封曉輝，申世吉

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春130021）

調(diào)壓閥-爆破膜裝置在調(diào)保中的應(yīng)用研究

封曉輝，申世吉

（吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林長春130021）

對于長管引水式水電站，為滿足其調(diào)節(jié)保證的要求，結(jié)合某電站的輸水系統(tǒng)布置特點，提出采用調(diào)壓閥-爆破膜作為調(diào)保措施的方案，并對調(diào)壓閥直徑的選定和爆破膜基本參數(shù)確定、優(yōu)化等問題進行了計算分析，以確保電站的穩(wěn)定運行。

水電站；調(diào)節(jié)保證；調(diào)壓閥；爆破膜

1 工程概況

某長引水式水電站裝機容量2×4.32mW，額定流量4.078m3/s，額定水頭234.8m，轉(zhuǎn)動慣量G D2=5.0 t·m2，水輪機型號HL***-WJ-92。電站輸水系統(tǒng)布置圖如圖1所示。管路特性參數(shù)見表1。

圖1 電站輸水系統(tǒng)布置示意圖（單位:m）

表1 當(dāng)量化后的管路特性參數(shù)

結(jié)合該電站的特征參數(shù)，并根據(jù)水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范（DL/T5186-2004）［1］，提出該電站的調(diào)保計算控制條件:

（1）機組轉(zhuǎn)速最大上升率≤60.0%；

（2）蝸殼最大壓力升高率≤30%，即為328m；

（3）輸水道全線洞頂?shù)淖钚?nèi)水壓力＞2m；

（4）壓力管道中最大真空度≤8m。

2 計算目的及原理

水電站運行過程中，由于各種原因，機組突然與系統(tǒng)解離或突然全甩負荷，致使機組轉(zhuǎn)速突然大幅度升高，引水管道中的壓力也急速上升，將對電站的引水系統(tǒng)和機組產(chǎn)生破壞作用。為此，在水電站設(shè)計中，為了保證機組正常運行，必須要進行調(diào)保計算。在調(diào)節(jié)保證計算中，限制水力壓力的升高和機組轉(zhuǎn)速的升高是相互制約的。在無法滿足同時限制壓力和轉(zhuǎn)速上升要求時，則需要采用調(diào)保措施，滿足兩者要求。

目前在水電站設(shè)計中，所采用的調(diào)保措施比較多，包括增加機組的轉(zhuǎn)動慣量、設(shè)置調(diào)壓室、縮短引水管道的長度、增大引水管道斷面以及減少管內(nèi)流速等。這些措施常常受地形、地質(zhì)條件的影響或者投資較大、施工困難等因素的制約，難以施行。綜合目前國內(nèi)外幾種調(diào)保措施得出，調(diào)壓閥-爆破膜裝置作為水電站的調(diào)保措施是一個值得推薦的方案，其不受地形地質(zhì)、投資、風(fēng)險等因素影響，并且經(jīng)濟效益明顯［2-3］。

調(diào)壓閥-爆破膜裝置作為調(diào)節(jié)保證措施的基本原理:機組正常運行時，引水管內(nèi)壓力平穩(wěn)，調(diào)壓閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)甩負荷時，引水管內(nèi)發(fā)生水錘，壓力上升超過調(diào)壓閥整定值，調(diào)壓閥開啟，泄放一定的流量，限制了水錘壓力的上升，由于此時通過水輪機的流量減少，因而也減少了機組的剩余流量，限制了機組的轉(zhuǎn)速上升。如果調(diào)壓閥損壞、壓力超過整定值其仍未動作或者調(diào)壓閥泄流量不夠情況下，引水系統(tǒng)壓力將繼續(xù)升高，達到爆破膜的整定壓力，爆破膜爆破，水流噴出，同樣起到保護作用。一般情況下爆破膜的爆破整定壓力比調(diào)壓閥的正常工作時產(chǎn)生的壓力值高，這樣才能保證正常情況下調(diào)壓閥動作，而爆破膜不啟爆。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 調(diào)壓閥設(shè)置

調(diào)壓閥的過流量［4］:水錘計算的正、負特征線方程［5］:

式中:τ為調(diào)壓閥開度；Q11為單位流量，HA（t）、HB（t）、QA（t）、QB（t）分別為A、B邊在t時刻的瞬態(tài)水頭和瞬態(tài)流量。結(jié)合（1）、（2）、（3），即可獲得閥前壓力、閥后壓力、過閥流量3個未知量。

3.1.1 調(diào)壓閥與機組啟閉規(guī)律

導(dǎo)葉及調(diào)壓閥的啟閉規(guī)律對引水系統(tǒng)的水錘壓強與機組轉(zhuǎn)速上升率的大小影響較大，它決定于調(diào)速系統(tǒng)特性，而且在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，因此采用合理的啟閉規(guī)律可以降低水錘壓強與限制機組轉(zhuǎn)速升高，且不需要額外增加電站機組投資，是一種經(jīng)濟有效的措施。對調(diào)壓閥和機組導(dǎo)葉聯(lián)動的啟閉規(guī)律進行了優(yōu)化，優(yōu)化后蝸殼最大壓力升高率≤18%，即為297m，其它指標(biāo)不變，即機組的轉(zhuǎn)輪GD2=5.0t·m2，調(diào)壓閥動作時機組轉(zhuǎn)速最大上升率應(yīng)在≤60%，尾水管進口真空度≤8m。見表2。

表2 調(diào)壓閥與機組聯(lián)合啟閉規(guī)律

3.1.2 調(diào)壓閥的直徑

調(diào)壓閥直徑關(guān)系到其開啟時的過流量，理論上調(diào)壓閥的直徑越大則系統(tǒng)的降壓效果越好，但調(diào)壓閥的直徑過大，造價加大，其泄流能力加大，過高的流速除可能帶來高速水流的氣蝕與消能問題外，在發(fā)生單臺機甩負荷的事故情況下，大部分水流從調(diào)壓閥流走，從而將導(dǎo)致同一水力單元的另外一臺機組出力出現(xiàn)較大下降，產(chǎn)生較嚴重的水力干擾，由此可能發(fā)生相繼甩負荷事故。故較優(yōu)的調(diào)壓閥直徑應(yīng)滿足:

（1）最小閥徑應(yīng)滿足導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟時不會產(chǎn)生過大的壓力上升；

（2）最大閥徑應(yīng)滿足導(dǎo)葉關(guān)閉、調(diào)壓閥開啟時系統(tǒng)總流量不產(chǎn)生過大的增加，即事故前后系統(tǒng)總流量近似相等。詳見表3。

表3 不同調(diào)壓閥直徑方案對比

圖2 調(diào)壓閥直徑0.35m、啟閉規(guī)律為3時蝸殼末端-調(diào)壓閥前壓力及機組相對轉(zhuǎn)速變化過程線

由表2、3及圖2可知，調(diào)壓閥直徑取0.30m時，蝸殼末端壓力超過整定值；直徑取0.40m時，泄流量過大，均不能滿足調(diào)保要求及直徑優(yōu)化原則。調(diào)壓閥直徑選取0.35m，啟閉規(guī)律為3時，調(diào)壓閥直徑優(yōu)化原則（1）、（2）及調(diào)保要求均能滿足，蝸殼末端最大壓力及最大轉(zhuǎn)速上升率均有一定的富裕度，魯棒性很好。

3.2 爆破膜設(shè)置

3.2.1 爆破膜計算原理

爆破膜金屬膜片的爆破壓力、膜片材質(zhì)、厚度、片數(shù)和直徑等參數(shù)，可根據(jù)引水系統(tǒng)和機組所允許的壓力和轉(zhuǎn)速閾值，通過對輸水系統(tǒng)過渡過程進行計算來確定。在計算中，每片爆破膜膜片啟爆后的排量，按薄壁小孔口出流公式［6］計算:QB=， 式中，μ為流量系數(shù)，取值一般在0.58至0.62之間；FB為膜片爆破面積（m2）；H為作用在爆破膜孔口的水壓力（米水柱）。另外，爆破膜膜片直徑不宜過大，片數(shù)不宜過少，以免膜片爆破時壓力下降過大而產(chǎn)生負壓。此外，爆破膜還應(yīng)有不同壓力控制等級的備用片數(shù)，以策安全。

3.2.2 爆破膜直徑、數(shù)量及排列方式

（1）單個爆破膜爆破

單個爆破膜相關(guān)參數(shù)計算結(jié)果見表4。

表4 單個爆破膜直徑優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)小孔出流計算公式選擇直徑大的膜徑，出流量大，導(dǎo)致管道前端負壓難以控制，故不能采用；直徑0.15m的爆破膜，雖泄流能力不足，但造成的負壓均可控，轉(zhuǎn)速最大上升率又可以通過降低爆破壓力整定值實現(xiàn)，蝸殼末端最大壓力的降低可通過多次爆破增加排量來實現(xiàn)。因此，本文提出兩個或者多個爆破膜相繼爆破的方案，理論上可行。

（2）多個爆破膜爆破

多個爆破膜爆破的計算結(jié)果見表5。

表5 多個爆破膜爆破計算結(jié)果

兩個爆破膜相繼爆破時較單個爆破蝸殼末端壓力及最大轉(zhuǎn)速上升率有了明顯的改善，見表4，以膜后球閥開度限制泄流量來保證管道內(nèi)負壓滿足條件，由于泄流量被球閥開度限制，由表4計算方案對比可知爆破方案1、2總的泄流量仍不足以把蝸殼末端壓力控制至調(diào)保壓力控制標(biāo)準(zhǔn)以下，方案3爆破膜相繼啟爆時，球閥開度在45～95%之間調(diào)節(jié)，蝸殼末端壓力、轉(zhuǎn)速最大上升率及管道中負壓等均能控制在調(diào)保參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，滿足要求。

圖3 三膜徑0.15m爆破膜爆破蝸殼末端壓力及機組相對轉(zhuǎn)速變化過程線（球閥開度95%）

三爆爆破方式:1#爆破膜先爆破，3#爆破膜再爆破，2#爆破膜最后爆破，由于是對稱結(jié)構(gòu)，爆破次序無影響，采用并聯(lián)對稱結(jié)構(gòu)利于控制和爆破后換膜片的方便，如圖4。

圖4 三個爆破膜排列布置示意圖

4 結(jié)語

（1）對于某長管引水式電站，結(jié)合該電站的輸水系統(tǒng)布置特點及經(jīng)濟、技術(shù)上的要求，對其水力過渡過程進行計算，采用調(diào)壓閥-爆破膜作為調(diào)保措施的方案能夠較好的滿足電站的調(diào)保要求。

（2）通過計算及分析確定該電站的調(diào)壓閥直徑。通過對比演算對爆破膜的直徑、數(shù)量、排列方式的確定進行了一系列優(yōu)化，以確定爆破膜參數(shù)來確保電站的穩(wěn)定運行，其結(jié)論對一些中小型水電站的具有借鑒意義。

［1］DL/T5186-2004.水輪機發(fā)電廠機電設(shè)備規(guī)范［S］.

［2］胡沛成，倪福生.水電站用爆破膜代替調(diào)壓井的過渡過程和工程措施［J］.河海大學(xué)常州分校學(xué)報，1999，13（04）:2-5.

［3］Peicheng H，Pusheng Z，ElkouH A F.ReliEf Valve and SafeTy Mem-brane Arrangement in Lieu of Surge Tank，Journal of Energy Engi-neering［J］，ASCE，Augus T1989，115（02）:78-83.

［4］馬世波，張健，劉亞寧，等.中小型水電站調(diào)節(jié)保證措施研究［J］.水電能源科學(xué)，2008，26（03）:170-171.

［5］Wylie E B，STreeTer V L，Suo Lisheng.Fluid Transient in SysTems［M］.EnGLewood Cliffs:PrenTice Hall，1993.

［6］劉建軍，章寶華.流體力學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2006.

圖4 EH4深埋隧洞二維反演電阻率圖

根據(jù)圖4的電性參數(shù)特征，可以看出剖面上部視電阻率值基本在50～150，下部視電阻率值≥250，我們?nèi)∫曤娮杪手档扔?50的等值線作為劃分覆蓋層與基巖界線的基準(zhǔn)，則粗黑線上方推斷為覆蓋層，下方推斷為基巖。由圖可見剖面小樁號覆蓋層較薄，最淺處約15m，大樁號的附近覆蓋層較厚，最大厚度趨近200m，其中在樁號830～1050處有一相對凹陷形態(tài)，推斷該覆蓋層厚度較大。覆蓋層下方，基巖頂板線高程整體呈現(xiàn)小樁號高，大樁號低的特性，樁號0～700段視電阻率等值線形態(tài)較平緩，表明巖性穩(wěn)定性較好；樁號700～1100段等值線形態(tài)不規(guī)則，比較錯亂，表明巖性穩(wěn)定性較差；樁號1100～2000段等值線成層性較好，表明巖性穩(wěn)定性較好。整個剖面覆蓋層以及基巖頂板線具體分布情況見圖4。

另外，根據(jù)視電阻率等值線密集和橫向斜率形態(tài)突變情況，結(jié)合大范圍的低電阻率值區(qū)，推斷在剖面樁號830至1110處有斷裂構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎、傾向大樁號一側(cè)，傾角較陡。

4 結(jié)語

通過本次高頻大地電磁工作，完成深埋隧道軸線縱剖面1條，通過對成果資料的綜合分析解釋，初步查明了深埋隧道軸線剖面的巨厚覆蓋層分布情況，并提示在剖面有斷裂構(gòu)造發(fā)育，反映了該方法技術(shù)在深埋隧道探測巨厚覆蓋層分布和確定斷層位置的有效性。在實際應(yīng)用中，對于50～500m的覆蓋層，EH4探測效果較好，但由于天然場的一段高頻信號較弱，造成小于50m的覆蓋層探測效果不明顯。為取得較好的反演成果，采集原始數(shù)據(jù)時，使用人工場補充天然場弱信號段，遠離干擾區(qū)（高壓線、電線、火車軌道、公路等），從而提高勘探精度。

參考文獻

［1］劉遠書.瑞士圣哥達深埋長隧洞工程的設(shè)計思路、地質(zhì)條件與施工方法［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2006（05）:44-48.

［2］劉恒祥，郝忠友.深厚覆蓋層的探查［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014（01）:39-42.

［3］張雪.花隧洞開挖中斷層和透水層的處理方法［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2013（01）:46-49.

［4］陳樂壽，劉任，王天生.大地電磁測深資料處理與解釋［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1989.

［5］沙成滿，王恩德，等.巖土工程勘測E H-4觀測信號的頻譜分析［J］.巖土工程學(xué)報，2005，27（02）:193-197.

TV735

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1672-2469（2015）10-0082-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.10.26

封曉輝（1987年—），男，助理工程師。