第四章-水輪機(jī)的調(diào)節(jié)

1、水水電電站站程永光程永光Prof. Dr. Yongguang Cheng武漢大學(xué)水利水電學(xué)院武漢大學(xué)水利水電學(xué)院Tel: 68772274m: 第四章第四章水輪機(jī)的調(diào)節(jié)水輪機(jī)的調(diào)節(jié)2022-4-243 水輪發(fā)電機(jī)組要根據(jù)電網(wǎng)的要求提供規(guī)定大小水輪發(fā)電機(jī)組要根據(jù)電網(wǎng)的要求提供規(guī)定大小的的電能電能，同時(shí)保證電能的，同時(shí)保證電能的質(zhì)量。質(zhì)量。 電能大小：決定與電能大?。簺Q定與水頭水頭和和流量流量，而流量大小由，而流量大小由導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)。 電能質(zhì)量：主要是電能質(zhì)量：主要是電流頻率電流頻率、電壓電壓和和功率因素功率因素角角等，其中電流頻率在我國為等，其中電流頻率在

2、我國為50Hz，規(guī)范規(guī)規(guī)范規(guī)定大系統(tǒng)偏差不得超過定大系統(tǒng)偏差不得超過0.2Hz，小系統(tǒng)不得超小系統(tǒng)不得超過過0.5Hz。 水電在電力系統(tǒng)中一般起調(diào)峰和調(diào)頻作用水電在電力系統(tǒng)中一般起調(diào)峰和調(diào)頻作用，其，其出力要隨電力負(fù)荷的變化而變化。出力要隨電力負(fù)荷的變化而變化。2022-4-244 機(jī)組發(fā)出的電能機(jī)組發(fā)出的電能頻率頻率決定于決定于機(jī)組轉(zhuǎn)速機(jī)組轉(zhuǎn)速 因此水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)是：因此水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)是：根據(jù)負(fù)荷的變化不根據(jù)負(fù)荷的變化不斷調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)的出力，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在斷調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)的出力，并維持機(jī)組轉(zhuǎn)速在規(guī)定范圍內(nèi)規(guī)定范圍內(nèi)。p p為發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)為發(fā)電機(jī)磁極對數(shù), ,對某一發(fā)電機(jī)而言對某一發(fā)

3、電機(jī)而言p=const,p=const,要使得要使得f=const,f=const,必須是必須是n=constn=const。 60npf 發(fā)電機(jī)頻率：發(fā)電機(jī)頻率：功率大小功率大小電能質(zhì)量電能質(zhì)量2022-4-245調(diào)速器調(diào)速器調(diào)速器控制導(dǎo)葉改變開度以調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)調(diào)速器控制導(dǎo)葉改變開度以調(diào)節(jié)流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)水輪機(jī)出力和轉(zhuǎn)速水輪機(jī)出力和轉(zhuǎn)速2022-4-246 水輪機(jī)水輪機(jī)提供的能量提供的能量要跟隨系統(tǒng)要跟隨系統(tǒng)要求的能量要求的能量的改變而改的改變而改變，但兩者并不會立即平衡，而是有一動態(tài)過程。變，但兩者并不會立即平衡，而是有一動態(tài)過程。 從機(jī)組的運(yùn)動方程中可以看出從機(jī)組的運(yùn)動方程中可以看出

4、 機(jī)組轉(zhuǎn)速的改變?nèi)Q于主動力矩與阻力矩的大小變化機(jī)組轉(zhuǎn)速的改變?nèi)Q于主動力矩與阻力矩的大小變化 只有主動力矩和阻力矩平衡時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速才恒定只有主動力矩和阻力矩平衡時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速才恒定JddtMMtg機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量機(jī)組轉(zhuǎn)動慣量 水輪機(jī)的主動力矩水輪機(jī)的主動力矩 發(fā)電機(jī)的阻力力矩發(fā)電機(jī)的阻力力矩2022-4-247JddtMMtg 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)多余能量，使得機(jī)組加速旋時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)多余能量，使得機(jī)組加速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) ， 。 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，機(jī)組能量的不夠，使得機(jī)組減速旋時(shí)，機(jī)組能量的不夠，使得機(jī)組減速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) ， 。0ddtMMtg0ddtMMtgnnconstnconstfconst只有當(dāng)只有當(dāng) 時(shí)，時(shí)， 。

5、 MMtg0dtd這時(shí)這時(shí)2022-4-248 因此必須改變因此必須改變 ，使之與，使之與 平衡，使機(jī)組平衡，使機(jī)組轉(zhuǎn)速很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，這就是水輪機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速很快恢復(fù)到額定轉(zhuǎn)速，這就是水輪機(jī)調(diào)節(jié)的基本任務(wù)。的基本任務(wù)。MtMg又又 。顯然改變。顯然改變 最有效最有效的辦法是通過改變水輪機(jī)的過水流量的辦法是通過改變水輪機(jī)的過水流量Q Q來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。改變改變Q Q需調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度需調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度 ，進(jìn)行此調(diào)，進(jìn)行此調(diào)節(jié)的裝置稱為節(jié)的裝置稱為水輪機(jī)的調(diào)速器水輪機(jī)的調(diào)速器。MQHt/Mta2022-4-249 水輪機(jī)調(diào)速器的主要作用是：以機(jī)組水輪機(jī)調(diào)速器的主要作用是：以機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差轉(zhuǎn)

6、速偏差為依據(jù)，來調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，達(dá)到改變出力、恢為依據(jù)，來調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，達(dá)到改變出力、恢復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。為此調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須具有復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。為此調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須具有敏感敏感、放大放大、執(zhí)行執(zhí)行和和反饋反饋四大部分或稱四大元件。四大部分或稱四大元件。2022-4-2410 機(jī)械液壓式調(diào)速器為例，說明調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成機(jī)械液壓式調(diào)速器為例，說明調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成。2022-4-2411 敏感元件敏感元件：離心擺離心擺，測量機(jī)組每時(shí)刻的轉(zhuǎn)速，若有偏差，發(fā)出相應(yīng)，測量機(jī)組每時(shí)刻的轉(zhuǎn)速，若有偏差，發(fā)出相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號。的調(diào)節(jié)信號。 放大元件放大元件：一級放大一級放大，引導(dǎo)閥和輔助接力器；，引導(dǎo)閥和輔助接力器；二級放大二級放

7、大，主配壓閥，主配壓閥，是將微弱的調(diào)節(jié)信號放大。，是將微弱的調(diào)節(jié)信號放大。 執(zhí)行元件執(zhí)行元件：主接力器主接力器，根據(jù)放大的信號，去改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的開度。，根據(jù)放大的信號，去改變調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的開度。 反饋元件反饋元件：硬反饋，：硬反饋，SXZR連桿系統(tǒng)；軟反饋，緩沖器。保證調(diào)節(jié)適連桿系統(tǒng)；軟反饋，緩沖器。保證調(diào)節(jié)適度。度。 2022-4-2412 調(diào)速器三大部分組成調(diào)速器三大部分組成操作柜操作柜( (裝有敏裝有敏感元件、放大元感元件、放大元件和反饋元件件和反饋元件) ) 主接力器主接力器( (執(zhí)行執(zhí)行元件，放在蝸殼元件，放在蝸殼上部上部) ) 油壓裝置油壓裝置，包括包括壓力源、壓力油壓力源、壓力油筒、

8、油箱和油泵筒、油箱和油泵等等接力器、推拉桿、拐臂、連桿等接力器、推拉桿、拐臂、連桿等調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性動特性動特性 調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，一是調(diào)節(jié)前后的穩(wěn)定狀態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)，一是調(diào)節(jié)前后的穩(wěn)定狀態(tài)；二是從調(diào)節(jié)開始到終了的過程狀態(tài)。前者可用調(diào)節(jié)；二是從調(diào)節(jié)開始到終了的過程狀態(tài)。前者可用調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性描述，后者用動特性描述。系統(tǒng)的靜特性描述，后者用動特性描述。 動特性動特性是指調(diào)節(jié)過程中是指調(diào)節(jié)過程中機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化機(jī)組轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化，常用，常用n=f(t)的動特性曲線表示。不僅要求該動特性迅速衰的動特性曲線表示。不僅要求該動特性迅速衰減，收斂于額定轉(zhuǎn)速允許的變化

9、范圍之內(nèi)；而且其動減，收斂于額定轉(zhuǎn)速允許的變化范圍之內(nèi)；而且其動態(tài)品質(zhì)的指標(biāo)也能滿足規(guī)范的要求。如書上所提到的態(tài)品質(zhì)的指標(biāo)也能滿足規(guī)范的要求。如書上所提到的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩次數(shù)等。超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間和振蕩次數(shù)等。調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性調(diào)速器的調(diào)節(jié)特性靜特性靜特性 靜特性靜特性是指穩(wěn)定狀態(tài)下，機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組是指穩(wěn)定狀態(tài)下，機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組出力之間的關(guān)系。出力之間的關(guān)系。 如轉(zhuǎn)速如轉(zhuǎn)速n與出力與出力N大小無關(guān)，保持額定轉(zhuǎn)大小無關(guān)，保持額定轉(zhuǎn)速不變，稱為速不變，稱為無差調(diào)節(jié)無差調(diào)節(jié)。 有差調(diào)節(jié)有差調(diào)節(jié)的靜特性是轉(zhuǎn)速的靜特性是轉(zhuǎn)速n與出力與出力N呈有呈有一定傾斜度的直線關(guān)系，每一個(gè)出力一定傾斜度的直線關(guān)系

10、，每一個(gè)出力N對對應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)速應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)速n，其調(diào)差率為：，其調(diào)差率為： 有差調(diào)節(jié)便于機(jī)組間負(fù)荷分配有差調(diào)節(jié)便于機(jī)組間負(fù)荷分配maxmin0100%pnnenep 08%nNNnN1NmaxN2NmaxN1N2N1N24.4 水輪機(jī)調(diào)速器的類型水輪機(jī)調(diào)速器的類型 按調(diào)節(jié)流量的方式按調(diào)節(jié)流量的方式分：單調(diào)分：單調(diào)(混流、定漿混流、定漿)和雙和雙調(diào)調(diào)(轉(zhuǎn)漿、水斗轉(zhuǎn)漿、水斗)； 按其組成元件分按其組成元件分：機(jī)械液壓型和電氣液壓型：機(jī)械液壓型和電氣液壓型(測量、反饋、調(diào)差部分采用電氣元件，放大、測量、反饋、調(diào)差部分采用電氣元件，放大、執(zhí)行部分采用機(jī)械元件執(zhí)行部分采用機(jī)械元件)。 目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的

11、是數(shù)字式微機(jī)調(diào)速目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的是數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器。器。 水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備的選擇水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備的選擇 對于中小型調(diào)速器可按對于中小型調(diào)速器可按調(diào)速功調(diào)速功選取；對于大型調(diào)選取；對于大型調(diào)速器要計(jì)算速器要計(jì)算主配壓閥直徑主配壓閥直徑，選擇相應(yīng)的調(diào)速器。，選擇相應(yīng)的調(diào)速器。 4.5 調(diào)速器的油壓裝置調(diào)速器的油壓裝置油壓裝置主要部件有油壓裝置主要部件有油罐油罐、油箱油箱和和油泵油泵等等壓力油罐壓力油罐：其中油占總?cè)莘e的：其中油占總?cè)莘e的30-40%30-40%，其余，其余70-60%70-60%為為壓縮空氣。壓縮空氣?；赜拖浠赜拖洌浩淙莘e約為壓力油罐容積的：其容積約為壓力油罐容積的1.2-1.41.2-1.4倍。倍。油泵油泵：一般為螺旋油泵，有立式和臥式兩種。：一般為螺旋油泵，有立式和臥式兩種。附件附件：包括安全閥、逆止閥、節(jié)流閥、壓力表、：包括安全閥、逆止閥、節(jié)流閥、壓力表、 油位信號等。油位信號等。油壓裝置根據(jù)壓力油罐的額定油壓和總?cè)莘e來選擇。油壓裝置根據(jù)壓力油罐的額定油壓和總?cè)莘e來選擇。目前國內(nèi)生產(chǎn)的油壓裝置，額定油壓一般為目前國內(nèi)生產(chǎn)的油壓裝置，額定油壓一般為 或或 。壓力油罐總?cè)萦山?jīng)驗(yàn)公式估算。壓力油罐總?cè)萦山?jīng)驗(yàn)公式估算。225kg/cm240kg/cm 油壓裝置是供給調(diào)速器壓