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水轮机调节系统的构成和任务 01 水轮机调节的任务02 水轮机调节的基本概念03 水轮机调速器的工作原理04 油压装置05 思考题 目录 2 01 水轮机调节的任务概述 3 水轮发电机组将水能转换为电能 输送给电力系统 供用户使用 电力系统向用户提供的电能应满足一定的质量要求 频率和电压的变化不能太大 应保持在额定值附近的某一范围内 否则将影响各用电部门的工作质量 例如 电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化 从而影响电钟计时的准确性 车床加工零件的精度 布匹纤维的均匀性等等 我国规定的电力系统频率为50Hz 其偏差 大系统不得超过 O 2Hz 小系统不得超过 0 5Hz 4 电力系统的负荷是不断变化的 包括一天之内的周期性变化和以分秒计的短周期的非规律性变化 因此 根据系统的要求和水轮发电机组出力变化灵活的特点 水轮发电机组的出力需进行调节 其任务为 1 根据负荷图的安排 随着负荷的变化迅速改变机组的出力 以满足系统的要求 2 担负系统短周期的不可预见的负荷波动 调整系统频率 5 电力系统的负荷图 5 6 对于磁极对数已经固定的水轮发电机 其输出电能的频率决定于机组的转速 因此 欲保持机组供电频率不变 则必须维持机组转速不变 水轮发电机组的转速变化一般要求不得超过 0 1 0 4 故水轮机调节的本任务可归纳为 根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组转速在规定范围内 除以上的基本任务外 水轮机调节的任务尚有机组的起动 并网和停机等 6 调速系统任务是控制水电机组出力 事故紧急停机 机组的转速变化可用以下基本动力方程表示式中 J 机组转动部分的惯性矩 机组的旋转角速度 2 n 60 弧度 s n为机组转速 r min Mt 水轮机的主动力矩 Mg 发电机的阻力矩 t 时间 7 水轮机的动力矩可用下式表示式中 水的容重 Q 水轮机的流量 H 水轮机的工作水头 水轮机的效率 在 Q H 中 一般不能改变H和效率 只有Q是易于改变 因此 通常把改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的作为水轮机的被调节参数 8 通过以上两个公式的比较 可能出现以下三种情况 1 Mt Mg 水轮机的动力矩等于发电机的阻力矩 d dt 0 为一常数 机组以恒定转速运行 2 Mt Mg 水轮机的动力矩大于发电机的阻力矩 当发电机的负荷减小时会出现这种情况 此时d dt 0 机组转速上升 在这种情况下 应对水轮机进行调节 减小流量Q 从而减小Mt 以达到新的平衡状态 3 Mt Mg 水轮机的动力矩小于发电机的阻力矩 当发电机的负荷增加时会出现这种情况 此时d dt 0 机组转速下降 在这种情况下 应增大水轮机的流量Q以达到Mt Mg的新的平衡状态 9 反击式水轮机调节流量的机构为导叶 转桨式水轮机尚有转轮叶片 桨叶 导叶和桨叶由接力器操作 根据水轮机所需流量的大小 改变导叶的开度 桨叶是根据导叶的开度和水头的关系随动于导叶 导 桨接力器的动作则由调速器操纵 根据调速器的指令行事 水轮机及其导水机构 接力器和调速器构成水轮机自动调节系统 10 水轮机的调节系统具有以下特点 水轮机的工作流量较大 水轮机及其导水机构的尺寸也较大 需要较大的力才能推动导水机构 因此 调速器需要有放大元件和强大的执行元件 即前述的接力器 水轮发电机组以水为发电介质 水有较大的密度 同时 水电站的输水道一般较长 其中的水体有较大的质量 水轮机调节过程中的流量变化将引起很大的压力变化 即水锤 从而给水轮机调节带来很大困难 对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片 水斗式水轮机的喷嘴和折流板 带减压阀的混流式水轮机等 需增加一套协调机构 对两个对象进行调节 使调节更为困难 11 02 水轮机调节的基本概念 12 12 水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可见下图 13 水轮机调节系统方框图 导水机构 机组 执行元件 放大元件 反馈元件 测量元件 水能QH 电能UIf 给定f f 13 图中的方块表示水轮机调节系统的元件 箭头表示元件间信号的传递关系 箭头朝向方块表示信号的输入 箭头离开方块表示信号的输出 前一个元件的输出是后一个元件的输入 从图中可以看出 由导水机构输人的水能经机组转换成电能输送给系统 14 电能的频率f 亦即机组的转速n 信号输入调速器的测量元件 测量元件将频率f信号转化成位移 或电压 信号输送给计算器 图中的 并与给定的f值作比较 判定频率是否有偏差和偏差的方向 根据偏差的情况通过放大器向执行元件发出指令 执行元件根据指令改变导水机构的开度 反馈元件则将导叶开度的变化情况反回给计算器 以检查开度变化是否符合要求 如变化过头 则发出指令进行修正 在图中 测量 计算 放大 执行和反馈元件总称为自动调速器 导水机构包括机组在内 统称为调节对象 调速器和调节对象构成水轮机自动调节系统 15 水轮机调节系统以频率f 亦即机组转速 为被调节参数 根据实测f与给定值间的偏差调节导水机构的开度 从而改变机组的出力和转速 频率 但要使改变后的频率符合给定值需要一个调节过程 这个过程又称为调节系统的过渡过程 在这个过程中 频率 开度等参数随时间不断变化 各参数随时间的变化情况 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态 即稳定工况 与调节系统的特性有关 这种特性称调节系统的动特性 若在经过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态 那么新平衡状态与原平衡状态的关系 即各参数是否能回复到初始状态 亦与调节系统的特性有关 这种特性称调节系统的静特性 16 03 水轮机调速器的工作原理 17 17 CVZT 150调速器由电子调节器 液压随动系统两大部分构成 电子调节器 其核心部件为可编程控制器 输入 输出信号调理模块 智能功放 驱动回路 它具有高可靠性和直观 方便的人机接口 提供了全方位 最直接的监测 调试和维护手段 1 可编程控制器组成 CPU单元 开关量输入模块 开关量输出模块 模拟量输入模块 高速计数模块 远程通信模块 电源模块 2 智能功放 驱动回路 将微机输出的脉冲信号放大后 驱动DC24V电压等级的高速开关阀 输出信号为数字脉冲信号 18 主要特点 1 具有频率 转速 开度 功率等多种调节模式 2 水头参数可自动测入 电平标准 0 5V或0 20mA 也可手动设定 3 调节参数 bp bt Td Tn或bp Kp Ki Kd 用平板触摸显示屏调整 4 采用发光二极管 光示牌 指针式电表 拨换开关与平板触摸显示屏调整作为与运行人员的接口 5 频率调节模式采用适应式变参数PID调节规律 开度和功率调节模式采用PI调节规律 6 具有与上位机的通信接口 RS 422 RS485 RS232 7 可根据不同的水头改变机组的加速开度和最大出力限制 随着水头的增加 可自动减小机组的加速开度和最大电气开限值 以保证机组在起动过程中平稳迅速并网和安全有效运行 19 液压随动系统 其基本结构特征可归纳为先导控制 阀座主级 嵌入式联接 各组件之间采用模块化结构有机地组合在一起 液压随动系统采用模块化结构 可根据需要进行灵活的组合和布置 整个液压控制系统具有很高的集成度 无任何杆件 钢丝绳及内部管道 降低了对用户的使用 维护要求 液压随动系统大量采用了符合ISO标准的液压元件 从元件到系统高度标准化 模块化 集成化 通用化 互换性好 标准化程度极高 20 主要特点 1 采用高速开关阀作为电液转换组件 可以实现容错控制 2 调速器的液压部分本身同时实现D A转换与功率放大的功能 从而实现直接数字控制 3 元件对工作介质污染不敏感 耐油污能力和工作可靠性有很好的保证 4 采用逻辑插装技术 由组合结构的逻辑插装控制阀单元取代主配压阀 5 高速开关阀采用多通道冗余结构 一旦某一个通道失灵 可自行切换 由正常通道来维持系统的稳定工作 6 系统响应快捷 调节精度高 故障率低 提高了系统的可用度 7 即使电气部分彻底失灵 也能使主接力器保持当前开度不变 并自动地切为手动运行 从而避免了故障的扩大以及由此造成的不良后果 8 系统结构简单明了 内部液流阻力小 从元件到系统密封性能好 泄漏小 稳定工况下基本无油耗 延长了油泵 电机的寿命 节省了油源与厂用电消耗 21 液压随动系统 主控阀 是实现调速器主级位置随动控制的关键组件 其功能是接收来自高速开关阀或比例阀先导油路的压力 流量信号 使主阀芯产生相应动作 进而控制通向主接力器主控工作油路液流的变化 以控制主接力器的位移量 22 如下图所示为其结构原理图 插装式结构是指由阀芯 阀套及附属的弹簧 密封件等构成组件 安装时只需插入集成块的标准孔内 并靠盖板与集成块之间的螺钉联接而固定 23 24 机组出力调节部位 水轮机导水机构 水轮机导水机构 桨叶调整机构 泄水锥 25 04 油压装置 26 26 油压装置 油压装置是向调速器提供压力油的设备 是水轮机调速系统的重要组成部分 主要包括压力油箱 集油槽和油泵系统3个部分 如图所示 油压装置原理图1 压力油箱2 集油槽3 油泵 27 1 油压装置的组成及工作原理 压力油罐及其附件压力油罐由钢板焊接而成 其内储有一定比例的油 30 40 和压缩空气 60 70 作用 储存压力油 向调速器的配压阀和接力器输送具有一定压能的操作用油 利用空气良好的蓄存和释放能量的特点 减小用油过程中供求不平衡所引起的压力波动 压力油箱中的油由油泵提供 油压一般为6 3MPa 25kg cm2 28 附件 油压装置上有测量油位 压力等参数的仪表 以决定是否需要向压力油箱供油或补气 压缩空气由压气系统提供 油压装置的工作过程是自动的 5个压力信号器 控制油泵的启停压力表 显示油罐内压力值空气安全阀 给压力油罐补气 压力过高时放气油位表 显示油罐内油位上限油位 38 40 油罐总容积下限油位 30 33 油罐总容积正常油位 35 油罐总容积 29 2 回油箱 油泵机组及其附件回油箱 集油槽 由钢板焊接而成 一般悬挂在发电机楼板之下 作用 收集调速器的回油及漏油正常油位为50 油罐总容积 槽中的油面与大气相通 上限 60 油罐总容积下限 40 油罐总容积 30 油泵 置于油箱顶盖上 通常为两台 一台工作 一台备用 布置在集油槽的顶盖上 大型的为三台 油泵系统通常有三个阀门 安全阀 用来防止油压超过允许值 当超过某一值时 自动开启 将油排入回油箱 逆止阀 防止压力油罐内的油倒流到回油箱 节流阀 使油泵电动机能空载启动 31 05 思考题 32 32 思考题 1 调速器的基本作用是什么 2 调节系统常见故障的主要原因有哪些 33 调速器的基本作用是什么 调速器的基本作用是 1 能自动调节水轮发电机组的转速 使其保持在额定转速允许偏差内运转 以满足电网对频率质量的要求 2 能使水轮发电机组自动或手动快速启动 适应电网负荷的增减 正常停机或紧急停机的需要 3 当水轮发电机组在电力系统中并列运行时 调速器能自动承担预定的负荷分配 使各机组能实现经济运行 4 能满足转桨式 冲击式水轮机双重协联调节的需要 34 调节系统常见故障的主要原因有哪些 调速器本身以外的原因造成的 大体可归纳为 1 水力因素 由于引水系统水流的压力脉动或振动而导至水轮机