调速器培训资料.docx

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调速器培训资料

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武汉三联水电控制设备有限公司

二OO八年七月

内容提要

本书对水轮机调节的基本任务和原理进行了简单的叙述，对目前比较先进的各种水轮机调速器的电气、电液转换、机械执行环节进行了详尽的介绍和分析。

着重介绍了电气控制部分的控制方式和主要流程，对调速器的调试及各种试验和常见故障对策进行了详细的论证和叙述。

本书主要用于三联水电控制设备有限公司新员工和电站检修、运行人员调速器技术方面的培训及参考。

前言

本书重点讲述水轮机调节的基本知识，调速器及其主要元件的结构原理和工作特性、调速器常规试验，调速器的一些调节参数，调速器运行中的为许与常见故障分析和处理。

对目前比较先进的几种调速器类型进行了结构、特点等详细的介绍，并且以混流机组的控制为例介绍了电气控制原理及流程。

本书取材主要着眼于调速器的基本知识，结构原理、基本计算和现场调试等内容，注重知识的实用性，为入门性质的科普教材。

本书由武汉三联水电控制设备有限公司编写，参加编写工作的有刘安平总工程师、乔宇等。

本书在编写的过程中得到公司工程部、技术部、研发部、生产部等部门大力支持和协助，并对书稿提出了宝贵的意见，在此我们表示忠心感谢。

对于在书中存在的缺点和错误，希望读者批评指正。

武汉三联水电控制设备有限公司

2005年10月

目录

内容提要2

前言3

第一章水电站及其系统8

1.1电厂的分类8

1.2水电厂分类9

1.3水轮机的类型10

1.4水电站关键设备介绍12

第二章调速器概况14

2.1调速器在水电站的作用和地位14

2.2水轮机调速器的类型15

2.3水轮机调速器的发展历史16

2.4新型调速器的标准和特性19

2.4.1水轮机调速系统的标准19

2.4.2调速器总体原则20

2.4.3性能指标20

2.4.4调速系统的可靠性21

第三章调速器的控制原理22

3.1水轮机调节的基本原理22

3.2调速器系统的结构25

3.2.1电气控制系统25

3.2.2电液转换环节28

3.2.3液压放大机构29

3.2.4机械执行机构30

3.2.5必要的辅助设备31

3.3调速器的运行及流程控制31

3.3.1调速器运行流程32

3.3.2自动运行工况33

3.3.3电手动运行工况38

3.3.4机械手动运行工况38

3.4调节规律38

第四章典型调速器产品介绍43

4.1数字式调速器43

4.2步进式调速器45

4.2.1产品简介45

4.2.2系统结构46

4.3比例数字式冗余调速器48

4.3.1产品简介48

4.3.2系统结构49

第五章调速功的计算51

5.1常规油压（2.5、4.0、6.3MPa）的调速功计算51

5.2高油压（16MPa）的调速功计算56

第六章调速器的调试步骤64

6.1通电检查64

6.2试验准备工作64

6.2.1接力器的反馈调整64

6.2.2开关机时间整定65

6.2.3电机反馈调整（仅步进式和比例式）65

6.2.4功率反馈调整65

6.2.5水头反馈调整66

6.2.6电机驱动调整（仅步进式）66

6.2.7测频检查66

6.3无水试验66

6.3.1静特性试验66

6.3.2调速器运行状态切换试验67

6.3.3故障冗错试验68

6.3.4模拟紧急停机试验68

6.4动态调试68

6.4.1手动开机68

6.4.2空载频率摆动68

6.4.3空载频率扰动69

6.4.4自动开、停机69

6.4.5甩负荷试验70

第七章一次调频功能71

7.1一次调频及其在电网负荷频率控制中的作用71

7.1.1电网调频的基本概念71

7.1.2一次调频和二次调频71

7.1.3发电机组调速系统一次调频静态特性71

7.2.电网一次调频在水电机组的实现72

7.2.1水轮机调节的任务72

7.2.2对于水电机组的一次调频主要性能指标72

7.2.3一次调频实时运行曲线74

第八章常见故障分析及处理75

8.1空载运行75

8.2负载运行75

8.3接力器76

8.4甩负荷76

8.5参数和水头77

8.6关键输入信号78

8.7关键监视参数78

附件：

水轮机控制系统试验规程79

参考文献98

第一章水电站及其系统

1.1电厂的分类

电力工业是国民经济的一项基础工业，其发展速度必须超前于国民经济发展的速度。

否则其他各项工业必将受到制约。

目前，我国缺电严重，2004年上半年全国性缺电，东南及沿海尤为严重。

因此，电力工业的发展有严峻的任务和巨大的潜力。

发电厂是直接生产电能的部门，由于所用“燃料”不同，发电厂的种类有：

火力发电厂、水力发电厂、核电厂、风力发电厂以及地热发电厂、太阳能发电厂、磁流体发电厂等，世界各国以前三类发电厂居多。

1）火力发电厂简称火电厂，是利用煤、石油、天然气或其他燃烧的化学能生产电能的工厂。

其能量转换过程是：

燃料的化学能→热能→机械能→电能。

火力发电厂又分为凝汽式电厂和热电厂。

一般凝汽式电厂的效率大约在30%—40%，大部分的能量被浪费掉。

而热电厂生产电能的同时，剩余的热能用于北方居民的取暖，现代化大型的火电厂总体效率在60%—70%。

用于发电的效率也只是30%—40%。

而且由于热负荷条件的限制以及矿产燃料的过度开采，热电厂不可能大量兴建。

2）水力发电厂是利用江河水流在高处与低处之间存在的位能差进行发电的。

它的基本过程是：

从河流较高处或水库引水，利用水的压力或流速冲动水轮机转动，将水能转变成机械能，然后水轮机带动发电机旋转，将机械能转化为电能。

与火力发电厂相比，水电厂具有以下优点：

◆利用循环不息的水能发电，可节省大量燃料，而且没有环境污染。

◆生产过程较简单，所需的运行维护人员较少，容易实现电能生产自动化。

◆生产效率高，发电成本低，大中型水电厂的发电效率约为80%—90%，成本约为火电厂的1/3～1/4。

◆水电机组从静止状态启动到满负荷运行，正常时只需4～5分钟，事故时可以缩短到1分钟左右。

而火电厂则需数小时，故水电厂能适应负荷的急剧变化，宜于承担系统的峰荷及作为备用。

在水电机组快速开机、停机以及灵活调节负荷的过程中，水轮机调速器作为执行及控制设备有着至关重要的作用。

另外，水力发电厂仍存在下面一些缺点：

◆投资较大，工期较长。

◆受气象，水文等自然条件的影响，有丰水期与枯水期的区别，因而发电不均衡。

◆由于水库的兴建将淹没一部门土地，给农业生产带来一些不利的影响。

◆此外，还可能在一定程度上破坏自然界的生态平衡。

3）核电厂也属于火力发电厂的一种形式，它们的区别在于燃料不同，核电厂的主要优点是可以节省大量的煤、石油等燃料，造价虽高，但发电成本比火力发电厂要低30%～50%。

4）风力发电厂利用风能发电，利用地区的气候优势开发新能源。

风能洁净无污染，占地面积小。

但是风力发电投资较大，地域选择性强，不能大范围推广。

1.2水电厂分类

◆坝式水电站

在河流峡谷处，拦河筑坝，在坝址处集中落差形成水头，这种水能开发方式称为坝式开发。

采用坝式开发的水电站称为坝式水电站。

按照大坝和水电站厂房位相对置的不同又可分为河床式、闸墩式、坝后式、坝内式、溢流式等。

坝式开发的优点是形成蓄水库，可以用来调节流量，水电站引用流量大，水能利用程度比较充分。

此外，坝式开发因有蓄水库，故综合利用效益高，可以同时解决防洪和其他兴利部门的水利问题。

目前，世界上装机规模超过200万kw的巨型水电站大都是坝式开发。

◆引水式水电站

在河流坡降较陡的河道上游，通过人工建造的引水道（明渠、隧洞、管道等）引水到河段下游来集中落差，再经高压管道引水至厂房，这种开发方式称为引水式开发。

引水式又分为有压和无压引水式电站。

与坝式开发相比，引水式开发集中落差形成的水头相对较高，目前最大水头已达2030m（意大利劳累斯引水式水电站）；由于引水流量一般较小，又无蓄水库调节径流，故水量利用率及综合利用价值较低，装机规模相对比较小（最大达几十万kw）。

◆混合式水电站

在一个河段上，同时才采用坝式和有压引水管道共同集中落差形成水头的开发方式称为混合式开发。

相应的电站称为混合式电站。

◆抽水蓄能水电站

抽水蓄能电站是装设具有抽水和发电两种功能的机组，利用电力低谷负荷期间的剩余电能向上水库抽水储蓄电能，然后在系统高峰负荷期间从上水库放水发电的水电站。

◆潮汐水能开发水电站

潮汐水电站是利用大海涨潮和退潮的时所形成的水头进行发电的。

1.3水轮机的类型

由于河川水能的具体开发条件不同，出现了各种不同类型的水轮机。

根据能量转换特征不同，近代水轮机可分为两大类：

反击式水轮机

主要利用水流的压力能转换为机械能的水轮机称反击式水轮机，它的特点是水流在压力流状态下经过转轮，水流充满整个流道。

根据水流流经转轮的方式不同又可分为以下几类。

1）轴流式水轮机

水流沿轴向进入转轮，轴向流出转轮的水轮机称为轴流式水轮机，如图（a）所示。

根据转轮轮叶结构不同，轴流式水轮机又可分为定浆式（ZD）和转浆式（ZZ）两种。

定浆式水轮机的轮叶装置角固定不变；转浆式水轮机的轮叶装置角可随水轮机工作状况的改变自动调整。

转浆式水轮机高效率区较宽，能适应出力的变化，但结构复杂。

轴流式水轮机多用于低水头大流量的水电站，适用水头3～88m，多用于50m以下水头。

2）混流式水轮机

水流沿径向进入转轮而轴向流出转轮的水轮机称为混流式水轮机，又称轴向轴流式水轮机，如图（b）所示。

混流式水轮机适用水头范围30～700m，是应用最多的机型之一。

我国目前混流式机组的水头最高达302m。

3）贯流式水轮机

水流由管道进口导尾水管出口均为轴向流动，转轮与轴流式机组相同，称为贯流式机组，如图（d）所示。

根据轮叶结构不同，有贯流定浆式和贯流转浆式两种。

贯流式机组过流能力较好，适用于水头范围为1～30m的低水头与微水头开发，多用于河床式与潮汐式水电站中。

4）斜流式水轮机

水流斜向流经转轮，叶片轴线与水轮机轴线有一夹角，称为斜流式水轮机，如图（c）所示。

斜流式水轮机转轮叶片装置角可调整，高效率区较宽，其性能界于轴流式与混流式之间，适用水头范围在20～150m，可作为水泵—水轮机（可逆式机组）用于抽水蓄能电站。

冲击式水轮机

通过喷嘴将水流能量全部转换成高速射流的动能，冲击安装在转轮外围轮盘上的部分勺斗使转轮转动，将水能转换成机械能的水轮机称为冲击式水轮机。

转轮在大气中工作，水流流经叶片（勺斗）时均为自由水面。

按射流是否在转轮平面内分，可有以下三种不同形式。

1）切击式（水斗式）水轮机

射流在转轮旋转平面之内，如图（a）所示。

转轮旋转时，后续勺斗背面会对射流产生一定阻隔作用。

2）斜击式水轮机

射流与转轮旋转平面成一斜角α，射流由勺斗一侧进入，另一侧流出，增加了水轮机的过流量，如图（b）所示。

由于射流避开了水斗背面的阻隔，提高了水能利用效率，但相应产生了轴向水推力。

3）双击式水轮机

射流具有一个很宽的长方形截面，与主轴垂直。

射流先从转轮外周流向中心，穿过中心空腔后再从内向外流出，二次对叶片发生作用，故称双击式，如图（c）所示。

1.4水电站关键设备介绍

主机：

包括水轮机、发电机。

水能作用在水轮机的导叶和桨叶上，带动转轮转动，从而带动发电机旋转产生电能。

主机辅助系统：

有一些必要的系统是水轮机组运行所必需的，以保证它安全可靠地运行，包括水、油、气系统。

水系统一般指冷却水系统，它保证水轮机组的各个推力瓦以及水导瓦的温度不超过规定的安全运行范围；油系统来保证轴瓦之间的润滑；气系统一般用于刹车装置，使机组尽可能在额定转速下运转，避免在关机过程中长时间的低速运转。

直流屏和UPS：

电站的后备电源。

励磁装置：

调节励磁电流改变磁场，调整机端电压、配合调速器改变发电机的输出功率。

水机保护和线路保护：

水机保护主要监视水轮机组运行中各辅助系统的状况以及各辅助设备的工作状态，当某环节出现故障时根据实际情况来进行相应的动作；线路保护监视电网的状况以及监测电网的各种参数，判断是否正常工作状态，发生状况时及时把水轮机发电机的输出端和电网断开。

调速器：

调节水流量以调节空载机组的转速和负载时机组的负荷。

辅助设备包括油压装置和自动补气装置（常规油压）。

监控系统：

整体统筹各个设备的运行，监视各设备的运行情况和参数，根据各种需要对各个设备发送控制关命令。

第二章调速器概况

2.1调速器在水电站的作用和地位

电能是一种特殊的商品，电能是一种能量形式的转换，它要求生产与消费同时完成，从这个特点出发，在运行时就要求经常保护电源和负荷之间的平衡。

另外保证电能的良好质量也是电能生产过程中的重要任务。

通常衡量电能质量的主要指标是电压和频率，其次是波形。

频率的偏差将严重影响电力用户的正常工作。

对电动机来说，频率降低将使电动机的转速下降，从而使生产率降低，并影响电动机的寿命；反之，频率增高将使电动机的转速上升，增加功率消耗，使经济性降低。

特别是某些对转速要求较严格的工业部门（如纺织、造纸等），频率的偏差将大大影响产品质量，甚至产生废品。

另外频率偏差将对发电厂本身造成更为严重的影响。

例如，在火电厂对锅炉的给水泵和风机之类的离心式机械，当频率降低时其出力将急剧下降，从而迫使锅炉的出力大大见小，甚至引起紧急停炉，这样势必进一步减少系统电源的出力，导致系统频率进一步下降。

另外，在频率降低的情况下运行时，汽轮机叶片将因震动加大而产生裂纹，以至缩短汽轮机的寿命。

因此，如果系统频率急剧下降的趋势不能及时制止，势必造成恶性循环以致整个电力系统发生崩溃。

按我国电力部门的规定，电网的额定频率为50Hz，大电网允许的频率偏差为±0.2Hz。

对我国的中小电网来说，系统负荷波动有时会达到其总容量的5%～10%；而且即使是大的电力系统，其负荷波动也往往会达到其总容量的2%～3%。

电力系统负荷的不断变化，导致了系统频率的波动，因此不断得调节水轮机发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定的规定范围内，就是水轮机调节的基本任务。

总之，水轮机调速器是水电站水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路以及计算机监控系统相配合，完成水轮发电机组的开机、停机、增减负荷、紧急停机等任务。

水轮机调速器还可以去其他装置一起完成自动发电控制、成组控制、按水位调节等任务。

另外在电网发生故障时，配合断路器跳闸快速稳定完成甩负荷过程，保护水轮机组使其尽快恢复额定转速。

总之，水轮机调速器的基本任务归纳如下：

◆机组的正常操作

◆保证机组的安全运行

◆合理分配并联机组的负荷

2.2水轮机调速器的类型

1）从被控制对象的多少来分，可分为单调调速器和双调调速器。

一般单调调速器用于反击式机组中各类型的定浆式机组。

被控对象只有导叶，靠调节导叶的开度大小来控制经过水轮机叶片的水流量。

双调调速器用于各类反击式转浆机组类型。

被控制对象为导叶和浆叶，依靠调节导叶的开度以及浆叶的角度来控制水流对水轮机的出力，一般来说，转浆类机组存在导叶与浆叶的协联控制。

此外，冲击式机组被控制对象比较多，我们归其为另一类n喷n折或者n喷1折型调速器，专门用于冲击式机组。

根据冲击式机组的喷针数量以及折向器的数量不同，调速器的控制对象也不同。

2）水轮机调速器从整体上讲是一种机电一体化产品，机械执行部分我们采用液压控制。

根据电液转换方式来划分，可分为数字式（SLT）、步进式（BWT）、比例数字式（PSWT）调速器，一般数字式和比例式结合在一起。

数字式调速器利用电磁阀用数字脉冲控制阀的开关，达到控制接力器开关的效果。

而步进式调速器利用电流驱动步进电机正反转，产生竖直方向位移，协同引导阀、主配压阀控制接力器的开关。

比例伺服阀通过比例控制器和主配压阀完成电液转换。

3）根据使用的油压大小分为常规油压和高油压调速器。

常规油压有：

2.5MPa，4.0MPa，6.3MPa

高油压一般为16MPa

其中压力油罐的容量根据接力器油腔的大小而定。

4）根据所控制机组容量的大小可分为大型调速器和中型、小型调速器。

一般来说，小型调速器都采用数字式，三联公司有以下型号产品：

SLT—300，SLT—600，SLT—1000。

中型调速器客户要求以及实际情况有多种形式，如果用X代替形式，如数字式，步进式以及比例式或者各种形式的结合。

有以下几种型号：

X—1800，X—3000，X—5000，X—7000。

大型调速器有以下型号：

X—80，X—100，X—150。

5）根据控制部分的可编程控制器plc模块来区分，就目前我公司的使用情况来讲，有三菱FX2N系列，一般用于中小型数字式调速器，也有部分使用Siemens系列模块；有Omron系列模块，一般用于中型步进式或者小型冲击式调速器；另外有部分大型调速器，我们使用施耐德公司的Modicon系列或者Quantum系列模块。

2.3水轮机调速器的发展历史

以水轮发电机组为调节对象的水轮机调速器，在水电厂中的应用有很长的历史了。

早在十九世纪末期，1891年，德国伏伊特公司制造了第一台纯机械调速器，即用皮带作为放大环节的机械离心飞摆式调速器，水轮机的开启和关闭由皮带直接驱动。

很快随着对调速器系统的要求提高，特别是对灵敏度的要求，而且在短时间内的开启和关闭需很大的调节力，这样采用液压是必须的，这样就发展为水压放大式、油压放大式的机械调速器。

在二十世纪50年代末到60年代机械液压调速器已达到全盛时期。

瑞典在1944年就生产了电液调速器。

我国的电液调速器早在50年代就开始研制了，1961年我国自己制造第一台电调在流溪河电厂投运。

60年代到70年代是电液调速器大规模发展的时期。

电调的发展大致经历了这样几个阶段：

电子管式，用电子管做为电气放大器，以电气测频回路代替机械式离心飞摆；后来晶体管代替了电子管，因此出现了晶体管式电液调速器；70年代大规模集成电路技术发展迅速，集成电路运算放大器应用于水轮机调速器。

于是电液调速器也就逐渐由分离元件发展成集成电路结构。

随着科学技术的发展，70年代中期微处理器投入市场后，在70年代末、80年代初许多国家相继开始了微机调速器的研制。

世界上第一台数字式调速器是加拿大70年代初期研制成功的，1976年加拿大又研制了实时数字式调速器，1981年发表了自适应式调速器的试验结果。

我国在80年代初也开始了微机调速器的研制，在1981年底华中理工大学开始了“水轮发电机组自适应式变参数PID微机处理器调速器”，该调速器的PID参数随机组运行工况（水头和开度）自动变化，故障自适应式调速器。

1984年，“三联公司”成立，该联合体集高等院校、研究院、生产制造厂等各方面之长，使之可能跟踪调速器研究的国内水平，并建立起机电都较为完整的研究、设计、制造及用户服务体系。

于1987年推出了第一台微机调速器，在辽宁桓仁电厂投入运行，接着同年底第一台双微机调速器在湖南凤滩电厂投入运行。

实践证明，微机调速器较之于模拟电液调速器有很多使用的优点：

微机调速器软件设置灵活，可按水轮机调节系统自身特性以及各个电厂自身的特殊要求要设置控制模式和控制策略，使机组高效、高质、经济运行。

因此微机调速器一出现就显示出强大的生命力。

采用微机的诊断技术、容错技术将有助于提高调速器的可靠性。

微机的通讯、接口和很强的扩展功能，使得微机调速器能很好地适应正在电厂的计算机监控系统的要求。

1969年美国数字公司（DEC）研制成功了“可编程逻辑控制器（Programmablelogiccontroller），简称PLC，随之日本、欧洲国家相继也研制成功并开始生产可编程控制器。

可编程控制器之所以成为许多工业自动控制设备和系统的首选产品，是由于它的可靠性，在硬件上采取的光电隔离、电磁屏蔽、模拟和数字滤波等一系列抗干扰措施，系统软件具有监视定时器（WDT）和对自身硬件软件进行自检等功能。

具有编程方便、易于使用，同时与外部控制器件借口方便，因此，自1993年开始，我公司就研制了以PLC可编程控制器作为微机调节硬件核心和软件核心的水轮机调速器，现在已有近千台在国内外大、中、小型水轮机发电机组上运行。

水轮机调速器是水电厂综合自动化重要的基础设备，其技术水平和可靠性直接关系到水电厂的安全发电和电能质量，也就关系到整个国民经济各行各业的电能质量。

调速器控制规律的演变和系统结构的变革：

从调速器形成的控制规律来看，发展也是很迅速的。

最早的调速器（机械式）是个比例环节，即形成比例控制规律，用符号P表示。

后来绝大多数调速器都设计成具有比例积分式的控制规律，即PI型调速器，I表示积分作用。

到50年代末和60年代初，由于采用按加速度调节作用，于是具有P-I-D控制规律的调速器问世，D表示微分控制作用。

如瑞典ASEA公司生产的FRVV-10S型电液调速器，法国NEYRPIC生产的RAPID型电液调速器，都具有P-I-D控制规律。

70年代中期，PID调节器直接作用到水轮机调速器上，出现了PID型，也就是比例（P）、积分（I）、微分（D）环节并联的形式调速器。

其积分作用也是靠电气环节产生的，这与前述的P-I-D调速器中积分作用靠油压接力器来产生是一个明显的区别。

这种PID型调速器静态特性、动态特性都比较好，是较为先进的调速器之一。

（用P-I-D代表具有P、I、D控制规律的电调，其中也包括P-I-D型加速度式调速器；而用符号PID代表具有P、I、D环节关联的，具有P、I、D控制规律的电调。

）

二十世纪60年代前的调速器大多是PI调节规律，70年代后各国生产的电液调速器都广泛采用PID调节规律，，这是由于引进了转速的微分调节软件，明显地改善了频率控制的调节品质。

高级调节规律的研究和应用：

近年来，随着微机技术和控制理论的发展，在水轮机调速器采用高级控制规律的研究工作已全面展开。

诸如：

最优控制、状态反馈控制、自适应控制、预测控制、模糊控制、适应式变参数、变结构、滑模变机构控制策略和水压补偿信号控制。

武汉三联水电控制设备有限公司的产品发展历程：

1984年，全国第一台双微机调速器在湖南欧阳海电站投入运行；

微机型调速器以单片机为电气控制核心，实现双微机冗余控制，本台调速器的投运预示着三联公司从科研机构向生产型企业的转变，是知识产业化的起步。

1986年，全国第一台双微机双调调速器在湖北富水电站投入运行；

在单调调速器的基础上，增加产品的类型，实现对水轮机组导叶、桨叶的同步控制，实现电气协联（方便协联曲线的设置）。

1992年，全国第一台可编程微机调速器在东北辽宁桓仁电站投入运行；

可编程控制器（PLC）的出现为水轮机调速器的控制又注入了新的活力，它整合了多种控制功能，大大增加了调速器的控制性能、简化了电气控制单元的结构。

在后来的研发、生产实践证明，PLC作为水轮机调速器的控制核心逐渐成为主流，目前各个厂家以及各种调速器类型都是在此基础上发展起来的。

1996年，全国第一台双可编程调速器在黑龙江莲花电站投入运行；

1996年，全国第一台数字阀式调速器在重庆丰都电站投入运行；

数字阀式调速器的研制和投运标志着调速器机械部分变革的起步，电液转换环节摆脱了以往对主配压阀的依赖性，它造价低、性能稳定、对油质要求不高，对于之后小型水电站的大力发展有很大的帮助。

1997年，全国第一台四喷嘴冲击式专用调速器在云南户宋河电站投运；

冲击式水轮机组对于调速器来