第二章水轮机调节系统工作原理上课讲义课件.ppt

第二章 水轮机调节系统工作原理水轮机转速自动调节系统是从蒸汽机转速自动调节系统发展而来下面以直观易懂的机械液压型调速器构成的水轮机调节系统为例来说明其工作原理，图2-1为水轮机调节系统原理简图，左侧是调速器部分，右侧是水轮发电机组部分图1-12水轮机转速自动调节系统框图2.1 2.1 水轮机调节系统原理简图水轮机调节系统原理简图（图2-1）从水轮机调节转速自动调节系统框图可知：调速器由测量元件、比较元件、放大元件、执行元件、反馈元件等组成见图2-2对应位置，以下分别讲解个元件图2-2）2.1.1测量元件（1）作用）作用 把机组的转速信号转换为机械位移信号2）结构）结构菱形钢带结构，上与飞摆电动机转轴相连（输入），下与引导阀转动套相连（输出）上支持块上支持块输入输入钢带钢带限位架限位架重块重块调节螺母调节螺母弹簧弹簧下支持块下支持块输出输出离心飞摆结构（3）动作）动作b.当飞摆转速升高时，折算离心力大于弹簧力向外张开，下支持块向上处于较高位置；c.当飞摆转速下降时，折算离心力小于弹簧力向内收缩，下支持块向下处于较低位置；可见稳态时，下支持块的上下位置就反映了转速的高低a.初始为某一平衡位置，折算离心力与弹簧力相等；离心摆受力及动作（4）离心摆的静态特性其输入输出关系见图2-3。

用公式表示：(2-3)(2-1)(2-2)图2-3离心摆静态特性a.离心摆工作参数有不均衡度（f）c.放大系数（K）b.位移变化量基准值（ZM*）(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)如T型、YT型f=50%，但T型K=0.4mm/1%，ZM*=40mm；YT型K=0.3mm/1%，ZM*=30mm；（5）动态特性）动态特性（6）信号源）信号源飞摆电动机电源要求十分可靠，取自永磁发电机；小型机组可取自机端电压互感器转速信号的传递过程？a.运运动方程动方程b.传递函数传递函数(2-9)(2-8)(2-10)离心摆的运动方程(p41)，T1为惯性引起的时间常数，T2为液摩阻力引起的时间常数，f不均衡度在讨论调速器及整个调节系统动态特性时，T1、T2较小，不到0.01秒的数量级，可近似为比例环节结构上如何保证死区、非周期稳定呢？2.1.2放大元件（1）作用）作用 将飞摆的输出位移量放大到足以操作笨重的导水机构2）结构）结构a第第一一级级液液压压放放大大（引引导导阀阀辅辅助助接力器）接力器） 引引导导阀阀由由三三层层结结构构组组成成，外外层层为为引引导导阀阀固固定定套套，里里层层为为引引导导阀阀针针塞塞，中中间层间层为引导阀转动套。

为引导阀转动套 转转动动套套与与离离心心摆摆下下支支持持块块相相连连，和和离心摆一同旋转；离心摆一同旋转； 引引导导阀阀针针塞塞与与辅辅助助接接力力器器、主主接接力力器反馈杠杆相连；器反馈杠杆相连； 固固定定套套与与阀阀体体相相连连，阀阀体体上上接接通通三三个油管路个油管路 辅辅助助接接力力器器与与引引导导阀阀中中间间控控制制油油路路相连引导阀结构b第二级液压放大（主配压阀主接力器）主配位于辅接下面，由外层的阀套与中间的阀芯组成阀芯两个阀盘，上大下小阀套与阀体相连，阀体上有4个油管路主接由缸体、活塞及活塞杆组成，活塞两侧接通主配两个控制油路，活塞杆与导水机构相连2-12)式中：p0为供油压强；F1、F2分别为上下阀盘受油面积；PM为作用在主配压阀上面的向上油压合力3）动作）动作初始平衡位置受力分析2-11)式中：pi为引导阀中间油孔控制油压；Fi为辅助接力器活塞上面的环形面积；PA为作用在辅助接力器活塞上面的向下油压力当满足PA=PM时，辅接主配不动，第一级液压放大处于平衡位置，引导阀控制孔口油压为：(2-13)T-100型调速器，辅接直径132mm，有效面积FA=42cm2，主配直径上100mm、下94mm ，差动面积 F1 F2= (102-9.42)*3.1416/4=9.14cm2。

设 工 作 油 压 p0=25kg/cm2， 求 得 ：pi=5.44kg/cm2YT型调速器，辅接活塞直径42mm，活塞杆直径22mm，有效面积FA=10.05cm2；主配直径上35mm、下25mm，差动面积F1 F2= (3.52-2.52) *3.1416/4=4.71cm2设工作油压p0=25kg/cm2，求得：pi=11.72kg/cm2例一例二液压放大系统的动作如下（先考虑针塞不动）.转速下降，转动套向下，pipi0，则PAPM，辅助接力器活塞向下，主接力器开大，主动力矩上升，转速向上恢复；.转速上升，转动套向上，pipi0，则PAn1时，接力器才开始关小；当nn2时，接力器才开始开大理论与实践表明，调速器的转速死区不仅严重影响机组并列运行机组间静态的负荷分配，而且，过大的转速死区将导致动态转速调整稳定性，使电网的频率质量降低转速死区对负荷分配的影响负荷分配误差的相对值与转速死区成正比，与调差率成反比4）调速器静态指标规定关于水轮机调速器的标准有国际标准、国家标准、行业标准、企业标准等：IEC61362水轮机控制系统规范导则IEC60308水轮机调速系统试验规范GB/T9652.11997水轮机调速器与油压装置技术条件GB/T9652.21997水轮机调速器与油压装置试验验收规程GB/T819195水轮机调速器与油压装置术语DL/T563水轮机电液调节系统及装置技术规程DL/T496水轮机电液调节系统及装置调整试验导则调速器类型项目大 型中 型小 型特小型电调机调电调机调电调机调转速死区ix(%)0.040.100.080.150.100.180.20桨叶随动系统不准确度ia（%）1.5bp整定范围bp=0bpm，最小值不大于0.1%，最大值bpm不小于8%表2-1GB/T9652.11997主要静态指标2.4.2动态性能指标动态特性是指调节系统受到扰动后，平衡状态被打破，系统中各变量随时间的变化规律。

首先必须保证动态过程是稳定的，在稳定的前提下，用过渡过程品质指标来衡量动态过程的优劣水轮机调节系统一般考虑两种情况下的动态特性，负荷扰动输入动态特性和给定值输入动态特性a）负荷扰动过渡过程曲线（b）给定值扰动过渡过程曲线图2-28调节系统过渡过程品质指标调节时间Tp它是指从阶跃扰动开始到调节系统（转速）进入新的平衡状态为止所经历的时间最大偏差是指第一个波峰值，也可用相对值表示振荡次数X通常以调节时间范围内出现的波峰及波谷次数的一半表示通常以第一个反向波峰占最大偏差的百分比表示即衰减度通常以第一个波峰与第二个波峰之差的相对值来表示，即（1）负荷扰动输入动态特性当机组负荷发生突然（阶跃）变化时，调节系统进入到动态过程负荷扰动情况下的过渡过程如图2-25（a）所示，有下列过渡过程品质指标：（2）给定值输入动态特性当给定值发生突然（阶跃）变化时，调节系统进入到动态过程给定值输入情况下的过渡过程如图2-25（b）所示，有下列过渡过程品质指标：调节时间Tp它是指从阶跃扰动开始到调节系统（转速）进入新的平衡状态为止所经历的时间设初始稳定转速为n0，即振荡次数X通常以调节时间范围内出现的波峰及波谷次数的一半表示。

3）调节系统动态指标规定国家标准GB/T9652.11997水轮机调速器与油压装置技术条件中对调速器动态特性主要的技术指标规定如下：机组甩负荷后应达到的动态品质指标甩100%额定负荷后，在转速变化过程中，超过3%额定转速以上的波峰不超过两次；从接力器第一次向开启方向移动到机组转速摆动值不超过0.5%为止所经历的时间不大于40s甩25%额定负荷后，接力器不动时间对于电调不超过0.2s，机调不大于0.3s调速器应保证机组在各种工况和运行方式下的稳定性指标机组空载工况自动运行时，3分钟内转速摆相对值对于大型电气液压型调速器，不超过0.15%；对于大型机械液压型调速器和中、小型调速器，不超过0.25%；对于特小型调速器，不超过0.3%如果机组手动工况转速摆动相对值超过规定值（对于大型调速器规定值为0.20%，中、小型和特小型调速器规定值为0.3%），那么其自动空载工况转速相对摆动值不得大于相应的手动空载转速摆动相对值对调节对象特性参数的规定如下：水轮机引水系统水流惯性时间常数Tw，对于PID型调速器，不大于4s；对于PI型调速器，不大于2.5s水轮发电机组惯性时间常数Ta，对于反击式机组，不小于4s；对于冲击式机组，不小于2s。

二者的比值Tw/Ta不大于0.42.5 2.5 机械液压型调速器简介机械液压型调速器简介机械液压型调速器有三种比较典型结构YT、T、ST型，其中T型为大型单调节机调，ST为大型双调节机调，这两种调速器为20世纪5060年代的主导产品，80年代停产，在电站中已逐步被改造为电调或微机调；YT型为中、小型机调代表，90年代停产，虽然大部分被改造为电调或微机调，但是，由于受运行条件、水平的限制，仍有不少电站还在使用下面就以YT型调速器为例说明调速器的基本功能及作用这是学习电液调速器、微机调速器的基础YT型调速器包括调速柜，接力器和油压装置，规格有YT300，YT600和YT1000型号后面的数字代表调速功，单位为Kgm或9.81Nm，按调速功来选择调速器的工作容量图2-29YT型调速器系统图1离心摆电动机；2离心摆；3重块；4调节螺母；5离心摆弹簧；6引导阀；7引导阀转动套；8引导阀针塞；9、10拉紧弹簧；11、13、14、17、29、31、68杠杆；12、40、64、65、69连杆；15调节螺钉；16销子；18手钮；19内弹簧；20外弹簧；21针塞；22从动活塞；23缓冲器主动活塞；24主配压阀衬套；25主配压阀阀体；26辅助接力器活塞；27限位螺母；28调整螺钉；30支持架；32锁母；33开度限制阀；34开度限制阀衬套；35切换阀；36紧急停机电磁阀；37电磁阀弹簧；38电磁阀活塞；39、76弹簧；41滚轮；42锥体活塞；43接力器活塞杆；44接力器活塞；45活塞环；46旋塞；47手柄；48锁母；49手轮；50推力轴承；51滑环；52法兰；53套筒；54转轴；55框架；56指针；57调整螺杆；58、6l缓冲螺母；59调整螺杆；60连杆；62滑轮；63滤油器；66转速调整螺母；67转速调整螺杆；70开度限制螺杆；71开度限制螺母；72、74主动齿轮；73、75从动齿轮；77转速调整机构手轮；78开度限制机构手轮；79、80限位开关档块；81、82限位开关；83开度限制机构减速器；84开度限制机构电动机；85转速调整机构减速器；86转速调整机构电动机；87压力表；88节门；89开度限制指针(红针)；90转速调整机构指针；91导水机构开度指针(黑针)；92滑轮装置；93压力信号器，94压力表；95压力油箱；96止回阀；97中间油箱；98补气阀；99补气阀活塞；100安全阀；101油泵电动机；102螺杆泵；103回油箱油位指示器；104滤油网；105吸气管；106压力油箱油位指示器；107放油阀；108球阀；109滑块；110十字头；111臂柄；112调速轴2.5.1YT型调速器的主要参数关闭时间调整范围1.5s5.0s调速轴最大转角45o永态转差率（系数）08%转速调整范围-15%+10%暂态转差率（系数）0100%缓冲时间常数020s离心摆不均衡度50%离心摆电动机三相感应式220/380，0.25KW，50Hz时，1410rpm油压装置额定压力2.5Mpa（25kg/cm2）图2-30YT型调速器原理框图2.5.2自动调节部分测量元件；放大元件；反馈元件；综合元件2.5.3控制机构部分永态调差机构；转速调整机构开度限制机构；手自动切换阀；紧急停机电磁阀2.5.4机组的启动与停机正常停机用转速调整卸去负荷，开限关到空载开度稍上，跳开断路器，再用开限关闭导叶到零，同时将转速调整打到-15%。

正常开机把开限打到启动开度（空载开度稍上），接力器随之开到启动开度；转速调整从-15%。