黔中水利樞紐渠首電站調壓閥選型計算及仿真驗證

□姚慶祝（貴州省水利水電勘測設計研究院）

1.調壓閥的選型計算

調壓閥的選型主要是根據設計規范所規定的機組甩負荷時蝸殼最大壓力上升值和機組最大轉速升高率以及引水系統各端面最小壓力，結合水輪發電機組參數計算選擇調壓閥的直徑Dx、行程Yx，確定機組的快關時間Ts和機組的慢關時間Tss。

1.1 電站初步設計選型基本參數

水輪機型號：JP502（O°）-LJ-122，最大水頭：27m，額定水頭：22.5m，最小水頭：10.5m。發電引水隧洞長：1130m，洞徑：3.6m，支管長：20m，管徑：1.8m。發電引用流量：23m3/s，校核洪水位：1333.52m，設計洪水位：1331.83m，正常運行高水位：1331.00m，最低運行水位：1305.00m，設計尾水位：302.86m，最低尾水位：1299.25m。

1.2 管道特性常數計算

根據規范規定并考慮一定的安全裕度取蝸殼最大壓力上升值ξ=40%、機組最大轉速升高率β=50%進行計算；ΣLiVi=2530、ΣL=1150m、水擊波速a=1000m/s；機組轉動慣量GD2=15t.m2將參數代入管道特性計算公式：

1.3 導葉慢關時間Tss計算

1.4 導葉快關時間Ts計算

將 ns=480代入公式（2）求得 τn=0.6，將 τn=0.6、f2=1.21、GD2=15t.m2、β=50%、n0=500、N0=2210代入公式（1）得：

1.5 水輪機空載流量Qg計算

查JP502（O°）水輪機模型特性曲線知，特性曲線中所示模型導葉最小開度a10=26°時對應的單位流量Q10=1.06m3/s，因無模型空載開度的準確值，根據經驗，設定其模型相對空載開度為12%，則模型絕對空載開度：

空載流量Qg=D2Q11H01/2=1.222×0.245×22.51/2=1.73m3/s

1.6 調壓閥泄放流量Qx計算

在初步設計階段，缺乏導葉接力器行程參數，結合工程經驗，采用導葉快關時間的90%來作為導葉的拐點關閉時間Tg：

Tg=Ts×90%=8.03×90%=7.23s調壓閥泄放流量：

1.7 調壓閥的型號及參數

蝸殼的最大上升壓力Hmax=（1+ξ）H0=（1+0.4）×22.5=31.5m

根據Qx=7.2m3/s、Hmax=31.5m，查調壓閥使用范圍圖，確定選用調壓閥型號為Φ800/80，DX=800mm，YX=200mm。

2.仿真計算分析

在招標設計階段，結合主機設備的實際采購參數，對渠首電站設置兩臺Φ800/80調壓閥的水力過渡過程進行仿真計算分析。電站采購水輪發電機組型號參數：水輪機ZZ550-LJ-130、發電機SF210-12/2600、機組轉動慣量GD2=15t.m2,其它參數與初步設計一致。水力過渡過程的仿真計算成果如下：

第一，推薦采用導葉兩段線性關閉規律。導葉第一段關閉規律是在1.0s內，導葉由y=1.0線性關閉到y=0.75；導葉第二段關閉規律是在1.0～25s內，導葉由y=0.75線性關閉到y=0.0（完全關閉）。

第二，水庫水位1326.0m，尾水位1302.86m時機組設計工況甩滿負荷。采用了TFW800/160型調壓閥，調壓閥啟閉規律是：第一段調壓閥快速線性開啟，在0～3.0s內，調壓閥由y=0.0線性開啟到y=0.6；第二段調壓閥開度保持不變關閉規律是:在3.0～25s內，調壓閥開度保存y=0.6線性；第三段調壓閥緩慢線性關閉，在25.0～45s內，調壓閥由y=0.6線性關閉到y=0.0（完全關閉）。調壓閥最大流量為0.53Qr，機組飛逸轉速1.37n0，蝸殼最大水壓為1.40H0，其中H0是蝸殼初始水壓。

第三，水庫水位1326.0m，尾水位1302.86m時機組設計工況甩滿負荷。采用了TFW800/160型調壓閥，調壓閥啟閉規律是：第一段調壓閥快速線性開啟，在0～5.0s內，調壓閥由y=0.0線性開啟到y=0.6；第二段調壓閥開度保持不變關閉規律是:在5.0～25s內，調壓閥開度保存y=0.6線性；第三段調壓閥緩慢線性關閉，在25.0～45s內，調壓閥由y=0.6線性關閉到y=0.0（完全關閉）。調壓閥最大流量為0.53Qr，機組飛逸轉速1.37n0，蝸殼最大水壓為1.40H0。

第四，水庫水位1333.52m，尾水位1299.25m時甩滿負荷，導葉初始開度。采用了TFW800/160型調壓閥，調壓閥啟閉規律是：第一段調壓閥快速線性開啟，在0～3.0s內，調壓閥由y=0.0線性開啟到y=0.4；第二段調壓閥開度保持不變關閉規律是：在3.0～25s內，調壓閥開度保存y=0.4線性；第三段調壓閥緩慢線性關閉，在25.0～45s內，調壓閥由y=0.4線性關閉到y=0.0（完全關閉）。調壓閥最大流量為0.45Qr，機組飛逸轉速1.42n0，蝸殼最大水壓為1.34H0。

第五，在調壓閥拒動條件下，控制工況是水庫校核洪水位和最低尾水位兩臺機組甩滿負荷，機組最高轉速1.67n0，蝸殼最大水壓1.39H0，即45.96m水頭。其它工況，雖然蝸殼最大水壓與初始水壓的比值大一些，但蝸殼最大水壓均<47.77m水頭。

3.小結

渠首電站設置Φ800/80的調壓閥，在機組甩負荷時調壓閥按其設定的開啟-關閉規律動作，可以有效的控制機組的最高轉速和蝸殼的最大壓力均滿足設計規范的要求。調壓閥拒動，機組慢關時其最高轉速為835r/min，小于機組飛逸轉速1150 r/min；蝸殼最大壓力47.77m，小于蝸殼承壓水頭60m；滿足設計要求。整個引水系統各個端面均不出現負壓。

［1］姚建國.古宅二級水電站調壓閥選型及計算[J].湖北水利水電，2008（3）：99-100.

［3］馮世良，把多鐸.湯峪水電站調壓閥運行可靠性分析[J].西北農業學報，1995（6）：63-68.