调速器系统.doc

调速器系统一、了解衡量电力系统电能质量的两个指标1、电力系统对电压与频率的要求电力系统用户除要求供电安全可靠外，还要求电能的频率及电压保持在额定值附近的某个范围内，频率偏离额定值过大对用户不利，直接影响用户的产品质量。按规定系统频率应保持在50 Hz，其偏差不得超过0.5 Hz；对大容量系统，频率的偏差不得超过0.2 Hz。在水轮机导叶开度不变的情况下，负荷变动后将移到新的工作点工作，同时，机组转速将偏离额定值50HZ，但仍维持在某一数值上。水轮机负荷调整的这种能力称为自调节能力，而仅仅依靠它来保持转速是不行的，怎样才能使机组转速在负荷变动后仍能维持在原来的额定值上呢?实现水轮机调节的途径就是改变导叶开度，即改变流量。 2、了解水轮机的自调节和水轮机调节的基本概念电力系统的负荷是不断变化的，存在周期为几秒至几十分钟的负荷波动，如果发电机组的原动机能及时地、准确地调节其输入以保持发电机输出功率适应用户负荷变化，则电网频率和发电机转速就能恢复正常，使电能质量得到保证。水轮机的调节，就是使参加调节的水轮机组得以完成这一任务。3、水轮机自调节的概念在水轮机导叶开度不变的情况下，负荷变动后将移到新的工作点工作，同时，机组转速将偏离额定值Nn，但仍维持在某一数值上。水轮机负荷调整的这种能力称为自调节能力。3.1水轮机调节的基本概念怎样才能使机组转速在负荷变动后仍能维持在原来的额定值上呢?实现水轮机调节的途径就是改变导叶开度，即改变流量；由此，随着负荷的改变，相应改变导水机构(或喷嘴、或导叶等)的开度以使水轮发电机组的转速维持在某一预定值，或按某一预定的规律变化。这一过程就是水轮发电机组转速调节，或简称水轮机调节。水轮机调节的任务是通过调速器来完成的。调速器可分为手动调节和自动调节两种。手动调节是通过运行人员手动方式进行调节，当发现机组转速有偏差时，操作机械传动机构改变导叶开度，使机组转速恢复到规定的数值，这种情况可由方框图(见图324)来表示。图3-24手动调节方框图 实际上负荷是不断变化的，水轮机调节也要不断进行。所以大多数电站都装有自动调节的自动调速器，自动调节方式如图325所示。4、了解水轮机调节的基本任务由于电力系统的负荷是不断变化的，负荷的不断变化将导致系统频率波动，因此根据负荷的变动不断地调节水轮发电机组的有功输出，并维持机组的转速（频率）在规定范围内，这就是水轮机调节的基本任务。水轮机调节的基本任务是通过调速器来完成的。5、了解调节的基本过程以及调节器的概念5.1调节的基本过程 机组的转速信号(被调节参数)送至测量元件，该元件把频率信号转化为位移或电压信号，送至加法器上(用表示)与给定信号相比较，确定频率是否有偏差以及偏差方向，并根据偏差情况发出调节命令。 图325 自动调节方框图加法器代替了人的眼睛和大脑，放大元件将调节命令放大，并经执行元件推动导水机构。反馈元件把导叶开度变化这一信号传回加法器，以免导叶开(关)过头而来回重新调节。5.2自动调节器的概念通常把测量、加法、放大、执行和反馈等元件总称为自动调速器。5.3解什么是反馈以及控制对象和水轮机调节系统反馈：把后一级输出信号的一部分送到前一级输人端，这样的信号传递称为反馈。控制对象：机组被称为调节对象或被控对象。（导水机构通常被放在机组之内）水轮机调节系统：被调节对象加上自动调速器称为水轮机调节系统。5.4了解调速器的分类； 调速器的分类大致有以下几种： 6、了解调节系统过渡过程(调节过程)和平衡状态(或稳定状态)的概念。 .水轮机自动调节系统以被调节参数(频率)的偏差作为调节导叶开度的依据。所以在负荷变动时，总是先产生一定的转速偏差，然后在调速器的作用下逐步消除这一偏差。这个过程被称为调节系统的过渡过程(调节过程)。在过渡过程中调节系统的各种参数如转速、调节信号、导叶开度等都是随时间变化的。 . 调节系统各参数不随时间而变化的工作状态称为平衡状态(或稳定状态)。7、熟悉调速器的作用以及对调速器的基本要求；7.1调速器的作用 (1)自动或手动调整机组的转速。 (2)自动或手动启动、停机和事故停机。(3)当机组并列运行时，自动地分配各机组之间的负荷。7.2对调速器的基本要求 (1).必须保证闭环调速系统的稳定性； (2).必须保证在各种不同工况下均可靠运行。（机组并人大电网运行、单机孤立带负荷运行、空载工况、与电网解列甩负荷工况等）(3).具有较小的转速死区。 (4).对上位机发出的各种指令信号具有很好的速动性。 、 (5).此外，在机组与系统解列甩负荷时，还应保证导水机构在关闭过程中，机组的转速升高值、压力管道的水压上升值和尾水管进口的真空值符合调保计算的要求。8熟悉调速器的工作原理以及由那些基本元件组成，各元件作用；8.1熟悉调速器的工作原理 调速器通过测频元件测量到水轮发电机组的转速信号，而后将测频元件和信号反馈元件送来的信号加以综合，并将此综合信号加以放大后传送到调速器的执行元件(液压系统)，去调节和控制水轮机的导水机构的运动，从而完成水轮机的转速及输出功率的调控。8.2调速器组成的基本元件以及各元件作用无论是机械液压型、电气液压型还是微机液压型，其基本构成原理都是一致的，只是实现手段、功能强弱不同而已。到目前为止，所有调速器的基本构成如图83所示。图83调速器的基本构成(1)测量元件。在调速器中主要是测量机组转速；(2)综合元件。将测频元件、反馈元件送来的信号加以综合，并将综合后的信号作为调节信号输送给放大元件。(3)放大元件。将综合元件送来的调节信号加以放大，以操作执行元件。(4)执行元件。根据放大后的调节信号，操作导水机构，改变导叶开度。(5)反馈元件。用于保证调节的适度以及稳定性。8.3以PSW(S)T比例数字冗余式水轮机调速器为例说明结构一、PSW(S)T比例数字式冗余可编程控制水轮机调速器，是三联公司将大中小型调速器中取得的丰富经验移植、优化而开发出来的新一代调速器；适用于大中型混流式、轴流式、贯流式水轮发电机组的自动调节与控制。本系列调速器的额定工作油压为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa，主配压阀直径为80mm、100mm、150mm、200mm、250 mm。它能使水轮发电机组在各种工况下稳定运行，可实现机组的自动或手动开、停机，并网运行，调节机组负荷，事故紧急停机等。PSW(S)T水轮机调速器具备自动、电手动和机械手动三种操作方式。机械部分主要包括冗余电液转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组成。其工作原理如下： 电信号与接力器位置反馈信号在综合放大器内比较并放大，放大器的输出信号使电液转换器产生与其成比例的位移，由于电液转换器与引导阀直接连接，引导阀同时产生位移并通过液压放大器使主配压阀活塞也产生相应的位移，主配压阀因此向主接力器配油并使之移动，直到主接力器位置信号与电气的信号数值相等为止。二系统组成1电气控制系统PSW(S)T水轮机调速系统的电气部分采用高性能法国施耐德MODICON TSX系列或者日本三菱FX2N、A系列可编程控制器PLC，可根据用户要求配备成单机系统或双机系统，电气输出具有步进电机、比例伺服阀、数字阀、伺服阀四种可兼容的输出型式以及电气导叶的电气开度限制。电气调节器采用可编程控制器PLC，可根据用户要求配置单机或双机冗余电气控制系统，如果是双机结构，那么两套从输入至输出以及电源配置完全相同 , 相互完全独立 。双机间采用智能全容错冗余热备方式 ，在运行过程中，未参与控制的备用通道退出而不影响调速系统的正常工作，且退出的通道能进行停电检修。两套完全独立的冗余系统的运行方式为： 全容错在线热备，自动无扰切换 单机后备式运行，人为切换 采用一种归零式的系统结构，在稳定运行或故障情况下自动复中零输出。以保证在调速器内部发生故障时，避免造成水轮机运行不稳定和出力波动，在外部系统事故时，能保证机组安全停机。调速器具有远方控制和现地控制功能，并有相应接点输出，能与电站计算机监控系统进行数字信号、模拟信号以及开关输入输出信号的通讯和数据交换 。2机械液压系统1）结构说明：机械部分主要包括两套互为热备用的电液转换机构、机械手动操作机构、自动复中装置、主配压阀、紧急停机电磁阀等组成无明管、无杠杆、静态无油耗、切换无扰动、直连结构型的机械液压随动系统。机械部分由比例伺服阀数字阀机械手动组成机械冗余结构。比例伺服阀以及数字阀都起电液转换作用，将电气信号变成接力器行程，当比例伺服阀转换器作为主用时，数字阀转换器作为备用，也可以作为机械手动。当数字阀作为主用时，比例伺服阀转换器作为备用，如果电气控制部分检测到作为主用的电液转换环节出现卡阻拒动时，电气部分将自动切换到另一路电液转换环节。2）电液转换环节主要性能满足本技术规范要求中的调速系统性能指标要求，具有良好的抗油污能力。（1） 德国BOSCH比例伺服阀； 德国HAWE高速数字球阀，（2）机械部分具有以下几种操作方式：比例阀伺服阀自动，高速数字球阀为备用方式当电气检测到比例阀伺服阀电转出现故障，包括断线、控制环节故障等，自动将数字球阀作为自动方式运行。高速数字球阀自动，比例阀伺服阀备用方式当电气检测到数字球阀出现故障，包括断线、控制环节故障等，自动将比例阀伺服阀作为自动方式运行，数字球阀作为备用运行方式。（3）机械手动方式由高速数字球阀上的手动操作按钮构成的机械手动满足黑启动和黑操作的手动运行要求。因此这种冗余容错的机械液压系统将传统的机械手动操作赋予一个全新的概念和功能，实现了引导阀的位移控制和流量控制(比例阀伺服阀是位移控制，数字球阀是流量控制)，两者之间既可人为选择，也可由电气自动切换。PSW（S）T调速器额定工作油压为2.5 Mpa 、4.0 Mpa 、6.3Mpa，导叶接力器的全关和全开时间3100s范围内独立可调。并采用双螺母互锁和两螺钉固定的方式锁定接力器开启和关闭时间的整定值，安全可靠，一经调定不会改变。3）主配压阀开、关时间的整定方便可靠，具有锁定功能，一经整定后，不会因运行中的振动或人为过失而变动。对接力器开、关时间的整定满足水轮机过渡过程调保计算结果的要求，在任何情况下导叶动作速度不超出整定后的最大容许值。主配压阀组中各液压元件及油路采用组合式集成结构，不发卡和漏油。主配压阀直径为80mm-250mm动作灵活、可靠、导向性能好，360度旋转、上、中下动作灵活，无任何卡绊现象，侧盖旁路回油，通油能力强，能有效地控制油流。满足开、关接力器时间的要求。 主配压阀为锻件整体加工件料均优质合金钢40CrM，粗加工后进行高温时效处理（消除心部应力，提高切削性能），半精加工后进行渗碳、淬火处理（提高表面硬度和耐磨性），最后进行精加工和表面防锈处理或手动研磨。这样加工出的零件既具有好的心部韧性，又有高的表面硬度和耐磨性，表面洛氏硬度处理可达HRC:60-64度。主配压阀加工精度高，无泄漏，外形美观，耐磨损、抗油污。4）滤油器双联滤油器有两组滤网，运行时可用旋塞进行快速切换而不中断供油。每组滤网有粗滤网及细滤网各一个，经粗滤的油供引导阀、辅助接力器。经细滤的油供电液转换器和紧急停机装置。柜的正面上方设有电气开限，实际开度、转速、平衡表等表计及手自动切换、增减负荷紧急停机、接力器锁锭等控制按钮和指示灯。柜的正面和反面均镶有有机玻璃，可以清楚地看到柜内机械液压系统全貌。主配压阀悬在柜体的底板之下。调速器配置油过滤装置-双联滤油器，过滤精度20m，该过滤装置能在正常运行中进行清洗。滤油器滤网为并联两组，互为备用，能自动切换，切换时不影响液压系统正常工作。采用不锈钢折叠式滤网，强度高、过流面积大，便于在运行中取出清扫，清扫时不造成油路系统污染。进入比例式电液转换器及其后之液压油，均经过双滤油器，在运行中能切换并对其中一个进行拆卸和清洗。3调节规律补偿PID：具有控制结构自适应和参数自适应的调节功能，自动按工况改变运行参数、PID调节参数及整机放大系数，使调速系统始终工作在较佳的工况点。4供电电源及监视1）供电电源：采用交直流双电源互为备用的供电形式，交流电源采用隔离变压器隔离后输入到交流高频开关电源，直流电源输入直流高频开关电源，两开关电源的输出经二极管后并联，实现了真正的交直流双电源互为热备的冗余结构，保证了电源的可靠性。开关电源采用台湾明伟系列的产品。 调速器系统的控制及信号电源采用DC24V供电, 调速柜及调速器控制柜内分别装设冗余的带滤波器及抗干扰装置的双电源变换模块,每个电源模块采用交/直流并列供电(AC220V、DC220V)，两个电源模块的输出经过隔离装置后汇接在一起形成直流小母线，分别向微机调速系统、转速探测和速度监控系统及紧急停机操作系统等提供相互独立的供电回路。外供的交流或直流电源之一消失时或2套冗余的电源模块退出时，均不影响调速系统正常工作。交流电源输入： AC220V10% 47Hz52Hz直流电源输入：DC220V10%2）电源监视：调速柜及调速器控制柜内装设电压监视继电器,对输入电源、输出电源等进行监视,盘面装设相应的电源投入信号指示灯,并提供独立的电源投入(常开接点)、电源消失（常闭接点）监视信号至电站计算机监控系统。8.3熟悉调速器测频回路的输入信号方式 测频回路，按所取的信号源不同大致有三种型式：一是输入信号取自永磁发电机的所谓永磁机；二是输入信号取自发电机电压互感器的所谓发电机残压；三是输入信号取自磁性传感器的所谓齿盘磁头残压测频测频装置是水轮发电机组微机调速器的测频信号均取自于发电机机端电压互感器(PT)信号。优点是成本低、安装简单，但也存在着缺点，主要体现在如下几个方面：第一、干扰源复杂，部分表计、励磁调节器、保护装置大多与测频装置取自于同一PT的信号，无法隔开，而且各个部分引入PT信号的线路环境各异，走线复杂，彼此间相互干扰。第二、低转速时残压信号严重失真，根本无法通过残压信号正确测量出机组频率，若调速器处理不当将会造成机组过速，调节不稳定等。第三、若PT的保险炸裂、接触不良或断线等，此时调速器接受到的残压信号完全是一个干扰信号，这个干扰信号通过硬件电路根本无法消除，因而此时调速器难以准确、及时地判断出断线等故障，仍然以错误信号加以调节，引起接力器大幅度抽动，机组转速将会大幅度变化，严重时，引起低油压事故等，严重威胁机组安全、经济运行、造成极其严重后果。第四、电力系统污染。由于大量的水电站近区都建有用电大户(如电炉)，当用电大户负荷变化较大时，引起一次电压波形畸变，当机组并网后，由机端PT引入的频率信号自然在跟着发生畸变。由于用电大户负荷变化时间较长，在负荷变化的时间内由PT引入的频率信号根本不能反映真实的机组频率，所以残压测频方式也不可能测得真实的机组频率。从机组实际运行中可以观察到：调速器一般运行的都正常，而在某段时间内，机组抽动频繁，有时导叶开度大幅度波动，此时用示波器观察PT引入的测频信号，可明显地观察到在频率信号的交流波形上叠加了一个频率高于机频的交流波，该波的幅值一般随用电大户的负荷增加而增大。由于该波是连续的，而且幅值较大，所以无论是从硬件上还是从软件上都不可能过滤掉这个叠加的波而测得真实机频。齿盘测频 采用齿盘测频(即采用接近开关和齿盘)检测机组频率，其信号的电压幅值稳定，且为独立的系统，不易受现场干扰，是可靠的测频信号源。目前，数字式齿盘测频方式在测频精度要求不高的场合中已经得到了大量应用。但在国内水轮机微机调速器领域中还很少采用，其原因是调速器对频率测量的精度要求高，而齿盘的加工精度、机组摆动、齿距的不均匀度都会影响测频精度，从而无法满足水轮机调速器的要求。但我们通过选择恰当的测量方式和处理，可以准确的测量出机组频率，其测量精度和实时性均可以充分保证调速器对测频精度和实时性要求，使得齿盘测频装置产生的频率信号能运用于调速器。齿盘测频是为水轮发电机组调速器提供高可靠、高精度频率信号的专用装置。其频率信号源是通过一对电磁感应式的进口的接近开关取自于安装在机组大轴上齿盘装置，该信号系统是一个独立系统，其幅值与机组转速无关，可靠性高。该装置从根本上解决了频率信号的干扰问题。双路测频测频环节是决定水轮发电机组调速器安全、稳定运行极为关键的部分，通过比较分析以及多年的实践表明：采用齿盘测频和残压测频形式的双路测频是最可靠的测频方案。双路测频互为热备用，一旦某路故障，立即无扰动切换到另一路，并发故障信号。齿盘测频结构示意图与工作过程 齿盘测频由齿盘、接近开关和微机测频单元组成，如图示：安装在水轮发电机组大轴上的齿盘与一对电磁式接近开关一起组成了频率信号产生单元。由信号整形电路、滤波电路、单片机和机频信号输出电路一起构成了频率信号测量单元。频率测量单元将测量出的机组频率以方波或数字量形式送到调速器。8.4掌握电液转换器功能 电液转换器能够将小电功率的电信号输入转换为大功率的液压能(流量与压力)或位移输出。在电液伺服系统中，将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换与放大。电液转换器是电液伺服系统的核心部件，它的性能直接影响到整个系统的稳定性、控制精度和响应特性；也直接影响到系统可靠性和使用寿命。9.掌握调速器一般故障分析及处理；9.1溜负荷或自行增负荷 所谓溜负荷，是指在系统频率稳定，也没有操作功率给定或频率给定的情况下，机组原来所带的全部或部分负荷，逐渐会自行卸掉或者自行增加负荷。溜负荷或自行增负荷的原因一般有：(1)电液伺服阀发卡，是调速器溜负荷的主要原因之一。若卡于开机侧，则使接力器开启，导致自增负荷，直到所限制的开度为止。(2)电液伺服阀工作线圈断线，此时调节信号为零。在没有调节信号的情况下，若电液伺服阀的平衡位置偏关，则接力器要减小某一开度，造成溜负荷；若其平衡位置偏开，则接力器开启，造成突增负荷。 (3)功率给定电位器或给定回路某元件偶然接触不良、电源电压不稳定或偶然消失，都会造成其输出信号变化，引起溜负荷。(4)综合放大器质量不好或老化，造成无调节信号输入时，也输出关机或开机信号，从而产生溜负荷或突增负荷。9.2开机开不起来(1)给开机令后，开限没有打开。这种故障多半是二次接线和开关量板的问题，但也可能是CPU的问题。 (2)DA转换器损坏，出现输出电平接近零电平，对于某些微机调速器功放输入端是一阶惯性环节，当该惯性环节的电容损坏造成与地短接时，也会造成开机开不起来。 (3)给开机令后，开限已打开，机组转速达不到额定值。这种故障有多种原因，除了原因(2)之外，还可能是机组频率测量或电网频率测量有问题。也可能是水头较低时，原整定的空载开度不能保证机组达到额定转速，此时可通过键盘增空载开度并打开开限即可。9.3开机时振动主要原因可能是辅助接力器上腔掺有空气，处理方法为：(1)改变辅助接力器结构，油路的流通可自动排气；(2)加装排气阀门。 9.4主配压阀卡死故障原因为油路内有水锈住，油内有脏东西卡住，辅助接力器装配不良，上下不同心。处理方法为： (1)进行油的净化和过滤；(2)重新装配，使主配压阀和辅助接力器相互同心。 10.调速器的有关试验 10.1油系统充油试验1试验目的调速器无渗漏，排除管道及阀体内的空气，手、自动操作时调速器无振动。2操作注意事项(1)压油装置及油系统工作正常；(2)钢管无水压；(3)蜗壳及水车室无人作业。 10.2导叶关闭时间模拟试验 1试验目的 要求导叶开度从100关到零的时间应为8s(各厂有差异)，误差为ls。 2操作注意事项 (1)蜗壳及水车室无人工作；(2)钢管无水压； (3)压油装置及油系统工作正常。10.3事故配压阀动作试验 1试验目的 事故配压阀动作后，无卡涩现