在水電站運行過程中，為了改善水錘現(xiàn)象，減少機組突然負荷和水輪機葉片快速關(guān)閉引起的管道壓力升高和速度升高，通常采用設(shè)置壓力調(diào)節(jié)室的方法。但對于一些中小型長引水電站，壓力調(diào)節(jié)室的設(shè)置可能受到地形、地質(zhì)等條件的限制，需要投入大量的人力和資金。因此，有必要考慮其他調(diào)整和保證措施，以滿足這些水電站的穩(wěn)定運行。采用成本低的壓力調(diào)節(jié)閥是中小型引水電站的有效調(diào)整和保證措施。自20世紀(jì)80年代以來，中國一直在長引水電站采取閥代井的調(diào)整和保證措施。湖南龍源電站是中國第一個使用壓力調(diào)節(jié)閥而不是壓力調(diào)節(jié)井的試點電站。電站壓力引水管道總長1950m，設(shè)計水頭83m，3臺水輪機裝設(shè)我國自行研制的TFW-400型壓力調(diào)節(jié)閥。此后，云南西洱河二級電站、貴州白水河一級電站、廣西長灘河水電站也采用壓力調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)保證措施，有效降低管道壓力升高值，確保輸水系統(tǒng)安全，使電站運行穩(wěn)定。然而，在以往的壓力調(diào)節(jié)閥計算中，壓力調(diào)節(jié)閥的直徑通常通過經(jīng)驗公式計算確定。本文通過水力過渡過程的計算，分析了壓力調(diào)節(jié)閥的直徑選擇和優(yōu)化，為中小型引水水電站采取閥代井的調(diào)節(jié)措施提供了理論依據(jù)和設(shè)計方法。

1 調(diào)壓閥直徑優(yōu)化原理

調(diào)壓閥的工作原理是調(diào)壓閥和機組由同一調(diào)速器控制。當(dāng)機組突然擺動負載時，水輪機的導(dǎo)葉迅速關(guān)閉。同時，調(diào)壓閥打開，導(dǎo)葉關(guān)閉導(dǎo)葉減少的過流量。導(dǎo)葉完全關(guān)閉后，調(diào)壓閥可以保證管道壓力的緩慢升值。調(diào)壓閥的非恒定流過渡過程可以通過特征線計算，邊界條件見圖1。

圖1 調(diào)壓閥邊界條件

調(diào)壓閥進出口段C＋、C-特征線相容性方程分別設(shè)置為：

其中

式中，H_p1、H_p2分別是調(diào)壓閥進出口段的測壓管水頭；C_p、B_p、C_M、B_M為前一時刻t－Δt的已知量（t為時間，Δt時間步長)；Q_p過流調(diào)壓閥；α_p對于調(diào)壓閥的過流系數(shù)，表示調(diào)壓閥在不同開度下的單位流量；D調(diào)壓閥的直徑；ΔH_p調(diào)壓閥水頭損失。

將式(1)~(4)聯(lián)立求解，可得：

將式(5)代入式(1)H_p1、H_p2的值。

從公式(5)可以看出，調(diào)壓閥在一定相對開度下的過流量是其直徑的單調(diào)遞增函數(shù)，說明調(diào)壓閥的過流量越大。

當(dāng)所有機組同時突出負載時，壓力調(diào)節(jié)閥的直徑越大，可通過的過流量越大。在機組葉片快速關(guān)閉和壓力調(diào)節(jié)閥同時打開的過程中，機組速度和水道系統(tǒng)壓力的升值可以得到很好的控制。但在壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉過程中，過大的流量可能會導(dǎo)致新一波管道壓力上升，如果第二波壓力上升過大，可能超過允許的控制標(biāo)準(zhǔn)。圖2顯示了電站壓力調(diào)節(jié)閥的直徑分別為0.3、0.5m蝸殼壓力變化過程線在所有機組甩載條件下。從圖中可以看出，與調(diào)壓閥直徑0相比.3m調(diào)壓閥直徑0.5m當(dāng)?shù)谝徊ㄎ仛毫]有上升時，但由于壓力調(diào)節(jié)閥直徑過大，第二波壓力遠大于第一波，與上述分析一致。為了降低第二波壓力的升值，需要延長壓力調(diào)節(jié)閥的關(guān)閉時間。在較長的關(guān)閉時間內(nèi)，更多的水流從壓力調(diào)節(jié)閥流出，這也增加了系統(tǒng)的水能損失。

圖2

當(dāng)同一水力單元的部分機組突然擺動負荷時，如果壓力調(diào)節(jié)閥直徑過大，過多的流量將從壓力調(diào)節(jié)閥流出，大大降低干擾的正常運行機組的輸出，可能發(fā)生相繼擺動負荷事故。

根據(jù)以上分析，調(diào)壓閥的直徑受運行條件、速度、水錘壓力和成本的影響，因此在選擇調(diào)壓閥的直徑時應(yīng)綜合考慮。調(diào)壓閥直徑的選擇應(yīng)符合以下兩個原則：①最小調(diào)壓閥直徑應(yīng)保證機組快速關(guān)閉時速度上升率和第一波水錘壓力滿足調(diào)整要求；②壓力調(diào)節(jié)閥的最大直徑應(yīng)滿足壓力調(diào)節(jié)閥全開時的流量，與機組額定流量基本相同，壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時產(chǎn)生的第二波水錘壓力也應(yīng)滿足調(diào)節(jié)要求。

2 算例分析

某引水水電站有壓力輸水系統(tǒng)，采用一洞兩機布置，裝機容量2×2.1MW，額定水頭123.4m，壓力管直徑1.8m，裝設(shè)兩臺水輪機，水輪機的額定流量為1.966m³/s，額定出力為2.21MW，額定轉(zhuǎn)速為1000r/min。由于電站引水道長，流量小，投資少，計劃采用調(diào)壓閥作為調(diào)節(jié)保證措施。電站輸水系統(tǒng)布置見圖3?？傄篱L度約為4100m，每臺機組設(shè)置調(diào)壓閥。

圖3 電站輸水系統(tǒng)布置簡圖（單位：m）

根據(jù)相關(guān)規(guī)范選擇本電站的調(diào)保計算控制標(biāo)準(zhǔn)為機組最大轉(zhuǎn)速升高率≤設(shè)置調(diào)壓閥時，蝸殼最大壓力升高率一般為0.15～0.20.在電站計算中，取調(diào)壓閥正常工作時蝸殼最大壓力升高率為0.175，即蝸殼最大壓力控制值為153.509m。

2.1 所有機組甩負荷

選擇蝸殼壓力最大的工況(最大水頭下兩臺機器同時突甩負荷，機組導(dǎo)葉正常關(guān)閉)為工況1，工況1下取調(diào)閥直徑為0.2、0.3、0.4、0.5m計算并獲得相應(yīng)的蝸殼末端壓力、機組速度上升率和機組和壓力調(diào)節(jié)閥的流量變化。機組-壓力調(diào)節(jié)閥聯(lián)動的開啟和關(guān)閉規(guī)機組導(dǎo)葉為15s一段直線規(guī)律關(guān)閉，調(diào)壓閥15s一段直線規(guī)律開啟，全開滯后10s調(diào)壓閥后180s關(guān)閉一段直線規(guī)則。表1是蝸殼末端最大壓力、機組最大速度上升率、機組最大引用流量和調(diào)壓閥最大泄漏流量。圖4為蝸殼末端壓力變化過程線。

表1

從表1、圖4可以看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m時，由于調(diào)壓閥直徑過小，導(dǎo)致調(diào)壓閥泄流能力不足，并未起到很好的降壓效果，在機組導(dǎo)葉關(guān)閉結(jié)束時刻，蝸殼末端出現(xiàn)最大壓力為171.06m，超過調(diào)節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)，機組轉(zhuǎn)速上升率也較大。②調(diào)壓閥直徑為0.5m當(dāng)機組速度上升得到很好的控制時，蝸殼末端壓力在機組葉片關(guān)閉過程中幾乎沒有上升，但下降很大，原降壓效果很好，但由于調(diào)壓閥直徑過大，系統(tǒng)總流量增加過大，單個調(diào)壓閥最大泄流量達到4.072m³/s，調(diào)壓閥關(guān)閉時，蝸殼末端新一波壓力上升到最大，遠超第一波壓力，超過調(diào)節(jié)控制標(biāo)準(zhǔn)。③調(diào)壓閥直徑為0.3m當(dāng)機組葉片關(guān)閉過程中，系統(tǒng)總流量基本保持不變，蝸殼壓力上升較小，調(diào)壓閥關(guān)閉過程中蝸殼壓力變化較小。蝸殼壓力變化過程線在初始壓力下略有沖擊，第二波水錘壓力與第一波基本一致。④調(diào)壓閥直徑為0.4m當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升率較低時，雖然第二波壓力超過第一波，但蝸殼末端的最大壓力仍控制在允許范圍內(nèi)。因此，根據(jù)所有機組的負荷條件，壓力調(diào)節(jié)閥的直徑為0.3、0.4m控制機組轉(zhuǎn)速和水錘壓力。

圖4 蝸殼末端最大壓力為不同調(diào)壓閥直徑時機組相對速度和系統(tǒng)總流量的變化

2.2 單臺機組甩負荷

選擇一臺機組突然甩負荷的工況為工況2，工況2下取調(diào)壓閥直徑為0.2、0.3、0.4、0.5m計算水力干擾，得到不同調(diào)壓閥直徑下機組的扭矩變化，分別見表2和圖5。機組-調(diào)壓閥的啟閉規(guī)律與所有機組的甩載條件相同。

表2　工況2下不同調(diào)壓閥直徑計算結(jié)果

圖5 調(diào)壓閥直徑不同時，正常工作機組的相對扭矩變化

從表2、圖5可以看出：①調(diào)壓閥直徑為0.2m當(dāng)調(diào)壓閥直徑較小時，正常工作機組的扭矩上升較大，最大扭矩上升率為19.0％。②調(diào)壓閥直徑為0.4、0.5m當(dāng)時，由于壓力調(diào)節(jié)閥直徑過大，大部分水流從壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉，壓力調(diào)節(jié)閥打開時，正常工作的機組受到較大干擾，扭矩下降較大（最大扭矩下降率分別達到20.5％、44.8%)。.3m調(diào)壓閥比較合適。

根據(jù)上述兩種工況的計算分析，該電站的直徑為0.3m調(diào)壓閥最適合作為調(diào)節(jié)保證措施，使機組導(dǎo)葉快速關(guān)閉時，保證機組轉(zhuǎn)速和壓力上升滿足調(diào)節(jié)保證要求。

3 結(jié)語

分析了影響壓力調(diào)節(jié)閥直徑的各種因素，提出了合理的壓力調(diào)節(jié)閥直徑需要滿足的兩個原則，確保壓力調(diào)節(jié)閥關(guān)閉時產(chǎn)生的第二波水錘壓力也滿足調(diào)節(jié)要求。結(jié)合電站壓力調(diào)節(jié)閥直徑的優(yōu)化計算，驗證了理論分析提出的原則。該原則也適用于任何使用壓力調(diào)節(jié)閥作為調(diào)節(jié)保證措施的中小型引水電站，供壓力調(diào)節(jié)閥直徑的優(yōu)化設(shè)計參考。