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印尼某水電站調節保證措施選擇分析研究
來源：上海自動化儀表有限公司作者：胡藤耀 李 南 李小樂 唐林鈞發表時間：2023-10-12 16:56:05【小中大】
摘 要：對于長引水式水電站，為保證電站引水發電系統及機組的安全，滿足調節保證設計要求，需采取調節保證措施。常用的調節保證措施為設置調壓井，部分中小型電站由于地形、地質條件的限制，選擇采用調壓閥作為電站調節保證措施。針對印尼某水電站的工程實例，根據電站的地質條件、樞紐布置、引水發電系統布置及機組參數，結合電站的實際情況，對該電站的調節保證措施選擇進行了比較分析和研究。
1 概述
1.1 工程概況
印尼某水電站位于蘇門答臘島北蘇門答臘省境內Batang Toru河中游河段，電站的開發任務主要為發電，采用引水式開發。水庫正常蓄水位682.8 m，相應庫容60.2萬m 3 ，死水位680.8 m，水庫無調節能力。電站裝機兩臺，總裝機容量32 MW，樞紐由堆石混凝土重力壩、開敞式自由溢流堰、右岸引水系統和地面廠房等建筑物組成。
1.2 電站基本參數
電站基本參數如表1所示。
1.3 電站引水發電系統概況
電站裝設兩臺單機容量為16 MW的水輪發電機組，輸水發電系統布置方式為“一洞一管兩機”[1] 。引水系統由壩身進水口、壩后明管、前部引水隧洞、中部淺埋管、后部引水隧洞、壓力鋼管段組成。引水線路總長967.1 m，其中壩后明管段長50.62 m，前部引水隧洞328.83 m，中部淺埋管120.77 m，后部引水隧洞335.51 m（明管—后部引水隧洞內徑為4.8 m）。壓力鋼管主管長100.5 m，直徑4 m，壓力鋼管支管長18.5 m，管徑2.9 m。兩臺機引水系統管徑和長度相同，引水系統示意簡圖如圖1所示。
2 電站調節保證設計初步分析
根據NB/T 35021—2014《水電站調壓室設計規范》中相關規定 [2] ，基于水道特性設置上游調壓室的條件按如下公式判別，式中：T w 為壓力管道中水流慣性時間常數；[T w ]為T w的允許值，一般取2～4 s；L i 為壓力管道及蝸殼各段的長度；v i 為各管段內相應的平均流速；g為重力加速度；H p 為設計水頭。
該電站壓力管道水流慣性時間常數T w 值為9.18 s，大于規范的允許值4 s，根據規范要求需設置上游調壓室。除設置調壓室外，部分中小型電站由于地形、地質條件的限制，選擇采用調壓閥作為電站調節保證措施，根據GB 50071—2014《小型水力發電站設計規范》[3] 中第6.2.4條“當壓力升高率保證值和轉速升高率保證值不能滿足設計要求時，可采取下列措施”的第3條為“設置調壓閥”。根據工程經驗，結合本項目的工程實際、樞紐布置及地形、地質條件，針對調壓井和調壓閥兩種調節
保證措施進行進一步分析。
3 電站調節保證措施對比分析
3.1 技術可行性對比
3.1.1 調壓井方案
調壓井利用擴大了的斷面和自由水面反射水擊波的特點，將有壓引水道分成兩段：上游段為有壓引水隧洞，下游段為壓力鋼管。當機組負荷發生變化時，由于引水隧洞和調壓井存在摩阻，通過引水隧洞和調壓井中水體的往復波動，運動水體的能量會被逐漸消耗，波動也就逐漸衰減，最后波動停止。調壓井方案的主要優點：1）調壓井能有效縮短壓力管道的長度，減少水錘壓力值。調壓井上游段可大幅減小水錘壓力的影響；調壓井下游段壓力管道，由于縮短了水錘波傳遞的路程，從而減小了壓力管道中的水錘壓力值，改善了機組運行條件及供電質量。2）調壓井調壓原理簡單直接、調節性能好，能夠比較全面地解決水力過渡過程問題，在大、小波動中都能發揮有效作用。當負荷出現輕微變化時，能迅速消除波動、恢復平穩狀態；當負荷出現較大變化時，波動迅速衰減，水面振動幅度減小。3）調壓井運行方便，且調節性能基本不隨電站運行時間的增加而變化，可靠性較高。4）調壓井結構簡單，日常運行維護簡單。調壓井采用筋混凝土澆筑，管理上較為簡單，日常僅需巡視檢查即可，維護流程簡單。5）調壓井耐久性好。調壓井采用鋼筋混凝土澆筑，一般調壓室的設計年限為50年，設計年限內只需簡單檢修維護即可長期使用。
調壓井方案的主要缺點：1）調壓井受地質、地形條件制約大，部分電站由于地質和地形條件限制，無法設置調壓井。2）調壓井土建工程量大，投資較高。
3）調壓井施工組織較復雜，需布設調壓井施工道路，增加征地，導致投資增加。4）調壓井施工工期較長，影響總工期。
本工程所在地印尼蘇門答臘島，位于板塊交界處，地質情況復雜，鄰接構造活躍區域，受地震和火山作用頻繁。經地質勘測分析，工程所在地地質條件差，引水隧洞均為V類圍巖，圍巖極不穩定，成洞條件差，存在漏頂和沿裂隙涌水問題，開挖支護成洞風險高，成井條件差，因此設置調壓井存在一定制約因素，導致投資和成本增加。
3.1.2 調壓閥方案
采用調壓閥替代調壓井的方案，在機組甩負荷導葉快速關閉時，通過開啟調壓閥引導一部分流量直接進入尾水中，從而控制機組的轉速上升和引水管道的壓力上升 [4] 。
調壓閥方案的主要優點：
1）調壓閥的布置受地形、地質條件及施工難度的制約較小 [5] 。調壓閥一般布置在電站廠房內機組前壓力鋼管或蝸殼處，相比于設置調壓井，調壓閥的布置受電站當地的地形、地質條件及施工難度的制約較小。
2）節約投資。由于調壓井土建工程量較大，土建投資較高，而調壓閥方案僅增加調壓閥及其附屬設備的投資，廠房尺寸只稍微增大，對土建投資影響不大，因此采用調壓閥能節約投資。
3）施工組織簡單，對工程總工期幾乎無影響。調壓閥方案僅涉及電站廠房內相關設備的安裝及調試，基本無須增加額外的施工設施，且不影響工程的總工期。
調壓閥方案的主要缺點：
1）可靠性較調壓井低。調壓井為水工建筑物，結構及調壓原理簡單直接，可靠性較高。雖然隨著技術的發展和進步，調壓閥的設計制造水平有所提高，但調壓閥本質上為液壓機械設備，理論上仍存在發生故障而拒動的概率。
當機組甩負荷緊急停機時，如調壓閥因故障拒動，雖然通過導葉慢關，蝸殼的壓力上升能控制在調節保證控制值內，但機組的最高轉速上升率仍較高。雖然根據相關規范要求，機組在短時間內達到飛逸轉速不應產生有害變形和結構性損傷，但機組超過額定轉速后，轉動部分的離心力成倍增長，仍會增大機組產生結構性損傷的隱患。
2）響應速度較慢，調節品質較差，運行靈活性下降。采用調壓閥方案，雖解決了機組甩負荷時壓力上升及轉速上升的問題，但機組正常開關機及增減負荷時，調壓閥不動作，因此本質上并未改變引水系統管道的特性。相比設置調壓井的方案，電站開關機及增減負荷都需要更長的時間，導致電站的響應速度較慢，運行靈活性下降。
3）增加運行、檢修、維護工作量。調壓閥作為保證電站安全的重要設備，需對其進行定期的檢修及維護以保證調壓閥正常工作，因此電站運行、檢修及維護的工作量會增加。
3.2 經濟性對比
3.2.1 調壓井方案
調壓井方案投資主要涉及調壓井單體建筑、施工輔助道路及征地。調壓井單體建筑物工程量如表2所示，投資1 680.18萬元。
調壓井需布設施工便道600余m，按56萬元/km，施工便道增加投資33.6萬元。調壓井井筒及施工便道合計新增占地約3 333 m 2（5畝），征地費用按每667 m 2 （1畝）地4萬元計列，新增征地費用20萬元。調壓井方案合計工程投資1 733.78萬元。
3.2.2 調壓閥方案
采用調壓閥方案會主要增加如下幾個方面的投資：
1）調壓閥投資。每臺調壓閥設備的總投資約為150萬元（含設備本體投資、備品備件、運費、稅費、設備安裝費及初估的運行檢修維護費用），該電站共需兩臺套調壓閥，共計300萬元。
2）廠房尺寸增加的投資。根據樞紐布置成果，不設調壓閥方案廠房尺寸為46.5 m×30.5 m×32.2 m（長×寬×高），根據調壓閥的廠房布置，增加調壓閥后，廠房尺寸為47.5 m×32.5 m×32.2 m（長×寬×高），廠房跨度增加2 m，長度增加1 m，相應工程量及投資增加如表3所示。調壓閥方案發電廠房投資較調壓井方案增加310.67萬元。
3）廠內起重設備的投資增加。不設調壓閥方案初選廠內起重設備為額定起重量為100/20 t的單小車橋機，跨度為16 m，由于設調壓閥后廠房跨度增加，橋機跨度由16 m增加至18 m，橋機重量增加約6 t，設備投資增加約20萬元。
根據以上匡算，調壓閥方案共需增加投資約630.67萬元。
4 調節保證措施對比分析結論
經對兩種調節保證措施方案進行對比分析，結合電站實際情況，主要結論如下：
1）設置調壓井為最常見的調節保證措施，有豐富的工程實踐，技術成熟、可靠性高，調節效果明顯，且運行、檢修及維護的成本較低。但土建投資相對較高，且受地形、地質及施工條件的影響較大。
2）調壓閥的設置受地形、地質條件的制約較小，布置靈活，投資相對較低，雖然調節可靠性及調節品質較調壓井方案差，但經復核計算滿足保證電站引水發電系統及機組安全的要求。
3）該電站地質條件較差，圍巖極不穩定，成洞條件差，且調壓井井筒直徑為12 m，存在漏頂和沿裂隙涌水問題，開挖支護成洞風險高，成井條件差，經分析計算，設置調壓井投資比設置調壓閥高1 103.11萬元，且調壓井占用關鍵工期，使得總工期增加。經綜合比較，結合電站的實際情況，該電站調節保證選擇采用調壓閥方案。
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