大河沿河渠首水电站调节保证措施方案研究

李 伟

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

大河沿河梯级水电站位于新疆维吾尔自治区吐鲁番市境内，梯级电站利用总水头1401m，工程以“长藤结瓜、串糖葫芦”形式，共布置8级水电站和一条供水管线，开发区段全长约42．7km。梯级总装机容量42MW，电站保证出力11．5MW，年平均发电量2．27亿kW·h，属小(1)型Ⅳ等工程。

渠首电站为工程梯级电站中首级水电站，设计引用流量为4．17m3/s，压力管道长约6．6km，额定水头183m，电站装机6250 kW。

2 建筑物布置

渠首水电站主要由引水闸、沉砂池、压力前池、压力管道、岔管、旁通系统、厂房等主要建筑物组成。

考虑下游梯级电站、灌溉、工业、城镇对水质的要求，在大河沿河红星渠首取水口下游设置沉砂设施，一并解决下游梯级电站的排砂、排冰、排污问题。

压力管道总长约6．5km，纵坡3%左右;其中PCCP管段长约2．1km，管径1．8m。螺旋焊钢管段长约 4．5km，管材采用 Q235C、Q345C，管径为1．7m。压力管道轴线转弯处设置镇墩，镇墩间管段采用支墩支承，并设有波纹管伸缩节、进人孔、进排气阀，在管道爬坡段低点设置有底部放空系统。岔管型式为贴边岔，主管管径1．7m、旁通管及支管管径为1．0m，管材为WDL610、Q345C。在副厂房上游侧支管段设置检修闸阀，旁通阀室位于厂房右侧。

电站厂房主要由主、副厂房、35kV升压站等建筑物组成。主厂房内安装2台3125kW卧轴混流式水轮发电机，机组间距15m，主厂房内设有一台型号为16t的电动单梁起重机，桥机跨度10m。安装间布置在2#机左侧;副厂房内布置中控室、高压开关室、中压空压机室和卫生间等。

3 调节保证措施方案比选

渠首电站压力管道长达6．6km，水流惯性时间常数 Tw=6．624s，机组加速时间常数 Ta=4．164s。根据过渡过程数值计算，需设置调节保护措施来解决引水系统压力和转速上升的矛盾问题。同时为压力管道管材的选择、管道壁厚的确定提供可靠计算依据。渠首电站囿于自身的地形、地质限制不具备修建调压室的条件，故采用调压阀调保措施方案。

考虑梯级电站“长藤结瓜、串糖葫芦”布置，一旦机组丢弃负荷，同时调压阀拒动，压力引水管道内压力值超过设计压力而发生爆管，对电站本身及下游梯级电站均造成巨大损失和影响的因素下，设置了后备安全调节保护措施，并初步拟定了爆破膜方案和安全泄压阀方案，并从经济、技术、运行等方面综合考虑，分别介绍如下:

3.1 调压阀调保措施

调压阀布置在主厂房进水阀坑内。调压阀作用原理:调压阀与水轮机导叶协联。当电站或机组丢弃负荷较大或全负荷，在导叶快速关闭的同时调压阀相应的快速开启，将机组关闭减少的过流量通过调压阀排出，使引水管道内的流量变化缓慢进行，以减小因快速关闭导叶切断水流引起的管道水压上升。另一方面，因导叶仍是快速关闭流入转轮室流量较少，同时保证机组的速率上升不超标，使电站和机组得以安全运行。

通过过渡过程数值分析，最优调压阀直径为0．3m，推荐的机组-调压阀启闭规律为导叶以9s一段直线规律关闭，同时调压阀以9s一段直线联动开启，达到全开并滞后10s后，调压阀再以180s一段直线规律关闭。

调压阀具有较明显的优势，为工程节约了投资、缩短了施工工期。

3.2 爆破膜后备调保措施方案

3.2.1 爆破膜布置原理及成果

通过对爆破膜装置考察，因其独特的作用及经济性在多个行业得到应用，在水电站工程中也有应用，并取得了较好的使用效果。所以爆破膜技术具有一定的可行性。

渠首水电站爆破膜布置在管道末端与岔管并行，位于旁通阀室内，爆破膜装置主要有检修阀门、爆破膜片、球阀组成。设计初拟布设3组膜径0．5m的爆破膜片，3组爆破膜装置并联平行布置，在爆破膜交汇点前设置了闸阀，交汇点后设置了球阀，球阀用来调节相对开度消能限流，另外，在爆破膜爆破后，关闭球阀更换好膜片，为下次开机做好准备。爆破膜布置见图1，爆破膜片详见图2。

(1)爆破膜装置在本工程运用原理

在压力管道末端设置一组或多组膜片，作为管道中人为设定的薄弱环节。正常运行时挡水，机组甩负荷，且调压阀拒动时，爆破膜破坏后泄水，防止压力管道因压力升高而破坏。膜片破坏后，通过调节球阀开度来进行消能限流，待压力管道水流平稳后，缓慢关闭，然后对爆破膜片进行更换。使整个引水系统各部分的水压力均控制在允许值以内，水压力升高得到有效抑制，从而保证压力管道的运行安全。

(2)爆破结构原理

爆破膜片夹持于两法兰中，其受力型式为“四周固定的圆形或平板均布荷载”，通过选择设定膜片的材料及厚度，使膜片在设定压力作用下发生破坏。

图1 爆破膜布置图

图2 爆破膜片

(3)膜片的爆破压力、片数和直径，末端球阀的控制开度、关闭时间等参数确定

根据引水系统和机组所允许的压力和转速阈值，通过对引水系统过渡过程进行计算，最终确定如下:

渠首水电站工程膜片原设计直径为0．5m的爆破膜，因泄流能力过大导致压力管道中出现过大的负压。通过减小膜片直径及优化爆破膜爆破顺序，推荐布设3组膜径0．25m的爆破膜片。3组爆破膜相继分级启爆的方案，1#爆破膜启爆压力为230．0m，2#爆破膜启爆压力为 235．0m，3#爆破膜启爆压力为240．0m。这就要求调压阀正常工作时，爆破膜前的压力不能超过整定的230．0m，即调压阀正常工作时爆破膜不会爆破。推荐球阀在34．5～95%的相对开度下运行，球阀以120s的一段直线关闭，迟滞时间应大于等于0．2s。球阀和爆破膜过流数据详见表1。

表1 推荐球阀开度下各爆破膜过流量数据统计表

3.2.2 爆破膜装置优点及应注意的问题

通过对爆破膜的研究、考察，针对本工程就爆破膜的适用性总结出以下几点，这对工程的方案选择、运行安全起到至关重要作用。

(1)优点。原理清晰、结构简单、价格低廉、施工安装方便、便于更换。

(2)膜片材料。爆破膜材料有:镍、铝及铝合金、塑料(特氟隆)、不锈钢等。各材料特性也有较大差别，如塑料为脆性材料，不锈钢为塑性材料。

(3)膜片采购。爆破膜专业制造厂较少，对爆破膜进行采购较为困难。

(4)膜片制造。如将爆破膜作为非标件单独加工，需考虑材料的不均匀性(每批材料的拉伸、剪切强度均不相同)和机械加工性能(塑料考虑注塑成形，需另行制造专用模具;为防止局部微裂纹对应力的影响，加工精度要求高)。

(5)膜片安全。爆破膜在长期水压作用下，可能发生一定的塑性形变，从而偏离计算压力假定值。

(6)受控爆破。调保计算水力学计算要求爆破膜动作后整体脱落，形成全通径流道泄水，要求爆破膜有设计指定的薄弱环，该处的应力集中无法控制。

(7)膜片精度。爆破膜启爆压力根据材质不同，精度误差为±5%、±10%，现有爆破膜精度误差最小一般为±5%。

3.2.3 爆破膜后备调节保护措施方案结论

综合以上因素，根据渠首电站调保计算成果，爆破膜的起爆压力间隔为5m，这对爆破膜的生产提出了很高的要求和精度。例如按240m水头的±10%计算，爆破膜在240至288m水头起爆均为合格产品，此范围已大大超出调保计算要求爆破膜起爆压力值。

3.3 安全泄压阀后备调保措施方案

3.3.1 安全泄压阀布置及原理

安全泄压阀的布置与爆破膜方案基本相同，均位于管道末端，与岔管平行。安全泄压阀主要由检修阀门、安全泄压阀组成。设计初拟布设1台0．5m直径的安全泄压阀，在安全泄压阀前后设置了检修阀门，当安全泄压阀需检修或维护时将前后检修阀门关闭。安全泄压阀布置详见图3，安全泄压阀结构详见图4。

图3 安全泄压阀布置图

图4 安全泄压阀结构图

(1)安全泄压阀在本工程运用原理

当调压阀泄出流量过小或拒动时，引水系统压力会继续上升，达到安全泄压阀开启压力后，安全泄压阀在一定时间内开启，及时下放水流降压，将主管道的压力限定在设定压力以下，避免由于压力过高而造成管道系统的破坏。

(2)安全、泄压阀工作压力、台数和直径等参数确定

同样根据引水系统和机组所允许的压力和转速阈值，通过对引水系统过渡过程进行计算，最终确定安全泄压阀工作压力、台数和直径等参数，确定过程如下:

渠首水电站工程原设计一台阀径为0．5m的安全泄压阀，因泄流能力过大导致压力管道中出现过大的负压。通过对安全泄压阀直径优化，推荐布设1台安全泄压阀，阀径0．35m。因安全泄压阀的开启时间对机组转速及水力干扰均存在影响，若开启时间过长，则降压效果大打折扣，甚至可能导致蜗壳末端最大压力超过控制标准;若开启时间过短，则在水力干扰工况，导致压力引水道部分管段出现较为严重的负压。经计算推荐安全泄压阀以5s开启，即使有误差也应限制在3s～6s内，安全泄压阀开启时间敏感性分析计算详见表2。由于阀径0．35m 的安全泄压阀过流量约 3．56m3/s，0．5m 管径中流速达18．14m/s，流速水头16．8m，管道中会出现较为严重的负压，因此将原设计为0．5m的管道直径增至0．7m。

表2 安全泄压阀开启时间敏感性分析计算结果

3.3.2 安全泄压阀装置优点及应注意的问题

(1)操作方便，无需为阀门另配电控系统和其它附加装置。

(2)关闭严密可靠。主阀密封采用橡胶密封环密封，关闭动力由主阀控制室自动形成，保持合适关闭力，密封寿命和可靠性高。

(3)控制压力不受流量等因素影响泄压准确。

(4)费用。根据工程运用要求，直径、作用水头不同设备价格差异较大。

(5)对电站的日常运行维护有一定的要求。需日常巡检设备各部件是否存在漏气、卡死等现象，机械装置需定期更换弹簧，防止弹簧长期受压后发生永久形变。

3.3.3 安全泄压阀后备调节保护措施方案结论

综合以上因素，根据渠首电站调保计算成果，安全泄压阀可满足工程各工况运行要求，起到了后备调节保护的作用。

3.4 后备调节保护措施结论

经过引水系统过渡过程计算对两种方案的论证，作为后备调节保护措施，两方案均需满足以下前提，即后备装置开启压力整定值比调压阀正常动作时产生的压力值高，这样才能保证正常情况下调压阀动作，而后备装置不动作。

爆破膜方案，因受过渡过程计算承压水头控制，3组爆破膜的起爆压力间隔为5m，及230m、235m、240m，而爆破膜爆破精度误差最大达 ±10%，同时受爆破膜材质不可控等边界条件限制，此方案已无法满足工程调节保护作用。

通过两方案的技术、经济等诸多因素比较，渠首水电站后备调节保护措施采用安全泄压阀方案。为压力管道管材的选择、管道壁厚的确定、蜗壳末端最大压力的控制提供可靠计算依据，最终确定压力管道设计参数、蜗壳最大压力、机组等设备参数。

4 结语

大河沿河渠首水电站工程特点是高水头、长管道。通过工程实地考察研究和大量的计算工作，为调节保护措施的方案研究选择奠定了基础。

不论是调压阀、还是爆破膜装置、安全泄压阀均能起到引水系统调节保护的作用，结合工程的特点可以灵活运用。

［1］CECS 193:2005．城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规范［S］．北京:中国计划出版社，2006．

［2］DL/T 5058—1996．水电站调压室设计规范［S］．北京:中国电力出版社，1997．