第五章水轮机调速设备

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1、黑龙江大学水利电力学院第五章第五章 水轮机的调速设备水轮机的调速设备5.1 5.1 水轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念5.2 5.2 调节系统的特性调节系统的特性5.3 5.3 水轮机调速器的基本工作原理水轮机调速器的基本工作原理5.4 5.4 调速器的类型与系列调速器的类型与系列5.5 5.5 调速系统的油压装置调速系统的油压装置5.6 5.6 水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择黑龙江大学水利电力学院5.1 5.1 水轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念一、水轮机调节的任务 系统负荷变化系统负荷变化系统电压发生变化系统电压发生变化发发电机励磁装置动作电机励磁装置动作发电机的端电

2、压恢发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。复并保持在许可范围内。系统负荷变化系统负荷变化系统电流的频率系统电流的频率f发生变发生变化，由于化，由于f是磁极对数是磁极对数p和转速和转速n的函数的函数发电机调速器动作发电机调速器动作发电机的转速恢复发电机的转速恢复并保持在许可范围内。并保持在许可范围内。系统负荷变化黑龙江大学水利电力学院一、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0.5Hz，大电力系统不超过0.2Hz。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。5.1 5.1 水

3、轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念黑龙江大学水利电力学院5.1 5.1 水轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念二、机组调节途径水轮发电机组的运动方程式为：式中：Mt水轮机主动力矩(水流推动叶片做功)Mg 发电机的阻力矩 J 机组惯性矩；角加速度；rQHMdtdJMMtgtdtd黑龙江大学水利电力学院 当负荷发生变化时，Mg将变化，但d/dt应为0，以保证n不变，从而保证f不变，故应调节Mt，要使 ，一般不能改变H和效率，而是通过改变Q而达到改变主动力矩Mt的目的。即调节水轮机的引用流量Q，使，使Mt=Mg，n=ne。当机组相应地减少或增加负荷时，在机组调节流量的短时间t内，使转速上升或下

4、降，则转速允许的变化值和t的选择由调节保证计算来实现。C5.1 水轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念黑龙江大学水利电力学院1.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（针阀行程）。2.水轮机调节的定义：随着电力系统负荷变化，水轮机相应地改变导叶开度(或针阀行程)，使机组转速恢复并保持为额定转速的过程，称为水轮机调节。3.调节实质：调节转速 5.1 5.1 水轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念黑龙江大学水利电力学院喷嘴头喷嘴头喷嘴口喷嘴口喷喷针针头头水流水流a0maxa0D0导叶的开度黑龙江大学水利电力学院4.4.水轮机调速器：水轮机

5、调节所用的调节装置称为水轮机调速器：水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。它是以机组水轮机调速器。它是以机组转速的偏差为依据转速的偏差为依据进行进行调节的。调节的。水轮机调节系统的组成：水轮机、导水机构、水轮机调节系统的组成：水轮机、导水机构、调速器。调速器。Q油压活塞油压活塞5.1 5.1 水轮机调节的基本概念水轮机调节的基本概念黑龙江大学水利电力学院黑龙江大学水利电力学院黑龙江大学水利电力学院一、调速系统的静特性一、调速系统的静特性导叶开度一定时，调速器在稳定状态下，机组导叶开度一定时，调速器在稳定状态下，机组转速与机组所带负荷之间的关系，转速与机组所带负荷之间的关系，即出力即出力调节

6、前后调节前后机组转速的状态机组转速的状态。1、无差调节：、无差调节：调节前后机组转速不变调节前后机组转速不变，如图，如图5-1a，单机运行机组才可能实现。，单机运行机组才可能实现。因多台机组并列运因多台机组并列运行时各台机组反应时间行时各台机组反应时间和动作快慢不同。和动作快慢不同。5.25.2调节系统的特性调节系统的特性黑龙江大学水利电力学院2、有差调节：、有差调节：调节前后机组转速有一小的偏调节前后机组转速有一小的偏差差，如图，如图5-1b。其调差率表达式为：其调差率表达式为：%1000minmaxnnnepnmax机组最大稳定转速，相当于空载工况；机组最大稳定转速，相当于空载工况；nmi

7、n机组最小稳定转速，相当于最大负荷工况；机组最小稳定转速，相当于最大负荷工况；n0机组额定转速。机组额定转速。实际运行一实际运行一般取般取ep=08%。5.25.2调节系统的特性调节系统的特性黑龙江大学水利电力学院有差调节可使在有差调节可使在电力系统中电力系统中并列运行的机组不并列运行的机组不仅保持同步运行仅保持同步运行，并可在，并可在机组间按照调度要求明确机组间按照调度要求明确地进行负荷分配地进行负荷分配。当各机组调差率相当各机组调差率相同且同且0，要满足相同转，要满足相同转速同步并列运行，必须速同步并列运行，必须等负荷分配方式工作。等负荷分配方式工作。当各机组采用不同当各机组采用不同负荷分

8、配方式工作，负荷分配方式工作，要满足相同转速同步并要满足相同转速同步并列运行，调整各自调差列运行，调整各自调差率即可。率即可。5.25.2调节系统的特性调节系统的特性黑龙江大学水利电力学院二、调速系统的动特性二、调速系统的动特性出力调节过程中出力调节过程中机组转速随时间变化的关系机组转速随时间变化的关系。书上内容课下自己了解，没有多大用处。具体书上内容课下自己了解，没有多大用处。具体调节时间的确定见调节时间的确定见水电站建筑物水电站建筑物课程调节保证课程调节保证计算相关章节。计算相关章节。调节保证计算：计算和分析，调节保证计算：计算和分析，正确合理地解决正确合理地解决导叶启闭时间、水锤压力和机

9、组转速上升值三者之导叶启闭时间、水锤压力和机组转速上升值三者之间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，间的关系，最后选择适当的导叶启闭时间和方式，使水锤压力和机组转速上升值均在允许范围内使水锤压力和机组转速上升值均在允许范围内。5.25.2调节系统的特性调节系统的特性黑龙江大学水利电力学院调速器的组成：调速器的组成：(以机械液压型调速器为例以机械液压型调速器为例)测量机构测量机构：测量机组转速偏差，并把偏差信号：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。转变为位移信号，然后输出。放大机构放大机构：包括引导阀：包括引导阀+辅助接力器、主配阀辅助接力器、主配阀+主接力器，二级放大

10、，将位移变化主接力器，二级放大，将位移变化油压变化。油压变化。执行机构执行机构：主接力器，控制：主接力器，控制a0，改变，改变Q。由外由外界能源完成界能源完成。反馈机构反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使水轮：缓冲器和杠杆机构，当调节使水轮机的主动力矩机的主动力矩Mt=发电机的阻抗力矩发电机的阻抗力矩Mg时，反馈信时，反馈信号使调节停止。号使调节停止。5.3 5.3 水轮机调速器的基本工作原理水轮机调速器的基本工作原理黑龙江大学水利电力学院黑龙江大学水利电力学院一、类型一、类型1、按调速器元件结构分、按调速器元件结构分机械液压机械液压(机调，利用离心摆机调，利用离心摆)和和电气液压电气液压(电

11、调，电调，利用电气回路利用电气回路)。电调的优越性电调的优越性：调节性能优良，灵敏度和精确：调节性能优良，灵敏度和精确度高，成本低，便于安装调整。电气液压是用度高，成本低，便于安装调整。电气液压是用电气电气回路代替机调中的机械元件回路代替机调中的机械元件。5.4 5.4 调速器的类型与系列调速器的类型与系列黑龙江大学水利电力学院2、按调节机构数、按调节机构数分为分为：单一调节和双重：单一调节和双重调节。调节。单调单调：仅设一个导：仅设一个导叶起闭机构，如混流和叶起闭机构，如混流和轴流定浆机组。轴流定浆机组。双调双调：有两个调节：有两个调节机构，如机构，如ZZ设有设有a0及及调节机构、调节机构、

12、CJ设有针阀设有针阀和折流板转动调节机构。和折流板转动调节机构。机壳机壳转轮转轮折流板折流板喷管喷管 喷嘴喷嘴引水板引水板5.4 5.4 调速器的类型与系列调速器的类型与系列黑龙江大学水利电力学院3、按大小（容量）分为、按大小（容量）分为大型大型：活塞直径：活塞直径80mm以上。以上。中型中型：操作功：操作功10000Nm30000Nm。小型小型：操作功小于：操作功小于10000Nm。特小特小：操作功小于：操作功小于3000Nm。5.4 5.4 调速器的类型与系列调速器的类型与系列黑龙江大学水利电力学院二、调整器的系列二、调整器的系列表表5.1给出了给出了1978年提出的反击式水轮机系列型年提

13、出的反击式水轮机系列型谱表。谱表。表中型号由三部分组成，各部分之间用短横线表中型号由三部分组成，各部分之间用短横线隔开：隔开：1、第一部分、第一部分：调速器的基本特性和类型。采用：调速器的基本特性和类型。采用汉语拼音的第一个字母表示。汉语拼音的第一个字母表示。大型：无代号；中小型带油压装置：大型：无代号；中小型带油压装置：Y；特小：；特小：T。机械液压：无代号；电气液压型：。机械液压：无代号；电气液压型：D。单调：无。单调：无代号；代号；双调：双调：S。调速器：。调速器：T，通流式：，通流式：T。5.4 5.4 调速器的类型与系列调速器的类型与系列黑龙江大学水利电力学院2、第二部分：工作容量、

14、第二部分：工作容量，用阿拉伯数字表示。，用阿拉伯数字表示。中小型调速器：为主接力器工作容量中小型调速器：为主接力器工作容量(9.81N.m)；大型调速器指主配阀直径；大型调速器指主配阀直径(mm)；字母；字母A、B、C为改型次数为改型次数 3、第三部分：调速器的额定油压、第三部分：调速器的额定油压，用阿拉伯，用阿拉伯数字表示。数字表示。对额定油压对额定油压 25105pa(2.5Mpa)的不加表示；的不加表示；而对额定油压较高的，则用其油压值表示。而对额定油压较高的，则用其油压值表示。5.4 5.4 调速器的类型与系列调速器的类型与系列黑龙江大学水利电力学院例例：YT-3000：中型、带油压装

15、置、机调、额定：中型、带油压装置、机调、额定油压油压2.5Mpa，其接力器的工作容量为，其接力器的工作容量为30009.81Nm。DST-100A-40：大型电气液压双调节型调速：大型电气液压双调节型调速器，主配压阀直径为器，主配压阀直径为100mm，经一次改型后的产品，经一次改型后的产品，额定油压额定油压40105pa(4Mpa)。黑龙江大学水利电力学院油压装置是油压装置是供给调速器压力能源的设备供给调速器压力能源的设备，是调，是调速系统设备之一。速系统设备之一。组成：组成：压力油罐压力油罐(储存压力油储存压力油)、回油箱、回油箱(收集调收集调速器回油和漏油速器回油和漏油)、油泵机组、油泵机

16、组(向压力油罐送油向压力油罐送油)及其及其附属设置，如图附属设置，如图5-115-11。5.5 5.5 调速器的油压装置调速器的油压装置黑龙江大学水利电力学院5.5 5.5 调速器的油压装置调速器的油压装置1.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。2.额定工作油压分为两种：有的电站采用低油压，为2.5MPa；有的电站采用高油压，为4.0MPa。3.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。4.当油压降低到正常工作油压下限(2.32.7MPa)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

17、停止工作。5.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。黑龙江大学水利电力学院此系统组成及在厂房中此系统组成及在厂房中的布置，具体在的布置，具体在水电站建水电站建筑物筑物中学习。中学习。黑龙江大学水利电力学院包括：包括：调速柜、接力器、油压装置调速柜、接力器、油压装置的选择。的选择。中小型调速器是将上面的三部分结合在一起，成为一个整体设备，以主接力器的工作容量(也称为调速功)为表征组成标准系列。用调速功来进行选择。对大型调速器，三者是分开的，并且互不配套，需要分别进行选择。大型调速器的表征值是主配压阀直径，因此需要先求出主接力器容积，再计算主配压阀直径。5.65.6水轮机调速设

18、备的选择水轮机调速设备的选择黑龙江大学水利电力学院5.65.6水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择1、中小型调速器的选择调速功：接力器活塞上的油压力与其行程的乘积。反击式水轮机的调速功：A=(200250)Q(HmaxD1)1/2 Q为最大水头下额定出力时的流量。冲击式水轮机的调速功：A=9.81Z0(d0+d03Hmax/6000)Z0为喷嘴数目 d0为额定流量时的射流直径。黑龙江大学水利电力学院5.65.6水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择2、大型调速器的选择(1)接力器的选择导叶接力器的选择通常采用两个接力器操作导水机构，当额定油压为2.5MPa时，接力器直径ds为：为计算系数

19、，查表。b0为导叶高度。当额定油压为4.0MPa时，接力器直径ds为：由计算的接力器直径，查标准接力器系列表，选用相邻偏大的直径。max101HDbDdssssddd81.00.4/5.205.1黑龙江大学水利电力学院接力器最大行程Smax可由经验公式求出：Smax=(1.41.8)a0maxa0max为水轮机导叶的最大开度，由模型水轮机导叶最大开度a0Mmax换算得出：a0max=a0Mmax(D0Z0M/D0MZ0)其中，D0和Z0分别为水轮机导叶轴心圆的直径和水轮机的导叶数目。将Smax的单位转换为m，即可求出两个接力器的总容积：223maxmax12(m)22sssdVSd S5.65

20、.6水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择黑龙江大学水利电力学院转浆式水轮机转轮叶片接力器的计算：转浆式水轮机除了选择导叶接力器以外，还要选择转轮叶片接力器(位于轮毂内部)。其直径dc、最大行程Scmax、容积Vc可按经验公式估算。dc=(0.30.45)D1(2.5/P0)1/2 Scmax=(0.0360.072)D1 Vc=0.25dc2 Scmax5.65.6水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择黑龙江大学水利电力学院5.65.6水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择(2)主配压阀直径的选择通常主配压阀的直径与通向主接力器的油管直径相等。通过主配压阀油管的流量为：Q=Vs/Ts

21、Ts为导叶的直线关闭时间。则由管内油的流速(45m/s)确定油管直径d。大型调速器以主配压阀的直径为表征而组成系列，计算出d以后，就可以查表选择调速器型号了。对于双调节的转浆式水轮机，通常使转轮叶片的主配压阀直径与导水机构的主配压阀直径相等。黑龙江大学水利电力学院5.65.6水轮机调速设备的选择水轮机调速设备的选择（3）油压装置的选择a.油压装置的工作容量以压力油罐的总容积为表征，故首先应按经验公式求出压力油罐的总容积Vk：Vk=(1820)Vs 对于HL水轮机：Vk=(1820)Vs+(45)Vc 对于ZZ水轮机，Vs和Vc分别为前面计算出的接力器容积。b.若油压装置需要供给空放阀接力器用油，则Vk需要增加(910)Vt，Vt为空放阀接力器的容积。c.若油压装置需要供给进水阀接力器用油，则Vk需要再增加3Vf，Vf为进水阀接力器的容积。d.计算出压力油罐总容积后，可查表选择油压装置。