調(diào)壓閥的應(yīng)用

6/6在水電站運(yùn)行中，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組突然甩負(fù)荷時(shí),調(diào)速器自動(dòng)控制水輪機(jī)快速關(guān)閉導(dǎo)葉,壓力管道內(nèi)產(chǎn)生水壓和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升。對于壓力引水管道較長的電站，改變導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，有時(shí)不能同時(shí)使壓力和轉(zhuǎn)速上升都控制在允許的范圍之內(nèi)。為時(shí)，通常采用設(shè)置調(diào)壓井或調(diào)壓閥等方法來解決壓力和轉(zhuǎn)速上升的矛盾，保證電站安全運(yùn)行。但設(shè)置調(diào)壓井需要較大的投資和較長的工期，而有些電站限于地形、地質(zhì)條件，還難于建造調(diào)壓井，因此對于這一類中小型電站采用調(diào)壓閥方案具有較明顯的優(yōu)勢。目前生產(chǎn)的全油壓控制TFＷ型調(diào)壓閥具有和導(dǎo)葉液壓聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，安全可靠、投資少、工期短等優(yōu)勢。從上個(gè)世紀(jì)8０年代以來國內(nèi)已有近百座水電站設(shè)計(jì)中取消了調(diào)壓井,采用TFW型全油壓控制調(diào)壓閥，還沒有發(fā)生一起安全事故。浙江的金坑、宣平溪等水電站已經(jīng)安全運(yùn)行了多年,即使是發(fā)達(dá)國家,如挪威在水電站中也大量使用調(diào)壓閥來代替調(diào)壓井(額定水頭為1５8ｍ、單機(jī)容量６0ＭＷ的TJΦRHM水電站就是一個(gè)例子)。

現(xiàn)就調(diào)壓閥的液壓原理、特點(diǎn)、過渡過程等作如下闡述。

1、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)見圖1,其特點(diǎn)是全部采用壓力油直接進(jìn)行控制和操作，其液壓原理如下:：

（１）機(jī)組負(fù)荷不變時(shí)。主配壓閥活塞在“平衡位置”，壓力油通過P1腔經(jīng)過節(jié)流閥A后進(jìn)入調(diào)壓閥接力器關(guān)閉腔TG，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2。由于調(diào)壓閥關(guān)閉腔的壓力大于閥盤上的水推力,故調(diào)壓閥處于關(guān)閉位置。如果調(diào)壓閥本來已經(jīng)打開,就向關(guān)閉側(cè)運(yùn)動(dòng)。

（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)）。由于主配壓閥上移量較小,處于“減部分負(fù)荷”位置,僅有少量壓力油從P１腔經(jīng)節(jié)流閥Ａ后進(jìn)入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔ＪG腔而緩慢關(guān)閉導(dǎo)葉，調(diào)壓閥關(guān)閉腔壓力略微減少，但仍大于閥盤上的水推力,調(diào)壓閥開啟腔ＴK通排油腔O2，故調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

（３)當(dāng)機(jī)組瞬時(shí)甩較大負(fù)荷時(shí)(大于機(jī)組額定出力的1５%以上）。主配壓閥活塞上移量較大，處于“甩較大負(fù)荷”位置，大量壓力油直接經(jīng)過ＴK腔進(jìn)入調(diào)壓閥接力器開啟腔，調(diào)壓閥快速開啟,而調(diào)壓閥關(guān)閉腔TG與導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔ＪG連通，導(dǎo)葉接力器開啟腔ＪK通排油腔O2，導(dǎo)葉快速關(guān)閉。所以調(diào)壓閥快速開啟,導(dǎo)葉快速關(guān)閉，兩者是協(xié)聯(lián)同步的,滯后時(shí)間為零。

（4)當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)。主配壓閥活塞下移,處于“增負(fù)荷”位置，壓力油P1直接進(jìn)入導(dǎo)葉接力器開啟腔中，調(diào)壓閥關(guān)閉腔壓力略微減少，但仍大于閥盤上的水推力,調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2，故調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)。

(5）導(dǎo)葉兩段關(guān)閉裝置。在調(diào)壓閥開始快速開啟時(shí)，受節(jié)流閥Ｃ的限制，油壓迅速升高,油壓逆止閥開啟,調(diào)壓閥關(guān)閉腔ＴG的壓力油進(jìn)入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG，多余的油量經(jīng)節(jié)流閥D回至調(diào)速器回油箱，故調(diào)壓閥開啟速度加快，提前開到限位環(huán)所限制的位置，此時(shí)導(dǎo)葉接力器未處于全關(guān)位置，只能通過少量來自節(jié)流閥A的壓力油緩慢關(guān)閉，從而起到導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉的功能。

(６）如果調(diào)壓閥失靈，機(jī)組只能通過節(jié)流閥A的少量壓力油慢速關(guān)閉，以保證引水管道壓力上升不超過允許值。

（7）各節(jié)流閥的作用.①節(jié)流閥A:整定調(diào)壓閥失靈時(shí)導(dǎo)葉慢關(guān)時(shí)間，也定了調(diào)壓閥的關(guān)閉時(shí)間;②節(jié)流閥C：整定油壓逆止閥的開啟壓力，以保證逆止閥迅速開啟;③節(jié)流閥Ｄ：整定導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的拐點(diǎn)位置。

２、調(diào)壓閥特性

國內(nèi)現(xiàn)有全油壓控制調(diào)壓閥按直徑和水頭共分7個(gè)品種，主要參數(shù)見表１.

(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。TＦW型調(diào)壓閥的本體帶導(dǎo)葉消能和補(bǔ)氣的閥殼、錐型或圓形的閥盤、平衡腔、接力器、引導(dǎo)油腔、活塞行程限制環(huán)、進(jìn)排水管和補(bǔ)氣閥等組成。接力器及引導(dǎo)油腔直接與閥殼連成整體，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊。

（２)流量特性。根據(jù)調(diào)壓閥的閥塞類型和Yx/Dx值查詢單位流量Q1x′見表2，由此得到調(diào)壓閥的相應(yīng)流量Q=,從而可以繪制出各種調(diào)壓閥的開度與流量關(guān)系曲線。

（３）操作特性。調(diào)壓閥最低操作油壓的范圍一般在1。3~2.0MPａ之間，并隨著調(diào)壓閥工作水頭的提高而提高，最高的操作壓力一般為2.５MPa。

(4）布置要點(diǎn)。調(diào)壓閥的布置應(yīng)盡可能不增加機(jī)組間距和跨度，并與調(diào)速器、進(jìn)水閥等協(xié)調(diào)布置。對于立式機(jī)組，一般布置在蝸殼進(jìn)口前或蝸殼進(jìn)口段上,對于臥式機(jī)組一般布置在水輪機(jī)進(jìn)水閥后蝸殼進(jìn)口前的鋼管上。調(diào)壓閥的泄流方式應(yīng)考慮消能效果，盡管水流通過調(diào)壓閥后消除了大部分能量，但仍應(yīng)考慮剩余能量的消除.設(shè)置調(diào)壓閥電站的過渡過程

假定水輪機(jī)、調(diào)壓閥的流量與時(shí)間呈線性關(guān)系,而且互相匹配很好，因而整個(gè)引水系統(tǒng)的流量也呈線性關(guān)系變化。設(shè)置調(diào)壓閥后的調(diào)節(jié)特性和流量與時(shí)間的變化見圖2所示.圖中實(shí)線1為導(dǎo)葉快速關(guān)閉過程線；虛線2為調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉慢關(guān)閉過程線；點(diǎn)劃線3為調(diào)壓閥啟閉過程線。為了控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，拐點(diǎn)流量Qｇ一般選擇在空載開度附近，因此水輪機(jī)沒有多余的能量使機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。同時(shí)要限制水壓的升高，機(jī)組流量的減少應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi).

3．1計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

（1)機(jī)組突甩負(fù)荷后，有關(guān)規(guī)范蝸殼最大壓力升高率按以下情況考慮:①額定水頭小于40m時(shí)，宜為70％~50％;②額定水頭在40～100m時(shí)，宜為５0％~30％；③額定水頭大于１０0m時(shí),宜小于３０％。裝設(shè)調(diào)壓閥后，有條件將壓力升高控制在更小的升壓范圍內(nèi)，結(jié)合引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分段關(guān)閉裝置的現(xiàn)場調(diào)整，獲得較優(yōu)的關(guān)閉規(guī)律。

（２)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速升高率按以下情況考慮:①當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，宜小于45％；②當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌?dān)負(fù)基荷時(shí)，宜小于55％。

考慮到目前的允許轉(zhuǎn)速升高有提高的趨勢，建議裝設(shè)調(diào)壓閥后轉(zhuǎn)速升高率在計(jì)算時(shí)可按5０％控制。

(3）機(jī)組突增負(fù)荷和甩部分負(fù)荷時(shí)，壓力下降應(yīng)保證在水庫死水位時(shí)整個(gè)壓力管道都有2m以上的正壓力余量.

3。2變量說明

除圖2中說明的變量之外，計(jì)算時(shí)仍需涉及到的變量如下：

（1）Ｔs′：不考慮壓力升高,控制速率升高的情況下，機(jī)組全關(guān)閉時(shí)間；

(2)β：允許的轉(zhuǎn)速升高率；

（3）ζ：允許的壓力升高率；

（4）QTM：允許機(jī)組減少的流量；

（5）Yｇ：水輪機(jī)空載相對開度;

（6）Yk：調(diào)壓閥全開時(shí)水輪機(jī)接力器相對開度。

3。3計(jì)算方法

(1)根據(jù)β求Ts′及調(diào)壓閥開啟時(shí)間Ｔｘｋ.計(jì)算Ts′與不設(shè)調(diào)壓閥時(shí)的方法一樣,可以根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》(水力機(jī)械)中的有關(guān)公式計(jì)算。由此得到Tｘｋ=(１—Ｙg)×Ｔs′.當(dāng)采用導(dǎo)葉一段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，Txｋ=Ts′.

(2）根據(jù)ζ求水輪機(jī)慢關(guān)閉時(shí)間Tsｍ。計(jì)算Tｓ′與不設(shè)調(diào)壓閥時(shí)的方法一樣,可根據(jù)水錘相的特點(diǎn)，利用阿列維公式反算得到.

（３）計(jì)算機(jī)組允許的流量減少ＱTM。按線性關(guān)系，調(diào)壓閥開始關(guān)閉前的時(shí)間為Tｘk＋Ｔp，而機(jī)組流量減少的速率允許值為（Txｋ+Tp)／Tsm，因此，QTＭ＝（Txk＋Ｔp）／Tsｍ×QT。計(jì)算時(shí)，由于Ｔp的不確定性,采用QＴM=Txk/Tsm×QT簡化計(jì)算是安全的.

(４)計(jì)算調(diào)壓閥的泄放流量Ｑx及開度Ｙx.水輪機(jī)流量的減少和調(diào)壓閥泄流的增加導(dǎo)致引水系統(tǒng)的過流量變化,因此應(yīng)保證ＱTM≤QＴ－QＸ－Qg,由此得到調(diào)壓閥的泄放流量QTM。根據(jù)調(diào)壓閥的流量特性計(jì)算得到所需的開度Yｘ，并選擇調(diào)壓閥型號(hào)及參數(shù)。

（５)驗(yàn)算機(jī)組增負(fù)荷造成的壓力下降。此時(shí)調(diào)壓閥不動(dòng)作,計(jì)算時(shí)可按1臺(tái)機(jī)組從空載開度突增到全負(fù)荷的情況，計(jì)算方法與不設(shè)調(diào)壓閥的情況一樣，可根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)手冊的公式計(jì)算壓降，從而確定合理的增負(fù)荷開機(jī)時(shí)間.

（6）驗(yàn)算甩部分負(fù)荷時(shí)調(diào)壓閥仍全開時(shí)造成的壓力下降。①計(jì)算調(diào)壓閥全開時(shí)水輪機(jī)接力器開度:Yk＝(Ｔsm＋Tｘk—Ts）/Tsm；②根據(jù)機(jī)組接力器行程和導(dǎo)葉開度關(guān)系曲線查得導(dǎo)葉開度τ0，然后從轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線查得單位流量Q１′，計(jì)算水輪機(jī)流量QT＝Q１′×Ｄ12×Ｈ(1／２）；③根據(jù)調(diào)壓閥限制開度計(jì)算調(diào)壓閥全開流量：QX=;④如果QＸ>QT，則在起始段出現(xiàn)壓力下降：計(jì)算引水系統(tǒng)平均流速Ｖ、計(jì)算流速變化ΔV=(QＸ－ＱT）×V/ＱT、計(jì)算導(dǎo)葉接力器從Yk開度開始關(guān)閉的時(shí)間Ｔk＝Y(jié)k×Tｓ′、計(jì)算管道特性系數(shù)ρ=ａ×ΔＶ/(2×ｇ×H)、σ＝Ｌ×ΔV/(g×H×Tk）,根據(jù)ρτ0判斷最大水錘出現(xiàn)的相序計(jì)算壓力下降。

（7）根據(jù)壓力下降計(jì)算成果確定是否需要優(yōu)化壓力管道的布置。

4、調(diào)壓閥的整定

調(diào)壓閥參數(shù)整定前,機(jī)組、調(diào)速器、油壓裝置及調(diào)壓閥設(shè)備應(yīng)全部安裝合格，并達(dá)到啟動(dòng)試運(yùn)行的要求后，根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的整定。

(１)初調(diào)各節(jié)流閥至一定位置,模擬動(dòng)作數(shù)次,排除管路中的空氣。

（2)切除調(diào)壓閥,調(diào)整節(jié)流閥Ａ,整定導(dǎo)葉的慢關(guān)閉時(shí)間。

（3)投入調(diào)壓閥,調(diào)整節(jié)流閥D，整定兩段關(guān)閉的拐點(diǎn)位置.

（4)調(diào)整節(jié)流閥C，整定油壓逆止閥的啟動(dòng)油壓。

(５）導(dǎo)葉快關(guān)閉時(shí)間和增負(fù)荷開機(jī)時(shí)間仍由特殊主配壓閥開口大小來整定.

5、結(jié)語

（1)由于全油壓控制TFW型調(diào)壓閥具有動(dòng)作靈敏、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護(hù)方便、沒有滯后時(shí)間、投資少等優(yōu)點(diǎn)，因此自２0世紀(jì)８０年代以來，國內(nèi)已有近百座水電站在設(shè)計(jì)中取消了調(diào)壓井而采用TFW型含油壓控制調(diào)壓閥;即使發(fā)達(dá)國家的水電站中也大量采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井（挪威TJΦRHM水電站就是其中之一，該電站額定水頭為158m，單機(jī)容量為６0MW）。

(２）由于本控制系統(tǒng)的調(diào)壓閥在負(fù)荷小擾動(dòng)條件下不動(dòng)作，而此類電站的水流慣性時(shí)間常數(shù)TＷ均較大，因此對于裝設(shè)調(diào)壓閥的電站,在選擇調(diào)速器時(shí)，其暫態(tài)反饋強(qiáng)度bt和緩沖時(shí)間常數(shù)Ｔd及有關(guān)技術(shù)參數(shù)，要有盡可能大的可調(diào)范圍.

（3)由于機(jī)組流量特性和調(diào)壓閥流量特性不同,難以完全匹配一致，往往在導(dǎo)葉關(guān)閉起始時(shí)段和關(guān)閉結(jié)束時(shí)段發(fā)生壓力下