第五章 水轮机调速设备

第五章 水轮机调速设备

第一节 调速设备的目的与作用

一、水轮机调节的任务

通过调节流入水轮机流量的大小，是机组出力与外界负荷相适应，保证机组在额定转速下运行，从而保证机组发出的电流频率满足电力系统的要求。水轮机调节的具体任务是：

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。

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)。

二、调节途径

水轮发电机组的运动方程式为

g t M M dt

d J -=ω （5—1） 式中：J ——机组转动部分的惯性矩，对一定机组为常数；

ω——机组转动角速度，60n πω=

dt d ω——机组转动角加速度； t M ——水轮机的主动力矩，由水流对水轮机叶片作用形成，推动机组转动，

ωη

rQH M t =；

g M ——发电机的阻力矩，发电机定子对转子作用力矩与t M 方向相反。

机组型号确定后则J 为定值，当t M =g M 时

dt

d ω=0，则转速稳定，机组稳定工作。若电力系统负荷变化时，则引起发电机g M 变化，g M ≠t M ，就会使dt d ω≠0，会引起两种结果：

1、g M ＞t M ，增负荷，则

dt

d ω＜0，水轮机转速降低； 2、g M ＜t M ，减负荷，则dt

d ω＞0，水轮机转速升高， 从1、2可知，只要g M ≠t M 必会引起水轮机转速变化，而水轮机转速变化将会引起电流频率的变化，若频率f 不变只需dt d ω=0即t M =g M 这就需要不断调整水轮机主力

矩t M 来适应不断变化的发电机阻力矩g M 。水轮机引入流量的改变是通过调节水轮机导叶开度来实现的。

水轮机随着机组负荷的变化而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值或某一预定值的过程称为水轮机调节。

(N 变化 —— a 0变化—— Q 变化 —— n=n e )

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。

第二节 水轮机调速设备组成、类型及选型

一、调节设备的特性

在水轮机调节系统适应负荷变化而保持转速不变的过程中，其工作状态有两种：一是转速不变的稳定状态，二是调节过程的调节状态。这两种状态的特性不同，第一种状态用调节系统的静特性来描述，第二种状态用动特性来描述。

（一）静特性

机组负荷不变，则机组转速恒定，调节系统处于稳定状态下，此时机组转速与机组负荷间的关系称为调速器的静特性。

（二）动特性

机组负荷发生变化时，调节过程中机组转速随时间的变化关系称为调速器的动特性。

二、调速器基本原理

（一）水轮机调速系统的组成

一般由调速柜、接力器、油压装置三部分组成。

1、调速柜

控制水轮机的主要设备，能感受指令并加以放大，操作执行机构，使转速保持在额定范围内。调速柜还可进行水轮机开机、停机操作，并进行调速器参数的整定。

2、接力器

调速器的执行机构，接力器控制水轮机调速环（控制环）调节导叶开度，以改变进入水轮机的流量。

3、油压装置

由压力油罐，回油箱，油泵三部分组成。

中小型调速器的调速柜，接力器和油压装置组合在一起，称为组合式；大型调速器分开设置，称为分离式。

（二）调速器的基本原理

以机械液压型为例来介绍调速器的工作原理。

机械液压式调速器主要有离心飞摆、配压阀、接力器、缓冲器、反馈系统等组成。转速稳定时，飞摆1转速稳定，其下端点在A 处，主配压阀2的活塞杆端点位于B ，其两活塞封住通向接力器3两端油口，接力器不工作，此为初始平衡状态。当机组转速变

化时，调速器开始工作。如负荷减小转速增加，飞摆离心力加大飞摆外张，下端到A 1点，AOB 杆转到11OB A 位置，使配压阀活塞下移，接力器右腔与压力油相通，左腔与排油管相通，接力器活塞左移关闭导水机构，入流量减小，水轮机转速下降。飞摆为测速，配压阀为放大，接力器为执行机构。

在调速器中仅由上述三个机构是不完善的，由于惯性的作用会形成过调，为改善过调，还应设反馈机构8。当接力器左移关闭时，活塞杆推动滑块4左移，使8点上移，若C 点不动，D 点则上移，使LMN 杆绕N 点顺时针转动，M 上移，O 点移到o '点，使AOB 杆占据B O A '1位置，主配压阀回复中间位置不向接力器供油停止动作，避免过调现象，接力器停止工作，A 点、O 点分居于1A 、O '位置，机组转速稍高于调节前的转速，调节前后转速有偏差，它可有利于机组合理稳定地担负电力系统分配的负荷。

机组正常运行时，有时需要人为地改变机组的转速和负荷，以完成同期并列和增减负荷，故还设有变速机构图中9。L 点除由8控制外，还可由C 点控制，C 点由9来调整也可由人工操作。10为开度限制机构可开、停机。

（三）调速器的类型、系列

1、调速器的类型

（1）根据测速元件的不同，调速器可分为机械液压型与电气液压型两大类。

（2）按调节机构数目不同，分为单调节和双调节。单调节：接力器只调节导叶开度，如ZZ 、XL ，但当尾水管水击压力不足安放空放阀时，为双调节；双调节：接力器调节导叶开度、叶片装置角，调节针阀行程、折流器，如CJ 。

（3）按调速器容量大小不同，可分为大型与中小型调速器。大型调速器的主配压阀直径大于80mm ；中型调速器的调速功在10000-30000m N ⋅；小型调速器的调速功小于10000m N ⋅；特小型调速器的调速功小于3000m N ⋅。

2、调速器系列

目前，我国反击式水轮机调速器系列型谱调速器分为大、中、小和特小四个系列。 调速器的型号有三部分组成，中间用横线隔开，其形式为：