水轮机调节教材课件

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。系系统统负负荷荷变变化化（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。，以达到经济合理的运行。1、水轮机调节的任务、水轮机调节的任务 电力电力系统频率调整系统频率调整 （1）频率的一次率的一次调整：通整：通过调速器速器实现。所有的所有的发电机机组都装有自都装有自动调速系速系统，当，当负荷荷P 转速转速n 飞摆离心力飞摆离心力 开大调速开大调速器汽门器汽门进汽量进汽量 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。电力电力系统频率调整系统频率调整 （2）频率的二次率的二次调整：通整：通过调频器器实现。只有只有调频厂的厂的发电机机组才装有才装有调频器。通器。通过操作操作调频器，可以使器，可以使发电机机组的出力（即原的出力（即原动力）增大或减小，从而力）增大或减小，从而调节转速，且能速，且能实现频率的无率的无差调节。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；2、水轮机调节原理、水轮机调节原理 当负荷发生变化时，当负荷发生变化时，M Mg g将变化，但将变化，但d d/dt/dt应为应为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，不变，故应调节故应调节M Mt t 一般通过改变一般通过改变Q Q而达到改变主动力矩而达到改变主动力矩M Mt t的的目的。即目的。即调节水轮机的引用流量调节水轮机的引用流量Q Q，使，使M Mt 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（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随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度叶开度(或针阀行程或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定，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。转速的过程，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，因此调速器需要有放大元件和强大的执行元件。调速器需要有放大元件和强大的执行元件。（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流量变化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。将引起很大的压力变化。（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是指指导导叶叶开开度度一一定定时时，调调速速器器在在稳稳定定状状态态下下，机机组组转转速速与与机机组组所所带带负负荷荷之之间间的的关关系系，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）无无差差调调节节：调调节节前前后后机组转速不变机组转速不变，如图，如图5-1a。（2）有有差差调调节节：调调节节前前后后机机组组转转速速有有一一小小的的偏偏差差，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；多多台台机机组组并并列列运运行行时时，各各台台机机组组反反应应时时间间和和动动作作快快慢慢不同，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：机组转速随负荷增减而变化的程度。调差率：机组转速随负荷增减而变化的程度。调差率表达式为：调差率表达式为：nmax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，相当于最大负荷工况；机组最小稳定转速，相当于最大负荷工况；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工作。等负荷分配方式工作。当各机组采用不同当各机组采用不同负荷分配方式工作，负荷分配方式工作，要满足相同转速同步并要满足相同转速同步并列运行，调整各自调差列运行，调整各自调差率即可。率即可。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 调调节节系系统统的的动动态态特特性性主主要要是是指指在在调调节节过过程程中中机机组组转转速随时间变化的关系。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）调调节节时时间间：从从阶阶跃跃扰扰动动发发生生时时刻刻开开始始到到调调节节系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。）最大转速偏差值：是第一个波峰值的相对值。（3）振振荡荡次次数数：调调节节时时间间内内出出现现的的振振荡荡波波峰峰个个数数的的一半。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）调调速速器器应应保保证证机机组组在在各各种种工工况况和和运运行行方方式式下下的的稳定性。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%额额定定负负荷荷后后，在在转转速速变变化化过过程程中中超超过过额额定转速定转速3%以上的波峰，不得超过以上的波峰，不得超过2次。次。2）机机组组甩甩100%额额定定负负荷荷后后，从从接接力力器器第第一一次次向向开开启启方方向向移移动动起起，到到机机组组转转速速偏偏差差相相对对值值不不超超过过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%额额定定负负荷荷后后，接接力力器器不不动动时时间间对对电电调调不不超过超过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。（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力改变流量，大型电站设两个或两个以上接力器。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：测量元件、放大元件、校正元件等环节组成。4、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放引导阀将相对位移信号转换并放大成液压信号的元件。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移信号，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。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。振荡电流使控制套产生位移，使下一级随动。振荡电流使线圈和控制套产生微小振动，以提高控制套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。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5、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，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6、调速器的类型与系列、调速器的类型与系列（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构 图中由左至右的控制信息的传递通道，是任何一种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，包括通道结构的调速器必须具备的主通道，包括通道u/N、通道、通道y1和通道和通道Y。通道通道u/N是微机是微机(PLC)调节器的输出通道，它的输出可调节器的输出通道，它的输出可以是电气量以是电气量u，也可以是数字量，也可以是数字量N。u/N信号送到电信号送到电/机转机转换装置作为其输入信号。换装置作为其输入信号。通道通道y1是电肌转换装置的前向输出通道，它输出的主是电肌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。入控制信号。通道通道Y是机械液压系统的输出通道，它输出的是接力器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。的位移，也是调速器的输出信号。前前前前向向向向通通通通道道道道反馈通道反馈通道反馈通道反馈通道 与前向通道信息传递方向相反的通道，与前向通道信息传递方向相反的通道，反馈通道有反馈通道有2-1,3-1.2-2,3-2和和3-3。例如，反。例如，反馈通道馈通道3-1是接力器位移是接力器位移Y经过电肌转换装置经过电肌转换装置转换为电气量或数字量，再送给微机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。调节器作为反馈信号的通道。综合比较点综合比较点综合比较点综合比较点 综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信综合比较点是系统中前向通道和反馈通道信息的汇合点。位于微机息的汇合点。位于微机(PLC)调节器、电调节器、电/机转换机转换装置和机械液压系统中的装置和机械液压系统中的3。图中绘出了分别个。图中绘出了分别个比较点比较点:Al,A2,A3。在一般情况下，。在一般情况下，A1是数字量是数字量综合比较点，综合比较点，AZ是电气量综合比较点，是电气量综合比较点，A3是机是机械量综合比较点。械量综合比较点。2 2、步进电机电液转换器、步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器框图机械液压随动系统型调速器框图3 3、步进电机电液转换器、步进电机电液转换器/机械液压随动系统型调速器方块图机械液压随动系统型调速器方块图4 4、水轮机微机调速器静特性分析、水轮机微机调速器静特性分析静态特性主要参数和变量静态特性主要参数和变量 频率给定频率给定f fc c 功率给定功率给定P Pc c 开度给定开度给定y yc c 频率频率f fg g 接力器开度接力器开度y y 机组功率机组功率P Pg g 永态差值系数永态差值系数b bp p 功率差值系数功率差值系数e ep p