长管道小型水电站的调压阀选型计算

虢 强（中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆乌鲁木齐　830000）



长管道小型水电站的调压阀选型计算

虢 强
（中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830000）

【摘 要】当水轮发电机组甩负荷时，调速器控制水轮机活动关闭导叶，压力管道内产生压力，机组转速上升。对于压力引水管道较长的电站，改变导叶关闭时间，就不一定能同时使压力和转速上升都控制在允许的范围之内。使用调压阀的作用在于：在机组甩负荷、导叶快速关闭的同时相应地打开泄流通道，从而降低水锤压力上升，待导叶全关后，再缓慢关闭，使引水管道的流量变化缓慢，防止引水管道水压升高及机组转速过高。导叶关闭时间Tw≤12s的中小型电站采用调压阀代替调压井后，不但能够节省投资、缩短工期，而且调压阀的布置还不易受地质、地形等条件限制。

【关键词】水电站；调压阀；压力上升；转速上升

1 工程概况

乌依布拉克河地处新疆乌什县境内，位于新疆乌依布拉克河出山口下游阶地，西距乌什县亚曼苏乡约12km，东距英阿瓦提乡约40km，南与乌什县隔河相望（相距约45km），为引水式水电站。水电站主要由引水渠首、引水渠道、压力前池、泄水陡坡、压力管道、厂房、升压站、尾水渠等组成。工程设计规模：水电站装机容量4MW（2×2MW），为Ⅴ等工程，规模为小（2）型。年平均发电量2820万kW·h，保证出力2.7MW，装机年利用小时数6993h。水轮机型号HLA542-WJ-80，发电机型号SF2000-6/1430。

a.前池水位。前池最高水位1778.32m，前池正常水位1778.02m，前池最低水位1777.39m。

b.尾水位。最高尾水位1601.295m，正常尾水位1601.245m，最低尾水位1600.825m。

c.电站水头。最大水头177.495m，设计水头165.0m，最小水头163.6m。

d.引水流量2.9m3/s。

e.装机容量4MW。

f.站址海拔1602m。

g.机组容量2×2MW。

2 调节保证计算

乌依布拉克水电站压力管道总长4607.7m，根据压力等级设计，玻璃钢夹砂管长4000m，钢管长607.7m，玻璃钢夹砂管位于桩号0 + 000～4 + 000，钢管位于桩号4 +000～4 +607.7。主管管径1400mm，支管管径1000mm，支管长度23.0m。惯性时间常数Tw计算公式为：

式中L——压力引水道各段长度，m；

v——上述各段水道流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81m/s2；

Hd——水轮机设计水头，m。

计算可得Tw= 5.42s，Tw> 2s，因此需设置调压设施，Tw<12s可以采用调压阀设施。该电站所处区域属于地势总的轮廓是西北高、中间低，高处为中低山丘陵，低处为乌依布拉克河及托什干河冲洪积谷地，此外山前分布有山前洪积倾斜砾质平原及山沟谷地貌，不存在建设调压井的地形条件，因此采用调压阀是合适的。

3 调压阀的计算

3.1 按转速升高限制计算导叶关闭时间Ts

水击波在管道中传播速度为：

式中D——压力管管径，m；

e——压力管壁厚，m；

K/E——钢管取0.01，混凝土管取0.10。

水锤波相长为：

压力钢管特性系数为：

式中n0——机组额定转速，r/min；

GD2——转动惯量，t·m；

β——转速允许升高值，取50%；

N0——机组出力，kW。

水击影响系数为：

式中ξ——压力允许升高值，取25%。

压力钢管特性系数为：

经计算（见表1、表2）在满足转速升高限制条件下导叶关闭时间为0.34s。

表1　管道特性系数

表2　水轮机基本参数

3.2 按压力升高限制计算导叶关闭时间Tss

先初拟Tss= 16.0s，判别水锤的类型：因水锤波的相长Tr=15.82s <初拟的Tss= 16.0s，故属于间接水锤。

第一相水锤公式为：

末相水锤计算公式为：

式中τ0——当机组满负荷运行时的开度，取1.0。

计算可得出Tss=36.31s，即满足压力升高限制条件下导叶关闭时间为36.31s。

3.3 调压阀选型

a.该站调压阀参数计算。根据以上数据得出该站调压阀的关闭时间为T = Tss- Ts= 36s。

最大压力水头（1 +ξ）Hd=206.25m。

b.调压阀选型。根据以上流量、压力参数结合现场实际情况查设计手册选择调压阀型号为TFW400/320，为球形阀盘。调压阀参数为：调压阀最大泄流量Qx=5.07m3/s（该电站水头条件下），调压阀行程Yx=100mm，调压阀额定水头HP= 320m，调压阀直径Dx=400mm。

调压阀所需行程为Sx= YxDx。

调压阀相对行程/调压直径为Yx/Dx= 0.14。

调压阀相对行程为Yx=0.065m。

调压阀所需行程为Sx=0.022m。

调压阀布置采用垂直进水，卧式结构。下图为主厂房平面布置图。

主厂房平面布置图（单位：mm）　

4 结 论

通常限制水击压力升高的方法主要有设置调压井、加设调压阀、采用导叶分段关闭等。导叶分段关闭法多用在低水头电站，高水头电站多采用设置调压井或加设调压阀的方法来解决压力和转速上升的问题，以保证电站运行安全。调压井建造投资高、工期长，特别容易受地质、地形等条件制约，有些地形还难于建造调压井，因此对于中小型电站采用调压阀就具有明显的优势。目前我国生产的全油压控制TFW型调压阀具有和导叶液压联动的特点，可靠安全，投资小，施工期短。经过几十年的发展，国内越来越多的长管道中小型水电站采用调压阀设计，并安全运行至今。本文对乌伊布拉克水电站调压阀的选型计算，希望能对后续建设的长管道中小型水电站的设计提供一种方案选择。

参考文献

［1］DL/T 5186—2004水力发电厂机电设计规范［S］.北京：中国电力出版社，2004.

［2］沈祖诒.水轮机调节［M］.第3版.北京：中国水利水电出版社，1998.

［3］姚建国.古宅二级水电站调压阀选型及计算［J］.湖南水利水电，2008（3）：99-100.

［4］华东水利学院.水工设计手册第七卷水电站建筑物［M］.水利水电出版社，1982.

［5］湖北省水利勘测设计院.小型水电站机电设计手册水力机械［M］.北京：中国水利水电出版社，1988.

［6］赵兴有.浅谈水电站螺旋式调压井设计思路［J］.中国水能及电气化，2014（8）：50-53.

施工技术

Pressure regulating valve model selection calculation in long pipeline small hydropower station

GUO Qiang
（China Energy Engineering Group Xinjiang Electric Power Design Institute Co.，Ltd.，Urumqi 830000，China）

Abstract：When hydro-generating set occurs load rejection，speed governors can be used for controlling the activities of turbines and closing guide vane.Pressure is produced in pressure pipeline.The set rotation speed is increased.If guide vane closing time is changed in power station with longer pressure water diversion pipeline，pressure and rotation speed increase cannot be necessarily controlled within an allowable scope.The functions of pressure regulating valve include the follows：spillway channel can be correspondingly opened when the set occurs load rejection and guide vane is rapidly closed，thereby reducing water hammer pressure increase.After the guide vane is fully closed，the spillway channel can be slowly closed，thereby slowly changing the flow capacity in the water diversion pipeline，and preventing water pressure increase in water diversion pipeline and too high rotation speed of the set.After water regulating valve is adopted to replace water regulating well in medium and small power station with guide vane closing time Tw≤12s.Such method can save investment and shorten construction duration，and the layout of pressure regulating valves cannot be easily limited by geology，terrain and other conditions.

Key words：hydropower station；pressure regulating valve；pressure increase；rotation speed increase

DOI：10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.03.014

中图分类号：TV732.4

文献标识码：B

文章编号：1673-8241（2016）03-0058-03