上海申弘閥門(mén)有限公司
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之前介紹自力式壓力調(diào)節(jié)閥在化工行業(yè)應(yīng)用，現(xiàn)在介紹抽水蓄能電站水輪球閥設(shè)計(jì)規(guī)范為了降低抽水蓄能機(jī)組水輪機(jī)工況甩負(fù)荷時(shí)蝸殼壓力上升值和壓力脈動(dòng)值，應(yīng)用了球閥協(xié)同導(dǎo)葉關(guān)閉的流量控制方式。于2012年在蒲石河大型抽水蓄能電站，進(jìn)行了水輪機(jī)工況甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程球閥參與導(dǎo)葉控制方式的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。針對(duì)這量控制方式，利用內(nèi)特性法預(yù)測(cè)了在甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中各動(dòng)態(tài)參數(shù)的瞬變規(guī)律，預(yù)測(cè)的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升大值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為2.11%，預(yù)測(cè)的蝸殼壓力上升大值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差為0.74%，從而驗(yàn)證了內(nèi)特性方法的合理性;同時(shí)證明，只要合理地選擇導(dǎo)葉與球閥的控制規(guī)律，即可顯著改善水泵水輪機(jī)裝置水輪機(jī)工況甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，降低抽水蓄能電站引水系統(tǒng)的水壓上升值。液控球閥廣泛應(yīng)用于高水頭的水電站中。工作時(shí)，閥門(mén)與水輪機(jī)配合，按照水力過(guò)渡過(guò)程原理，通過(guò)預(yù)設(shè)的啟閉程序，有效消除管路水錘，實(shí)現(xiàn)管路可靠截止，起到保護(hù)管路系統(tǒng)安全的作用。 安裝在水輪機(jī)蝸殼的進(jìn)水口處，為機(jī)組停機(jī)檢修時(shí)提供可靠的安全的工作條件；在機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)減少機(jī)組漏水量，開(kāi)機(jī)時(shí)快速充水，使機(jī)組快速進(jìn)入工作狀態(tài)；還可以防止機(jī)組飛逸事件。
1、抽水蓄能電站水輪球閥設(shè)計(jì)規(guī)范研究背景
近年來(lái)，高水頭大功率抽水蓄能電站得到了蓬勃發(fā)展。但由于機(jī)組安裝高程低、引排水道一般也較長(zhǎng)，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換頻繁、流量特性曲線(xiàn)在水輪機(jī)制動(dòng)區(qū)及反水泵工況區(qū)存在著不穩(wěn)定倒“S”區(qū)域，因此抽水蓄能電站的水力過(guò)渡過(guò)程十分復(fù)雜。
為了降低抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速與蝸殼水壓力上升值，國(guó)內(nèi)外廣泛采用改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的方式，使其維持在調(diào)保規(guī)范之內(nèi)。有的電站采用延時(shí)直線(xiàn)關(guān)閉導(dǎo)葉的方式，對(duì)傳統(tǒng)關(guān)閉規(guī)律存在的缺陷有所改善，取得了較好的優(yōu)化效果;有的電站采用快慢快的關(guān)閉規(guī)律，通過(guò)引入延時(shí)段，針對(duì)抽水蓄能機(jī)組過(guò)流特性，綜合兩段折線(xiàn)規(guī)律中快關(guān)與慢關(guān)的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，但由于液壓系統(tǒng)存在巨大的油流慣性，*準(zhǔn)確延時(shí)實(shí)際上很難做到;有的電站采用引入轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律，避免了常規(guī)折線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律中計(jì)算拐點(diǎn)位置與實(shí)際拐點(diǎn)位置偏差帶來(lái)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，只要轉(zhuǎn)速閾值設(shè)定合理，可有效減少水壓力上升值，但該方法的可靠性還有待提高。針對(duì)以上這些問(wèn)題需要探討其它的控制方式，處理高水頭水泵水輪機(jī)裝置甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中轉(zhuǎn)速上升值與壓力上升值的矛盾。
2、球閥參與甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程流量的控制方式
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥技術(shù)規(guī)范要求，大中型高水頭水泵水輪機(jī)的進(jìn)水閥門(mén)在任何工況下應(yīng)能動(dòng)水關(guān)閉，因此球閥參與流量調(diào)節(jié)成為可能。一般水電站球閥的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線(xiàn)1所示，即在大開(kāi)度下的流量變化比導(dǎo)葉緩和，在小開(kāi)度下則相對(duì)劇烈。而水輪機(jī)導(dǎo)葉的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線(xiàn)2所示，即流量在大開(kāi)度時(shí)變化慢，中間快，小開(kāi)度下又變化慢的特性，因此大壓力上升值出現(xiàn)在中間某一導(dǎo)葉開(kāi)度的位置。可以結(jié)合進(jìn)水球閥與導(dǎo)葉的流量特性，在甩負(fù)荷后采取導(dǎo)葉延時(shí)關(guān)閉的同時(shí)，讓球閥開(kāi)始關(guān)閉，以此控制方式參與流量調(diào)節(jié)，如圖2所示。只要導(dǎo)葉滯后時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間設(shè)計(jì)合理，將不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的水壓上升。我國(guó)的西龍池、惠州、蒲石河等抽水蓄能電站機(jī)組均采用此種關(guān)閉控制方式。
抽水蓄能電站水輪球閥設(shè)計(jì)規(guī)范 性能特點(diǎn)
本系列閥門(mén)，智能化程度高、功能齊全、性能穩(wěn)定可靠，且流阻系數(shù)極小，全開(kāi)時(shí)的流阻系數(shù)與管道相等。我公司并可根據(jù)用戶(hù)的特殊要求單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)，多方位滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)該類(lèi)產(chǎn)品的需要。
1、電氣控制系統(tǒng)采用PLC智能控制，使電氣線(xiàn)路大大簡(jiǎn)化，具有較強(qiáng)的故障自我診斷功能。水電站進(jìn)水球閥可本地，遠(yuǎn)程控制，受中控室及與水輪機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，安全可靠，實(shí)現(xiàn)電站“少人值班和無(wú)人職守”的管理理念；
2、液控系統(tǒng)采用重錘或蓄能器儲(chǔ)能，當(dāng)水電站停電無(wú)電源時(shí)，重錘或蓄能器釋能，可實(shí)現(xiàn)緊急動(dòng)水關(guān)閉球閥，為機(jī)組安全運(yùn)行提供足夠的安全保證；
3、適用水頭范圍廣，高可達(dá)到1000米水頭；
4、流體阻力小，球閥是所有閥類(lèi)中流體阻力小的一種，即使是縮徑球閥，其流體阻力也相當(dāng)小。
5、開(kāi)關(guān)迅速、方便，只要閥桿轉(zhuǎn)動(dòng)90°，球閥就完成了全開(kāi)或全關(guān)動(dòng)作，很容易實(shí)現(xiàn)快速啟閉。
6、密封性能好。球閥采用雙密封設(shè)計(jì)，即上游設(shè)置有“檢修密封”，下游側(cè)設(shè) 置有“工作密封”，易于保證密封，而且球閥的密封力隨著介
質(zhì)壓力的增加而增大，漏水量很小。
7、閥桿密封可靠。球閥啟閉時(shí)閥桿只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此閥桿的填料密封不易被破壞，而且閥桿倒密封的密封力隨著介質(zhì)壓力的增加而增大。
四、 抽水蓄能電站水輪球閥設(shè)計(jì)規(guī)范運(yùn)行程序及工作原理
1、運(yùn)行程序開(kāi)閥：開(kāi)啟旁通閥→壓差平衡→開(kāi)啟主閥→關(guān)閉旁通閥關(guān)閥：開(kāi)啟旁通閥→關(guān)閉主閥→關(guān)閉旁通閥
2、工作原理
（1）開(kāi)閥時(shí)，油泵電機(jī)啟動(dòng)，油泵將壓力油輸入蓄能器至液壓系統(tǒng)額定壓力后停止。開(kāi)啟旁通閥，介質(zhì)通過(guò)旁通管路流向水輪機(jī)蝸殼，排氣閥排氣，待閥門(mén)前后 壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，進(jìn)水液控球閥的開(kāi)閥油缸動(dòng)作，開(kāi)啟進(jìn)水液控球閥。進(jìn)水液控球閥全開(kāi)后，關(guān)閉旁通閥。
（2）關(guān)閥時(shí)，開(kāi)啟旁通閥，導(dǎo)通旁通管路。進(jìn)水液控球閥的關(guān)閥油缸動(dòng)作，關(guān)閉進(jìn)水液控球閥。水電站進(jìn)水球閥待液控球閥全關(guān)后，關(guān)閉旁通閥。
（3）在開(kāi)關(guān)閥過(guò)程中，運(yùn)行程序已由聯(lián)動(dòng)信號(hào)控制，進(jìn)水液控球閥開(kāi)關(guān)的程時(shí)間可調(diào)節(jié)液壓回路上的調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)。
（4）當(dāng)液壓系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)下，由于內(nèi)部液壓回路元件有微量泄漏使蓄能器內(nèi)的油壓降至額定下限值時(shí)，壓力控制器動(dòng)作啟動(dòng)油泵電機(jī)補(bǔ)足壓力。
4.2、測(cè)點(diǎn)的布置
水輪機(jī)裝置過(guò)渡過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需要量測(cè)的動(dòng)態(tài)參數(shù)瞬變規(guī)律與試驗(yàn)的目的有關(guān)。針對(duì)2號(hào)機(jī)組的特點(diǎn)，在水輪機(jī)儀表盤(pán)處布置了壓力鋼管、轉(zhuǎn)輪與底環(huán)間、蝸殼進(jìn)口及出口、尾水管進(jìn)口及出口各一個(gè)壓力或壓力脈動(dòng)傳感器，轉(zhuǎn)輪與頂蓋間、轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉間以及尾水管肘管處各兩個(gè)壓力或壓力脈動(dòng)傳感器;除尾水管肘管處為AK-4型號(hào)外，其他均為IMF型號(hào)。在主接力器處布置了一個(gè)型號(hào)為PTIMA-20-FR-420E-M6的拉線(xiàn)式位移傳感器用于測(cè)量導(dǎo)葉開(kāi)度的變化規(guī)律;其它參數(shù)引自自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。圖4標(biāo)示出了測(cè)點(diǎn)位置。
4.3、試驗(yàn)結(jié)果
球閥與導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律如圖2所示。甩負(fù)荷開(kāi)始，球閥在60s內(nèi)以一段直線(xiàn)規(guī)律關(guān)閉;而導(dǎo)葉一開(kāi)始不動(dòng)，11s之后，以一段直線(xiàn)規(guī)律在15s內(nèi)關(guān)閉。圖5中實(shí)線(xiàn)為該機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)示波圖。由圖5可知，壓力上升的個(gè)高峰值，出現(xiàn)在甩負(fù)荷后8.9s，此時(shí)球閥已開(kāi)始關(guān)閉，導(dǎo)葉未參與關(guān)閉。由于球閥在大開(kāi)度時(shí)開(kāi)度變化對(duì)流量的影響較小，當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度不變時(shí)，流量的微小變化即可引起較大的轉(zhuǎn)速上升值，轉(zhuǎn)速的上升又會(huì)引起壓力的上升。此時(shí)壓力上升值主要是由轉(zhuǎn)速上升引起的。在轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)上B點(diǎn)，機(jī)組所受的動(dòng)態(tài)軸力矩為零，達(dá)暫態(tài)飛逸轉(zhuǎn)速;此后機(jī)組進(jìn)入制動(dòng)區(qū)，雖然轉(zhuǎn)速下降，由離心效應(yīng)引起的流量下降作用減小，但由于球閥的調(diào)節(jié)作用加大，流量減少率增大，因此壓力值仍增加;壓力曲線(xiàn)C點(diǎn)處壓力達(dá)到大，即流量的變化率大;D點(diǎn)導(dǎo)葉開(kāi)始關(guān)閉，此時(shí)機(jī)組處于反水泵工況區(qū)，導(dǎo)葉開(kāi)度變化對(duì)壓力大值的上升并沒(méi)有太大的影響，由于導(dǎo)葉開(kāi)度的減小，反向流量減小，可以減小壓力的第二個(gè)峰值，即E點(diǎn)處第二個(gè)壓力峰值比個(gè)峰值要小得多。圖5 動(dòng)態(tài)參數(shù)瞬變曲線(xiàn)
5、甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程計(jì)算
為了研究?jī)?nèi)特性法在球閥參與過(guò)渡過(guò)程時(shí)計(jì)算的準(zhǔn)確性，應(yīng)用編制的基于方程組式(1)—式(13)的內(nèi)特性軟件IFT2.0，對(duì)該機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)同一工況，采用相同的球閥關(guān)閉規(guī)律及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，進(jìn)行了甩300MW負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。
圖5中虛線(xiàn)為該機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)蝸殼進(jìn)口壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖可知，與試驗(yàn)值相比，內(nèi)特性法計(jì)算的壓力大值與轉(zhuǎn)速上升大值偏差很小。但在后面機(jī)組進(jìn)入反水泵工況時(shí)，有一定的誤差。但由于機(jī)組在甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中，關(guān)心的是壓力上升極值及轉(zhuǎn)速上升極值，因此內(nèi)特性法*工程實(shí)際的要求。表2示出了2#機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)極值的試驗(yàn)值與內(nèi)特性法計(jì)算值，可知采用球閥參與流量控制的方法能夠滿(mǎn)足過(guò)渡過(guò)程動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求。表2 機(jī)組甩300MW時(shí)動(dòng)態(tài)參數(shù)的極值
6、結(jié)論
(1)分析了抽水蓄能電站水輪機(jī)工況甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中球閥參與流量控制的合理性，并由蒲石河抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)所證實(shí)。
(2)在抽水蓄能電站甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程中，采用球閥與導(dǎo)葉結(jié)合的控制方式，只要合理地選取導(dǎo)葉延時(shí)時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間，就可以有效地降低壓力上升值，因此當(dāng)電站在電力系統(tǒng)中的作用，以及地形、地質(zhì)、壓力水道布置等因素滿(mǎn)足的條件下，它可以用來(lái)取代調(diào)壓井的作用，從而降低電站造價(jià)。
(3)基于內(nèi)特性理論編制的抽水蓄能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程數(shù)值計(jì)算軟件IFT2.0經(jīng)蒲石河電站甩負(fù)荷試驗(yàn)證明，計(jì)算準(zhǔn)確性滿(mǎn)足工程需要，它大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需已知水泵水輪機(jī)的全特性曲線(xiàn)，就可完成過(guò)渡過(guò)程的計(jì)算。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組
