開啟腔后，將背壓腔排出的油一部分經逆止閥排回調速器油箱，另一部分則回到調速器主接力器油缸用以控制機組導葉關閉，因此在選型設計時必須注意兩油缸容積的匹配，應使調壓閥主油缸直徑D7的容積大于調速器主接力器油缸的容積，避免因調速器主接力器油缸的容積大而產生機組不能全關的現象。 
（3）.由于調壓閥是采用全液壓控制的，因此，合理地縮短調速器與調壓閥之間的距離能大限度地減少液壓控制的滯后時間，對提高調速器的調速品質具有良好的作用。 
（4）.為防止液壓系統中因集氣現象而動作不準確，應合理地布置管路，使調速器比調壓閥的安裝高程高些才是正確的

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




水電站調壓閥選型圖1 液壓系統原理圖
2 水電站2X4000kW機組調壓閥的選擇
2.1 電站參數
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L1=1330m，V1=2.54m/s，L2=82.3m，V2=4.08m/s，電站裝機2臺4000kW水輪發電機組。電站不設調壓井，但設調壓閥。
2.2 主機選型
2.2.1 水輪機HLA772c-LJ-108
額定轉速n=600r/min，額定流量Qr=Qt=7.21m3/s，額定效率G=94.21%，飛逸轉速nf=1082r/min，比轉速ns=221.41，水推力Poc=25t，水輪機出力N水=4167kW，吸出高程Hs=+1.5m
2.2.2 發電機選型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5=0.8，額定轉速n=600r/min，GD2=33t.m2
2.3 調壓閥的選擇
電站裝設調壓閥，要求全甩負荷時壓力鋼管的壓力上升值 ξ 不大于20%，機組速率上升值 β 不大于40%。分段拐點開度τg=14%（空載開度τx=12%）對應接力器行程Yg=17%，拐點流量Qg=1.345m3/s。接力器關閉規律曲線見圖2。

圖2 接力器關閉規律曲線圖
2.3.1 根據β 求T's及Tsg
計算采用哈爾濱大電機研究所“水輪機設計手冊"中所的公式，得：

式中
ΔtN--滯后時間取0.3s；
GD2--機組轉動慣量33t.m2；
f--水錘影響系數，根據水錘壓力為0.2反算得 σ =0.182，f=1+σ=1.182；
C--水輪機飛逸特性影響系數，

式（1）中
nH--甩負荷前正常轉速；
n'IP--該水頭下單位轉速；
n'IH--單位飛逸轉速。
將β =0.4、ΔtN、f、C及其它已知值代入公式，求得導水機構全行程有效關閉時間T's=7.25s。
按線性關系Tsg=（1-Yg）T's=（1-0.17）X 7.25=6.0175s
2.3.2 根據允許的壓力上升值求TSS

ρ τ > 1為末相水錘
根據末相水錘公式




2.3.3 計算要求通過調壓閥的泄放流量QX

通過計算得出的調壓閥特性曲線見圖3。

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

根據TFW600/130調壓閥特性圖（圖3）查得，本電站所需調壓閥行程Yx=75mm。
2.3.5 壓力下降驗算
（1）引水系統允許的壓力下降值：本電站引水系統控制壓力下降點在隧洞末端的B點，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，實際在該處允許的大水壓下降值為22m。
（2）部分甩負荷時的“壓降"驗算：
①求調壓閥全開所對應的接力器行程K

式中

即當在接力器行程83%甩負荷時調壓閥仍開到全行程（即Yx=75mm）。
② 計算壓力下降值
水庫在低水位546m時的水頭為61.8m

從接力器行程與機組開度關系曲線查得對應接力器0.83時的機組開度為0.81，從機組綜合特性曲線查得Q'1=760L/s

此時調壓閥開到75mm，其過流量Qx=4.401m3/s < Q，故不會出現壓力降，即壓力鋼管內不會出現負壓力。
3 裝設調壓閥電站對調速器的要求
（1）調壓閥的開啟和關閉都是由調速器控制，當機組緊急停機或瞬間甩負荷超過約15%時，調壓閥由調速器聯動開啟，使調壓閥打開泄出設定大小的水流以確保機組及壓力隧洞系統的安全。
（2）由于采用同一個主配壓閥控制，所以調壓閥快速開啟與導葉快速關閉是協聯同步的（如果可能，也可考慮采用雙主配壓閥控制）。
（3）因調壓閥是否能按設計要求動作，關系到電站的運行安全性。為了安全起見，調速器和調壓閥之間必須采用電氣和液壓雙聯動的操作方式，雙保險。當機組緊急停機或瞬間甩負荷超過約15%時，或測壓電路感知壓力鋼管壓力超過使可壓力時，調壓閥在調速器控制下快速開啟。當壓力鋼管壓力減小到設定的安全壓力時，調壓閥再緩慢關閉。
（4）活動導葉接力器必須設分段關閉裝置。
4 結語
隨著調壓閥結構設計的優化和應用技術的成熟，其操作更簡便，運行更安全可靠，與功能相同的調壓井相對比，調壓閥節省了工程投資，縮短了施工周期，在中小型水電站的引水系統中得到應用。以上關于調壓閥的選擇供同行參考。與本文相關的論文：ZJY46H組合式減壓閥減靜壓技術探討