水輪機代替減壓閥在水電站應用

   
   摘要利用水力模擬試驗，研究了西南某高水頭水電站機組技術供水系統用水輪機代替減壓閻的問題．用水輪機代替減壓閥，在水輪機轉輪后面串聯長的供水管路系統和用水設備，是一種新的裝置．試驗表明，這種裝置仍然能像通常水輪機那樣在任何導葉開度下穩定運行，水輪機在飛逸情況下不會出現供水管路中水壓過高現象．用水輪機代替減壓閥的方案是可行的．

Experimental Study on Technical W ater Supply System of High-Head Hydropower station by Replacing Relief Valve with Turbine

   Abstract Through hydraulic analog experiment， the paper deals with the problem of substituting a turbine for a relief valve in a certain technical water supply system of a high—head hydropower unit in Southwest China．It is a new apparatus substituting a turbine for arelief valve by introducing the Connection of a series of pipe systems of water supply and water consuming devices behind the runner．The experimental results show that the proposed turbine apparatus can steadily run under any guide vane opening like the conventional one，and the turbine will riot result in the over—high water pressure in the water supply pipes inthe case 0f runaway．Therefore，it is feasible and reliable to substitute the turbine for the re—
lief valve，
Key words turbine；relief valve；hydraul~ analog；water supply system

     高水頭水電站若利用上誼字水庫之水作為供水系統的工作或備用水源，為了不損害供水系統中各部件（如空氣冷卻器及油冷器等），水的工作壓力不得超過器件規定的范圍．高壓水必須通過減壓閥經過減壓、消能后才能進入供水系統．如果供水系統所需水量較大，且水頭又很高，則減壓閥要通過節流耗去很大的能量．例如，西南某水電站一臺主機的供水若用減壓閥消能，則將有近300 kW 的能量損失掉．如此大的能量在閥中消耗，工作勢必會產生閥體氣蝕磨損、振動、噪音等問題．因此，使用減壓閥達到高水頭電站技術供水目的的方案是不可取的．解決這一問題的手段就是用一臺水輪發電機組代替減壓閥，這樣高壓水的一部分能量通過水輪發電機組轉變成電能輸送出來，水輪機的尾水壓力符合供水系統的進水水壓要求，通過水輪機的流量滿足供水系統的用水量．用水輪機代替減壓閥，在水輪機轉輪后面（去掉了水輪機的尾水管）串聯長的供水系統管路和用水設備，水輪機能不能正常工作，能不能在任何導葉開度下穩定運行，在飛逸情況下除轉速迅速升高外，尾水壓力是否會達到供水系統不能承受的程度，這些問題，有的是不能用計算方法解決的，因此有必要進行模型試驗．
水輪機代替減壓閥在水電站應用 試驗研究的內容及裝置
1．1 試驗研究的內容
a．觀察這種以機代閥的機組能否在空載開度下轉速保持恒定，以便發電機能同步并網．為此，在模型裝置上進行了各種開度特別是小開度的飛逸試驗，以觀察飛逸轉速是否穩定．專業主要從事水力發電和計算機應用方面的研究 已發表（水電站
供水系統小水輪機組代替減壓閥方案的研究）（利用蝸殼差壓做原型術輪機效率試驗）
b．從水力學現象上分析，將水輪機尾水管段代之 一條或多條管路均無原則差別．一機對二主機進行穩定性試驗，做出水輪機在各種開度下的帶負荷工況，觀察這些工況是否穩定．
c．本裝置用水輪機代替減壓閥，一方面能取得合適的壓降，使水輪機轉輪出口的壓力滿足供水壓力要求；另一方面獲得了能量．本試驗在于測出各工況下流道的壓力值，特別是飛逸工況下飛逸的轉輪帶動的水流會有多少能量損耗在轉輪室的水中．
1．2 水輪機代替減壓閥在水電站應用試驗裝置

    水泵自地下水庫抽水送至封閉水箱穩壓后進入水輪機．水輪機原有尾水管系彎肘形尾水管，本試驗拆去代之 管系．此管系即對一機供2臺主機水系供水進行模擬．水國l 模型水輪機裝置示意因1一水泵；2一封閉穩壓箱I3一水輪機I4一管系I5一直流發電機I6一堰扳輪機和一臺直流發電機聯接，通過調節直流電機的勵磁改變發電機出力，發出電能由電阻負荷消耗，從而得到不同的工況．由充電脈沖信號計數水輪機的轉速值．流量通過堰板測量．測量的重點是任一個被測工況點各參數是否穩定．經計算分析’，本試驗的綜合測量誤差為士
2 試驗成果及分析
2．1水輪機代替減壓閥在水電站應用 空載并網
     正常的水輪機開機程序是將導水葉打開，在小開度下水輪機將加速到電機的額定轉數再進行電機并網．如果在小開度下，水輪機不能保持恒定的轉速，則并網就有困難，或產生電沖擊或不斷跳閘．圖2表示在各種不同導葉開度下的單位飛逸轉數一 一 （試驗水頭為12 m）．由圖2可以看出，首先將尾水管換成供水管系后，不論是兩管全開（相當于供兩臺主機）或關閉一管（相當于供一臺主機），
    高水頭水電站技術供水系統用水輪機代替減壓閥的試驗研究其飛逸轉速都是恒定的，幾乎沒有波動（在轉速表上轉速波動值<士2‰）．這說明，在各種導葉開度下，空載轉速是穩定的．以機代閥的發電機組并網沒有問題．從圖2中還可看出，以供水系統管路代替尾水管后，在各開度下，飛逸轉速均比正常尾水管的低，而且一根管供水或管道出口閥關閉一半（相當于增加管路的阻力損失）時單位飛逸轉速更要降低，因為試驗水頭是以蝸殼進口和下游尾水面之間的能量計算的，轉輪后管路損失增加，則轉輪前后的壓差要減少．
2．2 一機對二主機的穩定性
    供水系統管路代替水輪機尾水管后，水輪機能否穩定工作，取決于各種不同開度下，在不同的工況點，模型水輪機能否穩定地運行．圖3給出了模型導葉開度為lOO 時，管路系統兩管全開狀態下 一Q ．曲線2，兩管各開一半曲線3及只開一根管曲線4的等開度 圉3線工況．為了比較，圖中還給出了正常尾水管工況曲線1．圖4及圖5則分別表示相應開度為圖4 80 開度下的 l～Q 關系曲線 圖5 40 開度下的 ～Q 關系曲線i 正常肘管；2-兩管全開} 1一正常肘管F2一兩營全開‘3一各開一半；4一關閉一營 3一各開一半F4一關閉一管80 及40％工況的開度線．從圖中亦可看出，管路系統的水力阻力增加，工況曲線向左偏移，即單位流量減少，所有工況點均穩定運行．
2．3 各種工況下流道中加壓力變化
     在蝸殼進口及管路系統中布置了壓力測點，如圖6示．對各開度的不同工況點及飛逸工況點的壓力值進行了測量，結果見表1～表3．分析圖6和表中數值可知：蝸殼進口壓力始終不變，這意味著供水泵和穩壓筒所提供的上游圖6 管道系統中壓力測．占、布置水頭為常數；轉輪后面尾水管路系統中自3—6—4或3—5—2，壓力遞減下降，這是合理的；兩管全開時，2點及4點部分工況為真空，因為這兩點為出口且高于下游水位，此兩點對于下游形成正吸出高度；如一根管的出口閥關閉，則4點的壓力和6點的壓力基本相等；管路中的壓力分布與管路中的阻力因素有關，當兩條管路全開時管路阻力小于一條開從表1～表3還可看出，不論哪種裝置、哪種開度和哪種工況，在水輪機飛逸時點3的壓力都沒有超過正常工況的壓力，點2的壓力仍然滿足低供水壓力的要求，管路中的水流符合
水力學摩阻規律．由此可知，在飛逸工況下，水頭能量大部分消耗在轉輪室里，自轉輪出口的水流壓力不會超過正常工況下出口壓力，也就是供水管路中不會有壓力過高而損壞部件的危險．

減壓閥介紹

Y46T組合式減壓閥/減壓閥SFY46T-16/25系列結構及用途

　　該閥主要由主閥、控制導閥、過濾器、針閥、球閥及旁通管道節流部位等組成。適用于溫度小于80℃的水及非腐蝕性液體（汽油、煤油）和氣體等需要降低到一定范圍的設備和管路系統上，通過調節將進口壓力降低至某一需要的出口壓力值。當進口壓力或流量發生變化時，靠介質本身的能量可自動保持出口壓力在一定的范圍內。

Y46T組合式減壓閥的基本性能 

ZJY46H減壓閥是一種利用水壓進行自我調節的減壓閥穩壓閥，在進口壓力和流量產生變化的時候保持出口的壓力和流量穩定。其*實現自力控制，調試簡單，運行可靠。

  當管道流量為0的時候，減壓閥進入全關閉狀態，閥后壓力保持低壓（可減靜壓）。

  如圖所示:當P1變化時減壓閥的出口首先表現為P2±△P2通過反饋系統出口管傳到控制閥，使Pt=Pk±△P2；從而L發生相應變化，導致±△Pe的變化，經壓力導管導致Pk的相應變化，Pt與Pk達到新的平衡，主閥的過流面積H相應變化。

  因此，P1變化，而通過H的流量不變。P2始終是原整定的低壓值。當流量變化時，減壓閥自我調節工作原理也如同上。

Y46T組合式減壓閥安裝和使用

1、  安裝減壓閥之前必須對管路系統進行沖洗清理，以防焊渣、氧化皮等贓物流入閥內，影響閥門正常工作。

2、  減壓閥應安裝便于操作和維修的地方，并且必須直立安裝在水平管路上，應注意使管路中介質的流向與閥體上箭頭所示方向一致，切勿裝反。

3、  減壓閥在安裝使用時，應先把旁通管路上的截止閥打開，排除管路中的冷凝水和汽水混合物，以防減壓閥開啟時產生水擊現象損壞減壓閥，當無異常現象后，按順時針方向緩慢旋轉調節螺釘，將出口壓力調至所需要的壓力（以閥后表壓為準），調整好后，將鎖緊螺母背緊，擰上防護罩。

4、  減壓閥前應安裝過濾器，以防止介質中的雜質進入減壓閥，影響其性能。

5、  安裝的減壓閥前后應有一段直管，閥前直管長度約為600毫米，閥后直管長度約為1000毫米。

6、  減壓閥進口還要裝汽水分離器和疏水閥，減壓閥出口也要裝疏水閥。

【Y46T組合式減壓閥主要技術參數】

【主要零件材料】

【Y46T組合式減壓閥主要外形尺寸】

法蘭連接尺寸：鐵制閥門按GB4216.4（5）-84標準，鋼制閥門按GB/T9113.1-2000（RF）標準。

3 結 語
a．水輪機在任何開度下運行，飛逸轉速是穩定的．機組可和正常機組一樣并網無困難．
b．裝置在各種情況下均和正常水輪機一樣工況穩定，但特性曲線的等開度線位置向左下移．這說明，這種裝置猶如一臺水輪機帶了一個“大阻力”的尾水管，在全水頭下出力減小，因其部分水頭要消耗在供水管路系統中．
C．水輪機飛逸時供水管路中水壓不會產生過高、過低現象，可不必考慮設置安全閥．
d．本試驗驗證了以機代閥方案的可行性．