调速器工作原理及试验方法ppt课件

水轮机调节 发电公司第三期运维培训 2014年度 主讲 杨平 主要内容水轮机调节概述调节系统参数对水轮机调节系统稳定性和动态品质的影响调速器PID调节的基本原理调速器的试验赶场调速器实例讲解调速器的运行维护 水轮机调节概述 水库 引水管道 导水机构 转轮 发电机 电力系统 调速器 发电机供是频率f fg 水力发电过程 水轮发电机组把水能变成电能供用户使用 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一范围内 因此 必须根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出 以维持机组转速 频率 在规定的范围内 这一功能就要依靠水轮机调节系统来完成 水轮机调节的任务 1 随外界负荷的变化 迅速改变机组的出力2 保持机组转速和频率变化在规定范围内 最大偏差不超 0 5Hz 大电力系统不超过 0 2Hz 3 启动 停机 增减负荷 对并入电网的机组进行成组调节 负荷分配 以达到经济合理的运行 水轮机调节原理水轮机与发电机连成的一个整体 称之为水轮发电机组 我们可以把机组转动部分看成一个围绕定轴转动的刚体 根据理论力学可以得出机组运动方程式 由此方程可见 当Mt Mg 0时 机组转速上升 当Mt Mg 0时 机组转速下降 当Mt Mg 0时 机组转速保持不变 所以当负荷变化时 应调节Mt 使Mt Mg n ne 所以 要使 C 一般不能改变H和效率 而是通过改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的 调节流量Q的途径 反击式 通过改变导叶开度a0 ZZ 同时改变桨叶片转角 冲击式 通过改变喷嘴开度 水轮机调节的定义 随着电力系统负荷变化 水轮机相应地改变导叶开度 或针阀行程 使水轮机组转速维持在某一预定值 或按某一预定的规律变化 这一过程称为水轮机调节调节实质 调节转速水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器 水轮机 导水机构 调速器 水轮机自动调节系统 调速器主要有以下几个部分组成 测量元件 测量机组转速偏差 并把偏差信号转变为位移信号 然后输出 综合元件 将测频 反馈来的信号综合 输送给放大元件放大元件 引导阀 辅助接力器 主配阀 主接力器 二级放大 位移变化 油压变化 执行元件 主接力器 控制导叶开度 改变流量反馈元件 缓冲器和杠杆机构 用于保证调节的适度性和稳定性 调速器手动调节和自动调节两种 手动调节 导水机构 机组 电力系统 频率表 运行人员 机械传动 导水机构 机组 电力系统 测量元件 放大元件 执行元件 自动调节 转速给定 反馈元件 水轮机调节系统的特点水轮机调节系统是由水轮机调速器和调节对象 包括引水系统 水轮机 发电机及负载 共同组成 水轮机调节系统与其他原动机调节系统相比有以下特点 对调速器的基本要求为了保证水轮发电机组安全 可靠运行 改善电能品质 水轮机调速器还应满足以下基本要求 在负载发生变化后 调速器应能很快反应 及时动作 并在尽可能短的时间内使机组重新稳定 调节过程中机组转速等工作参数发生波动是必然的 但是 波动的次数要少 幅度要小 调速器对导叶开度的控制应当准确 要与负载变化的要求一致 调速器的分类1 按调速器元件结构分 机械液压 机调 和电气液压 电调 电调优越性 调节性能优良 灵敏度和精确度高 成本低 便于安装调整 电气液压 用电气回路代替机调中的机械元件 2 按调节机构数分 单调 双调 单调 一个导叶起闭机构 如混流和轴流定浆机组双调 有两个调节机构 导叶开度 叶片转置角 ZZ CJ 针阀 折流板转动 3 按大小 容量 大型 活塞直径80mm以上中型 操作功10000Nm 30000Nm小型 操作功小于10000nm 特小 小于3000Nm 调节系统参数对水轮机调节系统稳定性和动态品质的影响 水流惯性时间常数Tw 1 机组惯性时间常数Ta 2 负载惯性时间常数Tb 3 机组综合自调节系数en 4 暂态转差系数bt 5 缓冲时间常数Td 6 加速时间常数Tn 7 局部反馈强度b 8 永态转差系数bp 9 接力器反映时间Ty 10 典型PLC水轮机微机调速器结构 图中由左至右的控制信息的传递通道 是任何一种结构的调速器必须具备的主通道 包括通道u N 通道y1和通道Y 通道u N是微机 PLC 调节器的输出通道 它的输出可以是电气量u 也可以是数字量N u N信号送到电 机转换装置作为其输入信号 通道y1是电机转换装置的前向输出通道 它输出的主要是机械位移 也可以是液压信号 是机械液压系统的输入控制信号 通道Y是机械液压系统的输出通道 它输出的是接力器的位移 也是调速器的输出信号 反馈通道 综合比较点 与前向通道信息传递方向相反的通道 反馈通道有2 1 3 1 2 2 3 2和3 3 例如 反馈通道3 1是接力器位移Y经过电肌转换装置转换为电气量或数字量 再送给微机 PLC 调节器作为反馈信号的通道 综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点 位于微机 PLC 调节器 电 机转换装置和机械液压系统中的3 图中绘出了分别个比较点 Al A2 A3 在一般情况下 A1是数字量综合比较点 AZ是电气量综合比较点 A3是机械量综合比较点 PLC调节器 PLC水轮机微机调速器结构框图 水轮机微机调速器静特性分析 对于水轮机调节系统来说 最根本的要求是稳定性 在系统稳定的基础上 还对其动态过渡过程品质也有一定的要求 我们通常通过调速器静特性试验的方法来进行分析 下面将以一组具体的数值来分析分析频率给定fc和开度给定Yc对微机调速器的静态特性的影响 如图所示为频率给定分别等于50Hz和50 5Hz时的两条微机调速器的静特性 从图中可以清楚地看出 两条静特性线是平行的直线 其间的纵坐标距离为0 5Hz 故调整频率给定 相当于纵向平移静特性 当水轮发电机组并入大电网运行时 可认为电网频率保持为50Hz 当频率给定fc由50Hz调整到50 5Hz时 则由原来的0 5开启到1 0 所以 此时调整频率给定fc 可以增 减机组所带的负荷 但是 由于水轮机微机调速器都设有开度给定环节 因此 一般不采用调整频率给定的方法来增减负荷 而采用调整开度给定 或功率给定 的方法 如图所示为开度给定Yc分别等于0 5和0 75时的两条微机调速器的静特性 从图中可以看出 两条静特性线是平行线 故调整给定开度 相当于横向平移静特性 其间的横坐标距离为0 25 当水轮发电机组并入电网运行时 可认为电网频率保持为50Hz 当yc由0 5调整到0 75时 Yc则由原来的0 5开启到0 75 显然 调整开度给定y 来改变微机调速器接力器的开度是正确的方法 调速器 调节的基本原理 PID调节的概念在工程实际中 应用最为广泛的调节器控制规律为比例 积分 微分控制 简称PID控制 又称PID调节PID控制器就是根据系统的误差 利用比例 积分 微分计算出控制量进行控制的PID控制器问世至今已有近70年历史 它结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主要技术之一 在水轮机调速控制系统得到广泛应用 我司微机调速器大都采用PLC可编程控制器 利用其闭环控制模块来实现PID控制何为开环控制系统 闭环控制系统 1 开环控制系统是指被控对象的输出 被控制量 对控制器的输出没有影响 这种控制系统中 不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路 2 闭环控制系统闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出 被控制量 会反送回来影响控制器的输出 形成一个或多个闭环 闭环控制系统有正反馈和负反馈 若反馈信号与系统给定值信号相反 则称为负反馈 若极性相同则称为正反馈 一般闭环控制系统均采用负反馈 又称负反馈控制系统 比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统 眼睛便是传感器 充当反馈 人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作 如果没有眼睛 就没有了反馈回路 也就成了一个开环控制系统 比例 P 控制比例控制是一种最简单的控制方式 其控制器的输出与输入误差信号成比例关系 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差 稳态误差指系统的响应进入稳态后 系统的期望输出与实际输出之差 积分 I 控制在积分控制中 控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系 对一个自动控制系统 如果在进入稳态后存在稳态误差 则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统 为了消除稳态误差 在控制器中必须引入 积分项 积分项对误差取决于时间的积分 随着时间的增加 积分项会增大 这样 即便误差很小 积分项也会随着时间的增加而加大 它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小 直到等于零 因此 比例 积分 PI 的调速器 可以使系统在进入稳态后无稳态误差 微分 D 控制在微分控制中 控制器的输出与输入误差信号的微分 即误差的变化率 成正比关系 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳 其原因是由于存在有较大惯性组件 机组惯性时间常数 或有滞后 水流惯性时间常数 组件 具有抑制误差的作用 其变化总是落后于误差的变化 解决的办法是使抑制误差的作用的变化 超前 即在误差接近零时 抑制误差的作用就应该是零 这就是说 在控制器中仅引入 比例 项往往是不够的 比例项的作用仅是放大误差的幅值 而目前需要增加的是 微分项 它能预测误差变化的趋势 这样 具有比例 微分的控制器 就能够提前使抑制误差的控制作用等于零 甚至为负值 从而避免了被控量的严重超调 所以对有较大惯性或滞后的被控对象 比例 微分 PD 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性 PID控制器的参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容 它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数 积分时间和微分时间的大小 PID控制器参数整定的方法很多 概括起来有两大类 一是理论计算整定法 它主要是依据系统的机组的特性参数 经过理论计算确定控制器参数 这种方法所得到的计算数据未必可以直接用 还必须通过工程实际进行调整和修改 二是工程整定方法 它主要依赖工程经验 直接在控制系统的试验中进行 且方法简单 易于掌握 在工程实际中被广泛采用 PID控制器参数的工程整定方法 主要有临界比例法 反应曲线法和衰减法 三种方法各有其特点 其共同点都是通过试验 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定 但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数 都需要在实际运行中进行最后调整与完善 现在一般采用的是临界比例法 利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下 1 确定比例系数Kp确定比例系数Kp时 首先去掉PID的积分项和微分项 可以令Ki 0 Kd 0 使之成为纯比例调节 输入设定为系统允许输出最大值的60 70 比例系数Kp由0开始逐渐增大 直至系统出现振荡 再反过来 从此时的比例系数Kp逐渐减小 直至系统振荡消失 记录此时的比例系数Kp 设定PID的比例系数Kp为当前值的60 70 2 确定积分时间常数Ki比例系数Kp确定之后 设定一个较大的积分时间常数Ki 然后逐渐减小Ki 直至系统出现振荡 然后再反过来 逐渐增大Ki 直至系统振荡消失 记录此时的Ki 设定PID的积分时间常数Ki为当前值的150 180 3 确定微分时间常数Kd微分时间常数Kd一般不用设定 为0即可 此时PID调节转换为PI调节 如果需要设定 则与确定Kp的方法相同 取不振荡时其值的30 4 系统空载调试将机组开至空转 对PID参数进行微调 直到满足性能要求 PID参数调节的常用口诀 参数整定找最佳 从小到大顺序查 先是比例后积分 最后再把微分加 曲线振荡很频繁 比例度盘要放大 曲线漂浮绕大湾 比例度盘往小扳 曲线偏离回复慢 积分时间降下来 曲线波动周期长 积分时间再加长 曲线振荡频率快 先把微分降下来 动差大来波动慢 微分时间应加长 理想曲线两个波 前高后低4比1 调速器参数的两种表达方式第一种表达方式 暂态转差系数bt缓冲时间常数Td加速时间常数Tn第二种表达方式 比例增益Kp积分增益Ki微分增益Kd两种表达式之间的关系 调速器的调节模式水轮机调速器主要有三种调节模式 频率调节模式 开度调节模式 功率调节模式频率调节模式 FM 其特点如下 1 用PID调节规律调节 即Kd 02 适用于机组空载运行 机组并入小网或孤立电网运行 机组在并入大电网以调频方式运行 3 在频率调节模式下 功率给定Pc实时跟踪机组实际功率Pg 不参与闭环调节 使当由频率调节切换至功率调节时实现无扰动切换 开度调节模式 YM 其特点如下 1 采用PI规律调节 即Kd 02 适用于机组带基本负荷运行3 在开度调节模式下 功率给定Pc实时跟踪机组实际功率Pg 不参与闭环调节 使当由频率调节切换至功率调节时实现无扰动切换 功率调节模式 PM 这是水轮发电机组并入电网后采用的调节模式 其特点如下 1 用PID调节规律调节 即Kd 0 2 在闭环调节中机组的功率Pg作为反馈值 并构成调速器的功率调节的闭环控制系统3 适用于机组并网运行4 在功率调节模式下 开度给定Yc实时跟踪机组实际导叶接力器开度值Yg 不参与闭环调节 使当由功率调节切换至频率调节或开度调节模式时时实现无扰动切换 三种调节模式之间的转换关系如下图给出了三种调节模式之间的转换关系 实际根据需要还可以增加一些其它切换条件 1 机组开机进入 空载 工况运行时 调速器在 频率调节 模式下运行 2 机组断路器投入 并入大电网工作时 调速器自动进入 功率调节 模式工作 3 机组在并网的工况下 可以选择任一种调节模式 4 调速器工作于功率调节模式时 若检测出机组功率传感器有故障 则自动切换至开度调节模式运行 5 调速器运行于功率调节模式或开度调节模式时 若电网频差偏离额定值过大 持续一段时间 则自动切换至频率调节模式 频率调节 功率调节 开度调节 断路器合 开度调节 机组开机 功率调节 功率传感器故障 频率超差 频率调节 断路器合 三种调模式之间的转换 调速器的试验 调速器调整试验的基本内容静态试验 充水前试验 当调速器组装完毕 通过充油及电气部分的线路检查无异常后 就可做调速器静态特性试验 调速器的静特性 是指在稳定平衡状态下 调速器转速n 或频率f 和接力器行程y之间的关系 即y f n 通过对调速器静特性的测定 确定调速器的转速死区ix 校验永态转差系数bp值 借以综合鉴别调速器的制造 安装或大修质量 试验条件 bp 6 开环增益为整定值 切除人工死区 微分系数Kd为最小值 积分系数为Ki为最大值 比例系数Kp为中间值 频率给定为额定值 试验方法 用稳定的频率信号源输入额定频率信号 以开度给定将导叶接力器调整到50 行程附近 然后升高或降低频率使接力器全关或全开 调整频率信号值 使之按1个方向逐次升高或降低 在导叶接力器每次变化稳定后 记录该次信号频率值及相应的接力器行程值 分别绘制频率升高和降低的调速器静态特性曲线 2条曲线间的最大区间即转速死区ix ix f fn 静态特性曲线斜率的负数即永态转差系数bp 国标 GB T9652 21997 规定中型调速器ix 0 08 小型调速器ix 0 10 动态试验 充水后试验 为了检查调速器的质量 保证机组在突变负荷时能满足调节保证计算的要求和所规定的动态指标 掌握机组在过渡过程中的状态和各调节参数变化的范围以及参数变化时对机组过渡过程规律的影响 从而找出最佳参数 提高机组运行的稳定性及可靠性 检查机组设计及检修质量 保证机组安全运行等 1 单机空载稳定性观测 即空摆测定 手动空载摆动值测试 检查机组各部分均已具备启动条件后 手动操作调速器使导叶慢慢开启至空载开度附近 当机组转速升至80 后 慢慢调整导叶开度使机组频率稳定在50Hz附近 停止操作导叶接力器 待稳定一段时间后用频率计测量机组频率 并记录连续3min机组频率摆动值的最大值fmax和最小值fmin 则频率摆动范围为 f fmax fmin 如以相对量表示 则为 x 2 fmax fmin 此时的频率波动 一般均系水力不平衡或机组本身问题所致 与调速器无关 自动空载摆动测试 将调速器切为自动运行 测量机组转速摆动值 测试方法与手动运行时测试方法基本相同 只不过需进行参数的选优工作 最优参数应是空载扰动试验的优化参数 国标 GB T9625 1 1997 中规定对于中小型调速器若水轮发电机组转速相对值不大于 0 3 则自动空载摆动值不得大于 0 25 否则只需小于手动空载摆动值就算达标 2 空载扰动试验机组需在各种工况下运行 欲使水轮机调节系统获得良好的性能 必须合理选择系统中的有关参数 空载扰动试验方法如下 通过突变频率给定值来进行频率扰动试验 扰动量一般为 8 10 fn 扰动试验需记录频率扰动的超调量和过渡过程时间 调节次数等有关数据 通过若干组有关数据的比较 就可确定系统的最佳参数 国标对该试验无考核要求 3 甩负荷试验通过甩负荷试验可进一步考验机组在已选定的调速器空载参数下调节过程的速动性和稳定性 更主要是检验调保计算参数 保证机组安全 试验目的 试验注意事项甩负荷试验一般分4次 甩25 50 75 100 额定负荷 由小到大顺序进行 甩25 额定负荷 主要是检查接力器的不动时间是否符合要求 同时也检查转速上升率和蜗壳水压上升率以及调节时间 分析下次所甩负荷增长后可能的变化趋势 从而进一步验证所选定的调节参数是否为最佳 甩50 和75 额定负荷的目的主要是分析其变化趋势 最后甩100 额定负荷时 机组转速上升率 蜗壳水压上升率 尾水管真空度 关机时间和过渡过程调节时间等均应满足调节保证计算值和国标要求 赶场电厂调速器实例 调速器构成液压系统原理图讲解操作调试维护及故障处理 结构组成和功能简介 电气部分一 柜体前门各元件1 平衡表2 触摸屏3 指示灯4 杠杆开关 回油箱 电机及油泵 安全阀 调速器电气柜面板 电气柜内各元件 机械部分 电液比例阀 先导控制阀 脉冲阀 座阀式电磁换向阀也称为电磁换向球阀 是一种二位三通型方向控制阀 它在液压系统中大多作为先导控制阀使用 换向速度也比一般电磁换向滑阀快 电 液转换器比例伺服阀 它是一种电气控制的引导阀 比例伺服阀的功能是把微机调节器输出的电气控制信号转换为与其成比例的流量输出信号 用于控制带辅助接力器 液压控制型 的主配压阀 比例伺服阀的表示符号 比例伺服阀控制主配压阀原理框图 手动操作阀 手自动切换阀及压力继电器 紧急停机阀 双液控单向阀 单向节流阀 支撑架及锁定 安全阀 储能器 压力表 系统工作原理 一 自动调节1 闭环开机2 频率调节3 频率跟踪4 功率调节5 自动停机二 手动操作1 手动操作2 手动自动切换三 紧急停机 调速器的安装 调整和试验 安装机械部分调整电气部分调整试验 调速器液压系统原理图讲解 识图动作原理讲解 调速器的常见故障和原因分析 判别 调速器故障及分类为了便于分析和处理 常将调速器系统的故障按引起原因归为两大类 一类是由调速器引起 也称为内因引起的故障 另一类是由被控制系统引起的 也称为外因引起的故障 分析故障的基本方法1 全面掌握故障现象如 接力器不稳定 为了查出其主要原因并及时排除 首先要全面掌握故障的现象 如接力器是否呈周期性摆动 摆动的频率如何 幅值多大 又如接力器的摆动与机组转速 出力等工作参数有无联系 是怎样的关系 摆动的变化趋势如何 等等 2 分析与调试相结合故障的分析处理不能孤立 静止地进行 应当在调整 试验的过程中结合进行 在试验当中找出引起故障的主要问题 3 遵循合理的程序1 先外因 后内因 外部原因引起的故障往往伴随一些其他现象 而且外因引起的故障单从调速器着手是很难解决的 因此首先分析和排除外因是很重要的 2 先空载 后负载 3 先静态 后动态 常见的外因及故障现象1 过水压力系统水压不稳定水轮机过水压力系统包括压力管道 蜗壳 尾水管等 一旦发生水压波动 势必影响机组的运行 表现为接力器开度及机组出力呈周期性摆动 这样的摆动频率较低 但幅值可能较大 发生摆动时可观察到蜗壳压力及尾水管真空明显的周期性摆动 为了判明水压波动是否是引起不稳定的主要原因 可将机组切换成手动运行 手动状态下仍发生摆动 则是水压波动造成的不稳定运行的特征 2 水轮机运行不稳定例如 反击型水轮机发生严重气蚀时 转轮四周水力不平衡 以及导叶或轮叶发生涡列时 水轮机自身工作不稳定 调节系统也就不可能稳定运行 但是水轮机原因引起的不稳定现象 往往随机组的工作参数变化 如低水头 低负荷时发生 或者在某个出力附近发生 水力不平衡引起的摆动 则随出力的增加而加剧 为此 可在不同工况下检查接力器的摆动情况来加以分析 3 发电机运行不正常发电机若运行不正常 如三相负载不平衡 励磁装置工作不稳定 也会造成机组运行不稳定 这种不稳定现象常随负载增加而加重 在开机过程中 如果达到额定转速 不励磁时接力器能稳定 一旦励磁 升电压就不稳定 则明显是发电机及励磁装置方面的问题