水轮机调节原理及调速器选择

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、输油管、附件等组成。
额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为 2.5MPa；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，低压侧的油通过 回油管路进入回油箱。 当油压降低到正常工作油压下限(2.3~2.7MPa)时， 油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油 压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。 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器。
调速功)为表征组成标准系列。用调速功来进行选 择。 对大型调速器，三者是分开的，并且互不配套， 需要分别进行选择。大型调速器的表征值是主配 压阀直径，因此需要先求出主接力器容积，再计 算主配压阀直径。
1、中小型调速器的选择
调速功：接力器活塞上的油压力与其行程的乘积。
反击式水轮机的调速功：
A=(200~250)Q(HmaxD1)1/2
五、调速器的类型与系列
(一) 类型 1、按调速器元件结构分： 机械液压(机调)：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。
电气液压(电调)：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， 便于安装调整。目前还有不少电站在使用。
微机调速器：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。
Scmax=(0.036~0.072)D1
Vc=0.25πdc2 Scmax
(2) 主配压阀直径的选择
通常主配压阀的直径与通向主接力器的油管直径相
等。通过主配压阀油管的流量为：
Q=Vs/Ts Ts为导叶的直线关闭时间。 则由管内油的流速(4~5m/s)确定油管直径d。 大型调速器以主配压阀的直径为表征而组成系列， 计算出d以后，就可以查表选择调速器型号了。 对于双调节的转浆式水轮机，通常使转轮叶片的主
a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)
其中，D0和Z0分别为水轮机导叶轴心园的直径和
水轮机的导叶数目。
将Smax的单位转换为m，即可求出两个接力器的 总容积： V 2 d s S 1 d 2 S (m3 ) s s max max
2
2
2
② 转浆式水轮机转轮叶片接力器的计算 转浆式水轮机除了选择导叶接力器以外，还要 选择转轮叶片接力器(位于轮毂内部)。 其直径dc、最大行程Scmax、容积Vc可按经验公式 估算。 dc=(0.3~0.45)D1(2.5/P0)1/2
Mg ——发电机的阻力矩
J ——机组转动部分的转动惯量； d ——角加速度；
dt
d (1) M t M g， 0, c, n ne dt d ( 2) N M g M t M g 0n dt d (3) N M g M t M g 0n dt
配压阀直径与导水机构的主配压阀直径相等。
（3） 油压装置的选择
油压装置的工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先 应按经验公式求出压力油罐的总容积Vk： Vk=(18~20)Vs 对于HL水轮机 Vk=(18~20)Vs+(4~5)Vc 对于ZZ水轮机 Vs和Vc分别为前面计算出的接力器容积。 若油压装置需要供给空放阀接力器用油，则Vk需要增加
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 差不超过±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。
二、水轮机调节原理
水轮发电机组的运动方程式为： d Mt Mg J dt 式中：Mt——水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)
《水 电 站》
2012年5月
第五章
水轮机的调速设备
一、水轮调节的任务 系统负荷变化→系统电压发生变化→发
系 统 负 荷 变 化
电机励磁装置动作→发电机的端电压恢
复并保持在许可范围内。
系统负荷变化→系统电流的频率f发生变 化，由于f是磁极对数p和转速n的函数→
发电机调速器动作→发电机的转速恢复
并保持在许可范围内。
所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n=ne QH 又： M t QH M t
要使 C ，一般不能改变H和效率η，而是通过
改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。
调节流量的途径：
反击式：通过改变导叶开度a0 ，ZZ：同时改变叶 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)，使机组转速恢复并保持为额定 转速的过程，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。
(9~10)Vt，Vt为空放阀接力器的容积。
若油压装置需要供给进水阀接力器用油，则Vk需要再增加 3Vf，Vf为进水阀接力器的容积。
计算出压力油罐总容积后，可查表选择油压装置。
d s D1 b0 H max D1
λ为计算系数，查表。b0为导叶高度。 当额定油压为4.0MPa时，接力器直径ds为：
d s d s 1.05 2.5 / 4.0 0.81d s
由计算的接力器直径，查标准接力器系列表，选用相邻 偏大的直径。
接力器最大行程Smax可由经验公式求出： Smax=(1.4~1.8)a0max a0max为水轮机导叶的最大开度，由模型水轮机导 叶最大开度a0Mmax换算得出：
（3）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。
三、水轮机调节系统的基本工作原理
导水机构
水能 QH
机
组
电能 UIf
给 定 f f
执行元件
放大元件
测量元件
反馈元件
水轮机自动调节系统方框图
调速器原理图
1—飞摆；2—主配压阀；3—接力器；4、5—活塞；6—节流孔； 7—硬反馈；8、9、10—变速机构；11—移动滑块
Q为最大水头下额定出力时的流量。
冲击式水轮机的调速功：
A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000)
Z0为喷嘴数目 d0为额定流量时的射流直径。
2、大型调速器的选择
(1) 接力器的选择 ① 导叶接力器的选择 通常采用两个接力器操作导水机构 当额定油压为2.5MPa时，接力器直径ds为：
水轮机调节系统的特点：
（1）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，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 流量变化将引起很大的压力变化。
(二) 调速器系列(反击式水轮机)
第一部分：基本特性和类型
大型：无代号； 中小型带油压装置：Y； 特小：T
机械液压：无代号； 电动调节：D 单调：无代号； 双调：S 调速器：T 第二部分：工作容量 中小型调速器×9.81N.m；大型指主配阀直径(mm) 第三部分：额定油压
2.5MPa 不加注释
例： YT—300 中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工 作容量300×9.81Nm
DST—100A—40
大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径 100mm，额定油压40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次 改型后产品 A、B、C为改型次数，系列型谱见表5—1。
六、水轮机调速设备的选择
包括：调速柜、接力器、油压装置 中小型调速器是将上面的三部分结合在一起，成
为一个整体设备，以主接力器的工作容量(也称为
四、水轮机调节系统的组成 调速器的作用：
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。
水轮机自动调节系统:
调速柜+油压设备+接力器。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。
调速系统
油压装置
调速柜主要有以下几个部分组成：
测量机构：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。 放大机构：(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。 反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=时，反 馈信号使调节停止。
数字式电液调速器监控系统主界面
数字式电液调速器油压装置显示画面
2、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 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wenku.baidu.com
中型：操作功10000Nm~30000Nm
小型：操作功小于10000Nm，特小：小于3000Nm