范建軍

（博樂農(nóng)五師全新勘測設(shè)計有限公司，新疆博樂833400）

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

范建軍

（博樂農(nóng)五師全新勘測設(shè)計有限公司，新疆博樂833400）

結(jié)合“阿卡爾七級水電站”工程案例，分析了導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計算方法，根據(jù)計算所得參數(shù)標(biāo)準擬定導(dǎo)葉調(diào)控方案，提出水電站安全控制的綜合對策，對水電站實際調(diào)度產(chǎn)生宏觀性引導(dǎo)，促進了“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，機組發(fā)生事故或甩負荷時，管道壓力和機組轉(zhuǎn)速暫態(tài)的提高，嚴重影響到電站的安全運行及發(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)葉在水電機組運行階段發(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能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機械能。導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律的作用是在機組發(fā)生事故或甩負荷時要求導(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組轉(zhuǎn)速均要暫停上升，特別是軸流式機組，由于水錘的作用還會導(dǎo)致機組轉(zhuǎn)輪上抬，嚴重威脅水輪發(fā)電機組的安全運行。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)計為折線關(guān)閉特性，有效地減少關(guān)機過程中水壓上升值和抬機量。因此，嚴格實施導(dǎo)葉分段關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計算工作，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“阿卡爾七級水電站”，該水電站設(shè)計水頭152.95m，設(shè)計引水流量為5.6m3/s，裝機容量為3×2250kW，年利用小時數(shù)為5197，設(shè)計年發(fā)電量3508萬kW·h，工程的興建將有效的緩解第五師電力緊缺的矛盾，同時電量還可上網(wǎng)輸電，為八十三團創(chuàng)造年發(fā)電效益733萬元，為團場經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展創(chuàng)造有利條件。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》（SL 252_2000）中的工程等級劃分標(biāo)準，該工程等別為Ⅴ等，工程屬?。?）型工程，主要建筑物級別為5級，次要建筑物級別為5級。

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)，同時團場每年增加的發(fā)電產(chǎn)值，一定會成為該團的一個新的經(jīng)濟增長點，對加速該團的脫貧致富，對邊境少數(shù)民族地區(qū)改變貧困面貌，邁向小康社會，將會起到積極的促進作用。

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

3 阿卡爾七級站調(diào)保詳細計算方法

該電站為有壓引水式電站，采用一管三機的布置型式，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，水輪機型號為C J A 475_W_135/1×14.5，水機出力2250W，機組額定轉(zhuǎn)速為375r pm。發(fā)電機型號為SF W2250_16/2150，飛逸轉(zhuǎn)速641r pm；本計算采用的機組轉(zhuǎn)動慣量G D2為5.58（t·m2），折向器的有效關(guān)閉時間1.5m i n。

該工程采用沖擊式水輪機，在其噴嘴口裝置偏流器，丟棄負荷時，能以較快速1～2s內(nèi)動作，將射流偏折，離開轉(zhuǎn)輪，防止機組轉(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 計算情況

按3臺機組同時甩負荷計算；甩負荷過程中，噴針不突然折斷，故不發(fā)生直接水錘；開機時，壓力下降按一臺機組增負荷計算。

3.2 計算標(biāo)準

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

3.3 計算∑LV值

通過測量前池進水口、壓力鋼管和支管的長度、直徑、面積、流量和流速，計算得出∑LV值，見表1。

表1 ∑L V計算表

3.4 計算壓力上升值

初選40計算壓力上升值，波速a=1000m/s。

式中：ρ、σ——管道特性系數(shù)；

V平均——計算管段平均流速，m/s；

H設(shè)——電站設(shè)計水頭，m；

g——重力加速度，g/m2；

∑LV—計算管段長度與流速的乘積之和，m2/s；

τ0—導(dǎo)葉開度。

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

Z1是相對的最大壓力上升值，相對值和絕對值分別為：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 壓力下降值計算

按一臺機組突然增至全負荷計算，開啟時間為40s，則：

前池末端在增加負荷時的壓力為：

所以，在前池末端不產(chǎn)生真空，即不產(chǎn)生負壓。

3.7 速率上升值計算

折向器的有效關(guān)閉時間T s=1.5m i n，則

式中：

N——額定容量，2250kW；

G D2——轉(zhuǎn)動慣量，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)機的安全控制措施

分段關(guān)機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)機安全控制需結(jié)合關(guān)閉閥、控制閥等裝置進行調(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導(dǎo)葉接力器之間的油路上，通過對接力器開機油腔的控制，使接力器具有兩段要求的不同關(guān)閉速度，以滿足水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)保證計算的要求。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速度開啟，與接力器位置和活塞、調(diào)節(jié)螺栓位置無關(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動時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，機組接力器位移凸輪機構(gòu)安裝于接力器下方，利用接力器在運動過程中使斜塊觸動凸輪來控制其油路切換，實現(xiàn)對分段關(guān)閉閥的控制。

5 結(jié)論

新時期國家對農(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，對農(nóng)村地區(qū)改革建設(shè)具有深遠意義。歷年以來，水電站在農(nóng)村設(shè)施改造方面發(fā)揮了重要作用，實時改造水輪發(fā)電機組是實現(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)保證計算結(jié)構(gòu)是機組改造的總指導(dǎo)，根據(jù)計算所得參數(shù)標(biāo)準擬定導(dǎo)葉調(diào)控方案，促進了水電資源模式的最優(yōu)化發(fā)展。這次阿卡爾七級站導(dǎo)葉計算對實際調(diào)度產(chǎn)生了宏觀性引導(dǎo)，促進“節(jié)能、高效、環(huán)保”等新型水電站建成與使用。

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范建軍（1981年—），男，工程師。