上海申弘閥門有限公司
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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)荷時蝸殼壓力上升值和壓力脈動值，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)荷過渡過程球閥參與導(dǎo)葉控制方式的現(xiàn)場試驗。針對這量控制方式，利用內(nèi)特性法預(yù)測了在甩負(fù)荷過渡過程中各動態(tài)參數(shù)的瞬變規(guī)律，預(yù)測的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升大值與試驗值的相對誤差為2.11%，預(yù)測的蝸殼壓力上升大值與試驗值的相對誤差為0.74%，從而驗證了內(nèi)特性方法的合理性;同時證明，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)荷過渡過程的動態(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，閥門與水輪機(jī)配合，按照水力過渡過程原理，通過預(yù)設(shè)的啟閉程序，有效消除管路水錘，實現(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)檢修時提供可靠的安全的工作條件；在機(jī)組長時間停機(jī)時減少機(jī)組漏水量，開機(jī)時快速充水，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)計規(guī)范研究背景
近年來，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，同時機(jī)組運行工況轉(zhuǎn)換頻繁、流量特性曲線在水輪機(jī)制動區(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渡過程十分復(fù)雜。
為了降低抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組甩負(fù)荷時機(jī)組轉(zhuǎn)速與蝸殼水壓力上升值，國內(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)。有的電站采用延時直線關(guān)閉導(dǎo)葉的方式，對傳統(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，通過引入延時段，針對抽水蓄能機(jī)組過流特性，綜合兩段折線規(guī)律中快關(guān)與慢關(guān)的各自優(yōu)點，但由于液壓系統(tǒng)存在巨大的油流慣性，*準(zhǔn)確延時實際上很難做到;有的電站采用引入轉(zhuǎn)速信號反饋導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律，避免了常規(guī)折線關(guān)閉規(guī)律中計算拐點位置與實際拐點位置偏差帶來的運行風(fēng)險，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。針對以上這些問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)荷過渡過程中轉(zhuǎn)速上升值與壓力上升值的矛盾。
2、球閥參與甩負(fù)荷過渡過程流量的控制方式
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥技術(shù)規(guī)范要求，大中型高水頭水泵水輪機(jī)的進(jìn)水閥門在任何工況下應(yīng)能動水關(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1所示，即在大開度下的流量變化比導(dǎo)葉緩和，在小開度下則相對劇烈。而水輪機(jī)導(dǎo)葉的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線2所示，即流量在大開度時變化慢，中間快，小開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)葉延時關(guān)閉的同時，讓球閥開始關(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)葉滯后時間與關(guān)閉時間設(shè)計合理，將不會產(chǎn)生過大的水壓上升。我國的西龍池、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)計規(guī)范 性能特點
本系列閥門，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，全開時的流阻系數(shù)與管道相等。我公司并可根據(jù)用戶的特殊要求單獨進(jìn)行設(shè)計，多方位滿足用戶對該類產(chǎn)品的需要。
1、電氣控制系統(tǒng)采用PLC智能控制，使電氣線路大大簡化，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)動控制，自動化程度高，安全可靠，實現(xiàn)電站“少人值班和無人職守”的管理理念；
2、液控系統(tǒng)采用重錘或蓄能器儲能，當(dāng)水電站停電無電源時，重錘或蓄能器釋能，可實現(xiàn)緊急動水關(guān)閉球閥，為機(jī)組安全運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、開關(guān)迅速、方便，只要閥桿轉(zhuǎn)動90°，球閥就完成了全開或全關(guān)動作，很容易實現(xiàn)快速啟閉。
6、密封性能好。球閥采用雙密封設(shè)計，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。球閥啟閉時閥桿只作旋轉(zhuǎn)運動，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)計規(guī)范運行程序及工作原理
1、運行程序開閥：開啟旁通閥→壓差平衡→開啟主閥→關(guān)閉旁通閥關(guān)閥：開啟旁通閥→關(guān)閉主閥→關(guān)閉旁通閥
2、工作原理
（1）開閥時，油泵電機(jī)啟動，油泵將壓力油輸入蓄能器至液壓系統(tǒng)額定壓力后停止。開啟旁通閥，介質(zhì)通過旁通管路流向水輪機(jī)蝸殼，排氣閥排氣，待閥門前后 壓差達(dá)到設(shè)定值時，進(jìn)水液控球閥的開閥油缸動作，開啟進(jìn)水液控球閥。進(jìn)水液控球閥全開后，關(guān)閉旁通閥。
（2）關(guān)閥時，開啟旁通閥，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）在開關(guān)閥過程中，運行程序已由聯(lián)動信號控制，進(jìn)水液控球閥開關(guān)的程時間可調(diào)節(jié)液壓回路上的調(diào)速閥實現(xiàn)。
（4）當(dāng)液壓系統(tǒng)在長時間的工作狀態(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，壓力控制器動作啟動油泵電機(jī)補(bǔ)足壓力。
4.2、測點的布置
水輪機(jī)裝置過渡過程現(xiàn)場試驗需要量測的動態(tài)參數(shù)瞬變規(guī)律與試驗的目的有關(guān)。針對2號機(jī)組的特點，在水輪機(jī)儀表盤處布置了壓力鋼管、轉(zhuǎn)輪與底環(huán)間、蝸殼進(jìn)口及出口、尾水管進(jìn)口及出口各一個壓力或壓力脈動傳感器，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壓力或壓力脈動傳感器;除尾水管肘管處為AK-4型號外，其他均為IMF型號。在主接力器處布置了一個型號為PTIMA-20-FR-420E-M6的拉線式位移傳感器用于測量導(dǎo)葉開度的變化規(guī)律;其它參數(shù)引自自動監(jiān)控系統(tǒng)。圖4標(biāo)示出了測點位置。
4.3、試驗結(jié)果
球閥與導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律如圖2所示。甩負(fù)荷開始，球閥在60s內(nèi)以一段直線規(guī)律關(guān)閉;而導(dǎo)葉一開始不動，11s之后，以一段直線規(guī)律在15s內(nèi)關(guān)閉。圖5中實線為該機(jī)組甩負(fù)荷時動態(tài)參數(shù)的現(xiàn)場示波圖。由圖5可知，壓力上升的個高峰值，出現(xiàn)在甩負(fù)荷后8.9s，此時球閥已開始關(guān)閉，導(dǎo)葉未參與關(guān)閉。由于球閥在大開度時開度變化對流量的影響較小，當(dāng)導(dǎo)葉開度不變時，流量的微小變化即可引起較大的轉(zhuǎn)速上升值，轉(zhuǎn)速的上升又會引起壓力的上升。此時壓力上升值主要是由轉(zhuǎn)速上升引起的。在轉(zhuǎn)速曲線上B點，機(jī)組所受的動態(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C點處壓力達(dá)到大，即流量的變化率大;D點導(dǎo)葉開始關(guān)閉，此時機(jī)組處于反水泵工況區(qū)，導(dǎo)葉開度變化對壓力大值的上升并沒有太大的影響，由于導(dǎo)葉開度的減小，反向流量減小，可以減小壓力的第二個峰值，即E點處第二個壓力峰值比個峰值要小得多。圖5 動態(tài)參數(shù)瞬變曲線
5、甩負(fù)荷過渡過程計算
為了研究內(nèi)特性法在球閥參與過渡過程時計算的準(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，對該機(jī)組現(xiàn)場試驗同一工況，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)荷過渡過程計算。
圖5中虛線為該機(jī)組甩全負(fù)荷時蝸殼進(jìn)口壓力及機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線。由圖可知，與試驗值相比，內(nèi)特性法計算的壓力大值與轉(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，有一定的誤差。但由于機(jī)組在甩負(fù)荷過渡過程中，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*工程實際的要求。表2示出了2#機(jī)組甩全負(fù)荷時動態(tài)參數(shù)極值的試驗值與內(nèi)特性法計算值，可知采用球閥參與流量控制的方法能夠滿足過渡過程動態(tài)品質(zhì)的要求。表2 機(jī)組甩300MW時動態(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)荷過渡過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)場甩負(fù)荷試驗所證實。
(2)在抽水蓄能電站甩負(fù)荷過渡過程中，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)葉延時時間與關(guān)閉時間，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足的條件下，它可以用來取代調(diào)壓井的作用，從而降低電站造價。
(3)基于內(nèi)特性理論編制的抽水蓄能機(jī)組過渡過程數(shù)值計算軟件IFT2.0經(jīng)蒲石河電站甩負(fù)荷試驗證明，計算準(zhǔn)確性滿足工程需要，它大的優(yōu)點是無需已知水泵水輪機(jī)的全特性曲線，就可完成過渡過程的計算。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組
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