《水轮机调节的基本概述与工作原理》

(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(即前述的接力器)。
(2)水轮发电机组以水为发电介质，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(即水锤)，从而给水轮机调节带来很大困难。
导水机构
水能 QH
机组执行元件ຫໍສະໝຸດ 放大元件电能 UIf
给 定 f
f
测量元件
反馈元件
水轮机调节系统方框图
在方块图4—1中，测量、加法、放大、执行和反馈元件总称 为自动调速器。导水机构包括机组在内，统称为调节对象。
调速器和调节对象构成水轮机自动调节系统。
水轮机调节系统以频率 f (亦即机组转速)为被调节参数，根 据实测 f 与给定值间的偏差调节导水机构的开度，从而改变机组 的出力和转速(频率)，但要使改变后的频率符合给定值需要一个 调节过程，这个过程又称为调节系统的过渡过程，在这个过程中， 频率、开度等参数随时间不断变化。各参数随时间的变化情况， 及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态(即稳定工况)， 与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的动特性。若在经 过一段时间之后系统能够达到新的平衡状态，那么新平衡状态与 原平衡状态的关系，即各参数是否能回复到初始状态，亦与调节 系统的特性有关，这种特性称调节系统的静特性。下面将分别研 究水轮机调节系统的这两种特性。
(１) Mt=Mg ，水轮机的动力矩等于发电机的阻力矩， dω/dt=0，ω为一常数，机组以恒定转速运行。
(2) Mt＞Mg，水轮机的动力矩大于发电机的阻力矩，当发电机 的负荷减小时会出现这种情况，此时dω/dt＞0，机组转速上 升，在这种情况下，应对水轮机进行调节，减小流量，从而 减小Mt，以达到新的平衡状态。 (3) Mt ＜ Mg，水轮机的动力矩小于发电机的阻力矩，当发电 机的负荷增加时会出现这种情况，此时dω/dt＜0，机组转速 下降，在这种情况下，应增大水轮机的流量Q以达到Mt=Mg的新 的平衡状态。
(3)对于轴流转桨式水轮机的导叶和转轮叶片、水斗式 水轮机的喷嘴和折流板、带减压阀的混流式水轮机等，需增 加一套协调机构，对两个对象进行调节，使调节更为困难。
总之，水轮机的调节比其他原动机(如汽轮机等)的调节 要复杂和困难。
第二节 水轮机调节的基本概念
水轮机调节系统的组成元件及各元件的相互关系可用图 4—1的方块图表示。
图中的方块表示水轮机调节系统的元件，箭头表示元件 间信号的传递关系：箭头朝向方块表示信号的输入，箭头离开 方块表示信号的输出，前一个元件的输出是后一个元件的输入。 从图中可以看出，由导水机构输人的水能经机组转换成电能输 送给系统。电能的频率f(亦即机组的转速n)信号输入调速器的 测量元件，测量元件将频率f信号转化成位移(或电压)信号输 送给加法器(图中的⊕)并与给定的f值作比较，判定频率是否 有偏差和偏差的方向，根据偏差的情况通过放大器向执行元件 发出指令，执行元件根据指令改变导水机构的开度，反馈元件 则将导叶开度的变化情况反回给加法器，以检查开度变化是否 符合要求，如变化过头，则发出指令进行修正。
反击式水轮机调节流量的机构为导叶(转桨式水轮机 尚有转轮叶片)；冲击式水轮机调节流量的机构为带针阀 的喷嘴。导叶和喷嘴的针阀由接力器操作，根据水轮机所 需流量的大小，改变导叶或喷嘴的开度。接力器的动作则 由调速器操纵，根据调速器的指令行事。
水轮机及其导水机构、接力器和调速器构成水轮机自 动调节系统。与其他原动机的调节系统相比，水轮机的调 节系统具有以下特点：
Mt
QH
(4—2)
式中, γ——水的容重； Q——水轮机的流量； H——水轮机的工作水头； η——水轮机的效率。 在γ、Q、H、η中，只有Q是易于改变的，因此，通常把Q
作为水轮机的被调节参数，
(1)Mt Mg，
d 0,
dt
C,
nne
(2)N Mg Mt Mg
d0 n
对于磁极对数已经固定的水轮发电机，其输出电能的频率 决定于机组的转速，因此，欲保持机组供电频率不变，则必须 维持机组转速不变。水轮发电机组的转速变化一般要求不得超 过±0.1％～±0.4 ％。故水轮机调节的本任务可归纳为：
根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组 转速在规定范围内。
除以上的基本任务外，水轮机调节的任务尚有机组的起动、 并网和停机等。
调速系统
控制水电机组出力、事故紧急停机。
机组的转速变化可用以下基本动力方程表示
Mt
Mg
J
d
dt
(4-1)
式中，J—机组转动部分的惯性矩； ω—机组的旋转角速度，ω=2πn/60，弧度／
s，
n为机组转速，r／min； Mt—水轮机的主动力矩； Mg—发电机的阻力矩； t—时间。
水轮机的动力矩可用下式表示
dt
d
(3)N Mg Mt Mg
0 n dt
所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n=ne
又： MtQ H Mt Q H
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。
通过改变Q来改变水轮机的动力矩Mt。 比较式(4—2)和式(4—1)，可能出现以下三种情况：
电力系统的负荷是不断变化的，包括一天之内的 周期性变化和以分秒计的短周期的非规律性变化。因 此，根据系统的要求和水轮发电机组出力变化灵活的 特点，水轮发电机组的出力需进行调节，其任务为：
电力系统的负荷图
(1)根据负荷图的安排，随着负荷的变化迅速改变机组的出力， 以满足系统的要求。
(2)担负系统短周期的不可预见的负荷波动，调整系统频率。
第四章 水轮机调节
第一节 水轮机调节的任务 第二节 水轮机调节的基本概念 第三节 水轮机调速器的工作原理 第四节 水轮机调速器的类型 第五节 油压装置
第一节 水轮机调节的任务
水轮发电机组将水能转换为电能，输送给电力系统， 供用户使用。电力系统向用户提供的电能应满足一定的质 量要求，频率和电压的变化不能太大，应保持在额定值附 近的某一范围内，否则将影响各用电部门的工作质量。例 如，电能频率的变化将引起用电设备电动机的转速变化， 从而影响电钟计时的准确性、车床加工零件的精度、布匹 纤维的均匀性等。我国规定的电力系统频率为50Hz，其偏 差，大系统不得超过±O.2Hz，小系统不得超过±0.5Hz。