水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理及調(diào)速器選擇

1、水水 電電 站站2012年5月第五章第五章 水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備水輪機(jī)的調(diào)速設(shè)備一、水輪調(diào)節(jié)的任務(wù)一、水輪調(diào)節(jié)的任務(wù) 系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)電壓發(fā)生變化系統(tǒng)電壓發(fā)生變化發(fā)發(fā)電機(jī)勵磁裝置動作電機(jī)勵磁裝置動作發(fā)電機(jī)的端電壓恢發(fā)電機(jī)的端電壓恢復(fù)并保持在許可范圍內(nèi)。復(fù)并保持在許可范圍內(nèi)。系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)負(fù)荷變化系統(tǒng)電流的頻率系統(tǒng)電流的頻率f發(fā)生變發(fā)生變化，由于化，由于f是磁極對數(shù)是磁極對數(shù)p和轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速n的函數(shù)的函數(shù)發(fā)電機(jī)調(diào)速器動作發(fā)電機(jī)調(diào)速器動作發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持在許可范圍內(nèi)。并保持在許可范圍內(nèi)。系統(tǒng)負(fù)荷變化水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：水輪機(jī)調(diào)節(jié)的任務(wù)：v 隨外界負(fù)荷的變化，迅速改變機(jī)組

2、的出力。隨外界負(fù)荷的變化，迅速改變機(jī)組的出力。v 保持機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏保持機(jī)組轉(zhuǎn)速和頻率變化在規(guī)定范圍內(nèi)，最大偏差不超過差不超過0.5Hz，大電力系統(tǒng)不超過，大電力系統(tǒng)不超過0.2Hz。1. 啟動、停機(jī)、增減負(fù)荷，對并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行啟動、停機(jī)、增減負(fù)荷，對并入電網(wǎng)的機(jī)組進(jìn)行成組調(diào)節(jié)成組調(diào)節(jié)(負(fù)荷分配負(fù)荷分配)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行。，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行。二、水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理二、水輪機(jī)調(diào)節(jié)原理v水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動方程式為：水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)動方程式為：式中：式中：Mt水輪機(jī)主動力矩水輪機(jī)主動力矩(水流推動葉片做功水流推動葉片做功) Mg 發(fā)電機(jī)的阻力矩發(fā)電機(jī)的阻力矩 J 機(jī)

3、組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量；機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量； 角加速度；角加速度；dtdJMMgtdtd所以當(dāng)負(fù)荷變化時，應(yīng)調(diào)節(jié)所以當(dāng)負(fù)荷變化時，應(yīng)調(diào)節(jié)Mt，使，使Mt=Mg，n=ne又：又： 要使要使 ，一般不能改變，一般不能改變H和效率和效率，而是通過，而是通過改變改變Q而達(dá)到改變主動力矩而達(dá)到改變主動力矩Mt的目的。的目的。 ndtdMMMNndtdMMMNnncdtd，MMgtggtgegt0)3(0)2(, 0)1(ttQHMQHMCv調(diào)節(jié)流量的途徑：調(diào)節(jié)流量的途徑： 反擊式：通過改變導(dǎo)葉開度反擊式：通過改變導(dǎo)葉開度a0 ，ZZ：同時改變?nèi)~：同時改變?nèi)~片轉(zhuǎn)角。片轉(zhuǎn)角。 沖擊式：通過改變噴嘴開度。沖

4、擊式：通過改變噴嘴開度。 v水輪機(jī)調(diào)節(jié)的定義：水輪機(jī)調(diào)節(jié)的定義： 隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，水輪機(jī)相應(yīng)地改變導(dǎo)葉隨著電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，水輪機(jī)相應(yīng)地改變導(dǎo)葉開度開度(或針閥行程或針閥行程)，使機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持為額定，使機(jī)組轉(zhuǎn)速恢復(fù)并保持為額定轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機(jī)調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速的過程，稱為水輪機(jī)調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)：調(diào)節(jié)實(shí)質(zhì)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速 水輪機(jī)調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機(jī)調(diào)速器。水輪機(jī)調(diào)節(jié)所用的調(diào)節(jié)裝置稱為水輪機(jī)調(diào)速器。 v水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)：水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)： （1）水輪機(jī)的工作流量較大，水輪機(jī)及其導(dǎo)水機(jī)構(gòu)）水輪機(jī)的工作流量較大，水輪機(jī)及其導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的尺寸也較大，需要較大的力才能推動導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，

5、的尺寸也較大，需要較大的力才能推動導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，因此，調(diào)速器需要有放大元件和強(qiáng)大的執(zhí)行元件。因此，調(diào)速器需要有放大元件和強(qiáng)大的執(zhí)行元件。（2）水輪發(fā)電機(jī)組以水為介質(zhì)，與蒸汽等相比，水）水輪發(fā)電機(jī)組以水為介質(zhì)，與蒸汽等相比，水有較大的密度，同時，水電站的輸水道一般較長，有較大的密度，同時，水電站的輸水道一般較長，其中的水體有較大的質(zhì)量，水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程中的其中的水體有較大的質(zhì)量，水輪機(jī)調(diào)節(jié)過程中的流量變化將引起很大的壓力變化。流量變化將引起很大的壓力變化。（3）對軸流轉(zhuǎn)漿式、水斗式水輪機(jī)，需增加一套協(xié)）對軸流轉(zhuǎn)漿式、水斗式水輪機(jī)，需增加一套協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙重調(diào)節(jié)。調(diào)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙重調(diào)節(jié)。三、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系

6、統(tǒng)的基本工作原理三、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的基本工作原理水輪機(jī)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖水輪機(jī)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)機(jī)機(jī) 組組執(zhí)行元件執(zhí)行元件放大元件放大元件反饋元件反饋元件測量元件測量元件水水 能能Q H電電 能能U I f給給 定定 f f調(diào)速器原理圖調(diào)速器原理圖1飛擺；飛擺；2主配壓閥；主配壓閥；3接力器；接力器；4、5活塞；活塞；6節(jié)流孔；節(jié)流孔；7硬反饋；硬反饋；8、9、10變速機(jī)構(gòu)；變速機(jī)構(gòu)；11移動滑塊移動滑塊四、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成四、水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成v調(diào)速器的作用：調(diào)速器的作用： 以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動地調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，已以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動地調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，已達(dá)到改變

7、出力恢復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。達(dá)到改變出力恢復(fù)轉(zhuǎn)速的目的。v水輪機(jī)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)水輪機(jī)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng): : 調(diào)速柜調(diào)速柜+ +油壓設(shè)備油壓設(shè)備+ +接力器。其中中小型水輪機(jī)調(diào)速接力器。其中中小型水輪機(jī)調(diào)速器將這三部分組合成一個整體，稱為組合式，運(yùn)行器將這三部分組合成一個整體，稱為組合式，運(yùn)行方便。方便。調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置油壓裝置調(diào)速柜主要有以下幾個部分組成：調(diào)速柜主要有以下幾個部分組成：v測量機(jī)構(gòu)測量機(jī)構(gòu)：測量機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號轉(zhuǎn)變：測量機(jī)組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘枺缓筝敵?。為位移信號，然后輸出。v放大機(jī)構(gòu)放大機(jī)構(gòu)：(引導(dǎo)閥引導(dǎo)閥+輔助接力器、主配閥輔助接力器、主配閥+主接力主接

8、力器，二級放大器，二級放大)：位移變化：位移變化油壓變化。油壓變化。v反饋機(jī)構(gòu)反饋機(jī)構(gòu)：緩沖器和杠桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)調(diào)節(jié)使：緩沖器和杠桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)調(diào)節(jié)使=時，反時，反饋信號使調(diào)節(jié)停止。饋信號使調(diào)節(jié)停止。v油壓設(shè)備的作用：供給調(diào)速器壓力油，傳遞操作力。油壓設(shè)備的作用：供給調(diào)速器壓力油，傳遞操作力。由壓力油罐、回油箱、油泵、輸油管、附件等組成。由壓力油罐、回油箱、油泵、輸油管、附件等組成。v額定工作油壓分為兩種：有的電站采用低油壓，為額定工作油壓分為兩種：有的電站采用低油壓，為2.5MPa；有的電站采用高油壓，為；有的電站采用高油壓，為4.0MPa。v調(diào)速器工作時的高油壓來自油罐，低壓側(cè)的油通過調(diào)速器工作時

9、的高油壓來自油罐，低壓側(cè)的油通過回油管路進(jìn)入回油箱?；赜凸苈愤M(jìn)入回油箱。v當(dāng)油壓降低到正常工作油壓下限當(dāng)油壓降低到正常工作油壓下限(2.32.7MPa)時，時，油泵自動啟動，將回油箱內(nèi)的油泵入壓力油罐，油油泵自動啟動，將回油箱內(nèi)的油泵入壓力油罐，油壓達(dá)到正常工作油壓上限時，油泵停止工作。壓達(dá)到正常工作油壓上限時，油泵停止工作。v接力器是調(diào)速器的執(zhí)行元件，控制導(dǎo)葉開度，改變接力器是調(diào)速器的執(zhí)行元件，控制導(dǎo)葉開度，改變流量，大型電站設(shè)兩個或兩個以上接力器。流量，大型電站設(shè)兩個或兩個以上接力器。五、調(diào)速器的類型與系列五、調(diào)速器的類型與系列( (一一) ) 類型類型1 1、按調(diào)速器元件結(jié)構(gòu)分：、按調(diào)速

10、器元件結(jié)構(gòu)分：v機(jī)械液壓機(jī)械液壓( (機(jī)調(diào)機(jī)調(diào)) )：信號測量、信號綜合、信號反饋信號測量、信號綜合、信號反饋均由機(jī)械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。均由機(jī)械環(huán)節(jié)完成?，F(xiàn)在很少使用。v電氣液壓電氣液壓( (電調(diào)電調(diào)) )：用電氣回路代替機(jī)調(diào)中的機(jī)械元用電氣回路代替機(jī)調(diào)中的機(jī)械元件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，件。調(diào)節(jié)性能優(yōu)良，靈敏度和精確度高，成本低，便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。便于安裝調(diào)整。目前還有不少電站在使用。v微機(jī)調(diào)速器微機(jī)調(diào)速器：用工業(yè)控制計算機(jī)代替電子調(diào)速器，用工業(yè)控制計算機(jī)代替電子調(diào)速器，賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良。賦予了調(diào)速器更多的控制功能，性能更優(yōu)良

11、。數(shù)字式電液調(diào)速器監(jiān)控系統(tǒng)主界面數(shù)字式電液調(diào)速器監(jiān)控系統(tǒng)主界面數(shù)字式電液調(diào)速器油壓裝置顯示畫面數(shù)字式電液調(diào)速器油壓裝置顯示畫面2、按調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)分、按調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)數(shù)分單調(diào)：一個導(dǎo)葉起閉機(jī)構(gòu)，如混流和軸流定漿機(jī)組單調(diào)：一個導(dǎo)葉起閉機(jī)構(gòu)，如混流和軸流定漿機(jī)組雙調(diào)：有兩個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)雙調(diào)：有兩個調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(導(dǎo)葉開度，葉片轉(zhuǎn)置角導(dǎo)葉開度，葉片轉(zhuǎn)置角)， ZZ、CJ（針閥、折流板轉(zhuǎn)動）（針閥、折流板轉(zhuǎn)動）3、按大小（容量）、按大小（容量）大型：活塞直徑大型：活塞直徑80mm以上以上中型：操作功中型：操作功10000Nm30000Nm小型：操作功小于小型：操作功小于10000Nm，特?。盒∮?，特?。盒∮?000Nm

12、(二二) 調(diào)速器系列調(diào)速器系列(反擊式水輪機(jī)反擊式水輪機(jī))第一部分：基本特性和類型第一部分：基本特性和類型大型：無代號；大型：無代號； 中小型帶油壓裝置：中小型帶油壓裝置：Y； 特?。禾匦。篢機(jī)械液壓：無代號；機(jī)械液壓：無代號； 電動調(diào)節(jié)：電動調(diào)節(jié)：D單調(diào)：無代號；單調(diào)：無代號； 雙調(diào)：雙調(diào)：S調(diào)速器：調(diào)速器：T第二部分：工作容量第二部分：工作容量 中小型調(diào)速器中小型調(diào)速器9.81N.m；大型指主配閥直徑；大型指主配閥直徑(mm)第三部分：額定油壓第三部分：額定油壓 2.5MPa 不加注釋不加注釋例：例： YT300 中型、帶油壓裝置、機(jī)調(diào)、額定油壓中型、帶油壓裝置、機(jī)調(diào)、額定油壓2.5MPa

13、，工，工作容量作容量3009.81Nm DST100A40 大型、電氣液壓、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；主配閥直徑大型、電氣液壓、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器；主配閥直徑100mm，額定油壓，額定油壓40kg/cm2(4.0MPa)，A是第一次是第一次改型后產(chǎn)品改型后產(chǎn)品 A、B、C為改型次數(shù)，系列型譜見表為改型次數(shù)，系列型譜見表51。 六、水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備的選擇六、水輪機(jī)調(diào)速設(shè)備的選擇v包括：調(diào)速柜、接力器、油壓裝置包括：調(diào)速柜、接力器、油壓裝置v中小型調(diào)速器是將上面的三部分結(jié)合在一起，成中小型調(diào)速器是將上面的三部分結(jié)合在一起，成為一個整體設(shè)備，以主接力器的工作容量為一個整體設(shè)備，以主接力器的工作容量( (也稱為也稱為調(diào)速

14、功調(diào)速功) )為表征組成標(biāo)準(zhǔn)系列。用調(diào)速功來進(jìn)行選為表征組成標(biāo)準(zhǔn)系列。用調(diào)速功來進(jìn)行選擇。擇。v對大型調(diào)速器，三者是分開的，并且互不配套，對大型調(diào)速器，三者是分開的，并且互不配套，需要分別進(jìn)行選擇。大型調(diào)速器的表征值是主配需要分別進(jìn)行選擇。大型調(diào)速器的表征值是主配壓閥直徑，因此需要先求出主接力器容積，再計壓閥直徑，因此需要先求出主接力器容積，再計算主配壓閥直徑。算主配壓閥直徑。1、中小型調(diào)速器的選擇、中小型調(diào)速器的選擇v調(diào)速功：接力器活塞上的油壓力與其行程的乘積。調(diào)速功：接力器活塞上的油壓力與其行程的乘積。v反擊式水輪機(jī)的調(diào)速功：反擊式水輪機(jī)的調(diào)速功： A=(200250)Q(HmaxD1)1

15、/2 Q為最大水頭下額定出力時的流量。為最大水頭下額定出力時的流量。v沖擊式水輪機(jī)的調(diào)速功：沖擊式水輪機(jī)的調(diào)速功： A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000) Z0為噴嘴數(shù)目為噴嘴數(shù)目 d0為額定流量時的射流直徑。為額定流量時的射流直徑。2、大型調(diào)速器的選擇、大型調(diào)速器的選擇(1) 接力器的選擇接力器的選擇n 導(dǎo)葉接力器的選擇導(dǎo)葉接力器的選擇v 通常采用兩個接力器操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)通常采用兩個接力器操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)v 當(dāng)額定油壓為當(dāng)額定油壓為2.5MPa時，接力器直徑時，接力器直徑ds為：為： 為計算系數(shù)，查表。為計算系數(shù)，查表。b0為導(dǎo)葉高度。為導(dǎo)葉高度。v 當(dāng)額定油壓為當(dāng)額定油壓為4.0MP

16、a時，接力器直徑時，接力器直徑ds為：為： 由計算的接力器直徑，查標(biāo)準(zhǔn)接力器系列表，選用相鄰由計算的接力器直徑，查標(biāo)準(zhǔn)接力器系列表，選用相鄰偏大的直徑。偏大的直徑。max101HDbDdssssddd81. 00 . 4/5 . 205. 1v接力器最大行程接力器最大行程Smax可由經(jīng)驗(yàn)公式求出：可由經(jīng)驗(yàn)公式求出： Smax=(1.41.8)a0maxa0max為水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開度，由模型水輪機(jī)導(dǎo)為水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開度，由模型水輪機(jī)導(dǎo)葉最大開度葉最大開度a0Mmax換算得出：換算得出： a0max= a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)其中，其中，D0和和Z0分別為水輪機(jī)導(dǎo)葉軸心園的直徑和

17、分別為水輪機(jī)導(dǎo)葉軸心園的直徑和水輪機(jī)的導(dǎo)葉數(shù)目。水輪機(jī)的導(dǎo)葉數(shù)目。v將將Smax的單位轉(zhuǎn)換為的單位轉(zhuǎn)換為m，即可求出兩個接力器的，即可求出兩個接力器的總?cè)莘e：總?cè)莘e：223maxmax12(m )22sssdVSd Sn 轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片接力器的計算轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片接力器的計算v 轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)除了選擇導(dǎo)葉接力器以外，還要轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)除了選擇導(dǎo)葉接力器以外，還要選擇轉(zhuǎn)輪葉片接力器選擇轉(zhuǎn)輪葉片接力器(位于輪轂內(nèi)部位于輪轂內(nèi)部)。v 其直徑其直徑dc、最大行程、最大行程Scmax、容積、容積Vc可按經(jīng)驗(yàn)公式可按經(jīng)驗(yàn)公式估算。估算。 dc=(0.30.45)D1(2.5/P0)1/2 Scma

18、x=(0.0360.072)D1 Vc=0.25dc2 Scmax(2) 主配壓閥直徑的選擇主配壓閥直徑的選擇v通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑相通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑相等。通過主配壓閥油管的流量為：等。通過主配壓閥油管的流量為： Q=Vs/Ts Ts為導(dǎo)葉的直線關(guān)閉時間。為導(dǎo)葉的直線關(guān)閉時間。 則由管內(nèi)油的流速則由管內(nèi)油的流速(45m/s)確定油管直徑確定油管直徑d。v大型調(diào)速器以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，大型調(diào)速器以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，計算出計算出d以后，就可以查表選擇調(diào)速器型號了。以后，就可以查表選擇調(diào)速器型號了。v對于雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，通常使轉(zhuǎn)輪葉片的主對于雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)漿式水輪機(jī)，通常使轉(zhuǎn)輪葉片的主配壓閥直徑與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主配壓閥直徑相等。配壓閥直徑與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主配壓閥直徑相等。（3） 油壓裝置的選擇油壓裝置的選擇v 油壓裝置的工作容量以壓力油罐的總?cè)莘e為表征，故首先油壓裝置的工作容量以壓力油罐的總?cè)莘e為表征，故首先應(yīng)按經(jīng)驗(yàn)公式求出壓力油罐的總?cè)莘e應(yīng)按經(jīng)驗(yàn)公式求出壓力油罐的總?cè)莘eVk： Vk=(182