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：60np 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 tM M d d J -=ω （2－2） ωP 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。

ωη•••=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；(4)有些水轮机还具有双重调节机构，从而增加了调速器的复杂性。

总而言之：调节流量的途径：反击式：通过改变导叶开度a0，ZZ：同时改变叶片转角。

冲击式：通过改变喷嘴开度。

四、水轮机调节系统的组成水轮机自动调节系统：调速柜+油压设备+接力器。

其中中小型水轮机调速器将这三部分组合成一个整体，称为组合式，运行方便。

调速柜的作用：以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。

油压装置调速柜主要有以下几个部分组成：测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号转变为位移信号，然后输出。

放大机构：(引导阀+辅助接力器、主配阀+主接力器，二级放大)：位移变化→油压变化。

执行机构：主接力器，控制导叶开度，改变流量反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节结束时，反馈信号使调节停止。

油压设备的作用：供给调速器压力油，传递操作力。

由压力油罐、回油箱、油泵、输油管、附件等组成。

额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为；有的电站采用高油压，为。

调速器工作时的高油压来自油罐，低压侧的油通过回油管路进入回油箱。

当油压降低到正常工作油压下限(2.3~2.7MPa)时，油泵自动启动，将回油箱内的油泵入压力油罐，油压达到正常工作油压上限时，油泵停止工作。

接力器是调速器的执行元件，大型电站设两个或两个以上接力器。

五、调速器的类型与系列(一) 类型1、按调速器元件结构分：机械液压(机调)：信号测量、信号综合、信号反馈均由机械环节完成。

现在很少使用。

电气液压(电调)：用电气回路代替机调中的机械元件。

调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。

目前还有不少电站在使用。

微机调速器：用工业控制计算机代替电子调速器，赋予了调速器更多的控制功能，性能更优良。

2、按调节机构数分单调：一个导叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组双调：有两个调节机构(导叶开度，叶片转置角)，如ZZ、CJ(针阀、折流板转动)3、按大小(容量)大型：活塞直径80mm以上中型：操作功10000Nm~30000Nm小型：操作功小于10000Nm，特小：小于3000Nm(二) 调速器系列(反击式水轮机)第一部分：基本特性和类型大型：无代号；中小型带油压装置：Y；特小：T机械液压：无代号；电动调节：D单调：无代号；双调：S调速器：T第二部分：工作容量中小型调速器×；大型指主配阀直径(mm)第三部分：额定油压如为，不加注释例：YT—300：中型、带油压装置、机调、额定油压，工作容量300×DST—100A—40：大型、电气液压、双调节调速器；主配阀直径100mm，额定油压40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次改型后产品A、B、C为改型次数，系列型谱见表5—1。

第二章微机调速器结构及原理一、可编程控制器的发展现状与特点1、可编程控制器的发展现状1968年，美国通用汽车(GM)公司针对“多品种、小批量”的市场需求，提出了10项功能指标全新的工业控制装置的设想。

1969年，美国数字公司(DEC)按上述要求研制成功了这种新型工业控制装置，当时主要是用于逻辑控制，称之为可编程逻辑控制器((Programmable Logic Controller)，简称PLC。

PLC实质上是一种工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的与工业过程相连接的接口和更直接的适应于控制要求的编程语言。

从硬件结构看，它也有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出(Il0)接口、电源等(如图1-1)。

图1-1 PLC硬件结构图至20世纪90年代中期，全世界约有200多个厂家生产400多个品种的PLC产品及其网络产品。

PLC是工业控制系统中继单片机、STD总线之后的又一个里程碑。

当前，PLC仍然是一种应用非常广泛、发展十分迅速的技术。

其主要发展方向是：适应生产过程和机械自动化需求的智能单元和模块、通信、现场总线技术、产品的进一步系列化和编程语言的完善化。

2、可编程控制器的主要特点(1)高可靠性可编程控制器之所以成为许多工业自动控制设备和系统的首选产品，是由于它具有高可靠性。

PLC在硬件上采取了光电隔离、电磁屏蔽、模拟和数字滤波等一系列抗干扰措施；先进的开关电源能防止由电源回路串入的脉冲串干扰。

在软件上，PLC的用户程序是在其操作系统管理下工作的，系统软件具有监视定时器(WDT)和对自身硬件软件进行自检的功能，程序和数据存储器由后备电池供电，可防止供电电源切断后数据的丢失。

(2)编程方便，易于使用当前，PLC的编程语言主要采用梯形图。

这是一种十分接近于控制电路图的图形编程语言，程序编制简单、概念清楚、逻辑关系清晰、程序可读性强。

这使得系统的开发与设计工作者可以把主要精力集中在.如何构成系统、怎样提高系统性能和进一步扩大系统控制功能等重大问题上。