在水電站運(yùn)行中，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組突然甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器自動控制水輪機(jī)快速關(guān)閉導(dǎo)葉，壓力管道內(nèi)產(chǎn)生水壓和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升。對于壓力引水管道較長的電站，改變導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，有時(shí)不能同時(shí)使壓力和轉(zhuǎn)速上升都控制在允許的范圍之內(nèi)。為時(shí)，通常采用設(shè)置調(diào)壓井或調(diào)壓閥等方法來解決壓力和轉(zhuǎn)速上升的矛盾，保證電站安全運(yùn)行。但設(shè)置調(diào)壓井需要較大的投資和較長的工期，而有些電站限于地形、地質(zhì)條件，還難于建造調(diào)壓井，因此對于這一類中小型電站采用調(diào)壓閥方案具有較明顯的優(yōu)勢。
目前生產(chǎn)的全油壓控制TFW型調(diào)壓閥具有和導(dǎo)葉液壓聯(lián)動的特點(diǎn)，安全可靠、投資少、工期短等優(yōu)勢。從上個(gè)世紀(jì)80年代以來國內(nèi)已有近百座水電站設(shè)計(jì)中取消了調(diào)壓井，采用TFW型全油壓控制調(diào)壓閥，還沒有發(fā)生一起安全事故。浙江的金坑、宣平溪等水電站已經(jīng)安全運(yùn)行了多年，即使是發(fā)達(dá)國家，如挪威在水電站中也大量使用調(diào)壓閥來代替調(diào)壓井(額定水頭為158m、單機(jī)容量60MW的TJΦRHM水電站就是一個(gè)例子)。
現(xiàn)就調(diào)壓閥的液壓原理、特點(diǎn)、過渡過程等作如下闡述。
1、全油壓控制調(diào)壓閥液壓原理
全油壓控制TFW型調(diào)壓閥基本動作是：快速開啟，緩慢關(guān)閉；小負(fù)荷變化時(shí)，調(diào)壓閥不動作；甩較大負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥開啟，并具有導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的性能；增負(fù)荷時(shí)，調(diào)壓閥不起作用。 經(jīng)過改裝的調(diào)速器特殊主配壓閥和調(diào)壓閥的液壓控制系統(tǒng)見圖1，其特點(diǎn)是全部采用壓力油直接進(jìn)行控制和操作，其液壓原理如下：：
(1)機(jī)組負(fù)荷不變時(shí)。主配壓閥活塞在“平衡位置”，壓力油通過P1腔經(jīng)過節(jié)流閥A后進(jìn)入調(diào)壓閥接力器關(guān)閉腔TG，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2。由于調(diào)壓閥關(guān)閉腔的壓力大于閥盤上的水推力，故調(diào)壓閥處于關(guān)閉位置。如果調(diào)壓閥本來已經(jīng)打開，就向關(guān)閉側(cè)運(yùn)動。
(2)機(jī)組減少量負(fù)荷時(shí)(約機(jī)組額定出力的15％以內(nèi))。由于主配壓閥上移量較小，處于“減部分負(fù)荷”位置，僅有少量壓力油從P1腔經(jīng)節(jié)流閥A后進(jìn)入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG腔而緩慢關(guān)閉導(dǎo)葉，調(diào)壓閥關(guān)閉腔壓力略微減少，但仍大于閥盤上的水推力，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2，故調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)。
(3)當(dāng)機(jī)組瞬時(shí)甩較大負(fù)荷時(shí)(大于機(jī)組額定出力的15％以上)。主配壓閥活塞上移量較大，處于“甩較大負(fù)荷”位置，大量壓力油直接經(jīng)過TK腔進(jìn)入調(diào)壓閥接力器開啟腔，調(diào)壓閥快速開啟，而調(diào)壓閥關(guān)閉腔TG與導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG連通，導(dǎo)葉接力器開啟腔JK通排油腔O2，導(dǎo)葉快速關(guān)閉。所以調(diào)壓閥快速開啟，導(dǎo)葉快速關(guān)閉，兩者是協(xié)聯(lián)同步的，滯后時(shí)間為零。
(4)當(dāng)機(jī)組增負(fù)荷時(shí)。主配壓閥活塞下移，處于“增負(fù)荷”位置，壓力油P1直接進(jìn)入導(dǎo)葉接力器開啟腔中，調(diào)壓閥關(guān)閉腔壓力略微減少，但仍大于閥盤上的水推力，調(diào)壓閥開啟腔TK通排油腔O2，故調(diào)壓閥保持關(guān)閉狀態(tài)。
(5)導(dǎo)葉兩段關(guān)閉裝置。在調(diào)壓閥開始快速開啟時(shí)，受節(jié)流閥C的限制，油壓迅速升高，油壓逆止閥開啟，調(diào)壓閥關(guān)閉腔TG的壓力油進(jìn)入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔JG，多余的油量經(jīng)節(jié)流閥D回至調(diào)速器回油箱，故調(diào)壓閥開啟速度加快，提前開到限位環(huán)所限制的位置，此時(shí)導(dǎo)葉接力器未處于全關(guān)位置，只能通過少量來自節(jié)流閥A的壓力油緩慢關(guān)閉，從而起到導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉的功能。
(6)如果調(diào)壓閥失靈，機(jī)組只能通過節(jié)流閥A的少量壓力油慢速關(guān)閉，以保證引水管道壓力上升不超過允許值。
(7)各節(jié)流閥的作用。①節(jié)流閥A：整定調(diào)壓閥失靈時(shí)導(dǎo)葉慢關(guān)時(shí)間，也定了調(diào)壓閥的關(guān)閉時(shí)間；②節(jié)流閥C：整定油壓逆止閥的開啟壓力，以保證逆止閥迅速開啟；③節(jié)流閥D：整定導(dǎo)葉兩段關(guān)閉的拐點(diǎn)位置。
2、調(diào)壓閥特性
國內(nèi)現(xiàn)有全油壓控制調(diào)壓閥按直徑和水頭共分7個(gè)品種，主要參數(shù)見表1。
(1)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。TFW型調(diào)壓閥的本體帶導(dǎo)葉消能和補(bǔ)氣的閥殼、錐型或圓形的閥盤、平衡腔、接力器、引導(dǎo)油腔、活塞行程限制環(huán)、進(jìn)排水管和補(bǔ)氣閥等組成。接力器及引導(dǎo)油腔直接與閥殼連成整體，體積小，結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊。
(2)流量特性。根據(jù)調(diào)壓閥的閥塞類型和Yx/Dx值查詢單位流量Q1x′見表2，由此得到調(diào)壓閥的相應(yīng)流量Q＝，從而可以繪制出各種調(diào)壓閥的開度與流量關(guān)系曲線。
(3)操作特性。調(diào)壓閥最低操作油壓的范圍一般在1.3～2.0MPa之間，并隨著調(diào)壓閥工作水頭的提高而提高，最高的操作壓力一般為2.5MPa。
(4)布置要點(diǎn)。調(diào)壓閥的布置應(yīng)盡可能不增加機(jī)組間距和跨度，并與調(diào)速器、進(jìn)水閥等協(xié)調(diào)布置。對于立式機(jī)組，一般布置在蝸殼進(jìn)口前或蝸殼進(jìn)口段上，對于臥式機(jī)組一般布置在水輪機(jī)進(jìn)水閥后蝸殼進(jìn)口前的鋼管上。調(diào)壓閥的泄流方式應(yīng)考慮消能效果，盡管水流通過調(diào)壓閥后消除了大部分能量，但仍應(yīng)考慮剩余能量的消除。
設(shè)置調(diào)壓閥電站的過渡過程
假定水輪機(jī)、調(diào)壓閥的流量與時(shí)間呈線性關(guān)系，而且互相匹配很好，因而整個(gè)引水系統(tǒng)的流量也呈線性關(guān)系變化。設(shè)置調(diào)壓閥后的調(diào)節(jié)特性和流量與時(shí)間的變化見圖2所示。圖中實(shí)線1為導(dǎo)葉快速關(guān)閉過程線；虛線2為調(diào)壓閥拒動時(shí)導(dǎo)葉慢關(guān)閉過程線；點(diǎn)劃線3為調(diào)壓閥啟閉過程線。為了控制水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，拐點(diǎn)流量Qg一般選擇在空載開度附近，因此水輪機(jī)沒有多余的能量使機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。同時(shí)要限制水壓的升高，機(jī)組流量的減少應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)。
3.1計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)
（1）機(jī)組突甩負(fù)荷后，有關(guān)規(guī)范蝸殼最大壓力升高率按以下情況考慮：①額定水頭小于40m時(shí)，宜為70％～50％；②額定水頭在40～100m時(shí)，宜為50％～30％；③額定水頭大于100m時(shí)，宜小于30％。裝設(shè)調(diào)壓閥后，有條件將壓力升高控制在更小的升壓范圍內(nèi)，結(jié)合引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分段關(guān)閉裝置的現(xiàn)場調(diào)整，獲得較優(yōu)的關(guān)閉規(guī)律。
（2）機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速升高率按以下情況考慮：①當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎剌^大，且擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù)時(shí)，宜小于45％；②當(dāng)機(jī)組容量占電力系統(tǒng)總?cè)萘康谋戎夭淮蠡驌?dān)負(fù)基荷時(shí)，宜小于55％。
考慮到目前的允許轉(zhuǎn)速升高有提高的趨勢，建議裝設(shè)調(diào)壓閥后轉(zhuǎn)速升高率在計(jì)算時(shí)可按50％控制。
（3）機(jī)組突增負(fù)荷和甩部分負(fù)荷時(shí)，壓力下降應(yīng)保證在水庫死水位時(shí)整個(gè)壓力管道都有2m以上的正壓力余量。
3.2變量說明
除圖2中說明的變量之外，計(jì)算時(shí)仍需涉及到的變量如下：
（1）Ts′：不考慮壓力升高，控制速率升高的情況下，機(jī)組全關(guān)閉時(shí)間；
（2）β：允許的轉(zhuǎn)速升高率；
（3）ζ：允許的壓力升高率；
（4）QTM：允許機(jī)組減少的流量；
（5）Yg：水輪機(jī)空載相對開度；
（6）Yk：調(diào)壓閥全開時(shí)水輪機(jī)接力器相對開度。
3.3計(jì)算方法
(1)根據(jù)β求Ts′及調(diào)壓閥開啟時(shí)間Txk。計(jì)算Ts′與不設(shè)調(diào)壓閥時(shí)的方法一樣，可以根據(jù)《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊》(水力機(jī)械)中的有關(guān)公式計(jì)算。由此得到Txk＝(1－Yg)×Ts′。當(dāng)采用導(dǎo)葉一段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，Txk＝Ts′。
(2)根據(jù)ζ求水輪機(jī)慢關(guān)閉時(shí)間Tsm。計(jì)算Ts′與不設(shè)調(diào)壓閥時(shí)的方法一樣，可根據(jù)水錘相的特點(diǎn)，利用阿列維公式反算得到。
(3)計(jì)算機(jī)組允許的流量減少Q(mào)TM。按線性關(guān)系，調(diào)壓閥開始關(guān)閉前的時(shí)間為Txk＋Tp，而機(jī)組流量減少的速率允許值為(Txk＋Tp)／Tsm，因此，QTM＝(Txk＋Tp)／Tsm×QT。計(jì)算時(shí)，由于Tp的不確定性，采用QTM＝Txk／Tsm×QT簡化計(jì)算是安全的。
(4)計(jì)算調(diào)壓閥的泄放流量Qx及開度Yx。水輪機(jī)流量的減少和調(diào)壓閥泄流的增加導(dǎo)致引水系統(tǒng)的過流量變化，因此應(yīng)保證QTM≤QT－QX－Qg，由此得到調(diào)壓閥的泄放流量QTM。根據(jù)調(diào)壓閥的流量特性計(jì)算得到所需的開度Yx，并選擇調(diào)壓閥型號及參數(shù)。
(5)驗(yàn)算機(jī)組增負(fù)荷造成的壓力下降。此時(shí)調(diào)壓閥不動作，計(jì)算時(shí)可按1臺機(jī)組從空載開度突增到全負(fù)荷的情況，計(jì)算方法與不設(shè)調(diào)壓閥的情況一樣，可根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)手冊的公式計(jì)算壓降，從而確定合理的增負(fù)荷開機(jī)時(shí)間。
(6)驗(yàn)算甩部分負(fù)荷時(shí)調(diào)壓閥仍全開時(shí)造成的壓力下降。①計(jì)算調(diào)壓閥全開時(shí)水輪機(jī)接力器開度：Yk＝(Tsm＋Txk－Ts)／Tsm；②根據(jù)機(jī)組接力器行程和導(dǎo)葉開度關(guān)系曲線查得導(dǎo)葉開度τ０，然后從轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線查得單位流量Q１′，計(jì)算水輪機(jī)流量QT＝Q１′×D12×H(1／2)；③根據(jù)調(diào)壓閥限制開度計(jì)算調(diào)壓閥全開流量：QＸ＝；④如果QＸ＞QT，則在起始段出現(xiàn)壓力下降：計(jì)算引水系統(tǒng)平均流速Ｖ、計(jì)算流速變化ΔV＝(QＸ－QT)×V／QT、計(jì)算導(dǎo)葉接力器從Yk開度開始關(guān)閉的時(shí)間Tk＝Y(jié)k×Ts′、計(jì)算管道特性系數(shù)ρ＝a×ΔV／(2×g×H)、σ＝L×ΔV／(g×H×Tk)，根據(jù)ρτ０判斷最大水錘出現(xiàn)的相序計(jì)算壓力下降。
(7)根據(jù)壓力下降計(jì)算成果確定是否需要優(yōu)化壓力管道的布置。
4、調(diào)壓閥的整定
調(diào)壓閥參數(shù)整定前，機(jī)組、調(diào)速器、油壓裝置及調(diào)壓閥設(shè)備應(yīng)全部安裝合格，并達(dá)到啟動試運(yùn)行的要求后，根據(jù)調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果進(jìn)行有關(guān)參數(shù)的整定。
(1)初調(diào)各節(jié)流閥至一定位置，模擬動作數(shù)次，排除管路中的空氣。
(2)切除調(diào)壓閥，調(diào)整節(jié)流閥A，整定導(dǎo)葉的慢關(guān)閉時(shí)間。
(3)投入調(diào)壓閥，調(diào)整節(jié)流閥D，整定兩段關(guān)閉的拐點(diǎn)位置。
(4)調(diào)整節(jié)流閥C，整定油壓逆止閥的啟動油壓。
(5)導(dǎo)葉快關(guān)閉時(shí)間和增負(fù)荷開機(jī)時(shí)間仍由特殊主配壓閥開口大小來整定。
5、結(jié)語
(1)由于全油壓控制TFW型調(diào)壓閥具有動作靈敏、安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整維護(hù)方便、沒有滯后時(shí)間、投資少等優(yōu)點(diǎn)，因此自20世紀(jì)80年代以來，國內(nèi)已有近百座水電站在設(shè)計(jì)中取消了調(diào)壓井而采用TFW型含油壓控制調(diào)壓閥；即使發(fā)達(dá)國家的水電站中也大量采用調(diào)壓閥替代調(diào)壓井(挪威TJΦRHM水電站就是其中之一，該電站額定水頭為158m，單機(jī)容量為60MW)。
(2)由于本控制系統(tǒng)的調(diào)壓閥在負(fù)荷小擾動條件下不動作，而此類電站的水流慣性時(shí)間常數(shù)TW均較大，因此對于裝設(shè)調(diào)壓閥的電站，在選擇調(diào)速器時(shí)，其暫態(tài)反饋強(qiáng)度bt和緩沖時(shí)間常數(shù)Td及有關(guān)技術(shù)參數(shù)，要有盡可能大的可調(diào)范圍。
(3)由于機(jī)組流量特性和調(diào)壓閥流量特性不同，難以完全匹配一致，往往在導(dǎo)葉關(guān)閉起始時(shí)段和關(guān)閉結(jié)束時(shí)段發(fā)生壓力下降，因此合理選擇調(diào)壓閥和水輪機(jī)導(dǎo)葉的啟閉規(guī)律，使整個(gè)引水系統(tǒng)流量均勻變化，可以減少或避免壓力下降。
(4)對于高水頭電站的調(diào)壓閥可采用不銹鋼密封環(huán)，以提高止水效果和延長密封壽命，從而減少能源浪費(fèi)。
(5)目前多數(shù)中小型調(diào)速器的操作油壓已經(jīng)提高到4～16MPa，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也在大多數(shù)的水電站投入使用。為適應(yīng)這種變化，調(diào)壓閥也需作相應(yīng)的改進(jìn)(如增設(shè)調(diào)壓閥行程信號裝置，參與到機(jī)組的運(yùn)行控制中，防止調(diào)壓閥仍處于開啟狀態(tài)時(shí)機(jī)組增負(fù)荷)。