1、第五章 水輪機的調速設備,水電站在向電力系統(tǒng)供電的過程中，除了保證供電的安全可靠而外還應保證電壓和頻率的穩(wěn)定。由于用戶負荷的變化使系統(tǒng)供電的電壓和頻率亦隨之發(fā)生變化，此時發(fā)電機的電壓調整系統(tǒng)便自動調節(jié)使其電壓恢復到額定值或保持在許可范圍以內，而頻率的調節(jié)則由水輪機的調速器來完成。,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,我國規(guī)定電力系統(tǒng)的頻率應保持為50HZ，其偏差值應不超過土o．5Hz；對大電力系統(tǒng)，其偏差值則不應超過

2、土0．2Hz。,發(fā)電機輸出電流的頻率是與其磁極對數p和轉速n有關。對一定的發(fā)電機來說，其磁極對數是固定不變的，因此要求調節(jié)發(fā)電機電流頻率就需要調節(jié)機組、也就是水輪機的轉速。,水輪機調節(jié)的任務是迅速改變機組出力使之適應于外界負荷的變化，以保證機組的轉速即供電頻率恢復或保持在允許范圍以內，并在機組之間進行負荷分配達到經濟合理的運行。,水輪機通過什么途徑來完成上述調節(jié)任務呢?這就首先需要分析機組運動的情況。水輪發(fā)電機組的運動方程式為：,二、機

3、組調節(jié)的途徑,當電力系統(tǒng)負荷變化時，首先使發(fā)電機的阻抗力矩Me發(fā)生變化，這樣便破壞了原有的平衡，出現了下列兩種不平衡情況：,1 )機組減小負荷， 減小，使 ，則機組出現了剩余能量，使機組加速旋轉，，形成機組轉速上升；,2 )機組增加負荷， 增大，使 ，則機組出現了不足能量，使機組減速旋轉， ，形成機組轉速下降。,水輪機主動力矩M的關系式為：,改變M最好和

4、最有效的辦法是通過改變水輪機的過水流量 來實現。,第二節(jié) 調節(jié)系統(tǒng)的特性,調速系統(tǒng)的靜特性是指導葉開度一定時，調速器在穩(wěn)定狀態(tài)下，機組轉速與機組所帶負荷之間的關系，這種關系可以用圖線表示，如圖5—1所示。,一、調速系統(tǒng)的靜特性,機組轉速隨負荷增減而變化的程度稱為有差調節(jié)的調差率，用ep表示， ep的表達式為：,在實際運行中，一般采用 =0～8％，當 =0時，即為無差調節(jié)。,如圖5—2所示，有兩臺機組( 機與

5、 機)并列運行，它們有差調節(jié)的調差率都大于零而且是相同的，即 ，也就是說它們的靜特性直線具有相同的斜率。,兩機組以新的平衡轉速 運行時負荷分別為 ，各增加了負荷 ，則此時 并滿足,所以，當各機組以相同而且大于零的調差率并列運行時，就必須以等負荷分配方式工作，否則就不能滿

6、足以相同轉速同步并列運行的條件。,若希望兩臺機組之間以不同負荷分配方式工作時，如希望1’機承擔的系統(tǒng)負荷變化量少一些， 機多一些，則可將 機的靜特性調差率 調得大于 機的調差率 如圖5—3所示。,調節(jié)系統(tǒng)的動特性主要是指在調節(jié)過程中機組轉速隨時間變化的關系，它常以 的動特性曲線來表示。,二、調節(jié)系統(tǒng)的動特性,在調節(jié)過程中，機組轉速隨時間變化的

7、過渡過程可能出現各種情況，如圖5—4所示。,調整后的轉速過渡過程除了滿足上述穩(wěn)定的要求而外，還應滿足對過渡過程的動態(tài)品質要求。過渡過程的動態(tài)品質常用一些指標來衡量，如圖5-5所示，,一、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的組成,第三節(jié) 水輪機調速器的基本工作原理,調節(jié)系統(tǒng)就必須具有測量、放大、執(zhí)行及反饋等組成的機構。,它們之間的關系可以方塊圖5-6表示。,二、水輪機調節(jié)系統(tǒng)的工作原理,1．離心擺---是測量機組轉速偏差并把偏差信號轉變?yōu)槲灰菩盘柕臋C構。

8、,2．引導閥---是把離心擺的位移變化轉換為油壓變化的機構。,3. 輔助接力器與主配壓閥 輔助接力器的襯套中有一差動活塞7，它下面E 孔處接通排油，壓力為零。上面作用有從引導閥引來的某一油壓，因而有一個向下的作用力 。,主接力器(簡稱接力器)是由油缸和其中的活塞9與活塞桿(即推拉桿)組成。,4．主接力器,5．反饋機構,反饋機構有以杠桿系統(tǒng)組成的局部反饋機構和以緩沖器為主的軟反饋機構。,1)局部反饋機構：,2)軟

9、反饋機構：,6．調差機構---是由杠桿系統(tǒng)T-J-Q-M-Z-R組成。,轉速調整機構主要是調整滑塊M 的位置使之上移或下移，如圖5—8所示。,7．轉速調整機構,第四節(jié) 調速器的類型與系列,一、調速器的類型,調速器是水電站機組自動化的關鍵設備之一，按照調速器在結構及工作上的特點，可分為以下幾類：,(1)按調速器元件結構的不同，可分為機械液壓型調速器(簡稱機調)和電氣液壓型調速器(簡稱電調)。,(2)按調速器調節(jié)機構數目的不同，可分為單一

10、調節(jié)調速器(簡稱單調)和雙重調節(jié)調速器(簡稱雙調)，如圖5—10。,(3)按調速器工作容量的大小不同，又可分為大、中、小型調速器。 主配壓閥活塞直徑在80mm以上的稱為大型調速器；操作功在10000～30000N·m之間的稱為中型調速器；操作功在10000N·m以下的稱為小型調速器，其中調速功在3000N·M以下的又稱為特小型調速器。,我國生產的調速器有各種型號，1978年第一機械工業(yè)部和水利

11、電力部提出了反擊式水輪機調速器的系列型譜，見表5-1。,二、調速器的系列,第五節(jié) 調速系統(tǒng)的油壓裝置,一、油壓裝置的組成及其工作原理,油壓裝置是由壓力油罐、回油箱、油泵機組及其附件組成。,1． 回油箱、油泵機組及其附件,2．壓力油罐及其附件,目前我國生產的油壓裝置因結構的型式不同而分為分離式和組合式兩種。分離式是將壓力油罐和回油箱分開制造和布置，中間用油管連接，如圖5-11所示；組合式是將兩者組合為一整體，如圖5-12所

12、示。,二、油壓裝置的系列,油壓裝置工作容量的大小是以壓力油罐的容積(m3)來表征的，并由此組成油壓裝置 的系列型譜，見表5-2。,第六節(jié) 水輪機調速設備的選擇,中小型調速器的調速功是指接力器活塞上的油壓作用力與其行程的乘積。對反擊式水輪機一般采用以下經驗公式進行計算：,一、中小型調速器的選擇,對沖擊式水輪機所需要的調速功A可按下式進行估算：,對大型調速器通常采用兩個接力器來操作導水機構，當油壓裝置的額定油壓為2．5MPa時，每個

13、接力器的直徑d，可按下列經驗公式計算：,二、大型調速器的選擇,(一)接力器的選擇,1．導葉接力器的選擇,2．轉槳式水輪機轉輪葉片接力器的計算,通常主配壓閥的直徑與通向主接力器的油管直徑是相等的。通過主配壓閥油管的流量為：,(二)主配壓閥直徑的選擇,則油管直徑(即主配壓閥直徑)為：,大型調速器是以主配壓閥的直徑為表征而組成系列，因此在按(5-15)式計算出主配壓閥直徑d后，便可在表5-1中選擇調速器型號。,(三)油壓裝置的選擇,油壓裝置的

14、工作容量是以壓力油罐的總容積為表征的，選擇時首先按下列經驗公式計算出壓力油罐的總容積 ：,對混流式水輪機,對轉槳式水輪機,HL240型方案調速設備的選擇,(一)調速功的計算,屬大型調速器，則接力器、調速柜和油壓裝應分別進行計算和選擇。,(二)接力器的選擇,1．接力器直徑的計算,采用兩個接力器來操作水輪機的導水機構，選用額定油壓為2.5MPa，則每個接力器的直徑dS可由(5—6)式求得：,已知導葉數目Z。：24，為標準正曲率導