水轮机调节教材2011

水轮机调节培训教材

第一章水轮机调节概述

第二章微机调速器结构及原理第三章本站调速器讲解

第四章微机调速器一般故障处理第五章现场设备讲解

第一章 水轮机调节概述

一、水轮调节的任务

系统对发电机组产生两方面的影响：

1) 系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→发电机端电压恢复并保持在许可范围内。

2) 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。

水轮发电机组把水能转变成电能供用户使用，用电户除要求供电安全、可靠外，还要求电能的频率及电压在额定值附近某一范围内，若频率偏离额定值过大，就会直接影响用户的产品质量。按照规定，电力系统的额定频率应保持在50HZ ，其偏差不应超过士0.2HZ ，有关标准对额定电压及其偏差值也有相应的规定。

电力系统的负荷是不断变化的，存在着变化周期为几秒至几十分的负荷波动，这种负荷波动的幅值可达系统容量的2% ~ 3%，而且是不可预见的。此外，一天之内系统负荷有上午、晚上两个高峰和中午、深夜两个低谷，这种负荷变化基本上是可以预见的，但从低谷向高峰过渡的速度往往较快，如有的电力系统记录到每分钟负荷增加达到系统容量的1%。电力系统负荷的不断变化必然导致系统频率的变化。

水轮发电机一般是三相同步发电机，其频率f 与转速n 之间有着严格的关系式：

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np f （2－1） 式中：p 为发电机磁极对数；

n 为发电机转速（r/min ）；

f 为频率（HZ ）。

发电机的磁极对数p 是由发电机的结构确定的，对于运行中的机组一

般是固定不变的，所以发电机的输出频率实际上是随着水轮发电机组转速的变化而变化。而水轮机的转速是由导叶开度控制的，因此，水轮机调节的基本任务就是当电力系统负荷发生变化、机组转速出现偏差时，通过调速器相应地改变水轮机导叶开度，使水轮机转速保持在规定的范围之内，从而使发电机组的输出功率和频率满足用户要求。具体来讲，水轮机调节的基本任务可分为转速调节、有功功率调节和水位调节。

转速调节主要用于在空载工况和带孤立负荷工况，空载工况时，调速器的任务是使机组转速跟踪转速给定或系统频率；带孤立负荷时，调速器的任务是在发生负荷扰动时维持转速(频率)和跟踪转速给定(频率给定)；在与电网并列运行时，调速器有时作为电站调频装置的一部分起作用。

有功功率调节用于与电网并列运行工况，其任务是保持本机组的输出功率，在频率变化时，将根据永态转差率适当调整输出功率。

水位调节用于保持上水库水位。例如对径流式电站，由于没有水库，若发电用水量超过来水量，水位就会下降，从而导致水电站水头下降和单位水量的发电量下降，这样就降低了电站运行的经济效益；当发电用水少于来水量，上游水位上升，可能导致弃水，这也会降低电站的经济效益。所以需要以保持上游水位为目标调整机组出力，这就是水位调节。

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±，大电

力系统不超过±。

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、水轮机调节的基本原理

在水电厂的生产运行中，以上的三种调节方式中的有功功率调节方式最为重要。因此在有功功率调节时，必须根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速(频率)在规定的范围内。机组的

运动方程可用下式表示：

g t t

M M d d J -=ω （2－2） ω

P M t = （2－3） 式中 J ——机组转动部分惯性力矩；

ω——角速度，ω=n π /30 (n 为机组转速)；

t M ——水轮机主动力矩；

g M ——发电机阻力矩；

P ——η ；

H ——水轮机工作水头；

Q ——通过转轮的水流流量；

η——水轮机效率。

水轮机动力矩Mt 是由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于水头H (m)、导叶开度(流量Q)、机组转速n 等。

ω

η•••=H Q r M t (2－4) 式中：r ——水的比重(10003/m kg )

Q ——通过水轮机的水流量(s m /3)

发电机阻力矩g M 是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与旋转方向相反，是阻力矩。由发电机原理可知，g M 代表发电机有功功率输出，即负荷的大小，它与用户性质有关。

当负荷(用电设备)变化以后，导叶开度不变，机组转速仍可稳定在某一数值上，如图2-1中的转速1n 或2n ，水轮机及负荷的这种能力称为自平衡调节能力。仅仅依靠目平衡调节能力来保持转速是不行的，因为转速将偏离额定值。

要使机组转速在负荷变动以后仍维持在原来额定值，从图2-1中可以看出，这就需要相应改变导叶开度。当负荷减少时，阻力矩由)(2n f 变到)(3n f 时，只需把导叶开度减小到b a ，机组转速将维持在0n ；相反，当负荷增加时，阻力矩由)(2n f 变到)(1n f 时，相应开启导叶至c a ，就能维持机组转速不

变。所以随着负荷的改变，相应改变导水机构的开度，以使水轮发电机组的转速维持在某一预定值，或按某一预定规律变化，这一过程就是水轮发电机组的转速调节，或称水轮机调节。

由此可见：当M t- M g>0时，机组转速上升；

当M t- M g﹤0时，机组转速下降；

当M t- M g=0时，机组转速保持不变。

所以，要使ω=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M t的目的。

图2-1水轮机调节示意图

三、水轮机调节的特点

水轮机调节系统是由水轮机调速器和调节对象(包括引水系统、水轮机、发电机及负载)共同组成。水轮机调节系统与其他原动机调节系统相比有以下特点：

(1)水轮机调节装置必须具备有足够大的调节功；

(2)水轮机调节系统易产生过调节，因而不易稳定；

(3)水轮机的反调效应不仅不利于调节系统的稳定，而且严重恶化了调节系统的动态品质；