水轮机调速器培训教材.docx
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水轮机调速器培训教材
水轮机调速器培训教材
XX市科音自控设备有限公司
前言
根椐近几年来，天津市科音自控设备有限公司举办调速器培训班的经验，及一些电站的实际调试经验，我们编写了新版的调速器培训教材，为使本教材达到深入浅出的效果，参考了一些理论书籍，使本教材真正达到理论联系实际。
教材涵盖了天津市科音自控设备有限公司的大部分产品，及当前市场上其它有代表性的产品，具有一定的实用价值。
2001年5月，天津市科音自控设备有限公司研制的步进式PCC可编程智能调速器已成功应用于龙羊峡水电站，对小水电的两台YWT-600型微机调速器进行了改造。
在此基础上研制了数字阀PCC可编程智能调速器，该项目是国家科技部创新基金项目（项目编号：
04C26211201022）。
该产品已在多个水电站成功投运，并被《世界经理人周刊》《经济日报.名牌时报》等媒体评为2005年中国500最佳新产品之一。
教材以创新基金项目“数字阀PCC智能调速器”为重点，介绍了调速器的构成、工作原理、操作和调整方法，同时介绍了步进式PMC微控制器调速器的相关内容，调速器的静态和动态特性，微机调速器的工作状态，调速器的试验方法和现场参数选择方法，以及油压装置的工作原理等。
希望通过培训使学员能够掌握调速器的基本原理，能够正确使用调速器，对调速器进行必要的日常维护。
避免由于操作和维护不当而造成调速器故障。
在编写过程中得到了天津市科音自控设备有限公司研发部部长钱军辉，工程师：
张伟朋、丛燕、黄炎彬的大力支持，在此表示衷心感谢。
不当和遗漏之处，恳请大家不吝指正。
编者
2006年10月于天津市科音自控设备有限公司
第一章概述
1.1水轮机调速器的任务：
水轮机调速器的基本任务是不断地调节水轮发电机组的输出功率，维持机组的转速（频率）在额定转速（频率）的规定范围内。
它是水轮发电机组的重要辅助设备，它与电站二次回路或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。
1.2水轮机调速器的种类：
水轮机调速器是由实现水轮机调节及相应控制的机构和指示仪表等组成的一个或几个装置的总称，它是水轮机控制设备的主体。
可分为机械液压调速器、电气液压调速器和微机调速器等几种。
按照调节对象可分为单调节型、双调节型、冲击式专用调节器。
单调节型调速器适用于混流式、轴流定浆、贯流定浆式水轮机。
双调节型调速器适用于轴流转浆式、贯流转浆式水轮机。
冲击式专用调速器适用于单喷嘴、两喷嘴、四喷嘴等多喷嘴冲击式水轮机。
1.3调速器的型号说明
Z
W
P
B
F
C
Y
（S）T—××××—××—××
功能符号
油压等级：
2.5（省略），4.0,6.3,16.0MPa
对于中小型：
调速功（Kg·m）
对于大型：
主控制油管或主配直径（mm）
对于冲击式：
控制油管直径/喷嘴数量
调速器
双调节型（仅双调有此项）
B—步进电机式伺服装置
F－数字阀随动系统
C—冲击式
Z—PCC可编程智能调节器
W—PMC微控制器调节器或广义微机
P—PLC逻辑控制调节器
调速器自带油压装置（大型无此项）
1.4水轮机调节系统的特点
水轮机调节系统是一个自动调节系统，它除了具有一般闭环控制系统的共性外，还有如下特点：
1水轮机调节需要很大的动力。
2水轮机过水管道存在着水流惯性。
3水轮发电机组存在着机械惯性。
4水轮机调节系统是一个复杂的、非线性系统
1.5调速器一览表
天津市科音自控设备有限公司开发生产的常规调速器如表1-1所示，另外还有冲击式调速器和高油压调速器。
表1-1常规调速器一览表
调节器
随动系统
型号
PCC可编程智能调节器
步进式
小型
YZBT-300/600/1000
中型
YZBT-1800/3000/5000/7500
大型单调
ZBT-50/80/100/150/200/250
大型双调
ZBST-50/80/100/150/200/250
数字阀
小型
YZFT-300/600/1000
中型
YZFT-1800/3000/5000/7500
大型单调
ZFT-50/80/100/150/200/250
大型双调
ZFST-50/80/100/150/200/250
PMC微控制器调节器
步进式
小型
YWBT-300/600/1000
中型
YWBT-1800/3000/5000/7500
数字阀
小型
YWFT-300/600/1000
中型
YWFT-1800/3000/5000/7500
第二章水轮机调节系统的静态和动态特性
水轮机调节系统在工作过程中，有两种工作状态：
静态（稳态）和动态（暂态）。
调节系统的静态又称为稳定状态，是指机组在恒定负荷、给定信号和水头下运行，水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。
当调速系统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，调节系统出现相应的运动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。
从原稳定状态到新稳定状态的运动过程就称为水轮机调节系统的动态。
在实际运行中，水轮机调节系统的稳定状态是相对的、暂时的，其动态则是绝对的、长期的。
2.1水轮机调节系统静态特性
当给定信号恒定时，水轮机调节系统处于平衡状态，被控参量偏差相对值与接力器行程相对值的关系如图2-1所示。
图2-1水轮机调节系统静态特性
图2-1中：
——机组频率的相对值；
——机组频率（Hz）;
——额定频率
=50Hz;
——机组转速的相对值；
——机组转速（r/min）；
——机组额定转速（r/min）；
——发电机极对数；
——接力器行程相对值；
——接力器行程（m）；
——接力器最大行程（m）。
2.1.1永态转差系数
（1）永态转差系数bp
在图2-1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，取某一规定点（例如，图示中的A点），过该点作一切线，其切线斜率的负数就是该点的永态差值系数：
（2-1）
对于图2-1所示的静态特性曲线，其对应的值为50bpHz（当额定频率为fr=50Hz时）。
（2）最大行程的永态差值系数bs
在图2-1所示水轮机调节系统静态特性曲线上，在规定的给定信号下，得出接力器在全关（y=0）和全开（y=1.0）位置的被控参量（频率、转速）的相对量之差，这个差值即为bs。
显然，对于一条曲形线的静态特性线，选取不同的A点，会得到不同的bp值。
但是，实践证明，对选择了合适接力器位移变送器的水轮机微机调速器来说，其静态特性十分接近于一条直线。
因此，在这种情况下，取bs作为bp。
2.1.2转速死区ix
给定信号恒定时，被控参量的变化不起任何调节作用的两个值间的最大区间，称为死区，当被控参量为转速时，即为转速死区ix。
其在静态特性图上的表述如图2-2所示。
图2-2转速死区ix
2.1.3人工频率死区Ef（ef）和人工开度/功率死区Ey/p
前面的分析讨论都是在人工频率死区Ef和人工开度/功率死区Ey/p均为零的条件下进行的。
这里将分析Ef不等于零时微机调节器的静态特性。
图2-3表示了这种情况下微机调节器的静态特性，图中曲线②表示出了Ef=0的对照曲线。
fc、fg和Ef均以赫兹为单位。
1人工频率死区的Ef≠0的静态特性为图中的A-B-G-D折线，AB和GD段直线的斜率由永态系数bp确定，BG段是垂直横轴的线段，其中点对应于频率给定fc。
2记BG线段的横坐标为y*，则图中各特征频率值如下：
（2-2）
图2-3Ef起作用时微机调节器的静态特性
2.2微机调速器动态特性
采用PID调节器的调速器动态特性如图2-4所示，若永态差值系数bp为零，则得到PID调节器输出yPID对其输入频差Δf的传递函数为：
（2-3）
（2-4）
式中：
YPID（S）——YPID的拉普拉斯变换；
ΔF（S）——Δf的拉普拉斯变换。
式中：
等式右端的负号表示正的频差信号对应于负的接力器开度偏差；
T1v——微分环节时间常数
Kp——比例增益，它是bp=0和KD=0的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与阶跃被控参量相对偏差x之比的负数；
KI——积分增益（s-1），它是bp=0的水轮机调节系统的接力器速度dy/dt与给定被控参数相对偏差之比的负数，即
；
KD——微分增益（s），它是bp=0、Kp=0的水轮机调节系统的接力器行程相对偏差y与给定的被控参量相对变化率dx/dt之比的负数，即
。
PID调节器对频率阶跃变化输入Δx的响应，如图2-4所示。
直线段EB是积分的作用，延长EB与纵轴y交于D点，与横轴交于A点，微分衰减段BF延长交于C点。
1比例作用体现在图2-4所示的OD段所代表的值：
OD=KpΔx=Yp
OD在数值上等于比例系数Kp与频率阶跃变化值x的乘积，记为比例分量Yp。
2微分作用。
图2-4所示曲线OFB是由于微分作用引起的分量，其最大值为CD线段的长度，它代表了微分作用的峰值。
式中：
YDM——微分作用的最大输出值。
3积分作用。
在图2-4所示积分作用直线段EB上截取线段HG，使其纵坐标差值HI在数值上等于频率阶跃变化值，即Δy=Δx，则横坐标差值
图2-4PID调节器的阶跃输入响应特性
第三章微机调速器的工作状态
根据水轮机微机调速器对水轮发电机组的调节与控制情况，可将水轮机微机调速器的工作分成几个状态——停机等待（TJDD）、开机（KJ）、空载（KZ）、负载（FZ）、调相（TX）、甩负荷（SFH）和停机（TJ）。
3.1停机等待（TJDD）状态
在这种状态下，水轮机微机调速器控制水轮发电机组在停机状态，当接收到电站二次回路或机组LCU的开机指令后，即转至开机（KJ）过程。
这时水轮机微机调速器的内部状态为：
电气开度限制（L）为零值（全关），导叶接力器Yga=0（全关）；对于双调整（转桨式或贯流式机组）调速器，桨叶接力器开至启动开度值，Yru=Yru0；在此状态下，水轮机微机调速器不调用PID调节子程序；实时读入水头H、机组功率Pg、接力器行程等信息；人机交互界面（数字显示、发光二极管显示、模拟指示仪表、触摸屏、按钮、开关等）均在正常工作状态。
3.2开机（KJ）过程
调速器在停机等待（TJDD）状态，在无关机指令的情况下，一接收到开机指令，即进入开机（KJ）过程。
图3-1所示为现在广泛采用的开机规律特性。
图3-1微机调速器的开机特性
1设在t=0时接收到开机指令，则桨叶接力器（对于双调整调速器）由启动开度Yru0按设定速度关闭到全关位置（Yru=0）；
2导叶接力器开度Yga和电气开度限制L均同步开启至第一开机开度YKJ1（图中A点）；导叶接力器开度Yga=YKJ1，并维持不动，经过一段延时tA-B，至B点（这时被控水轮发电机组的频率可以被可靠地测量），开始测量机组频率。
一般取延时区段tA-B=5~15s。
设机组频率在图中C点已连续1~2s大于45Hz，则将电气开度限制L由YKJ1关至YKJ2，调速器投入PID调节，接力器在其控制下稳定于空载开度Y0，开机过程结束，并转入空载（KZ）状态。
在开机过程中，如果开机（KJ）过程中接收到停机指令，调速器将转入停机（TJ）过程，最后进入停机等待（TJDD）状态：
3.3空载（KZ）状态
空载状态可由下列状态或过程转换而来：
1开机（KJ）过程，机组频率大于45HZ；
2甩负荷（SFH）过程，电气开度限制L减少至YKJ2；
3调相（TX）状态，发电机出口油开关（以下简称为油开关）断开。
空载状态可转换成下列状态或过程：
1油开关合，转入负载（FZ）状态；
2接收到停机指令，转入停机（TJ）过程。
空载（KZ）状态下，微机调速器的工作情况：
1PID投入工作、机组频率跟踪网频或停止跟踪；
2电气开度限制L=YKJ2，但可手动增加或减少。
3.4负载（FZ）状态
负载状态可由下列状态转换而来：
1空载（KZ）状态，油开关合上；
2调相（TX）状态，调相指令解除。
负载状态可转换成下列状态或过程：
1油开关断开，转至甩负荷（SFH）过程；
2接收到调相指令，转至调相（TX）状态；
3接收到停机指令，转至停机（TJ）过程。
负载（FZ）状态下，微机调速器的工作情况：
1PID投入工作，可以在频率调节、开度调节或功率调节模式下运行；
2由空载（KZ）转来时，电气开度限制L立即增大至全开或运行水头下的最大值LM，可手动增加或减少。
3.5甩负荷（SFH）过程
甩负荷状态是在负载（FZ）状态下，油开关断开时转换来的。
进入本状态后，首先使电气开度限制L等于导叶接力器开度Yga值，再以一定速度使L减小，当L=YKJ2时，转至空载（KZ）状态。
甩负荷过程中，若接收到停机指令，则转至停机（TJ）过程。
甩负荷过程中，PID投入工作、在频率调节模式下运行。
3.6调相（TX）状态
机组在负载（FZ）状态下工作，接收到调相指令时，转至调相状态工作。
调相指令解除时，导叶接力器将开启至空载开度Y0，转至负载（FZ）状态；接收到停机指令后，先转入负载（FZ）状态，再进入停机（TJ）过程。
机组在调相状态下，电气开度限制L=0、开度给定Yc=0，且不能进行人工调整；PID投入工作、在频率调节模式下运行。
3.7停机（TJ）过程
机组在各有关状态或过程、接收到停机指令，均转至停机过程。
当电气开度限制L和导叶接力器开度Yga均关闭至零值（全关）时，转至停机等待（TJDD）状态。
在停机过程中，PID投入工作、在频率调节模式下运行。
一般的停机特性如图3-2所示。
图3-2微机调节器的停机特性
1导叶接力器开度Yga的关闭过程以两段关闭折线关闭至零值（全关），其拐点B可由程序设定，程序也可以方便地整定AB段和BC段的关闭速度；
2在导叶接力器按ABC折线运动时，桨叶接力器开度Yru按协联曲线规律朝关闭方向运动；当导叶接力器关闭至全关位置时，调速器进入停机等待（TJDD）状态，桨叶接力器开启至启动开度Yru0。
微机调速器各状态或过程的转换关系如图3-3所示。
图3-3微机调速器工作状态转换图
第四章数字阀PCC智能调速器的特点及构成
4.1主要特点
（1）全新的控制理念。
采用不同于常规PLC的新一代可编程计算机控制器--PCC，面向控制过程，采用高级语言编程，分析运算能力强，在同一CPU中能同时运行不同程序。
（2）全PCC化，具有极高的可靠性。
从输入到输出,从测频到控制脉冲等各环节均实现了PCC化。
PCC的平均无故障时间MTBF高达50万小时，即57年。
远远高于常规PLC的平均无故障时间30万小时。
（3）任务的优点。
在传统PLC中，并行处理是靠程序扫描来完成的。
但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，更简单直接的方法就是采用多任务技术。
PCC恰恰可以满足这种需求，当某一任务在等待时，其他任务仍可继续执行，非其他常规PLC可以比拟。
（4）智能型调速器。
采用自适应式变结构，变参数并联PID调节。
自动识别电网的性质，并自动适应电站的各种特殊运行方式，如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。
人性化设计，具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能。
（5）采用PCC高速计数模块（HSC）测频。
PCC高达4MHz的计数频率，具有很高的测频精度和可靠性，从而使调速器的输入通道－测频环节的可靠性有了根本的保证。
（6）由PCC实现信号综合及控制脉冲的输出。
调节器的电气开度（数字信号）和转换为数字信号的接力器实际位移由PCC内部进行综合比较，输出控制脉冲信号，经功率放大后，直接驱动先导电磁阀。
充分发挥了PCC多任务的功能。
（7）联网方便。
具有RS232或RS485通讯接口，可以方便地实现人机对话，及与上位机通讯，提高电站的自动化水平。
（8）调节模式灵活。
可实现频率调节，开度调节，功率调节，并可实现调节模式间的无扰动切换。
（9）PCC的大内存，为智能型调速器提供了资源保证。
用户内存：
512KBEEPROM，100KBSRAM，系统内存：
512KBEEPROM，远大于常规PLC10KB左右的内存。
（10）采用电磁球阀作为电液转换元件。
彻底解决了常规调速器电液转换元件油污发卡的问题，滤油精度仅需100μm，使电站可以实现完全可靠的自动运行。
（11）自动识别电网的性质，可以适应电站的各种特殊运行方式。
如孤网运行，及由大电网解列为小电网运行的突变负荷等特殊情况，均可保证机组稳定运行。
（12）具有故障锁锭的功能。
由于数字阀只有通/断两个状态，且数字阀采用锥阀密封可以保证在31.5MPa下无泄漏，所以，数字阀又具有液压锁的功能，因此该系列调速器在测频信号消失及断电等情况下，具有故障锁锭的功能。
（13）无杠杆结构。
该系列调速器采用了数字阀液压随动系统，自动时有电气返馈，手动无需反馈，因此取消了杠杆，消除了因为杠杆造成的死区，提高了调速系统的精度，而且无明管路，结构简单，美观。
（14）友好的人机界面。
采用触摸屏做为人机界面，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。
（15）维护简单调试方便。
由于PCC的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求，调试只需设定有关数字，没有太多的电位器等可调元件。
（16）零扰动手/自动切换。
由于自动运行时，电磁球阀每次动作后都处于失电状态；而切断电源即为手动运行。
手动运行时，电子调节器跟踪接力器的实际开度。
因此数字阀调速器实现了零扰动手/自动切换。
（17）灵活性和适应性强。
触摸屏上设有特殊功能选择画面，可根据电站的具体情况选择所需功能。
（18）桨叶随动系统准确度高。
对于ZFST系列调速器，采用数字协联方式，且可现场修改协联曲线并记忆修改后的数据，以便根据电站的实际条件按最优曲线运行.
4.2主要功能
ZFT/ZFST系列数字阀PCC可编程智能调速器具有自动、电手动、手动三种操作方式，且可无条件无扰动切换。
具有很多功能，实用性智能性很强，除常规功能外具有如下主要功能。
（1）空载运行时，能自动跟踪系统频率,实现快速并网。
（2）具有频率调节、开度调节、功率调节三种模式，并可实现调节模式间的无扰动切换。
功率调节模式为可选项，如需要定货时应注明，在此模式下，可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能（AGC）。
（3）具有很强的自诊断、防错、纠错及容错功能，并可将有关故障信息显示在屏幕上，或发出报警信号。
（4）与上位机通讯的功能，接受上位机的控制命令，给上位机传送有关信息。
此项为可选项，如需要定货时应注明。
（5）开停机智能控制。
（6）具有参数记忆功能。
当电源消失时，PCC可保存数据存储器的内容，且无需电池保存，免去定期更换电池的烦恼。
使运行人员可以方便地修改有关参数并被PCC记忆。
（7）多级密码保护功能。
持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。
运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。
（8）采用交直流双重供电，当交流电源故障时，直流电源自动投入，直流电源故障时，保持当前开度不变。
（9）空载运行，当机频信号消失时，自动将开度保持在空载开度以下，以防过速。
并网运行，当机频信号消失时，自动切换为网频测量回路，保持正常发电运行，同时发出机频故障信号。
（10）具有水位调节功能。
此项为可选项，如需要定货时应注明。
（11）可根据电站的具体情况在触摸屏上选择所需功能。
4.3调速器的构成
常规配置采用机电合柜形式，亦可按照用户的要求采用机电分柜形式。
结构布置简洁合理，人性化设计，便于检修，便于操作。
ZFST系列调速器面板上装有：
触摸屏、导叶开度表、桨叶开度表、转速表、直流电源指示灯、交流电源指示灯、锁锭投入指示灯、锁锭拔出指示灯、急停按钮、复归按钮、手/自动旋钮、导叶电动开/关旋钮、桨叶电动开/关旋钮。
其结构框图如图4-1所示。
图4-1ZFST系列数字阀PCC智能调速器结构框图
该系列调速器由调节器、电液随动系统、油压装置构成。
调节器主要由电源、可编程计算机控制器（PCC）、人机界面（触模屏）等组成。
PCC包括：
CPU模块、高速DI模块、脉冲输出模块、A/D转换模块、开关量输入/输出模块及机架等。
人机界面采用进口触模屏，承担显示、监控、报警等功能。
人机界面非常友好，画面美观逼真，全中文显示，操作方便，可以同时显示很多信息。
触摸屏上设有显示、操作、参数设置、模式、报警、帮助等画面。
具有多级密码保护功能。
持有密码级别的高低，决定了对系统行使权利的大小。
运行人员只能观察到常规显示画面并进行常规操作，检修人员或管理人员可对调节参数等进行修改。
电液随动系统主要是执行机构，它将直接影响调速器的性能和可靠性。
数字阀调速器以标准液压元件即电磁球阀为先导阀，代替传统的电液转换器，以标准液压元件即二通插装阀为放大元件代替传统的主配压阀。
其工作特点是以电磁球阀的通、断控制插装阀，插装阀的通、断来控制接力器。
电磁球阀的工作状态只有通、断两个状态，也即相当于数字电路的高电平、低电平两个状态（即1、0），故将其称为数字阀，由此构成的调速器称为数字阀调速器。
插装阀的密封形式为锥阀，因此插装阀又具有液压锁的功能，插装阀在31.5MPa油压下零泄漏。
电磁球阀失电后接力器零漂移，具有故障锁定的功能。
所以该系列调速器具有充分理由去掉了机械反馈。
由于该系统的先导电磁球阀又具有手动阀及事故阀的功能，减化了调速器内部结构，因此该系列调速器实现了真正意义上的无杠杆，无明管路；机械部分结构上采用集成块的形式，可应用于31.5MPa的高油压系统；电磁球阀及插装阀对液压油的洁净度要求很低，抗卡阻能力极强；零部件互换性好，更换零部件时，无需调整；整体结构简单，运行维护方便，可靠性高。
4.4工作过程
调速器自动运行时的工作过程如下：
◆接收到开机令后，按照预先设定好的开机规律开机。
◆如调节模式为自动，当网频测量正常时，调速器自动选择跟踪网频模式，PCC按照机频与网频的差值进行PID运算，为实现快速并网作好准备；当网频测量故障时，自动切换为停止跟踪网频模式，PCC按照机频与频率给定的差值进行PID运算。
PCC根据电气开度和实际开度的差值输出脉宽调制（PWM）信号，经功率放大后驱动电磁球阀，电磁球阀作为先导阀控制二通插装阀，经液压放大后控制接力器调节导叶开度，使机组自动运行于空载工况。
并网后，如并大电网运行，自动选择功率调节模式或开度调节模式，如为孤网运行，自动选择频率调节模式。
通过上位机或触摸屏改变功率给定值或开度给定值，调节器经PI运算后，实现负荷调节。
◆如调节模式为手动，则调节模式可人为切换。
◆接到停机令后，调速器自动将机组关机，完成停机过程。
第五章数字阀PCC智能调速器的电气工作原理
5.1可编程计算机控制器（PCC）
为了满足自动化的新的需求，B&R向传统的PLC观念告别，为自动化技术提供新的选择。
它面向自动化过程，而不是面向继电器逻辑电路仿真，这就是B&R2003的理念。
PCC代表着一个全新的控制概念，它集成了可编程逻辑控制器（PLC）的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统功能。
它能方便地处理开关量，模拟量，进行回路调节。
并能用高级语言编程，具备大型机的分析运算能力。
其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。
软件也具备模块结构，系统扩展时只需在原有基础上叠加运用软
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