导叶分段关闭调节保证计算方法及安全控制

范建军

（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆博乐833400）

导叶分段关闭调节保证计算方法及安全控制

范建军

（博乐农五师全新勘测设计有限公司，新疆博乐833400）

结合“阿卡尔七级水电站”工程案例，分析了导叶分段关闭调节保证计算方法，根据计算所得参数标准拟定导叶调控方案，提出水电站安全控制的综合对策，对水电站实际调度产生宏观性引导，促进了“节能、高效、环保”等新型水电站建成与使用。

导叶；导叶分段关闭；计算；安全控制

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

水电站是农村改革建设阶段的保障性设施，兴建水电可以解决传统资源调配的不足，为农村创建更加多元化的发展模式提供电能保障。但随着水能资源逐年开发，水头较为集中河段水能基本已开发成型，目前主要开发河道纵坡较小，导致压力管线较长，机组发生事故或甩负荷时，管道压力和机组转速暂态的提高，严重影响到电站的安全运行及发电调度系统的作业状态。

分段关闭调保可以提升水电站内作业调度效率，导叶在水电机组运行阶段发挥了重要的调节功能，导叶的作用将水的压力和动能转换成旋转的机械能。导叶分段关闭规律的作用是在机组发生事故或甩负荷时要求导叶迅速关闭，在导叶迅速关闭过程中，输水管道的压力和机组转速均要暂停上升，特别是轴流式机组，由于水锤的作用还会导致机组转轮上抬，严重威胁水轮发电机组的安全运行。为此，在满足调节保证值的条件下，将接力器关闭特性设计为折线关闭特性，有效地减少关机过程中水压上升值和抬机量。因此，严格实施导叶分段关闭调节保证计算工作，能够实现水电站作业模式的最优化。

1 工程概述

工程案例为“阿卡尔七级水电站”，该水电站设计水头152.95m，设计引水流量为5.6m3/s，装机容量为3×2250kW，年利用小时数为5197，设计年发电量3508万kW·h，工程的兴建将有效的缓解第五师电力紧缺的矛盾，同时电量还可上网输电，为八十三团创造年发电效益733万元，为团场经济可持续发展创造有利条件。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252_2000）中的工程等级划分标准，该工程等别为Ⅴ等，工程属小（2）型工程，主要建筑物级别为5级，次要建筑物级别为5级。

2 工程建设的必要性

博州地区煤炭资源匮乏，该站的建成为全师职工今后使用新型清洁能源奠定了基础，同时团场每年增加的发电产值，一定会成为该团的一个新的经济增长点，对加速该团的脱贫致富，对边境少数民族地区改变贫困面貌，迈向小康社会，将会起到积极的促进作用。

阿卡尔河流域水电梯级开发为第五师经济发展和居民生活水平的提高作出了积极贡献。根据电力平衡分析结果可知，目前该师电力严重不足，因此加快电力基础设施建设显得尤为重要和迫切，通过兴建八十三团阿卡尔七级水电站，将新增装机容量6750kW，这必将有效缓解第五师电力紧缺的局面。第五师八十三团是一个以农业为主，林牧结合，工交建商服综合发展的农牧团场。阿卡尔河为五师独立管理水系之一，水能资源较丰富，目前该河上已建梯级水电站7座，总装机15700W，且水能资源有很大的开发潜力。由此可见，从第五师及团场发展的长远利益出发，兴建阿卡尔七级水电站工程十分必要，也具备一定条件。

3 阿卡尔七级站调保详细计算方法

该电站为有压引水式电站，采用一管三机的布置型式，压力管采用P C C P管（钢筒预应力钢筋管）和钢管组合型式，主管直径1.8m，支管直径0.6m，水轮机型号为C J A 475_W_135/1×14.5，水机出力2250W，机组额定转速为375r pm。发电机型号为SF W2250_16/2150，飞逸转速641r pm；本计算采用的机组转动惯量G D2为5.58（t·m2），折向器的有效关闭时间1.5m i n。

该工程采用冲击式水轮机，在其喷嘴口装置偏流器，丢弃负荷时，能以较快速1～2s内动作，将射流偏折，离开转轮，防止机组转速变化过大，针阀以较慢速度关闭，从而减小水击压力。

3.1 计算情况

按3台机组同时甩负荷计算；甩负荷过程中，喷针不突然折断，故不发生直接水锤；开机时，压力下降按一台机组增负荷计算。

3.2 计算标准

压力上升允许值［Z］≤30%；速率上升允许值［β］≤40%；压力前池进口处不产生真空（负压）。

3.3 计算∑LV值

通过测量前池进水口、压力钢管和支管的长度、直径、面积、流量和流速，计算得出∑LV值，见表1。

表1 ∑L V计算表

3.4 计算压力上升值

初选40计算压力上升值，波速a=1000m/s。

式中：ρ、σ——管道特性系数；

V平均——计算管段平均流速，m/s；

H设——电站设计水头，m；

g——重力加速度，g/m2；

∑LV—计算管段长度与流速的乘积之和，m2/s；

τ0—导叶开度。

对于全甩负荷τ0=1，则ρ τ0=0.742＜1，故最大水锤发生在第一相。

Z1是相对的最大压力上升值，相对值和绝对值分别为：别为：

3.5 压力前池末端的最大压力值Z末

Z末=（前池最大水位-前池末端管中心高程）+最大压力上升值Z1

3.6 压力下降值计算

按一台机组突然增至全负荷计算，开启时间为40s，则：

前池末端在增加负荷时的压力为：

所以，在前池末端不产生真空，即不产生负压。

3.7 速率上升值计算

折向器的有效关闭时间T s=1.5m i n，则

式中：

N——额定容量，2250kW；

G D2——转动惯量，5.58；

n0——额定转速，375r/m i n；

n飞逸——飞逸转速，641r/m i n；

Z平均——相对压力上升值，（0.256+

0.00087 ）/2=0.128

由此得速率上升值为：

β=β0C f=37.5%＜[]β=40%根据上述计算结果，压力上升值和速率上升值均在允许范围之内，前池末端也不出现真空，因此符合要求。

4 分段关机的安全控制措施

分段关机控制是为了降低过渡过程中的压力上升或速率上升的幅度，将导叶的直线关闭过程分成速率不同的几段。分段关机安全控制需结合关闭阀、控制阀等装置进行调节，建立更加完整的安全控制系统。

4.1 导叶分段关闭阀

导叶分段关闭阀安装在调速器主配阀与水轮机导叶接力器之间的油路上，通过对接力器开机油腔的控制，使接力器具有两段要求的不同关闭速度，以满足水轮机调节系统调节保证计算的要求。导叶分段关闭阀不起截流作用，接力器按主配压阀整定的开机速度开启，与接力器位置和活塞、调节螺栓位置无关。

4.2 导叶分段控制阀

控制阀是一种利用凸轮使接力器运动时控制切换阀换位的阀门，从而控制分段关闭阀油路大小的阀门。分段关闭安全控制中，机组接力器位移凸轮机构安装于接力器下方，利用接力器在运动过程中使斜块触动凸轮来控制其油路切换，实现对分段关闭阀的控制。

5 结论

新时期国家对农村地区建设给予了政策支持，以新农村建设为中心完善配套设施工程，对农村地区改革建设具有深远意义。历年以来，水电站在农村设施改造方面发挥了重要作用，实时改造水轮发电机组是实现水电资源优化配置的关键措施。导叶分段关闭调节保证计算结构是机组改造的总指导，根据计算所得参数标准拟定导叶调控方案，促进了水电资源模式的最优化发展。这次阿卡尔七级站导叶计算对实际调度产生了宏观性引导，促进“节能、高效、环保”等新型水电站建成与使用。

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范建军（1981年—），男，工程师。