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水电站机电设备 制作：周建旭 2006年4月
第一节 水轮机调节的基本概念 一、水轮机调节的任务 f和U的变化应保持在额定值附近的某一范围内 f 大系统：±0.2Hz，小系统：±0.5Hz 要求系统中所有承担负荷的机组，在系统负荷变化时，能迅速改变其输入功率使之适应于外界负荷的需要，并同时使电力系统的频率恢复和保持在上述允许范围以内。
水轮机调节任务： 1、根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力，以满足系统需要； 2、担负系统短周期内不可预见的负荷波动，调整系统频率； 3、机组的起动、并网和停机等。 基本任务为：根据负荷的变化不断调节水轮发电机组的出力并维持机组转速在规定范围±0.1%～±0.4%内。
二、机组调节的途径 水轮发电机组的运动方程式为 机组的主动力矩Mt是由水流对水轮机叶片的作用力形成的，它推动机组转动。发电机的阻抗力矩Mg是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与机组转动的方向和Mt的方向相反，它代表发电机的有功功率输出。 要求改变水轮机的主动力矩Mt，使之迅速地适应于新发电机阻抗力矩Mg，重新使Mt=Mg达到新的平衡，使转速恢复到原来的额定转速，频率亦恢复到额定频率。
水轮机主动力矩Mt的关系式为： 改变Mt，最好和最有效的办法是通过改变水轮机的过水流量Ｑ来实现。 水轮机调节流量的机构： 反击式：活动导叶（+转轮叶片） 冲击式：带针阀的喷嘴以及折流板。 导水机构、接力器和调速器构成水轮机自动调节系统。
第二节 调节系统的特性 调节过程：包括开度变化、流量变化、出力变化和转速变化等的过渡过程。 调节系统的两种工作状态： (1)调节前后的稳定状态，用调节系统的静特性来描述；(2)从调节开始到终了的过渡过程，用动特性来描述。
一、调速系统的静特性 调节系统的静特性：各参数随时间的变化情况，及在经过一段时间以后是否能回到初始状态，这种特性称调节系统的静特性。 无差调节 有差调节
(1)无差调节 不管负荷如何变化，在调节前后，机组转速均保持为额定转速n0不变，这种调节称为无差调节。对单机运行的机组才有可能采取这种无差调节的运行方式。 (2)有差调节 使机组在不同负荷时对应有不同的转速，也就是说机组从一种稳定状态经过调节过渡到另一种新的稳定状态时，机组的转速是不同的，这种调节称为有差调节。
机组转速随负荷增减而变化的程度称为有差调节的调差率，用ep表示，ep的表达式为：机组转速随负荷增减而变化的程度称为有差调节的调差率，用ep表示，ep的表达式为： nmax——机组最大的稳定转速，相应于空载工况； nmin——机组最小的稳定转速，相应于最大负荷工况； n0——机组额定转速。 (与机组流量的关系) 在实际运行中，一般采用ep=0~8%，当ep=0时，即为无差调节。
两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配 两台不同调差率并列运行机组间的负荷分配
二、调节系统的动特性 调节系统的动特性：在调节过程中，各参数随时间的变化情况，及在经过一段时间以后是否能达到新的平衡状态（即稳定工况），与调节系统的特性有关，这种特性称调节系统的动特性。 调节系统的动特性主要是指在调节过程中机组转速随时间变化的关系，它常以n=f(t)的动特性曲线来表示。
各种过渡过程曲线 (a)发散振荡；(b)等幅振荡； (c)衰减振荡(无差)；(d) 非周期振荡(无差)； (e) 衰减振荡(有差)； (f) 非周期振荡(有差)
调节品质： 1）转速的超调量 无差调节 有差调节 一般要求 ＜0.2~0.3。
2）调节时间TP：一般采用当转速恢复的偏差值不再大于某一△值时。△值对大型调速器取0.2%n0，其他调速器取0.4%n0。2）调节时间TP：一般采用当转速恢复的偏差值不再大于某一△值时。△值对大型调速器取0.2%n0，其他调速器取0.4%n0。 3）振荡次数X：即波动的周期数，通常在调节时间Tp内，要求振荡的次数X不超过1~2周期。 4）衰减度： 主要过渡过程： （1）小波动调节品质分析； （2）水力干扰调节品质分析。
第三节 水轮机调速器的基本工作原理 一、水轮机调节系统的组成 调节系统就必须具有测量、放大、执行及反馈等组成的机构
水能 Q · H 电能 U · I · f 导水机构 机 组 给定 f f 执行元件 放大元件 测量元件 反馈元件 水轮机调节系统方块图
二、水轮机调节系统的工作原理 对有差静特性线的平移，可以使单机运行的机组在负荷不变的情况下改变其转速，可使并列运行的机组在保持转速不变的情况下改变其负荷。
第四节 调速器的类型和系列 一、调速器的类型 (1)按调速器元件结构的不同，可分为 机械液压型调速器(简称机调)：50年代和60年代 电气液压型调速器(简称电调)：60年代至今 微机调速器：80年代以来 电气液压型调速器方块图
(2)按调节规律可分为PI和PID调速器等；按反馈的位置可分为辅助接力器型、中间接力器型和电子调节器型。(2)按调节规律可分为PI和PID调速器等；按反馈的位置可分为辅助接力器型、中间接力器型和电子调节器型。 (3)按调速器调节机构数目的不同，可分为单一调节调速器(简称单调)和双重调节调速器(简称双调) (4)按调速器工作容量的大小不同，又可分为大、中、小型调速器。 主配压阀活塞直径在80mm以上的称为大型调速器； 操作功在10000~30000Nm之间的称为中型调速器；操作功在10000Nm以下的称为小型调速器； 其中调速功在3000Nm以下的又称为特小型调速器。
二、调速器的系列 型号由三部分组成，各部分用短横线分开： 第一部分为调速器的基本特性和类型：大型(无代号)，中、小型带油压装置(Y)，特小型(T)；机械液压型(无代号)，电气液压型(D)；单调(无代号)，双调(S)；调速器(T)，通流式(T)。 第二部分为调速器工作容量：对中小型调速器是主接力器的工作容量(9.81Nm)，对大型调速器是指主配压阀直径(mm)；字母A、B、．．．表示改型次数的标记。 第三部分为调速器的额定油压：对额定油压为2.5MPa及其以下者不加表示，而对额定油压较高者用其油压数值表示。
第五节 调速系统的油压装置 一、油压装置的组成及其工作原理 每台机组都有它单独的调速器和与之相配合的油压装置，它们中间以油管路相通。 中小型调速器的油压装置与调整柜组成一个整体，在布置安装和运行上都较方便。 大型调速器的油压装置，由于其尺寸较大，是单独分开设置的。
油压装置是由压力油罐、回油箱、油泵机组及其附件组成。压力油罐供给调速系统保持一定压能的压力油；回油箱是用作收集调速器的回油和漏油；油泵机组用作向压力油罐输送压力油。油压装置是由压力油罐、回油箱、油泵机组及其附件组成。压力油罐供给调速系统保持一定压能的压力油；回油箱是用作收集调速器的回油和漏油；油泵机组用作向压力油罐输送压力油。
二、油压装置的系列 油压装置因结构的型式不同而分为分离式和组合式两种。 分离式是将压力油罐和回油箱分开制造和布置，中间用油管连接； 组合式是将两者组合为一整体。
油压装置工作容量的大小是以压力油罐的容积(m3)来表征的，并由此组成油压装置的系列型谱。型号由三部分组成，各部分之间也用短横线分开：油压装置工作容量的大小是以压力油罐的容积(m3)来表征的，并由此组成油压装置的系列型谱。型号由三部分组成，各部分之间也用短横线分开： 第一部分YZ用“油”、“装”两字汉语拼音第一字母组成，对组合式油压装置在YZ之前加字母H，对分离式不加。 第二部分为阿拉伯数字的分式，分子表示压力油罐的总容积，分母表示压力油罐的数目，没有分母者为1个压力油罐。其后注有A、B、C．．．者为改型的次序标记。 第三部分的阿拉伯数字表示油压装置的额定油压，无数字者表示额定油压为25×105Pa。
第六节 水轮机调速设备的选择 水轮机的调速设备一般包括调速柜，主接力器和油压装置三部分。 (1)中小型调速器是将三部分组合在一起成为一个整体设备，以主接力器的工作容量(也称为调速功)为表征组成标准系列，在选择时只需要计算出水轮机的调速功即可。 (2)大型调速器三者是分开的，而且调速柜(包括主配压阀在内)、主接力器和油压装置三者并不固定配套，以主配压阀直径来表征的，因此须先求得主接力器的容积，然后据此计算主配压阀直径，选择相应的调速器。
一、中小型调速器的选择 反击式水轮机调速功 A＝(200～250)Q 冲击式水轮机调速功 式中 z0——喷嘴数目； d0——额定流量时的射流直径，cm。 已知调速功A，可在调速器系列型谱表中选出所需要的调速器。
二、大型调速器的选择 (一)接力器的选择 1.导叶接力器的选择 对大型调速器通常采用两个接力器来操作导水机构，当油压装置的额定油压为2.5MPa时，每个接力器的直径的计算： 系数表 注：1.若b0/D1的数值相同，而转轮不同时，Q11大时取大值； 2.同一转桨式转轮，蜗壳包角大并用标准对称型导叶者取大值，但包角 大，用标准正曲率导叶者取小值。
若油压装置的额定油压为4.0MPa时，则接力器直径 由以上计算得的ds(或 )值便可在标准接力器系列表选择相邻偏大的直径。 标准接力器系列
接力器最大行程Smax可由下列经验公式求得 式中 a0max可由模型水轮机导叶最大开度a0Mmax换算求得： 较小的系数用于转直径D1＞5m的情况。 将所求得的Smax的单位化为m，则可求两个接力器的总容积Vs为：
2.转桨式水轮机转轮叶片接力器的计算 对转桨式水轮机的双调节调速器，除选择导叶接力器外尚须选择转轮叶片的接力器，该接力器装在轮毂内，它的直径dc、最大行程Scmax和容积Vc可按下列经验公式进行估算： 当D1＞5m时，可采用较小的系数。
（二）主配压阀直径的选择 通常主配压阀的直径与通向主接力器的油管直径是相等。通过主配压阀油管的流量为： 式中 Ts——导叶从全开到全关的直线关团时间，s。 则油管直径(即主配压阀直径)为： ——管内油的流速(m/s)，当油压装置的额定油压为2.5MPa时，一般取 ，当管道较短和工作油压较高时选用较大的流速。 大型调速器是以主配压阀的直径为表征而组成系列，因此计算出主配压阀直径后，便可选择调速器型号。
对于双调节的转桨式水轮机，在选择调速器时，通常使操作转叶片的主配压阀直径与操作导水机构的主配压阀直径相同，这是由于转轮叶片接力器的运动速度一般比导叶接力器慢得多，所以能够满足导叶接力器动作的主配压阀也一定能够满足转轮叶片接力器的要求。对于双调节的转桨式水轮机，在选择调速器时，通常使操作转叶片的主配压阀直径与操作导水机构的主配压阀直径相同，这是由于转轮叶片接力器的运动速度一般比导叶接力器慢得多，所以能够满足导叶接力器动作的主配压阀也一定能够满足转轮叶片接力器的要求。
(三)油压装置的选择 油压装置的工作容量是以压力油罐的总容为表征的，选择时首先按下列经验公式计算出压力油罐的总容积Vk 混流式水轮机 转桨式水轮机 若油压装置尚需供给空放阀和进水阀的接力器用油时，在上列总容积中按要求可增加(9～10)Vt和3Vf ，Vt、Vf分别为空放阀和进水阀接力器的容积。 当选用的额定油压为2.5Mpa时，可按以上计算得的压力油罐总容积选择相邻偏大的油压装置。
