在水电站运行过程中，为了改善水锤现象，减少机组突然负荷和水轮机叶片快速关闭引起的管道压力升高和速度升高，通常采用设置压力调节室的方法。但对于一些中小型长引水电站，压力调节室的设置可能受到地形、地质等条件的限制，需要投入大量的人力和资金。因此，有必要考虑其他调整和保证措施，以满足这些水电站的稳定运行。采用成本低的压力调节阀是中小型引水电站的有效调整和保证措施。自20世纪80年代以来，中国一直在长引水电站采取阀代井的调整和保证措施。湖南龙源电站是中国第一个使用压力调节阀而不是压力调节井的试点电站。电站压力引水管道总长1950m，设计水头83m，3台水轮机装设我国自行研制的TFW-400型压力调节阀。此后，云南西洱河二级电站、贵州白水河一级电站、广西长滩河水电站也采用压力调节阀作为调节保证措施，有效降低管道压力升高值，确保输水系统安全，使电站运行稳定。然而，在以往的压力调节阀计算中，压力调节阀的直径通常通过经验公式计算确定。本文通过水力过渡过程的计算，分析了压力调节阀的直径选择和优化，为中小型引水水电站采取阀代井的调节措施提供了理论依据和设计方法。
1 调压阀直径优化原理
调压阀的工作原理是调压阀和机组由同一调速器控制。当机组突然摆动负载时，水轮机的导叶迅速关闭。同时，调压阀打开，导叶关闭导叶减少的过流量。导叶完全关闭后，调压阀可以保证管道压力的缓慢升值。调压阀的非恒定流过渡过程可以通过特征线计算，边界条件见图1。
图1 调压阀边界条件
调压阀进出口段C＋、C-特征线相容性方程分别设置为：
其中
式中，Hp1、Hp2分别是调压阀进出口段的测压管水头；Cp、Bp、CM、BM为前一时刻t－Δt的已知量（t为时间，Δt时间步长)；Qp过流调压阀；αp对于调压阀的过流系数，表示调压阀在不同开度下的单位流量；D调压阀的直径；ΔHp调压阀水头损失。
将式(1)~(4)联立求解，可得：
将式(5)代入式(1)Hp1、Hp2的值。
从公式(5)可以看出，调压阀在一定相对开度下的过流量是其直径的单调递增函数，说明调压阀的过流量越大。
当所有机组同时突出负载时，压力调节阀的直径越大，可通过的过流量越大。在机组叶片快速关闭和压力调节阀同时打开的过程中，机组速度和水道系统压力的升值可以得到很好的控制。但在压力调节阀关闭过程中，过大的流量可能会导致新一波管道压力上升，如果第二波压力上升过大，可能超过允许的控制标准。图2显示了电站压力调节阀的直径分别为0.3、0.5m蜗壳压力变化过程线在所有机组甩载条件下。从图中可以看出，与调压阀直径0相比.3m调压阀直径0.5m当第一波蜗壳压力没有上升时，但由于压力调节阀直径过大，第二波压力远大于第一波，与上述分析一致。为了降低第二波压力的升值，需要延长压力调节阀的关闭时间。在较长的关闭时间内，更多的水流从压力调节阀流出，这也增加了系统的水能损失。
图2
当同一水力单元的部分机组突然摆动负荷时，如果压力调节阀直径过大，过多的流量将从压力调节阀流出，大大降低干扰的正常运行机组的输出，可能发生相继摆动负荷事故。
根据以上分析，调压阀的直径受运行条件、速度、水锤压力和成本的影响，因此在选择调压阀的直径时应综合考虑。调压阀直径的选择应符合以下两个原则：①最小调压阀直径应保证机组快速关闭时速度上升率和第一波水锤压力满足调整要求；②压力调节阀的最大直径应满足压力调节阀全开时的流量，与机组额定流量基本相同，压力调节阀关闭时产生的第二波水锤压力也应满足调节要求。
2 算例分析
某引水水电站有压力输水系统，采用一洞两机布置，装机容量2×2.1MW，额定水头123.4m，压力管直径1.8m，装设两台水轮机，水轮机的额定流量为1.966m3/s，额定出力为2.21MW，额定转速为1000r/min。由于电站引水道长，流量小，投资少，计划采用调压阀作为调节保证措施。电站输水系统布置见图3。总引水道长度约为4100m，每台机组设置调压阀。
图3 电站输水系统布置简图（单位：m）
根据相关规范选择本电站的调保计算控制标准为机组最大转速升高率≤设置调压阀时，蜗壳最大压力升高率一般为0.15～0.20.在电站计算中，取调压阀正常工作时蜗壳最大压力升高率为0.175，即蜗壳最大压力控制值为153.509m。
2.1 所有机组甩负荷
选择蜗壳压力最大的工况(最大水头下两台机器同时突甩负荷，机组导叶正常关闭)为工况1，工况1下取调阀直径为0.2、0.3、0.4、0.5m计算并获得相应的蜗壳末端压力、机组速度上升率和机组和压力调节阀的流量变化。机组-压力调节阀联动的开启和关闭规机组导叶为15s一段直线规律关闭，调压阀15s一段直线规律开启，全开滞后10s调压阀后180s关闭一段直线规则。表1是蜗壳末端最大压力、机组最大速度上升率、机组最大引用流量和调压阀最大泄漏流量。图4为蜗壳末端压力变化过程线。
表1
从表1、图4可以看出：①调压阀直径为0.2m时，由于调压阀直径过小，导致调压阀泄流能力不足，并未起到很好的降压效果，在机组导叶关闭结束时刻，蜗壳末端出现最大压力为171.06m，超过调节控制标准，机组转速上升率也较大。②调压阀直径为0.5m当机组速度上升得到很好的控制时，蜗壳末端压力在机组叶片关闭过程中几乎没有上升，但下降很大，原降压效果很好，但由于调压阀直径过大，系统总流量增加过大，单个调压阀最大泄流量达到4.072m3/s，调压阀关闭时，蜗壳末端新一波压力上升到最大，远超第一波压力，超过调节控制标准。③调压阀直径为0.3m当机组叶片关闭过程中，系统总流量基本保持不变，蜗壳压力上升较小，调压阀关闭过程中蜗壳压力变化较小。蜗壳压力变化过程线在初始压力下略有冲击，第二波水锤压力与第一波基本一致。④调压阀直径为0.4m当机组转速上升率较低时，虽然第二波压力超过第一波，但蜗壳末端的最大压力仍控制在允许范围内。因此，根据所有机组的负荷条件，压力调节阀的直径为0.3、0.4m控制机组转速和水锤压力。
图4 蜗壳末端最大压力为不同调压阀直径时机组相对速度和系统总流量的变化
2.2 单台机组甩负荷
选择一台机组突然甩负荷的工况为工况2，工况2下取调压阀直径为0.2、0.3、0.4、0.5m计算水力干扰，得到不同调压阀直径下机组的扭矩变化，分别见表2和图5。机组-调压阀的启闭规律与所有机组的甩载条件相同。
表2 工况2下不同调压阀直径计算结果
图5 调压阀直径不同时，正常工作机组的相对扭矩变化
从表2、图5可以看出：①调压阀直径为0.2m当调压阀直径较小时，正常工作机组的扭矩上升较大，最大扭矩上升率为19.0％。②调压阀直径为0.4、0.5m当时，由于压力调节阀直径过大，大部分水流从压力调节阀关闭，压力调节阀打开时，正常工作的机组受到较大干扰，扭矩下降较大（最大扭矩下降率分别达到20.5％、44.8%)。.3m调压阀比较合适。
根据上述两种工况的计算分析，该电站的直径为0.3m调压阀最适合作为调节保证措施，使机组导叶快速关闭时，保证机组转速和压力上升满足调节保证要求。
3 结语
分析了影响压力调节阀直径的各种因素，提出了合理的压力调节阀直径需要满足的两个原则，确保压力调节阀关闭时产生的第二波水锤压力也满足调节要求。结合电站压力调节阀直径的优化计算，验证了理论分析提出的原则。该原则也适用于任何使用压力调节阀作为调节保证措施的中小型引水电站，供压力调节阀直径的优化设计参考。
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