调压阀-爆破膜装置在调保中的应用研究

封晓辉，申世吉

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

调压阀-爆破膜装置在调保中的应用研究

封晓辉，申世吉

（吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021）

对于长管引水式水电站，为满足其调节保证的要求，结合某电站的输水系统布置特点，提出采用调压阀-爆破膜作为调保措施的方案，并对调压阀直径的选定和爆破膜基本参数确定、优化等问题进行了计算分析，以确保电站的稳定运行。

水电站；调节保证；调压阀；爆破膜

1 工程概况

某长引水式水电站装机容量2×4.32mW，额定流量4.078m3/s，额定水头234.8m，转动惯量G D2=5.0 t·m2，水轮机型号HL***-WJ-92。电站输水系统布置图如图1所示。管路特性参数见表1。

图1 电站输水系统布置示意图（单位:m）

表1 当量化后的管路特性参数

结合该电站的特征参数，并根据水力发电厂机电设计规范（DL/T5186-2004）［1］，提出该电站的调保计算控制条件:

（1）机组转速最大上升率≤60.0%；

（2）蜗壳最大压力升高率≤30%，即为328m；

（3）输水道全线洞顶的最小内水压力＞2m；

（4）压力管道中最大真空度≤8m。

2 计算目的及原理

水电站运行过程中，由于各种原因，机组突然与系统解离或突然全甩负荷，致使机组转速突然大幅度升高，引水管道中的压力也急速上升，将对电站的引水系统和机组产生破坏作用。为此，在水电站设计中，为了保证机组正常运行，必须要进行调保计算。在调节保证计算中，限制水力压力的升高和机组转速的升高是相互制约的。在无法满足同时限制压力和转速上升要求时，则需要采用调保措施，满足两者要求。

目前在水电站设计中，所采用的调保措施比较多，包括增加机组的转动惯量、设置调压室、缩短引水管道的长度、增大引水管道断面以及减少管内流速等。这些措施常常受地形、地质条件的影响或者投资较大、施工困难等因素的制约，难以施行。综合目前国内外几种调保措施得出，调压阀-爆破膜装置作为水电站的调保措施是一个值得推荐的方案，其不受地形地质、投资、风险等因素影响，并且经济效益明显［2-3］。

调压阀-爆破膜装置作为调节保证措施的基本原理:机组正常运行时，引水管内压力平稳，调压阀处于关闭状态。当甩负荷时，引水管内发生水锤，压力上升超过调压阀整定值，调压阀开启，泄放一定的流量，限制了水锤压力的上升，由于此时通过水轮机的流量减少，因而也减少了机组的剩余流量，限制了机组的转速上升。如果调压阀损坏、压力超过整定值其仍未动作或者调压阀泄流量不够情况下，引水系统压力将继续升高，达到爆破膜的整定压力，爆破膜爆破，水流喷出，同样起到保护作用。一般情况下爆破膜的爆破整定压力比调压阀的正常工作时产生的压力值高，这样才能保证正常情况下调压阀动作，而爆破膜不启爆。

3 计算结果及分析

3.1 调压阀设置

调压阀的过流量［4］:水锤计算的正、负特征线方程［5］:

式中:τ为调压阀开度；Q11为单位流量，HA（t）、HB（t）、QA（t）、QB（t）分别为A、B边在t时刻的瞬态水头和瞬态流量。结合（1）、（2）、（3），即可获得阀前压力、阀后压力、过阀流量3个未知量。

3.1.1 调压阀与机组启闭规律

导叶及调压阀的启闭规律对引水系统的水锤压强与机组转速上升率的大小影响较大，它决定于调速系统特性，而且在一定范围内是可调的，因此采用合理的启闭规律可以降低水锤压强与限制机组转速升高，且不需要额外增加电站机组投资，是一种经济有效的措施。对调压阀和机组导叶联动的启闭规律进行了优化，优化后蜗壳最大压力升高率≤18%，即为297m，其它指标不变，即机组的转轮GD2=5.0t·m2，调压阀动作时机组转速最大上升率应在≤60%，尾水管进口真空度≤8m。见表2。

表2 调压阀与机组联合启闭规律

3.1.2 调压阀的直径

调压阀直径关系到其开启时的过流量，理论上调压阀的直径越大则系统的降压效果越好，但调压阀的直径过大，造价加大，其泄流能力加大，过高的流速除可能带来高速水流的气蚀与消能问题外，在发生单台机甩负荷的事故情况下，大部分水流从调压阀流走，从而将导致同一水力单元的另外一台机组出力出现较大下降，产生较严重的水力干扰，由此可能发生相继甩负荷事故。故较优的调压阀直径应满足:

（1）最小阀径应满足导叶关闭、调压阀开启时不会产生过大的压力上升；

（2）最大阀径应满足导叶关闭、调压阀开启时系统总流量不产生过大的增加，即事故前后系统总流量近似相等。详见表3。

表3 不同调压阀直径方案对比

图2 调压阀直径0.35m、启闭规律为3时蜗壳末端-调压阀前压力及机组相对转速变化过程线

由表2、3及图2可知，调压阀直径取0.30m时，蜗壳末端压力超过整定值；直径取0.40m时，泄流量过大，均不能满足调保要求及直径优化原则。调压阀直径选取0.35m，启闭规律为3时，调压阀直径优化原则（1）、（2）及调保要求均能满足，蜗壳末端最大压力及最大转速上升率均有一定的富裕度，鲁棒性很好。

3.2 爆破膜设置

3.2.1 爆破膜计算原理

爆破膜金属膜片的爆破压力、膜片材质、厚度、片数和直径等参数，可根据引水系统和机组所允许的压力和转速阈值，通过对输水系统过渡过程进行计算来确定。在计算中，每片爆破膜膜片启爆后的排量，按薄壁小孔口出流公式［6］计算:QB=， 式中，μ为流量系数，取值一般在0.58至0.62之间；FB为膜片爆破面积（m2）；H为作用在爆破膜孔口的水压力（米水柱）。另外，爆破膜膜片直径不宜过大，片数不宜过少，以免膜片爆破时压力下降过大而产生负压。此外，爆破膜还应有不同压力控制等级的备用片数，以策安全。

3.2.2 爆破膜直径、数量及排列方式

（1）单个爆破膜爆破

单个爆破膜相关参数计算结果见表4。

表4 单个爆破膜直径优化结果

根据小孔出流计算公式选择直径大的膜径，出流量大，导致管道前端负压难以控制，故不能采用；直径0.15m的爆破膜，虽泄流能力不足，但造成的负压均可控，转速最大上升率又可以通过降低爆破压力整定值实现，蜗壳末端最大压力的降低可通过多次爆破增加排量来实现。因此，本文提出两个或者多个爆破膜相继爆破的方案，理论上可行。

（2）多个爆破膜爆破

多个爆破膜爆破的计算结果见表5。

表5 多个爆破膜爆破计算结果

两个爆破膜相继爆破时较单个爆破蜗壳末端压力及最大转速上升率有了明显的改善，见表4，以膜后球阀开度限制泄流量来保证管道内负压满足条件，由于泄流量被球阀开度限制，由表4计算方案对比可知爆破方案1、2总的泄流量仍不足以把蜗壳末端压力控制至调保压力控制标准以下，方案3爆破膜相继启爆时，球阀开度在45～95%之间调节，蜗壳末端压力、转速最大上升率及管道中负压等均能控制在调保参数控制标准内，满足要求。

图3 三膜径0.15m爆破膜爆破蜗壳末端压力及机组相对转速变化过程线（球阀开度95%）

三爆爆破方式:1#爆破膜先爆破，3#爆破膜再爆破，2#爆破膜最后爆破，由于是对称结构，爆破次序无影响，采用并联对称结构利于控制和爆破后换膜片的方便，如图4。

图4 三个爆破膜排列布置示意图

4 结语

（1）对于某长管引水式电站，结合该电站的输水系统布置特点及经济、技术上的要求，对其水力过渡过程进行计算，采用调压阀-爆破膜作为调保措施的方案能够较好的满足电站的调保要求。

（2）通过计算及分析确定该电站的调压阀直径。通过对比演算对爆破膜的直径、数量、排列方式的确定进行了一系列优化，以确定爆破膜参数来确保电站的稳定运行，其结论对一些中小型水电站的具有借鉴意义。

［1］DL/T5186-2004.水轮机发电厂机电设备规范［S］.

［2］胡沛成，倪福生.水电站用爆破膜代替调压井的过渡过程和工程措施［J］.河海大学常州分校学报，1999，13（04）:2-5.

［3］Peicheng H，Pusheng Z，ElkouH A F.ReliEf Valve and SafeTy Mem-brane Arrangement in Lieu of Surge Tank，Journal of Energy Engi-neering［J］，ASCE，Augus T1989，115（02）:78-83.

［4］马世波，张健，刘亚宁，等.中小型水电站调节保证措施研究［J］.水电能源科学，2008，26（03）:170-171.

［5］Wylie E B，STreeTer V L，Suo Lisheng.Fluid Transient in SysTems［M］.EnGLewood Cliffs:PrenTice Hall，1993.

［6］刘建军，章宝华.流体力学［M］.北京:北京大学出版社，2006.

图4 EH4深埋隧洞二维反演电阻率图

根据图4的电性参数特征，可以看出剖面上部视电阻率值基本在50～150，下部视电阻率值≥250，我们取视电阻率值等于150的等值线作为划分覆盖层与基岩界线的基准，则粗黑线上方推断为覆盖层，下方推断为基岩。由图可见剖面小桩号覆盖层较薄，最浅处约15m，大桩号的附近覆盖层较厚，最大厚度趋近200m，其中在桩号830～1050处有一相对凹陷形态，推断该覆盖层厚度较大。覆盖层下方，基岩顶板线高程整体呈现小桩号高，大桩号低的特性，桩号0～700段视电阻率等值线形态较平缓，表明岩性稳定性较好；桩号700～1100段等值线形态不规则，比较错乱，表明岩性稳定性较差；桩号1100～2000段等值线成层性较好，表明岩性稳定性较好。整个剖面覆盖层以及基岩顶板线具体分布情况见图4。

另外，根据视电阻率等值线密集和横向斜率形态突变情况，结合大范围的低电阻率值区，推断在剖面桩号830至1110处有断裂构造发育、岩体破碎、倾向大桩号一侧，倾角较陡。

4 结语

通过本次高频大地电磁工作，完成深埋隧道轴线纵剖面1条，通过对成果资料的综合分析解释，初步查明了深埋隧道轴线剖面的巨厚覆盖层分布情况，并提示在剖面有断裂构造发育，反映了该方法技术在深埋隧道探测巨厚覆盖层分布和确定断层位置的有效性。在实际应用中，对于50～500m的覆盖层，EH4探测效果较好，但由于天然场的一段高频信号较弱，造成小于50m的覆盖层探测效果不明显。为取得较好的反演成果，采集原始数据时，使用人工场补充天然场弱信号段，远离干扰区（高压线、电线、火车轨道、公路等），从而提高勘探精度。

参考文献

［1］刘远书.瑞士圣哥达深埋长隧洞工程的设计思路、地质条件与施工方法［J］.水利规划与设计，2006（05）:44-48.

［2］刘恒祥，郝忠友.深厚覆盖层的探查［J］.水利技术监督，2014（01）:39-42.

［3］张雪.花隧洞开挖中断层和透水层的处理方法［J］.水利技术监督，2013（01）:46-49.

［4］陈乐寿，刘任，王天生.大地电磁测深资料处理与解释［M］.北京:石油工业出版社，1989.

［5］沙成满，王恩德，等.岩土工程勘测E H-4观测信号的频谱分析［J］.岩土工程学报，2005，27（02）:193-197.

TV735

B

1672-2469（2015）10-0082-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.26

封晓辉（1987年—），男，助理工程师。