水轮机代替减压阀在水电站应用

   
   摘要利用水力模拟试验，研究了西南某高水头水电站机组技术供水系统用水轮机代替减压阎的问题．用水轮机代替减压阀，在水轮机转轮后面串联长的供水管路系统和用水设备，是一种新的装置．试验表明，这种装置仍然能像通常水轮机那样在任何导叶开度下稳定运行，水轮机在飞逸情况下不会出现供水管路中水压过高现象．用水轮机代替减压阀的方案是可行的．

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

     高水头水电站若利用上谊字水库之水作为供水系统的工作或备用水源，为了不损害供水系统中各部件（如空气冷却器及油冷器等），水的工作压力不得超过器件规定的范围．高压水必须通过减压阀经过减压、消能后才能进入供水系统．如果供水系统所需水量较大，且水头又很高，则减压阀要通过节流耗去很大的能量．例如，西南某水电站一台主机的供水若用减压阀消能，则将有近300 kW 的能量损失掉．如此大的能量在阀中消耗，工作势必会产生阀体气蚀磨损、振动、噪音等问题．因此，使用减压阀达到高水头电站技术供水目的的方案是不可取的．解决这一问题的手段就是用一台水轮发电机组代替减压阀，这样高压水的一部分能量通过水轮发电机组转变成电能输送出来，水轮机的尾水压力符合供水系统的进水水压要求，通过水轮机的流量满足供水系统的用水量．用水轮机代替减压阀，在水轮机转轮后面（去掉了水轮机的尾水管）串联长的供水系统管路和用水设备，水轮机能不能正常工作，能不能在任何导叶开度下稳定运行，在飞逸情况下除转速迅速升高外，尾水压力是否会达到供水系统不能承受的程度，这些问题，有的是不能用计算方法解决的，因此有必要进行模型试验．
水轮机代替减压阀在水电站应用 试验研究的内容及装置
1．1 试验研究的内容
a．观察这种以机代阀的机组能否在空载开度下转速保持恒定，以便发电机能同步并网．为此，在模型装置上进行了各种开度特别是小开度的飞逸试验，以观察飞逸转速是否稳定．专业主要从事水力发电和计算机应用方面的研究 已发表（水电站
供水系统小水轮机组代替减压阀方案的研究）（利用蜗壳差压做原型术轮机效率试验）
b．从水力学现象上分析，将水轮机尾水管段代之 一条或多条管路均无原则差别．一机对二主机进行稳定性试验，做出水轮机在各种开度下的带负荷工况，观察这些工况是否稳定．
c．本装置用水轮机代替减压阀，一方面能取得合适的压降，使水轮机转轮出口的压力满足供水压力要求；另一方面获得了能量．本试验在于测出各工况下流道的压力值，特别是飞逸工况下飞逸的转轮带动的水流会有多少能量损耗在转轮室的水中．
1．2 水轮机代替减压阀在水电站应用试验装置

    水泵自地下水库抽水送至封闭水箱稳压后进入水轮机．水轮机原有尾水管系弯肘形尾水管，本试验拆去代之 管系．此管系即对一机供2台主机水系供水进行模拟．水国l 模型水轮机装置示意因1一水泵；2一封闭稳压箱I3一水轮机I4一管系I5一直流发电机I6一堰扳轮机和一台直流发电机联接，通过调节直流电机的励磁改变发电机出力，发出电能由电阻负荷消耗，从而得到不同的工况．由充电脉冲信号计数水轮机的转速值．流量通过堰板测量．测量的重点是任一个被测工况点各参数是否稳定．经计算分析’，本试验的综合测量误差为士
2 试验成果及分析
2．1水轮机代替减压阀在水电站应用 空载并网
     正常的水轮机开机程序是将导水叶打开，在小开度下水轮机将加速到电机的额定转数再进行电机并网．如果在小开度下，水轮机不能保持恒定的转速，则并网就有困难，或产生电冲击或不断跳闸．图2表示在各种不同导叶开度下的单位飞逸转数一 一 （试验水头为12 m）．由图2可以看出，首先将尾水管换成供水管系后，不论是两管全开（相当于供两台主机）或关闭一管（相当于供一台主机），
    高水头水电站技术供水系统用水轮机代替减压阀的试验研究其飞逸转速都是恒定的，几乎没有波动（在转速表上转速波动值<士2‰）．这说明，在各种导叶开度下，空载转速是稳定的．以机代阀的发电机组并网没有问题．从图2中还可看出，以供水系统管路代替尾水管后，在各开度下，飞逸转速均比正常尾水管的低，而且一根管供水或管道出口阀关闭一半（相当于增加管路的阻力损失）时单位飞逸转速更要降低，因为试验水头是以蜗壳进口和下游尾水面之间的能量计算的，转轮后管路损失增加，则转轮前后的压差要减少．
2．2 一机对二主机的稳定性
    供水系统管路代替水轮机尾水管后，水轮机能否稳定工作，取决于各种不同开度下，在不同的工况点，模型水轮机能否稳定地运行．图3给出了模型导叶开度为lOO 时，管路系统两管全开状态下 一Q ．曲线2，两管各开一半曲线3及只开一根管曲线4的等开度 圉3线工况．为了比较，图中还给出了正常尾水管工况曲线1．图4及图5则分别表示相应开度为图4 80 开度下的 l～Q 关系曲线 图5 40 开度下的 ～Q 关系曲线i 正常肘管；2-两管全开} 1一正常肘管F2一两营全开‘3一各开一半；4一关闭一营 3一各开一半F4一关闭一管80 及40％工况的开度线．从图中亦可看出，管路系统的水力阻力增加，工况曲线向左偏移，即单位流量减少，所有工况点均稳定运行．
2．3 各种工况下流道中加压力变化
     在蜗壳进口及管路系统中布置了压力测点，如图6示．对各开度的不同工况点及飞逸工况点的压力值进行了测量，结果见表1～表3．分析图6和表中数值可知：蜗壳进口压力始终不变，这意味着供水泵和稳压筒所提供的上游图6 管道系统中压力测．占、布置水头为常数；转轮后面尾水管路系统中自3—6—4或3—5—2，压力递减下降，这是合理的；两管全开时，2点及4点部分工况为真空，因为这两点为出口且高于下游水位，此两点对于下游形成正吸出高度；如一根管的出口阀关闭，则4点的压力和6点的压力基本相等；管路中的压力分布与管路中的阻力因素有关，当两条管路全开时管路阻力小于一条开从表1～表3还可看出，不论哪种装置、哪种开度和哪种工况，在水轮机飞逸时点3的压力都没有超过正常工况的压力，点2的压力仍然满足低供水压力的要求，管路中的水流符合
水力学摩阻规律．由此可知，在飞逸工况下，水头能量大部分消耗在转轮室里，自转轮出口的水流压力不会超过正常工况下出口压力，也就是供水管路中不会有压力过高而损坏部件的危险．

减压阀介绍

Y46T组合式减压阀/减压阀SFY46T-16/25系列结构及用途

　　该阀主要由主阀、控制导阀、过滤器、针阀、球阀及旁通管道节流部位等组成。适用于温度小于80℃的水及非腐蚀性液体（汽油、煤油）和气体等需要降低到一定范围的设备和管路系统上，通过调节将进口压力降低至某一需要的出口压力值。当进口压力或流量发生变化时，靠介质本身的能量可自动保持出口压力在一定的范围内。

Y46T组合式减压阀的基本性能 

ZJY46H减压阀是一种利用水压进行自我调节的减压阀稳压阀，在进口压力和流量产生变化的时候保持出口的压力和流量稳定。其*实现自力控制，调试简单，运行可靠。

  当管道流量为0的时候，减压阀进入全关闭状态，阀后压力保持低压（可减静压）。

  如图所示:当P1变化时减压阀的出口首先表现为P2±△P2通过反馈系统出口管传到控制阀，使Pt=Pk±△P2；从而L发生相应变化，导致±△Pe的变化，经压力导管导致Pk的相应变化，Pt与Pk达到新的平衡，主阀的过流面积H相应变化。

  因此，P1变化，而通过H的流量不变。P2始终是原整定的低压值。当流量变化时，减压阀自我调节工作原理也如同上。

Y46T组合式减压阀安装和使用

1、  安装减压阀之前必须对管路系统进行冲洗清理，以防焊渣、氧化皮等赃物流入阀内，影响阀门正常工作。

2、  减压阀应安装便于操作和维修的地方，并且必须直立安装在水平管路上，应注意使管路中介质的流向与阀体上箭头所示方向一致，切勿装反。

3、  减压阀在安装使用时，应先把旁通管路上的截止阀打开，排除管路中的冷凝水和汽水混合物，以防减压阀开启时产生水击现象损坏减压阀，当无异常现象后，按顺时针方向缓慢旋转调节螺钉，将出口压力调至所需要的压力（以阀后表压为准），调整好后，将锁紧螺母背紧，拧上防护罩。

4、  减压阀前应安装过滤器，以防止介质中的杂质进入减压阀，影响其性能。

5、  安装的减压阀前后应有一段直管，阀前直管长度约为600毫米，阀后直管长度约为1000毫米。

6、  减压阀进口还要装汽水分离器和疏水阀，减压阀出口也要装疏水阀。

【Y46T组合式减压阀主要技术参数】

【主要零件材料】

【Y46T组合式减压阀主要外形尺寸】

法兰连接尺寸：铁制阀门按GB4216.4（5）-84标准，钢制阀门按GB/T9113.1-2000（RF）标准。

3 结 语
a．水轮机在任何开度下运行，飞逸转速是稳定的．机组可和正常机组一样并网无困难．
b．装置在各种情况下均和正常水轮机一样工况稳定，但特性曲线的等开度线位置向左下移．这说明，这种装置犹如一台水轮机带了一个“大阻力”的尾水管，在全水头下出力减小，因其部分水头要消耗在供水管路系统中．
C．水轮机飞逸时供水管路中水压不会产生过高、过低现象，可不必考虑设置安全阀．
d．本试验验证了以机代阀方案的可行性．