水轮机调节系统讲义

1、水轮机调节水轮机调节水轮机调节水轮机调节 调节系统的特性调节系统的特性 二二三三水轮机调节系统的组成水轮机调节系统的组成 水轮机调速器工作原理水轮机调速器工作原理 四四一一水轮机调节的任务、原理及特点水轮机调节的任务、原理及特点 五五PLC水轮机微机调速器水轮机微机调速器 一一 水轮机调节的任务、原理及特点水轮机调节的任务、原理及特点1、水轮机调节的任务、水轮机调节的任务 系统负荷变化系统负荷变化系统电压发生变化系统电压发生变化发发电机励磁装置动作电机励磁装置动作发电机的端电压恢发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。复并保持在许可范围内。系统负荷变化系统负荷变化系统电流的频率系统电流的频率f发

2、生变发生变化化发电机调速器动作发电机调速器动作发电机的转速发电机的转速恢复并保持在许可范围内。恢复并保持在许可范围内。系统负荷变系统负荷变化化（1 1）随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。）随外界负荷的变化，迅速改变机组的出力。（2 2）保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏）保持机组转速和频率变化在规定范围内，最大偏差不超过差不超过0.5Hz0.5Hz，大电力系统不超过，大电力系统不超过0.2Hz0.2Hz。（3 3）启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行）启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成组调节成组调节( (负荷分配负荷分配) )，以达到经济合理的运行。，以达到经济合理

3、的运行。1、水轮机调节的任务、水轮机调节的任务 电力系统频率调整电力系统频率调整 （1）频率的一次调整：通过调速器实现。）频率的一次调整：通过调速器实现。 所有的发电机组都装有自动调速系统，当所有的发电机组都装有自动调速系统，当负荷负荷P 转速转速n 飞摆离心力飞摆离心力 开大调开大调速器汽（水）门速器汽（水）门进汽（水）量进汽（水）量 转速转速n 但转速但转速n 会略低于原值，即频率的一次调整会略低于原值，即频率的一次调整是一个有差调节过程。是一个有差调节过程。电力系统频率调整电力系统频率调整 （2）频率的二次调整：通过调频器实现。）频率的二次调整：通过调频器实现。 只有调频厂的发电机组才装

4、有调频器。通只有调频厂的发电机组才装有调频器。通过操作调频器，可以使发电机组的出力（即原过操作调频器，可以使发电机组的出力（即原动力）增大或减小，从而调节转速，且能实现动力）增大或减小，从而调节转速，且能实现频率的无频率的无差调节。差调节。2、水轮机调节原理、水轮机调节原理水轮发电机组的运动方程式为：水轮发电机组的运动方程式为：式中：式中：Mt水轮机主动力矩水轮机主动力矩(水流推动叶片做功水流推动叶片做功) Mg 发电机的阻力矩发电机的阻力矩 J 机组惯性矩；机组惯性矩； 角加速度；角加速度；rQHMdtdJMMtgtdtd 2、水轮机调节原理、水轮机调节原理 当负荷发生变化时，当负荷发生变化

5、时，MMg g将变化，但将变化，但d d/dt/dt应应为为0 0，以保证，以保证n n不变，从而保证不变，从而保证f f不变，故应调节不变，故应调节MMt t 一般通过改变一般通过改变QQ而达到改变主动力矩而达到改变主动力矩MMt t的目的目的。即的。即调节水轮机的引用流量调节水轮机的引用流量QQ，使，使MMt t=M=Mg g，n=nn=ne e 2 2、水轮机调节原理、水轮机调节原理调节流量的途径：调节流量的途径： 反击式反击式：通过改变导叶开度：通过改变导叶开度a a0 0 ，ZZZZ：同时改变叶片转角：同时改变叶片转角 冲击式冲击式：通过改变喷嘴开度（针阀行程）。：通过改变喷嘴开度（

6、针阀行程）。 水轮机调节的定义：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随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度度( (或针阀行程或针阀行程) )，使机组转速恢复并保持为额定转速，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。的过程，称为水轮机调节。调节实质：调节实质：调节转速调节转速 水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。 喷嘴头喷嘴头喷嘴口喷嘴口喷喷针针头头水流水流a0 m axa0D0导 叶 的 开 度3、水轮机调节的特点、水轮机调节的特点 （1）水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的）水轮机的工作流

7、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，因此尺寸也较大，需要较大的力才能推动导水机构，因此调速器调速器需要需要有有放大元件放大元件和和强大的执行元件强大的执行元件。（2）水轮发电机组以水为介质，与蒸汽等相比，水有）水轮发电机组以水为介质，与蒸汽等相比，水有较大的密度，同时，水电站的输水道一般较长，其中较大的密度，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的水体有较大的质量，水轮机调节过程中的流量变化流量变化将将引起引起很大的很大的压力变化压力变化。（3）对轴流转浆式、水斗式水轮机，需增加一套协调）对轴流转浆式、水斗式水轮机，需增加一套

8、协调结构，实现双重调节。结构，实现双重调节。 调速器调速器 调速系统调速系统 随动系统随动系统 油压装置油压装置水轮机调节系统水轮机调节系统 调节对象调节对象二 调节系统的特性调节前后的调节前后的稳定状态稳定状态调节开始到终调节开始到终了的了的过渡过程过渡过程静态特性静态特性动态特性动态特性调节系统调节系统工作状态工作状态是指是指导叶开度一定时，调速器在稳定状态导叶开度一定时，调速器在稳定状态下，机组转速与机组所带负荷之间的关系，下，机组转速与机组所带负荷之间的关系，即即出力出力调节前后机组转速的状态调节前后机组转速的状态。二 调节系统的特性1、调节系统的静态特性、调节系统的静态特性 （1）无

9、差调节：）无差调节：调节前后调节前后机组转速不变机组转速不变，如图，如图5-1a。（2）有差调节：）有差调节：调节前后调节前后机组转速有一小的偏差机组转速有一小的偏差，如图如图5-1b。二 调节系统的特性1、调节系统的静态特性、调节系统的静态特性 对对单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式；单机运行的机组，才有可能采取无差调节的方式；多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢多台机组并列运行时，各台机组反应时间和动作快慢不同，需采用有差调节的运行方式。不同，需采用有差调节的运行方式。（2）有差调节）有差调节调差率：静特性曲线斜率的负数。调差率：静特性曲线斜率的负数。调差率表达式为：调差

10、率表达式为：%1000minmaxnnnepnmax机组最大稳定转速，相当于空载工况；机组最大稳定转速，相当于空载工况；nmin机组最小稳定转速，相当于额定负荷工况；机组最小稳定转速，相当于额定负荷工况；n0机组额定转速。机组额定转速。实际运行一般取实际运行一般取ep=08%。有差调节可使在有差调节可使在电力系统中电力系统中并列运行的机组不仅并列运行的机组不仅保持同步运行保持同步运行，并可在，并可在机组间按照调度要求明确地机组间按照调度要求明确地进行负荷分配进行负荷分配。当各机组调差率相当各机组调差率相同且同且0，要满足相同转，要满足相同转速同步并列运行，必须速同步并列运行，必须等负荷分配方式

11、工作。等负荷分配方式工作。 当系统机组台数及调当系统机组台数及调差率一定时，各台机组差率一定时，各台机组承担的变动负荷与其调承担的变动负荷与其调差率成反比，与其额定差率成反比，与其额定出力成正比。出力成正比。结论：结论：发电机组输出功率的增量与频率的变化成发电机组输出功率的增量与频率的变化成正比，与调差系统成反比。系统中所有机组的正比，与调差系统成反比。系统中所有机组的调速系统均为有差调节，因此，只要存在频率调速系统均为有差调节，因此，只要存在频率变化，则所有机组都将承担负荷的变化。变化，则所有机组都将承担负荷的变化。 其斜率数值称其斜率数值称调差系数调差系数： R = f / PG 单位调节

12、功率单位调节功率KG = 1/R = PG/ f 发电机组的有功发电机组的有功- -频率特性频率特性 PGffPGoPGNfN二 调节系统的特性2、调节系统的动态特性、调节系统的动态特性 调节系统的动态特性主要是指在调节过程中机组调节系统的动态特性主要是指在调节过程中机组转速随时间变化的关系。转速随时间变化的关系。 衡量过渡过程动态品质的常用指标：衡量过渡过程动态品质的常用指标：（1）调节时间：从阶跃扰动发生时刻开始到调节系）调节时间：从阶跃扰动发生时刻开始到调节系统进入新的平衡状态为止所经历的时间。统进入新的平衡状态为止所经历的时间。（2）最大转速偏差值：是第一个波峰值的相对值。）最大转速偏

13、差值：是第一个波峰值的相对值。（3）振荡次数：调节时间内出现的振荡波峰个数的）振荡次数：调节时间内出现的振荡波峰个数的一半。一半。二 调节系统的特性对动态特性的规定：对动态特性的规定： （1）调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的）调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性。稳定性。（2）机组甩负荷时，动态品质应达到：）机组甩负荷时，动态品质应达到： 1）甩）甩100%额定负荷后，在转速变化过程中超过额额定负荷后，在转速变化过程中超过额定转速定转速3%以上的波峰，不得超过以上的波峰，不得超过2次。次。 2）机组甩）机组甩100%额定负荷后，从接力器第一次向开额定负荷后，从接力器第一次向开

14、启方向移动起，到机组转速偏差相对值不超过启方向移动起，到机组转速偏差相对值不超过0.5%0.5%所经历的时间，应不大于所经历的时间，应不大于40s40s。 3 3）甩甩25%额定负荷后，接力器不动时间对电调不额定负荷后，接力器不动时间对电调不超过超过0.2s，机调不大于，机调不大于0.3s。导水机构导水机构机机 组组执行元件执行元件放大元件放大元件反馈元件反馈元件测量元件测量元件水水 能能Q H电电 能能U I f给给 定定 f f三三 水轮机调节系统组成水轮机调节系统组成1、水轮机调节系统方框图、水轮机调节系统方框图2、水轮机调节系统的组成、水轮机调节系统的组成 调速柜调速柜+油压设备油压设

15、备+接力器。接力器。 其中中小型水轮机调速器将这三部分组合其中中小型水轮机调速器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行方便。成一个整体，称为组合式，运行方便。（1）调速柜主要有以下几个部分组成：）调速柜主要有以下几个部分组成： 测量机构测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信：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。号转变为位移信号，然后输出。 放大机构放大机构：(引导阀引导阀+辅助接力器、主配阀辅助接力器、主配阀+主主接力器，二级放大接力器，二级放大)：位移变化：位移变化油压变化。油压变化。 反馈机构反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使：缓冲器和杠杆机构，当调节使主主动力矩

16、动力矩Mt=发电机的阻抗力矩发电机的阻抗力矩Mg时，反馈信时，反馈信号使调节停止。号使调节停止。（2）油压设备）油压设备 油压设备的作用：供给调速器压力油，传递油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。由压力油罐、回油箱、油泵、输油操作力。由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。管、附件等组成。 额定工作油压分为两种：有的电站采用低油额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为压，为2.5MPa；有的电站采用高油压，为；有的电站采用高油压，为4.0MPa。 调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的油通过回油管路进入回油箱。油通过回油管路进入回油箱。

17、（2）油压设备）油压设备 当油压降低到正常工作油压下限当油压降低到正常工作油压下限(2.32.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱时，油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。压上限时，油泵停止工作。（3）接力器）接力器 接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度接力器是调速器的执行元件，控制导叶开度，改变流量，大型电站设两个或两个以上接，改变流量，大型电站设两个或两个以上接力器。力器。油压装置1、调速器的作用、调速器的作用 以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已达到改变出力恢

18、复转速的目的。开度，已达到改变出力恢复转速的目的。2、调速器原理图、调速器原理图四四 水轮机调速器工作原理水轮机调速器工作原理1飞摆；飞摆；2主配压阀；主配压阀；3接力器；接力器；4、5活塞；活塞；6节流孔；节流孔；7硬反馈；硬反馈；8、9、10变速机构；变速机构；11移动滑块移动滑块3、调速器静特性、调速器静特性永态转差率：调速器静特性曲线斜率的负数。永态转差率：调速器静特性曲线斜率的负数。永态转率表达式为：永态转率表达式为：nmax接力器行程接力器行程Y=0的转速的转速nmin接力器行程接力器行程Y=Ymax的转速的转速n0机组额定转速。机组额定转速。调速器技术条件规定：调速器技术条件规定

19、：静特性应近似为一条直线，静特性应近似为一条直线，其最大非线性度不超过其最大非线性度不超过5%3、调速器静特性、调速器静特性 转速死区：转速死区： 当机组转速超过当机组转速超过n1时，调速器时，调速器开始关闭导叶；而当机组转速开始关闭导叶；而当机组转速略低于略低于n1时，调速器并不动作，时，调速器并不动作，只有机组转速低于只有机组转速低于n2时，调速器时，调速器才开启导叶。所以当转速在与之间时，调速器不动才开启导叶。所以当转速在与之间时，调速器不动作，这就是转速死区。作，这就是转速死区。 由于存在转速死区，实际调速器的静特性并不是由于存在转速死区，实际调速器的静特性并不是一根线，而是一条带子一

20、根线，而是一条带子,其宽度为其宽度为n1-n24、调速器系统的组成、调速器系统的组成 水轮机调速器有多种类型，调速器一般由：水轮机调速器有多种类型，调速器一般由：测量元件、放大元件、校正元件等环节组成。测量元件、放大元件、校正元件等环节组成。5、调速器机械柜内各主要部件性能、结构、调速器机械柜内各主要部件性能、结构（1）主配压阀）主配压阀 主配压阀是液压放大元件，它的主要作用主配压阀是液压放大元件，它的主要作用是分配压力油进入接力器的开侧油腔或关侧是分配压力油进入接力器的开侧油腔或关侧油腔，控制接力器的开和关。油腔，控制接力器的开和关。是表征大型调速器的重要参数是表征大型调速器的重要参数遮程是

21、影响调速机特性的因素之一遮程是影响调速机特性的因素之一（2）引导阀、辅助接力器）引导阀、辅助接力器引导阀将相对位移信号转换并引导阀将相对位移信号转换并放大成液压信号的元件。放大成液压信号的元件。辅助接力器将引导阀传来的液压辅助接力器将引导阀传来的液压信号，进一步放大成功能较为强大的位信号，进一步放大成功能较为强大的位移信号。是构成液压放大的重要环节。移信号。是构成液压放大的重要环节。 （3）电液转换器（步进电机）结构原）电液转换器（步进电机）结构原理及作用理及作用 电液转换器的作用是将电气部分信号电液转换器的作用是将电气部分信号输出的综合信号，转换成具有一定操作输出的综合信号，转换成具有一定操

22、作力的机械位移信号或具有一定压力的流力的机械位移信号或具有一定压力的流量信号。量信号。 电液转换器有电气位移转换信号和液电液转换器有电气位移转换信号和液压放大两部分组成。压放大两部分组成。工作线圈：实现控制操作工作线圈：实现控制操作线圈线圈振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性振荡线圈：防止卡阻，提高工作可靠性电液转换器中一般有两个线圈，一个工作电液转换器中一般有两个线圈，一个工作线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电线圈，一个振荡线圈。工作线圈通的是工作电流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后流，振荡线圈通入振荡电流。通入工作电流后，使控制套产生位移，使下一级随动。振荡电，使控制套产生位移，

23、使下一级随动。振荡电流使线圈和控制套产生微小振动，以提高控制流使线圈和控制套产生微小振动，以提高控制套的灵敏度，防止卡阻。套的灵敏度，防止卡阻。（4）紧急停机电磁阀）紧急停机电磁阀属于保护设施之一属于保护设施之一动作的条件：机组运行中，几乎所动作的条件：机组运行中，几乎所有紧急停机令的实施通道。有紧急停机令的实施通道。（5）导、轮叶接力器作用）导、轮叶接力器作用调速控制的执行机构调速控制的执行机构关闭规律影响调节过程的动态品质关闭规律影响调节过程的动态品质整定开、关时间整定开、关时间设置分段关闭阀设置分段关闭阀6、调速器油压装置各主要部件、调速器油压装置各主要部件（1）压油泵）压油泵生产压力油

24、，是调速系统的能源。生产压力油，是调速系统的能源。（2）压力油罐）压力油罐（3）回油箱）回油箱（4）输油管）输油管（5）阀组（安全阀、逆止阀、减载阀）阀组（安全阀、逆止阀、减载阀）安全阀的作用是保证压力油罐内油安全阀的作用是保证压力油罐内油压不超过允许值，防止油泵与压力油罐压不超过允许值，防止油泵与压力油罐过载。过载。 减载阀的作用是保证油泵电动机在减载阀的作用是保证油泵电动机在低负载下启动，缩短启动时间，减少启低负载下启动，缩短启动时间，减少启动电流。动电流。 逆止阀用来防止压力油罐内的压力逆止阀用来防止压力油罐内的压力油在油泵停止运行时倒流油在油泵停止运行时倒流7、调速器的类型与系列、调速

25、器的类型与系列（1）按调速器元件结构分）按调速器元件结构分 机械液压机械液压(机调机调)：信号测量、信号综合、信号反馈：信号测量、信号综合、信号反馈均由机械环节完成。现在很少使用。均由机械环节完成。现在很少使用。 电气液压电气液压(电调电调)：用电气回路代替机调中的机械元：用电气回路代替机调中的机械元件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，件。调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。目前还有不少电站在使用。便于安装调整。目前还有不少电站在使用。 微机调速器微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器，：用工业控制计算机代替电子调速器，赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。赋予

26、了调速器更多的控制功能，性能更优良。（2）按调节机构数分）按调节机构数分单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组双调：有两个调节机构双调：有两个调节机构(导叶开度，叶片转置角导叶开度，叶片转置角)， ZZ、CJ（针阀、折流板转动）（针阀、折流板转动）（3）按大小（容量）按大小（容量）大型：活塞直径大型：活塞直径80mm以上以上中型：操作功中型：操作功10000Nm30000Nm小型：操作功小于小型：操作功小于10000Nm特小：小于特小：小于3000Nm （4）调速器系列）调速器系列第一部分：基本特性和类型第一部分：基本特性和类型大型：无代号；大

27、型：无代号； 中小型带油压装置：中小型带油压装置：Y； 特小：特小：T机械液压：无代号；机械液压：无代号； 电动调节：电动调节：D单调：无代号；单调：无代号； 双调：双调：S调速器：调速器：T第二部分：工作容量第二部分：工作容量 中小型调速器中小型调速器9.81N.m；大型指主配阀直径；大型指主配阀直径(mm)第三部分：额定油压第三部分：额定油压 2.5MPa 不加注释不加注释例：例： YT300 中型、带油压装置、机调、额定油压中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工，工作容量作容量3009.81Nm DST100A40 大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径100mm，额定油压，额定油压40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一是第一次改型后产品次改型后产品 A、B、C为改型次数，为改型次数， 五五 PLC水轮机微机调速器水轮机微机调速器1、典型、典型PLC水轮机微机调速器结构水轮机微机调速器结