水轮机调节原理及调速器选择

《水电站》2012年5月第五章水轮机的调速设备一、水轮调节的任务系统负荷变化→系统电压发生变化→发电机励磁装置动作→发电机的端电压恢复并保持在许可范围内。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。系统负荷变化水轮机调节的任务：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。二、水轮机调节原理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——机组转动部分的转动惯量；——角加速度；dtdJMMgtdtd所以当负荷变化时，应调节Mt，使Mt=Mg，n=ne又：要使，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Mt的目的。ndtdMMMNndtdMMMNnncdtd，MMgtggtgegt0)3(0)2(,,0)1(ttQHMQHMC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。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。调节实质：调节转速水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器。水轮机调节系统的特点：（1）水轮机的工作流量较大，水轮机及其导水机构的尺寸也较大，需要较大的力才能推动导水机构，因此，调速器需要有放大元件和强大的执行元件。（2）水轮发电机组以水为介质，与蒸汽等相比，水有较大的密度，同时，水电站的输水道一般较长，其中的水体有较大的质量，水轮机调节过程中的流量变化将引起很大的压力变化。（3）对轴流转浆式、水斗式水轮机，需增加一套协调结构，实现双重调节。三、水轮机调节系统的基本工作原理水轮机自动调节系统方框图导水机构机组执行元件放大元件反馈元件测量元件水能QH电能UIf给定ff调速器原理图1—飞摆；2—主配压阀；3—接力器；4、5—活塞；6—节流孔；7—硬反馈；8、9、10—变速机构；11—移动滑块四、水轮机调节系统的组成调速器的作用：以转速偏差为依据，迅速自动地调节导叶开度，已达到改变出力恢复转速的目的。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。调速系统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。反馈机构：缓冲器和杠杆机构，当调节使=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2.5MPa；有的电站采用高油压，为4.0MPa。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，控制导叶开度，改变流量，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。数字式电液调速器监控系统主界面数字式电液调速器油压装置显示画面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)，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×9.81N.m；大型指主配阀直径(mm)第三部分：额定油压2.5MPa不加注释例：YT—300中型、带油压装置、机调、额定油压2.5MPa，工作容量300×9.81NmDST—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。六、水轮机调速设备的选择包括：调速柜、接力器、油压装置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。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=(200~250)Q(HmaxD1)1/2Q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。2、大型调速器的选择(1)接力器的选择①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：λ为计算系数，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。max101HDbDdssssddd81.00.4/5.205.1接力器最大行程Smax可由经验公式求出：Smax=(1.4~1.8)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园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)22sssdVSdS②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=(0.3~0.45)D1(2.5/P0)1/2Scmax=(0.036~0.072)D1Vc=0.25πdc2Scmax(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/TsTs为导叶的直线关闭时间。则由管内油的流速(4~5m/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。（3）油压装置的选择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=(18~20)Vs对于HL水轮机Vk=(18~20)Vs+(4~5)Vc对于ZZ水轮机Vs和Vc分别为前面计算出的接力器容积。若油压装置需要供给空放阀接力器用油，则Vk需要增加(9~10)Vt，Vt为空放阀接力器的容积。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。计算出压力油罐总容积后，可查表选择油压装置。