第一章 水輪機調節(jié)的基本原理

1、第一章水輪機調節(jié)的基本原理第一節(jié)水輪機調節(jié)的基本概念一.水輪機調節(jié)的任務1.水力發(fā)電生產(chǎn)過程：由水輪機將水能轉變?yōu)闄C械能，再有發(fā)電機將機械能轉變?yōu)殡娔?，送入電力系統(tǒng)供給用戶使用。 電能是一種特殊商品。 電力系統(tǒng)中，發(fā)電、供電、用電是同時完成，系統(tǒng)負荷是隨即變化的，變化周期幾十秒到幾十分鐘不等，變化幅值可達系統(tǒng)總容量的2%3%。 系統(tǒng)負荷變化導致頻率變化。 用戶要求：供電安全、可靠、經(jīng)濟，電能頻率、電壓保持在額定值附近某一范圍內。 頻率、電壓波動太大，可造成機加工工件精度不達標，發(fā)電機組和電力系統(tǒng)自身工作穩(wěn)定也會受到影響。 我國電力系統(tǒng)規(guī)定：電力系統(tǒng)頻率應保持50Hz。容量小于3000MW的地方

2、電網(wǎng)，偏差不超過0.5Hz。 水輪機調節(jié)：在電力系統(tǒng)中，為了使水輪發(fā)電機組的供電頻率穩(wěn)定在某一范圍內而進行的調節(jié)。 調 速 器 機械液壓執(zhí)行機構 勵磁調節(jié)器 功率整流屏 L=0 發(fā)電機 尾水 壓力引水水庫 電網(wǎng) 水輪機 水力發(fā)電生產(chǎn)過程：頻率與機組轉速的關系（電機學而知）： f發(fā)電機輸出交流電頻率，Hz； p發(fā)電機的磁極對數(shù)； n發(fā)電機的轉速，r/min 。p對于加工好的機組是一個常數(shù)（定值），因此f只與n有關（正比）。 水輪機調節(jié)的基本任務：要保證頻率在規(guī)定的范圍內，就要根據(jù)電力系統(tǒng)負荷的變化不斷地調節(jié)水輪發(fā)電機組的有功功率的輸出，并維持機組轉速在規(guī)定的范圍內。 f60pn二.水輪機調節(jié)的途

3、徑和方法若我們把機組轉動部分認為是一個繞定軸轉動的剛體，由理論力學可知：J-機組轉動部分 的轉動慣量，kgm； 機組角加速度dwdtdMJdtM作用于機組轉動部分的和外力矩。合外力矩包括：1.水流推動水輪機的主動力矩， ；2. 發(fā)電機阻力矩 。 gtMMdtdJ（1） ， 0，負荷減少，轉速上升，頻率升高，應減小機組動力矩 ，使兩個力矩相等，頻率恢復正常范圍。（2） = ，機組轉速不變。(3) ， ，機組轉速開始上升，； 第二階段：，機組轉速開始下降； 第三階段：由于轉速下降，離心擺轉速隨之下降，轉動套下移。，tMgM二、雙調節(jié)調速系統(tǒng)工作原理 雙調節(jié)系統(tǒng)：同時輸出兩個滿足一定協(xié)聯(lián)關系的調節(jié)動

4、作的調整系統(tǒng)。主要用于軸流轉槳式、貫流轉槳式和水斗式水輪機。 綜上所述雙調節(jié)調速系統(tǒng)都只有一個測量元件離心擺，根據(jù)機組轉速的變化而使液壓放大機構動作，在輸出一個調節(jié)動作的同時，經(jīng)過協(xié)聯(lián)器驅動另一套液壓放大系統(tǒng)，再輸出一個與之配合的調節(jié)動作。 第二套液壓系統(tǒng)只有硬反饋機構，跟隨第一個調節(jié)動作而動作。 軟反饋機構及操作控制元件都設在第一套機構內，以便形成一定的調節(jié)規(guī)律并實現(xiàn)多種功能。第一章水輪機調節(jié)的基本原理第四節(jié)調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性 前言：1.調速器是機組最重要控制設備之一，其擔負著機組轉速（f）調整、機組開機、停機、并網(wǎng)及有功負荷調整等任務。2.調速器性能的好壞直接關系到機組運行的穩(wěn)定和可靠

5、性，甚至關系到電網(wǎng)的穩(wěn)定。3.調速器性能品質指標衡量指標： 調速器靜態(tài)特性/動態(tài)特性，及其相關參數(shù)一、調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)特性及品質指標(一)調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)特性（靜特性）：是指調節(jié)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)平衡狀態(tài)時，機組轉速與發(fā)電機出力之間的關系。 分為：無差靜特性、有差靜特性調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)性調差率：用相對量表示的調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)性某一規(guī)定運行點處斜率的負數(shù)，用 ep表示。 或用最大功率調差率表示：機組空載時的轉速nmax與額定功率時的轉速nmin之差與額定轉速nr的比值，用ex表示。ep =0時，即 =0，系統(tǒng)為無差靜態(tài)性。 0時，即 0，系統(tǒng)為有差靜態(tài)性，n隨著P增加而減小。epdxdx 簡化分析時：ep=es

6、，此時調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)性近似認為是一條直線 調速系統(tǒng)靜態(tài)性：n隨Y變化的曲線，以bp表示。 調速系統(tǒng)靜態(tài)性：n（測速元件輸入信號）隨Y（接力器行程）變化的曲線，以bp（永態(tài)轉差率）表示。用相對量表示的調速系統(tǒng)靜態(tài)性某一規(guī)定運行點處斜率的負數(shù)。 為分析簡便，常用調速系統(tǒng)Ymax永態(tài)轉差率bs表示： 式中 nmaxY=0時轉速； nmin Y=Ymax時轉速； Ymax接力器最大行程。 bp=bs時，調速系統(tǒng)靜態(tài)性近似為直線。 bp是調速系統(tǒng)靜態(tài)性的一個參數(shù)，只與調速系統(tǒng)構造有關，和機組特性及H運行無關。 ex是調節(jié)系統(tǒng)靜態(tài)性的一個參數(shù)，既與調速系統(tǒng)構造有關，還與機組特性及H運行有關。 (二)調速系統(tǒng)

7、靜態(tài)品質指標（國標GB/T9652.12007規(guī)定）：1.調速系統(tǒng)靜態(tài)特性應近似為一直線。2.測至主接力器的轉速死區(qū)不超過表中規(guī)定值： (3)轉槳式水輪機調速系統(tǒng)，輪葉隨動系統(tǒng)不準確度ia不大于0.8%。電氣協(xié)聯(lián)，實測協(xié)聯(lián)曲線和理論協(xié)聯(lián)曲線偏差不大于槳葉接力器行程的1%。(4)沖擊式水輪機調速系統(tǒng)靜態(tài)品質應達到：測至噴針接力器的轉速死區(qū)符合“調試器轉速死區(qū)規(guī)定值”表中要求；穩(wěn)態(tài)工況下，多噴嘴沖擊式水輪機任何兩噴針之間的位置偏差，在整個范圍內均不大于1%。調試器轉速死區(qū)規(guī)定值靜態(tài)指標是衡量調速系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標。 二、調節(jié)系統(tǒng)動態(tài)特性指標 調節(jié)系統(tǒng)過渡過程調節(jié)系統(tǒng)從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)的調節(jié)過程。

8、 (1)調節(jié)時間tE從機組甩負荷時算起，到機組轉速相對偏差不超過1%為止，所經(jīng)歷的時間。轉速相對偏差實際轉速n與平衡轉速n0的差值與平衡轉速n0之比。工程中規(guī)定：參數(shù)n對新的平衡狀態(tài)時的轉速n0的偏離值以后不再大于 值時刻作為計算調節(jié)時間的終點，而之后轉速將在 值范圍內。0n (二) 最大轉速偏差nmax：第一波峰值。 或 表示 (三)超調量：通常以第一個負波的值占最大偏差的百分比表示。 (四)超調次數(shù)：通常以調節(jié)時間內出現(xiàn)的振蕩波峰（包括正波峰數(shù)和負波峰數(shù)之和）個數(shù)的一半表示。國標GB/T9652.12007中關于動態(tài)特性的規(guī)定：(1)調試器應保證機組在各種工況及運行方式下的穩(wěn)定性?？蛰d、自

9、動運行時，施加一階躍轉速指令信號，觀察過渡過程，以便選擇調試器的運行參數(shù)。待穩(wěn)定后記錄轉速擺動相對值：大型電調不超過0.15%；中、小型調試器不超過0.25%；特小型調試器不超過0.30%。(2)機組甩100%額定負荷后，在轉速變化過程中，穩(wěn)態(tài)轉速超過3%額定轉速以上的波峰，不超過2次。 (3)從機組甩負荷算起，到機組轉速相對偏差不超過1%為止的調節(jié)時間tE與從甩負荷開始至最高轉速所經(jīng)歷的時間tM的比值，對中、低水頭反擊式水輪機不大于8，槳葉關閉時間較長的軸流式水輪機不大于12；對高水頭反擊式和沖擊式水輪機不大于15；對電網(wǎng)解列后給電廠供電的機組，甩負荷后機組的最低相對轉速不低于0.9.(4)

10、轉速或指令信號按規(guī)定形式變化，接力器不動時間：電調不大于0.2s，機調不大于0.3s。 第五節(jié) 并列運行機組靜態(tài)性 一、調差機構與轉速調整機構(一)調差機構一種硬反饋。用于改變機組靜態(tài)性斜率，確定并列運行機組之間負荷分配，防止負荷在并列運行機組之間來回竄動。調差機構改變靜態(tài)性斜率的原理接力器發(fā)生位移時，通過反饋錐體、滾輪、拉桿、轉臂、反饋框架，反饋框架轉動帶到拉桿，通過拉桿作用與引導閥針塞，使針塞總是跟隨轉動套移動，起到反饋作用。 反饋量大小可調調節(jié)螺桿實現(xiàn)，反饋螺母距框架轉軸越遠反饋量越大，靜態(tài)性斜率也越大。 當反饋螺母中心線與框架轉軸軸線重合，則無反饋量。 (二)轉速調整機構 組成：轉速調

11、整手輪、螺桿、螺母等。 作用：當機組單機運行時，改變機組轉速；當機組并列于無窮大電網(wǎng)運行時，用于改變機組所帶的負荷。 1.單機帶負荷運行（即單臺機組向負荷供電，假設負荷不變）： 操作轉速調整手輪，使螺桿順時針轉動（俯視),螺母上移，經(jīng)過杠桿帶到引導閥針塞上移 ，壓力油進入輔助接力器活塞上腔，主配壓閥下移，壓力油進入接力器開啟腔（右腔），接力器活塞向開啟方向移動，增加導葉開度，水輪機動力矩增加。與此同時，調差機構和緩沖裝置使引導閥回到中間位置。 因外界負荷不變，MtMg，n上升，又將引起轉動套上移，輔助接力器活塞上腔排油，主配壓閥上移，接力器又向關閉方向移動，通過調差機構和緩沖裝置使引導閥針塞上

12、移，這樣，經(jīng)過幾次調節(jié)后主配壓閥回復到中間位置。 調節(jié)結束時，引導閥針塞穩(wěn)定在較高的相對中間位置上，也即轉動套也處在較高位置，機組穩(wěn)定轉速較原來增加了。 當操作轉速調整機構螺母向下移動，則機組轉速減小。 因此，轉速調整機構能人為增加或減少調差機構起始作用點，使引導閥針塞產(chǎn)生一個預先的附加位移，但接力器活塞位移并不能改變轉速調整機構螺母和絲桿之間的相對位移。 轉速調整機構的設置，使得靜特性曲線得到了平移，平移位置多少與調節(jié)螺母上下位移量多少有關。 如圖：機組轉速為n0，負荷為P0，通過調整機構調節(jié)后，機組負荷不變?yōu)镻0，而轉速變?yōu)閚0+n/n0-n. 2.并網(wǎng)運行時調整機組負荷的調節(jié)過程 機組并

13、入無窮大電網(wǎng)運行時，機組轉速取決于電網(wǎng)頻率。 當操作調整手輪使引導閥針塞上移，通過調節(jié)后，主配壓閥回到中間位置。此時導葉開度增大，Mt增大，而n不變，引起機組所帶負荷增加。由靜特性曲線圖可以看出，平移后的曲線，當轉速任為n時，負荷則為P+P/ P-P。 3.并網(wǎng)運行機組之間的變動負荷分配 假設3臺機組并列運行，因各機組調速器靜特性不可能完全一致，當2號機轉速為n2=n0,1號機轉速為n1n0，3號機轉速n3n0。 具有無差靜特性的機組的并列運行 1號機將增加導葉開度直到滿負荷。 2號機維持不變； 3號機將減小導葉開度直至機組空載至逆功率狀態(tài)。 為改變這種狀態(tài)，調整1號機調整機構，也許出現(xiàn)n1n

14、0。將造成1號機上的負荷全部轉移至3號機。任然是負荷分配不穩(wěn)定。 調差機構的設置作用既是為了解決并列運行機組間負荷分配不均問題。 系統(tǒng)中變動負荷在并列運行機組間是如何分配的：變動負荷在并列機組之間的分配 假設系統(tǒng)中機組臺數(shù)為n，系統(tǒng)轉速為n0，各機組原有承擔負荷為P1、P2、P3.Pn，調差率為ep1、ep2、ep3.epn,運行工況點為a1、a2、a3.an。系統(tǒng)總負荷增加P，頻率下降，調速器動作后達到新平衡工況點。此時系統(tǒng)轉速n0,各機組負荷分別為P1、P2、P3、.Pn，為機組靜特性曲線與n0交點。 變動負荷在并列機組之間的分配 由上式可知： 1)系統(tǒng)機組臺數(shù)、容量一定時，各機組承擔的變

15、動負荷與額定出力為正比，與調差率為反比。要使Pi大，ei應小，一般為2%4%；要使Pi小，ei應大，如大于4%。 2)當ei=0，在其出力范圍內，承擔全部變動負荷。 3)系統(tǒng)轉速的變化和各機組額定功率Pri與調差率epi比值代數(shù)和成反比。說明當系統(tǒng)總變動負荷一定時， 各機組的epi越小，系統(tǒng)轉速變化n越小，反之越大。 在系統(tǒng)負荷變化時，要減小系統(tǒng)轉速偏差，必須有一部分機組調差率整定的比較小。 三、調速器在系統(tǒng)調頻中的作用： 因調節(jié)系統(tǒng)有轉速死區(qū)，靜特性為一個一定寬度的帶子，不是一直線。機組轉速n一定時，負荷在P和P范圍內變動。機組穩(wěn)定時，工作點為n0和P0，頻率變化時，工作點在平行四邊形區(qū)域內

16、變動，接力器不動，機組負荷也不變，給負荷分配帶來誤差。ep越小，出力誤差越大。為減小轉速死區(qū)，一方面減少轉速死區(qū)，一方面在系統(tǒng)頻率超過規(guī)定值時，運行人員人工或自動的方式調整轉速調整機構，使頻率回復規(guī)定值。 第六節(jié) 調速系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)與調節(jié)規(guī)律pyxK 調速系統(tǒng)由測量元件、放大元件、執(zhí)行元件和反饋元件等多種不同功能的元件按一定的方式組成，這些元件的輸出、輸入關系可用一數(shù)學模型（運動方程）表示，不論結構是否相同，數(shù)學模型相同則特性也相似。 按數(shù)學模型不同，調速系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)組成幾種典型環(huán)節(jié)。一.典型環(huán)節(jié)(1)比例環(huán)節(jié)（放大環(huán)節(jié)）： ， 放大系數(shù) 此環(huán)節(jié)具有放大作用。例如:離心擺、配壓閥、杠桿等。pK

17、 ，1yxdtTT(2)積分環(huán)節(jié): ， 積分時間常數(shù) 例如：接力器、機組和積分運算放大電路等。 xntydTdnT(三)理想微分環(huán)節(jié)： ，理想微分環(huán)節(jié)時間常數(shù) 純電容電路可看做理想微分環(huán)節(jié)。(四)實際微分環(huán)節(jié)： yxddnxtyddTK TdddT實際微分環(huán)節(jié)時間常數(shù)dK實際微分環(huán)節(jié)傳遞系數(shù) (5)慣性環(huán)節(jié)： 慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)； 慣性環(huán)節(jié)放大系數(shù)。 RC電路、考慮慣性時的機組都可看做慣性環(huán)節(jié)。三、調節(jié)規(guī)律 緩沖裝置運動方程形式與此環(huán)節(jié)方程類似，故其在自動調節(jié)中稱為微分環(huán)節(jié)。yxyxdTKdTK二、典型環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)（自學）1.由結構方框圖代表元件和“ 、 、+、-” 符號組成。連接形式：串聯(lián) 反

18、饋并聯(lián) （二）調節(jié)規(guī)律：調速器的輸出信號接力器位移y與輸入信號轉速 之間的關系。 常見調節(jié)規(guī)律：1.比例-積分（PI)型 機械液壓型調速器為PI型調速器。x機械液壓型調速器結構方框圖 2.比例-積分-微分 (PID)型xpIDtyxxdtdKKKdbp=0時， 3.微機調速器調節(jié)規(guī)律微機調速器機構方框圖 第七節(jié) 調試器的分類與型號一、調速器的分類 1.按照元件（結構）分類:手動調速器、電動調速器、機械液壓型調速器（機調）、電氣液壓型調速器（電調）、微機調速器。 (1)機調元件：機械元件（離心擺、調差機構、局部反饋）、液壓元件（配壓閥、緩沖器、接力器）。 (2)電調：一部分為電氣回路(測頻、緩沖、硬反饋、放大電路）；一部分液壓放大元