调速器学习资料.docx

1、调速器学习资料一 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

2、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，

3、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1/31/4。水电机组从静止状态启动到满负荷运行，正常时只需45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，

4、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

5、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

6、（最大达几十万kw）。混合式电站在一个河段上，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

7、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388m，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

8、范围30700m，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130m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20150m，可作为水泵水轮机（可逆式机组）用于抽水蓄能电站。冲击

9、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，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，

10、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

11、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。二 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

12、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

13、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，

14、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

15、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，

16、一般数字式和比例式结合在一起使用。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：SLT300，SLT600，SLT1000。中型调速器

17、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：X1800，X3000，X5000，X7000。大型调速器有以下型号：X80，X100，X150。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机械液压调速器最早的水轮机调速器都是机械液压调速

18、器，它是随着水电建设发展在20世纪初发展起来的，它能满足带独立负荷和中小型电网中运行的水轮发电机组调节的需要，有较好的静态特性和动态品质，可靠性较高。但是，面临大机组、大电网提出的高灵敏度、高性能和便于实现水电站自动化的要求，机械液压调速器固有的采用机械液压方法进行测量、信号综合和稳定调节的功能就露出明显的缺陷。现在，新建的大型水轮发电机组几乎均步采用机械液压调速器，只有中小型机组仍有相当一部分采用机械液压调速器，而且大部分电厂已经改造为现代新型调速器。 电气液压调速器测速稳定及反馈信号用电气方法产生，经电气综合、放大后通过电气液压放大部分驱动水轮机导叶控制接力器的调速器，称为电气液压调速器。

19、20世纪50年代以后，电气液压调速器获得了较为广泛的应用。从采用的元件来看，它又经历了电子管、磁放大器、集成电路等几个发展阶段。20世纪80年代末期，出现了水轮机微机调速器并被广泛采用。数字式电液调速器随着1971年微处理机的问世，世界各国在20世纪80年代初都开始研制微机液压调速器。华中科技大学（原华中工学院）在国内率先研制成功了适应式变参数微机调速器，于1984年11月在湖南欧阳海水电站进行了试验并投入运行，其后又与有关单位合作，开发生产了双微机单调节微机调速器和双微机双调节微机调速器，据不完全统计，已有100多台产品在水电站运行。针对自行研制开发的微机系统存在着由非计算机专业人员设计和生

20、产、批量过少而导致可靠性不高的问题，华中科技大学又与有关单位合作，1993年率先提出并完成了可编程控制器调速器的开发和生产，至2000年底，据不完全统计已有近600台可编程控制器调速器在国内外水电站运行。成为我国当前水轮机微机调速器的微机调节器主导产品。从2000年下半年开始，华中科技大学已开始研制新一代的水轮机调速器的微机调节器基于现场总线的全数字微机调节器。显然，随着微机技术、网络技术、总线技术的发展，水轮机微机调速器的微机调节器将会得到不断的完善和发展。与微机调节器的发展同步，水轮机调速器的电液转换装置也由原来的单一的电液转换器和电液伺服阀，发展成为由电磁阀、比例阀或者步进电机/伺服电机

21、构成的电液转换装置。同时，还研制成功了三态/多态阀式的机械液压系统。2.4 新型调速器的标准和特性以下所述标准和性能指标以我公司的产品为参考。2.4.1 水轮机调速系统的标准1电气与电气工程师协会标准IEEE/IEC60362-1998；2水轮机电液调节系统及装置技术规程DL/563-1995；3水轮机调速器与油压装置试验验收规程GB/T 9652.21997；4水轮机调速器与油压装置技术条件GB/T 9652.11997；5大中型水轮机组自动化元件及系统基本技术条件GB/T 11805-89；6IEC308水轮机调速系统试验国际规程；7NEMA美国电气制造商协会标准。2.4.2 调速器总体原

22、则符合国家有关文件、标准的规定，充分体现先进性、合理性、完整性和高可靠性的原则。保证整个调速系统安全可靠地工作，并满足如下要求：* 满足有关文件的要求和有关国家标准。* 适应频繁启停，空载快捷平稳，大网运行安全可靠，小网运行响应迅速。* 高性能和高安全可靠性。* 各种运行工况稳定运行、相互跟踪、切换无扰动。* 硬件配置合理，各种调节控制功能完备。* 全中文图形、表格、数据的人机操作平台。* 完善的试验、录波、事件记录、自诊断、帮助等辅助功能。* 选用世界知名厂家的兼容性高的最新元器件。2.4.3 性能指标* 导叶接力器全关闭时间调整范围为： 3100S* 导叶接力器全开启时间调整范围为： 31

23、00S* 桨叶接力器全关闭时间调整范围为： 10120S* 桨叶接力器全开启时间调整范围为： 10120S* 频率调整范围： 4555 Hz* 永态转差bp调整范围： 010%* 比例增益Kp调整范围： 0.520* 积分增益KI调整范围： 0.0510 1/s* 微分增益KD调整范围： 0.010 s* 人工失灵区调节范围： 01 .5%nr* 测至主接力器的转速死区不超过： 0.02 %* 水轮机甩25%负荷后，接力器不动时间不超过： 0.2 s* 静特性曲线非线性度不超过： 0.5% * 自动空载运行3分钟，机组转速相对摆动值不超过 0.15% 。* 甩100%额定负荷后转速波动超过3%

24、的波动次数不超过 2次，由调速器引起的机组转速持续波动相对值不大于：0.15。从机组甩负荷时起，导机组转速相对偏差小于1为止的调节时间tE与从甩负荷开始至转速升至最高转速所经历的时间tM的比值，对中、低水头反击式水轮机和冲击式水轮机应不大于15；对从电网解列后给电厂供电的机组，甩负荷后机组的最低相对转速不低于0.9。2.4.4 调速系统的可靠性自动工况可利用率： 99.99%自动手动可利用率： 100%首次无故障间隔时间（自现场验收起） 不小于35000小时大修间隔时间： 10年 退役前的使用期限： 20年三 调速器的控制原理3.1 水轮机调节的基本原理水轮机调节系统是由水轮机控制设备和被控制

25、系统组成的闭环系统。水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统中的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合，称为水轮机控制系统。水轮机调速器则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。其工作过程为：测量元件把机组转速n（频率f）、功率P，水头H、流量Q等参量测量出来，与给定信号和反馈信号综合后，经放大校正元件控制执行机构、执行机构操纵水轮机导水机构和浆叶机构，同时经反馈元件送回反馈信号至信号综合点。以上为电气控制部分的基本原理。它的执行部分由

26、机械液压装置来实现。它包括压力产生装置（压力罐）和压力动作装置（接力器）。压力罐的首先充入高压气体，常规油压调速器一般充入空气，高油压调速器使用氮气。然后利用螺杆泵将压力油抽入压力罐体。由于气体被进一步压缩，从而产生一定的压强，作用在油面上产生压力油。电液转换装置受电气控制信号驱动，转换为机械位移，借助压力油的做功进行液压放大，产生较大的力改变接力器的开度，从而改变导叶开度以及浆叶角度，调节导水机构的流量、流态，达到对水轮机调节系统种各被控制机构的控制。水轮机调速器是水电站发电机组的重要辅助设备，它与电站那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。

27、水轮机调速器还可以与其他装置一起完成自动发电控制（AGC）、成组控制、按水位调节等任务。水轮发电机组转动部分的运动方程为：Jd/dt=Mt-Mg式中：J机组转动部分的惯性矩（kg）；n/30机组转动角速度（rad/s）；n机组转动速度（r/min）；Mt水轮机转矩（Nm）；Mg发电机负荷阻力矩（负载转矩）（Nm）。上式表明，保持机组转速（频率）为恒值的条件是d/dt0，即要求MtMg，否则就会导致机组转速（频率）偏离额定值，从而出现转速（频率）偏差。水轮机转矩MtQHt /式中：Q通过水轮机的流量（m3/s）;H水轮机净水头（m）；t水轮机效率；水的密度（kg/m3）因此只有调节流量Q和效率t

28、，才能调节水轮机转矩Mt，达到MtMg的目的。从最终效果来看，水轮机调节的任务是维持水轮发电机组转速（频率）在额定值附近的允许范围内。然而，从实质上讲，只有当水轮机调节器相应地调节水轮机导水机构开度（从而调节水轮机流量Q）和水轮机轮叶的角度（从而调节水轮机效率t），使MtMg，才能使机组在一个允许的规定转速（频率）下运行。从这个意义上讲，水轮机调节的实质就是：根据偏离额定值的转速（频率）偏差信号，不但地调节水轮机的导水机构和轮叶机构，维持水轮发电机组功率与负荷功率的平衡。水轮机控制设备是通过很大的动力来调节水轮机导水机构和桨叶机构来调节水轮机流量及其流态的，因此，即使是中小型调速器也大多要采用

29、机械液压执行机构，且常常采用有一级或二级液压放大的液压执行机构。水轮机过水管道存在这水流惯性，通常用水流惯性常数Tw来表述：Tw(Qr/gHr)L/A=Lv/gH式中：每段过水管道的截面积（）；L相应每段过水管道的长度（m）v相应每段过水管道内的流速（m/s）g重力加速度（m/s2）Tw水流惯性时间常数（s）从自动控制理论的观点来看，过水管道水流惯性使得水轮机调节系统成为一个非最小相位系统(非极小相响应)，其特点为，由于水的惯性，当改变导叶方向时，首先引起水轮机转矩在反方向作用，然后再回到与导叶运动相同的方向。对系统的动态稳定和响应特征会带来十分不利的影响。通常所说的水锤效应（或水击效应）就是

30、对这种水流惯性的一种形象的表述。水流惯性时间常数Tw的物理概念是：在额定水头Hr作用下，过水管道内的流量Q由0加大至额定流量Qr所需要的时间。水轮发电机组存在着机械惯性，可利用机组惯性时间常数Ta来表述：TaJr/Mr=GD2Nr2/3580Pr式中：Jr额定转速时机组的惯性矩（kg） Mr机组额定转矩（Nm）GD2机组飞轮力矩（kN）nr机组额定转速（r/min）Pr机组额定功率（kW）Ta机组惯性时间常数（s）机组惯性时间常数Ta的物理概念是：在额定力矩Mr作用下，机组转速n由0上升至额定转速nr所需要的时间。水轮机调节系统是由水轮机控制设备（系统）和被控制系统组成的闭环系统。水轮机、引水和泄水系统、装有电压调节器的发电机及其所并入的电网称为水轮机调节系统的被控制系统；用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定量的偏差，并将其按一定的特性转换成主接力器行程偏差的一些装置组合成为水轮机控制设备（系统）。水轮机调速器则是由实现水轮机调节及相应控制的电气控制装置和机械执行机构组成。水轮机调节系统的工作过程为：测量元件把机组转速n（