水轮机调节系统的构成和任务

水轮机调节系统的构成和任务
电气班
二〇一三年七月
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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
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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。
式中
nmax—机组出力为零时的转速； nmin—机组出力为额定值时的转速；
n0— 机组n的max额定nm转in速。
n0
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图4—3调节系统的静特性
(a)无差特性 (b)有差特性
图4—4 具有无差特性机组的并列运行
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在工程实践中δ一般为O～O.08。 电力系统是由许多机组组成的，若各机组都是无差调节特性，则负荷在各机组 间的分配是不明确的。图4—4为两个具有无差特性机组的并列运行情况。两台机 组所分担的负荷N1和N2是不固定的，可以N1大些N2小些，也可相反，有无穷多的 组合情况，不管负荷在两台机组之间如何分配，都能保持转速不变，而且负荷会 在两台机组之间摆动，因此，除担负调频任务的机组外，一般机组不能采用无差 特性。
(2)超调量σp要小，即被调节参数振荡的相对幅值要小。 无差调节:以第一负波值占最大转速偏差值的百分数表示:
有差调节:以最大转速偏差值占转速给定值的变化幅值的百分数表示:
(3)在第(1)点所述的调节时间内振荡次p 数X要n少nm1a(x1~21周00波%)。
p

nmax n0

nmax 100% n0 n0
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图4—5为两个具有有差调节特性的机组。若系统的转速(频率)为n0，则两台机组所 分担的负荷N1和N2是固定不变的，否则便不能保持原有的转速n0。若外界负荷增加△N， 只需适当降低转速至n2：即可使两台机组分别增加负荷△N1，和△N2，并使△ N1+△N2= △N。 △N1和△N2的大小与转速变化△ n=n0-n’0和机组静特性曲线的斜率(或调差率δ) 有关，△n越大，δ越小，△N越大。故机组采用有差调节特性后，无论在负荷变动前
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调速系统
控制水电机组出力、事故紧急停机。
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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。
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水轮机的动力矩可用下式表示
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水轮机调节系统的动特性可用被调节参数(例如转速n)与时间的关系曲线来
表达，调节系统一的、动特水性轮不机同，调曲节线系的形统式的也不动同特，性但可归纳成5种基本类型，
如图4—2所示。
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图4—2(a)中的机组转速在t=t0 时偏离额定转速n0后，在t1时达 最大值nmax，然后逐步回复到额 定转速n0，进入一个新的平衡状 态，其过渡过程是一个非周期的 衰减过程，无过调节现象(无n＜ n0情况出现)。
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图4—2(e)是一个非周期性发散 过程，转速n一旦偏离定额值n0， 其与n0的偏差将随时间而增大， 不可能达到一个新的稳定状态。
图4—2(a)和(b)的过渡过程是稳定的，其他三种过渡过程 是不稳定的。过渡过程能否稳定，决定于调节系统本身的性质。 稳定性是对调节系统的基本要求，不稳定的调节系统是不能采 用的。
0 n 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：
Mt
QH
Mt

QH
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。
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• 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：
用AOB杠杆与离心摆的活动套筒A相连，故离心摆套筒的位移信号
可通过AOB杠杆传递给配压阀连杆顶端。配压阀通过液压将离心摆
的信号放大，故配压阀是一个放大机构。
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3. 接力器 如图4—6中的3所示。接
力器由油缸和活塞组成。油 缸左右各有一个油孔通主配 压阀。接力器的活塞杆与水 轮机的导水机构连接。在机 组稳定运行工况时，接力器 的油路因被主配压阀切断， 故接力器的活塞处于静止状 态。
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。
(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。
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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
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Hale Waihona Puke Baidu
调节系统除应满足稳定性的要求外，其过渡过程曲线还应该有比较好的形状，即具有良好的品质。 对过渡过程品质的要求概括起来有以下几个方面：
(1)调节时间Tp要短(十几秒~几十秒，越小越好)，即从被调节参数偏离初始平衡状态达到新的平衡 状态的时间要短。从理论上讲，过渡过程振荡的完全消失要很长的时间，但对于实际工程，当转速ｎ 与额定转速n0的偏离值小于(0.2％～O.4％)n0 ,即可认为进入新的平衡状态。
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，
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(1)M t

M
，
g
d 0,
dt
C,
n ne
d
(2)N
Mg
Mt Mg
主要组成部分和工作原理如图4—6所示。其主要组成部分如下。 1．离心摆
离心摆如图4—6中的1，它有两个摆锤，通过钢带顶部与转轴固定，下部与可沿 转轴上下滑动的套筒相连。离心摆用电动机带动旋转，其转速与水轮发电机组转速 同步。在转速上升或下降时，摆锤在离心力的作用下带动套筒A上下移动。故离心摆 是测量和指令元件，测量对象是机组转速，将机组转速信号转换为套筒位移信号。 由于离心摆的负载能力很小，不可能直接推动笨重的水轮机导水机构，因此还需要 有放大和执行机构。
或变动后，都能分担固定的负荷。因此一般机组都采用有差调节特性。机组的无差或
有差调节及调差率δ的大小，可通过整定调速器的参数得到。
△N
1
△N2
图4—5 具有有差特性机组的并列运行
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第三节 水轮机调速器的工作原理
一、调速器组成 水轮机的自动调节系统包括调节对象(水轮机及其导水机构)和调速器。调速器的
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(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。
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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
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(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。
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二、调节系统的静特性
调节系统的静特性指稳定工况(平衡状态)时各参数之间的关系，通常用机组转速n 与出力N的关系表示。
调节系统的静特性有以下两种： (1)无差特性，如图4—3(a)所示，机组转速与出力无关，在任何出力情况下，调节 系统均能保持机组转速为n0。 (2)有差特性 机组出力小时保持较高的转速，出力大式保持较低的转速，即调节前 后两个稳定工况间的转速有一微小偏差。偏差的大小通常以相对值δ表示，称为调差 率(亦称残留不均衡度)，即
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导水机构
水能 QH
机组
执行元件
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
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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。
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。
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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：
图4—2(b)是一个周期性衰减振 荡，转速n在偏离额定转速n0后， 经过一个振荡过程进入新的稳定 状态。
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图4—2(c)是一个周期性非衰减 振荡，转速n在偏离额定转速n0 后进入一个持续振荡状态，不 能达到一个新的稳定工况。
图4—2(d)是一个周期性发散振 荡，转速n的振荡幅值随时间而 增大，达不到一个新的稳定工 况。
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2．主配压阀
主配压阀如图4—6中的2所示， 由阀套和两个阀盘组成。阀 套右侧中部有压力油孔，顶 部和底部各有一个回油孔， 此外，阀套左右两侧各有一 个油孔分别与接力器3的左右 两个油腔相连。
在机组稳定运行时，两个阀盘所处的位置恰巧堵住与接力器相通的
两个油孔，故接力器处于静止状态，此时阀盘连杆顶端位于B，并