水轮机调节

1、水轮机调节的基本任务是什么？与其它调节系统相比，水轮机调节有哪些特点？基本任务：根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，并维持机组转速(频率)在规定的范围内。

这就是水轮机调节的基本任务。

水轮机调节的特点：(1)水轮发电机组是把水能变成电能的机械，而水能要受自然条件的限制，单位水体 小所带有的能量较小，与其他原动机相比，要发出相同的电功率就需要通过较大的流量，因 而水轮机及其导水机构也相应较大。

(2)水电站受自然条件的限制，常有较长的压力引水管道。

(3)有些水轮机具有双重调节机构。

(4)随着电力系统的扩大和自动化程度的提高，要求水轮机调速器具有越来越多的自动操作和自动控制功能。

总之，水轮机调节系统相对来说不易稳定，结构复杂，要求具有较强的功能。

2、什么是调速系统的转速死区？其对调节性能有何影响？ 转速死区：在调速系统的转速上升和下降静态特性曲线中，相同开度下的转速之差与额定转度之比。

对调节性能的影响：转速死区使调节系统频率调节质量降低，使机组负荷分配误差增大，对调节系统稳定性也不利。

5、什么是调节保证计算？在设计阶段就计算出甩负荷过渡过程中的最大转速上升值及最大压力上升值，以判断甩负荷过程中的压力和转速是否超过允许值，工程上把这种计算称为调节保证计算。

6、什么是直接水击、间接水击？什么是水击相长？直接水击：阀门（导叶）的关闭（开启）时间Ts ’<Tr ，则在水库传来的反射波还没到达时，阀门（导叶）已经关闭（开启）。

因此，在阀门（导叶）关闭（开启）时刻，只受到直接波的影响，这一现象，称为直接水击。

间接水击：阀门（导叶）的关闭（开启）时间Ts ’<Tr ，则阀门（导叶）关闭（开启）前，反射波已经达到。

因此，阀门处的压力取决于直接波和反射波，这一现象称为间接水击。

水击相长：由A 端产生的水击波到达B 端反射回A 端所经历的时间称为水击的相长。

aLT 2r =7、试写出T w 、T a 、T r 的公式，并分析各自的物理含义和在调节系统所起的作用。

%10021⨯-=rn n n n iw AgH LQ T =,水流惯性时间常数：是指在额定工况下，表征过水管道中水流惯性的特征时间常数，反应了水击的严重程度。

rrP n GD T 358022a =，机组惯性时间常数：反应转子加速快慢的时间常数，发电机组惯性时间常数越小，说明转子越易加速，超速可能性越大。

aL T 2r =,水击相长，由A 端产生的水击波到达B 端反射回A 端所经历的时间。

8、微机调速器中连接电气部分和机械液压部分的关键元件是什么？它的作用是什么？ 电液转换器作用:将调节器部分输出的综合电气信号，转换成具有一定操作能力和位移量的机械位移信号，或转换成为具有一定压力的流量信号。

10、绘图说明变化的负荷如何在并网机组之间进行自动分配。

设系统中有N 台并列运行的机组。

系统的转速为n 0,各台机组担任的负荷分别为：P 1、P 2、P 3……。

如果外界负荷增加了P ∆，此时各机组转速将降低，设新平衡的转速为n 0’,此时各台机组的负荷增加为P 1’、P 2’、P 3’……，同理当外界负荷减少时，各台机组的负荷将减少。

由相似三角型关系：rr p r P n e P n n BC AC P P n n bc ac 1111min max 1'1'00=-==--= 则：1111'00P P n e n n rr p ∆=-，同理：n nr rn pn r r p P P n e P P n e n n ∆==∆=- 2222'00 于是：r npiir nipn nr n p r p rn n n e P Pe P P e P Pe P P '0011222111-=∆=∆==∆=∆∑∑ pi irnpiir i e P e P P P ⨯∆=∆∑∑1 即：当机组台数、容量及调差率一定时，各台机组承担的负荷与其额定出力成正比，与调差率成反比。

12、试推导出混流式水轮机的动态方程，并说明六个传递系数的含义。

混流式水轮机的稳态特性，它可以表示为上式函数均为非线性函数。

在研究小波动问题时，可以采用近似的线性模型，为此需在稳态工况点将上述两式展开为台劳级数，并略去含有二阶以上导数的各项，有对上列两式取相对值：r rr tr r r t r t r t H HH H M M n n n n M M a a a a M M M M ∆∂∂+∆∂∂+∆∂∂=∆max maxrr r r r r r r H HH H Q Qn n n n Q Q a a a a Q Q Q Q ∆∂∂+∆∂∂+∆∂∂=∆max max 令：max max a aY Y y H H h n n x Q Q q M M m r r r r t t ∆=∆=∆=∆=∆=∆= r r t h r r t x r t y H H M M e n n M M e a a M M e ∂∂=∂∂=∂∂=max ，rrqh rrqx r qy H H Q Qe n n Q Q e a a Q Q e ∂∂=∂∂=∂∂=max其中：e y 为水轮机力矩对导叶开度传递系数；e x 为水轮机力矩对转速传递系数；e h 为水轮机力矩对水头传递系数；e qy 为水轮机流量对导叶开度传递系数；e qx 为水轮机流量对转速传递系数；e qh 为水轮机流量对水头传递系数。

13、试推导辅助接力器型调速器、中间接力器型调速器的传递函数，并分析当阶跃信号加入时的瞬态响应。

1) 辅助接力器型调速器方框图基值选取：一般说，频率基值选用额定频率fr，电压基值选用测频回路在频率变化100％时的输出电压Ub(不考虑限幅)，接力器位移基值选用最大位移Ymax，配压阀位移基值采用相当于频率变化l00%的配压阀位移值Sb。

(1)测频回路取相对值和拉普拉斯变换后(2)综合放大回路取相对值和拉普拉斯变换后(3)电液转换器取相对值和拉普拉斯变换后其中：(4)调节杠杆取相对值和拉普拉斯变换后(5)引导阀和辅助接力器取相对值和拉普拉斯变换后(6)主配压阀和主接力器其中：(7)局部反馈取相对值和拉普拉斯变换后其中：(8)硬反馈取相对值和拉普拉斯变换后其中：(9)软反馈取相对值和拉普拉斯变换后其中：根据上述各环节的传递函数，可画出如图6—5示的方框图。

整理后：通常辅助接力器时间常数Tyl 较Ty 和Td 小得多，大约为0.1～0.011 s ，若令Ty1=0，则上式可简化为p d p t y d y d r b s T b b T s T T s T s G +++++=])([1)(22) 中间接力器型调速器方框图（相对值）中间接力器型调速器实际可分为调节器和随动系统两部分（1）调节器部分：中间接力器行程基值应采用中间接力器的最大行程Ylmax ，而引导阀行程基值应选用相应转速变化100%的引导阀位移量S 1b ，其中：''011m a x1111K K K U S S Y K F T d b b b y ==υ，pd p t y d y d r b s T b b T s T T s T s G +++++=])([1)(1211（2）机械液压随动系统：主配压阀位移基值Sb 应取为Y1max ·K1，K1为中间接力器行程至主配压阀行程的传递系数。

主接力器行程基值取为Ymax ，但根据随动系统概念，应有Y1max=Ymax ·K2，K2为反馈传递系数。

因此：，其中：反馈：因此随动系统传递函数：中间接力器型调速器传递函数为：)1}(])([{1)()()(12121++++++==s T b s T b b T s T T s T s G s G s G y p d p t y d y d r r r ， 通常中间接力器的行程较辅助接力器大得多，其时间常数亦略大，但总还是较Ty 和Td 为小，若令Ty1=0，则有：p d p t y d y p t d r b s T b b T s T T b b s T s G ++++++=])([)(1)(2阶跃响应：如前所述，辅助接力器型调速器传递函数为：通常Ty<<Td ，且bp ≅0，则上式可写为：sT b b s G d t t 11)(r += 可得到：dt t T b t b t y +=1)( 其图形见图6—11。

由图可见，在阶跃信号加入后，输出y 即有一跳变，其幅值为1/bt ，随后随 时间直线变化。

1/bt 的大小表征了调速器的速动性。

实际上由于接力器有一定的时间常数，因此接力器位移不可能产生跳变，上式只是近似地表达辅助接力器型调速器的调节规律。

具有前向微分校正的辅助接力器型调速器的传递函数s b T s T b T b T T s G tn d t d t d n r +++=1)(14、试按刚体理论推导等截面的均质管道的水击压力上升公式。

根据动量定理，在末端A 处所产生的压力变化：v m P ∆=∆∆t式中：m 为水管内全部水体的质量，gSLγ=m ，γ为水的重度。

于是v t g SL ∆∆=∆γP ，又H S P ∆=∆γ,则tg L H ∆∆=∆υ用相对量表示：tQ Q S gH LQ t gH L t gH L H H∆∆=∆∆=∆∆=∆0000000000)(υυυυυυ 令：000Q Qq H H ==∆=，，υυυξ 000gSH LQ T gH L T w w ==或υ则：dtqd T dt d T w w-=-=ξυξ或 15、试按甩负荷后，导叶从开始动作到最大转速时刻之间的水轮机出力随时间呈直线减至零时的转速上升公式和水轮机力矩随时间呈直线规律减小至零时的转速上升公式。

机组运动方程为M M M dtd J g t =-=ω(1)假定甩负荷后，导叶开始动作到最大转速时刻之间的水轮机力矩随时间呈直线减至零。

将其代入上式积分：dt JM d =ω )(100max 0⎰⎰+=nT c M T Mdt J d ωωω JM T J M T J M T Mdt J c n T c n00000max max 21+=+=-=∆⎰ωωω其中：g GD J P M n4302000===，，ωπωmax0max n n ∆=∆=ωωβ则：an c T TT 22+=β其中：023580P n GD T a =但实际上力矩随时间变化过程线并不是直线，这里有水击的影响及水轮机特性的影响等，所以引进一修正系数：an c T f T T 22+=β（2)假定甩负荷后，自导叶开始动作至最大转速之间，水轮机出力随时间呈直线关系减至零。