5水轮机调节系统2011

a 0 同时改变叶片转角 ϕ
a0
三、水轮机调节系统的组成 调速器的作用：以转速信号为依据， 调速器的作用：以转速信号为依据，迅速自动地调节 导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。 导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。 调速器由自动调整机构、控制机构、油压装备、 调速器由自动调整机构、控制机构、油压装备、保护 装备和监视仪表组成。其中，自动调整主要由测量元件、 装备和监视仪表组成。其中，自动调整主要由测量元件、 放大元件、校正元件等组成， 放大元件、校正元件等组成，调速器与机组构成水轮机调 节系统。 节系统。 当系统频率出现偏差时，能自动改变导水机构的开度， 当系统频率出现偏差时，能自动改变导水机构的开度， 使机组输出的有功功率满足电网负荷的需要，维持频率稳 使机组输出的有功功率满足电网负荷的需要， 定。转速调整机构和开度限制机构通过自动调节机构起着 控制作用。 控制作用。
水轮机调节系统
一、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。 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。 保持机组转速和频率变化在规定范围内。 3．启动、停机、增减负荷，对并入电网的机组进行成 启动、停机、增减负荷， 组调节(负荷分配) 组调节(负荷分配)。 随着电力系统负荷变化， 随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开 度，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水 使机组转速恢复并保持为额定转速的过程， 轮机调节。 轮机调节。
四、水轮机调节系统的特性 调节系统的工作归纳起来主要有两种工作状态： 调节系统的工作归纳起来主要有两种工作状态：一种 是调节前后的稳定状态，用静特性描述； 是调节前后的稳定状态，用静特性描述；另一种是从调节 开始到结束的过渡过程，用动特性描述。 开始到结束的过渡过程，用动特性描述。 1. 调节系统的静特性
2009年8月17日莫斯科时间 时13分，电站发生了严重灾难性事故。 年 月 日莫斯科时间 日莫斯科时间4时 分 电站发生了严重灾难性事故。 事故造成电站发电机层以下厂房淹没，至少74人死亡 人失踪 电站2号 人死亡， 人失踪， 事故造成电站发电机层以下厂房淹没，至少 人死亡，1人失踪，电站 号、 7号、9号机组完全损毁。主厂房部分机组的基础和风罩、桥机轨道大梁、 号机组完全损毁。 号 号机组完全损毁 主厂房部分机组的基础和风罩、桥机轨道大梁、 厂房排柱、边墙、屋顶和地板等被摧毁。电站短期内难以恢复发电， 厂房排柱、边墙、屋顶和地板等被摧毁。电站短期内难以恢复发电，停电 损失难以估量。 损失难以估量。 事故初步分析为，当变压器发生爆炸后，机组失去负荷， 事故初步分析为，当变压器发生爆炸后，机组失去负荷，转速快速 上升。为保护机组不至因为飞逸而破坏，水轮机调速器会自动关闭导叶。 上升。为保护机组不至因为飞逸而破坏，水轮机调速器会自动关闭导叶。 如导叶关闭太快，会使导叶前压力快速上升。根据电站基本参数估算， 如导叶关闭太快，会使导叶前压力快速上升。根据电站基本参数估算，其 压力钢管长度约为450m，压力波在水中传递速度约为 压力钢管长度约为 ，压力波在水中传递速度约为900m/s，压力波由机 ， 组传至水库需0.5s。当机组在满负荷运行时，导叶内流速在 左右。 组传至水库需 。当机组在满负荷运行时，导叶内流速在25m/s左右。如 左右 导叶全关闭时间为5s，水击压力约为230m水头，如在额定水头 水头， 工作， 导叶全关闭时间为 ，水击压力约为 水头 如在额定水头194m工作， 工作 总压力超过400m水头，作用在导叶前圆环上的压力可能高达 水头， 总压力超过 水头 作用在导叶前圆环上的压力可能高达5000～8000吨， ～ 吨 这种水压作用完全可能冲破水轮机顶盖，进而掀翻机组。 这种水压作用完全可能冲破水轮机顶盖，进而掀翻机组。 当前，国际上报导对于事故原因还有如下猜测：（ ：（1） 当前，国际上报导对于事故原因还有如下猜测：（ ）因异物进入水轮 机组，导致导叶紧急关闭，从而发生水锤；（ ；（2） 机组，导致导叶紧急关闭，从而发生水锤；（ ）变压器爆炸伤及压力钢管 或蜗壳，导致高压水涌出；（ 水锤发生导致变压器爆炸。 ；（3） 或蜗壳，导致高压水涌出；（ ）水锤发生导致变压器爆炸。
5. 调保计算步骤 (1) 准备基本数据； 准备基本数据； (2) 求出计算工况下∑LV ； 求出计算工况下∑ (3) 给定导叶关闭时间TS计算ξ 、β ； 给定导叶关闭时间T (4) 进行较核、调整 进行较核、 6. 改善甩负荷过渡过程的措施 (1) 设置阻水器 (2) 增加机组转动惯量 (3) 设置调压井或调压阀 (4) 改变导叶关闭规律
水力发电过程示意图
二、水轮机调节原理 水轮发电机转子运动方程
dω Mt − M g = J dt
pn (f = ) 60
Mt = Mg Mt > Mg Mt < Mg
水轮发电机组示意图
dω =0 dt
dω >0 dt
n = n0
n > n0
dω <0 dt
n < n0
调节流量的途径： 调节流量的途径： 混流式水轮机： 混流式水轮机： 通过改变导叶开度 轴流转浆式水轮机：改变导叶开度 轴流转浆式水轮机： 调节流量的实质：调节转速 调节流量的实质： 水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器 调速器与机组构成了水轮机调节系统
两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配
按照有差静特性斜线进行调节，可使并列运行的机组保持 按照有差静特性斜线进行调节， 同步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配。 同步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配。
两台调差率不同并列运行机组间的负荷分配
2. 调节系统的动特性 调节系统的动特性主要是指在调节过程中机组转速随 时间变化的关系。 时间变化的关系。 当电力系统负荷变化时，水轮机导水机构不可能立即 当电力系统负荷变化时， 动作来改变水轮机的主动力矩以适应新的发电机阻抗力矩， 动作来改变水轮机的主动力矩以适应新的发电机阻抗力矩， 存在有一个滞后时间，而在此时间内机组转速已产生了较 存在有一个滞后时间， 大变化；又在具有很长压力引水管道的水电站中，水流的 大变化；又在具有很长压力引水管道的水电站中， 惯性很大，导叶启、闭所引起的水击压力会抵消部分导水 惯性很大，导叶启、 机构的调节作用，因而也会引起调节动作的滞后以及转速 机构的调节作用， 的较大变化。 的较大变化。
各种过渡过程曲线
过渡过程的品质指标 （a）无差调节过渡过程 （b）有差调节过渡过程
五、水轮机调节的特点 为了适应不同的水力发电条件， 为了适应不同的水力发电条件，水轮机具有不同的结 构型式。与其他原动机调节相比较， 构型式。与其他原动机调节相比较，水轮机调节有如下几 个主要特点。 个主要特点。 (1) 通过水轮机的流量较大，导致水轮机及其导水机构的结 通过水轮机的流量较大， 构尺寸较大。 构尺寸较大。这就要求推动导水机构的调速器应有足够大 的操作能力， 的操作能力，所以水轮机调速器均设有外加能源的多级液 压放大系统，这将使执行元件的惯性增加，不利于调节。 压放大系统，这将使执行元件的惯性增加，不利于调节。 (2) 水电站一般都是有压过水系统，由水力学知道，当导叶 水电站一般都是有压过水系统，由水力学知道， 开度变化较快时， 开度变化较快时，管道内水流惯性会引起难以避免的水击 (锤)效应，它与调节作用相反并恶化调节过程。 效应，它与调节作用相反并恶化调节过程。 (3) 水轮机调速器配备具有双重调节能力的执行机构。 水轮机调速器配备具有双重调节能力的执行机构。
水电站 引水发电系统
七、调节保证计算 1．调节保证计算的任务 根据水电站水轮机组和引水系统条件，针对甩荷过渡 根据水电站水轮机组和引水系统条件， 过程所进行的机组转速和引水系统压力上升的计算叫调节 保证计算。 保证计算。 2．调节保证计算的任务及目的 (1) 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内 计算有压引水系统的最大和最小内水压力。 水压力作为设计或校核压力管道、 水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依 据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道 最小内水压力作为压力管道线路布置， 中产生负压和校核尾水管内真空度的依据； 中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；
4．按反馈的位置分为：辅助接力器型器型、 子调节器 5．按调速器工作容量大小可分为： 按调速器工作容量大小可分为： 大型： 80mm 大型：活塞直径 80mm 以上 中型： 中型：操作功 10000~30000 N. m 小型：操作功小于 10000 N. m 小型： 特小：小于 3000 N.m 特小：
(2) 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是 计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率， 否在允许的范围内。 否在允许的范围内。 (3) 选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和 选择调速器合理的调节时间和调节规律， 转速变化不超过规定的允许值。 转速变化不超过规定的允许值。 (4) 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。 研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。 3．调节保证计算标准 所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变化在 所谓调节保证计算标准， 技术经济上合理的允许值。包括：速率上升值β ；水压上 技术经济上合理的允许值。包括： 升值ξ ；尾水管真空值。 尾水管真空值。 4．计算工况选择 a. 额定水头甩全负荷； 额定水头甩全负荷； b. 最大水头甩全负。 最大水头甩全负。
混流式水轮机甩负荷过渡过程
俄罗斯萨扬俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故
萨彦-舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞河上游。重力拱坝， 萨彦 舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞河上游。重力拱坝， 舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞河上游 最大坝高245m，总装机640万kW，多年平均发电量 ，总装机 万 最大坝高 ，多年平均发电量235亿kW·h。水库总库 亿 。 有效库容147亿 为多年调节水库。工程具有发电、灌溉、 容313亿m3，有效库容 亿m3，为多年调节水库。工程具有发电、灌溉、 亿 航运和供水等综合经济效益。工程于 年动工兴建， 航运和供水等综合经济效益。工程于1968年动工兴建，1975年10月11日截 年动工兴建 年 月 日截 流，1978年第 台临时机组在 年第1台临时机组在 水头下投入运行， 年全部工程竣工。 年第 台临时机组在60m水头下投入运行，1989年全部工程竣工。 水头下投入运行 年全部工程竣工 厂房内共布置有10台单机容量 万 的立轴混流式水轮发电机组。 厂房内共布置有 台单机容量64万kW的立轴混流式水轮发电机组。水 台单机容量 的立轴混流式水轮发电机组 轮机为PO230/833-677型，转轮直径6.77m，转速 型 转轮直径 轮机为 ，转速142.8r/min，额定水头 ， 194m，流量358m3/s，额定出力 万kW，最大水头 ，流量 ，额定出力65万 ，最大水头212m，最大出力 ，最大出力73.5万 万 kW，转轮重 ，转轮重156t。最高效率 。最高效率96%。转轮采用耐空蚀不锈钢制造。发电机为 。转轮采用耐空蚀不锈钢制造。 伞式，额定电压 伞式，额定电压15.75kV，额定容量为 ，额定容量为711MVA，最大容量 ，最大容量736MVA，转子 ， 采用强制风冷，定子采用水内冷。发电机转子重 采用强制风冷，定子采用水内冷。发电机转子重935t，发电机总重 ，发电机总重1860t。 。