第四章 調(diào)速器運行與維護

第一節(jié) 調(diào)速器概述

一、水輪機調(diào)節(jié)的任務(wù)及基本原理

1.水輪機調(diào)節(jié)的任務(wù)

如圖4-1所示，在水電站中，水輪機將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽缓蠼?jīng)電力網(wǎng)將電能輸送給用戶使用。用戶除要求供電安全、可靠和經(jīng)濟外，還對供電的頻率和電壓等指標有著嚴格的要求，因為電流頻率和電壓對其額定值的偏差將影響用戶的生產(chǎn)與工作。我國對電能的質(zhì)量標準規(guī)定，電力系統(tǒng)的頻率應(yīng)保持在50Hz，其允許偏差對電力網(wǎng)容量在3000MW及以上者為±0.2Hz，對容量在3000MW以下的地方電力網(wǎng)為±0.5Hz；用戶端電壓變動幅值的允許范圍是，35kV及其以上的用戶為額定電壓的±5%；10kV及以下的用戶為額定電壓的±7%；低壓照明用戶為額定電壓的+5%～-10%。

發(fā)電機的頻率與轉(zhuǎn)速、磁極對數(shù)有以下關(guān)系

式中 f——發(fā)電機的頻率，Hz；

p——發(fā)電機的磁極對數(shù)；

n——發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，r/min。

磁極對數(shù)由發(fā)電機結(jié)構(gòu)確定，發(fā)電機確定后磁極對數(shù)為常數(shù)。因此，頻率僅與機組轉(zhuǎn)速有關(guān)。要保證頻率在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定不變，就必須保持水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定不變。水輪機調(diào)速器除了完成調(diào)節(jié)機組頻率這一任務(wù)外，還負有多種控制功能，如機組啟動、停機、工況轉(zhuǎn)換、增減負荷等。

電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定主要取決于其有功功率的平衡，即系統(tǒng)內(nèi)的有功功率與有功負荷的平衡，而電力系統(tǒng)的有功負荷是不斷變化的。水輪機調(diào)節(jié)的基本任務(wù)就是，按照用戶有功負荷的變化所引起機組轉(zhuǎn)速變化的偏差，不斷調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組的有功功率輸出，使之與用戶的有功負荷平衡，并維持機組轉(zhuǎn)速（頻率）在規(guī)定范圍內(nèi)。供電電壓的穩(wěn)定是通過發(fā)電機的勵磁裝置來調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機組的無功功率輸出，使之與用戶的無功負荷平衡，以保持發(fā)電機的端電壓變幅在允許范圍內(nèi)。必須指出，頻率變化與電壓變化可以相互影響。在一般情況下，頻率變化1%可引起電壓變化1%～2%，而電壓變化也會引起頻率不穩(wěn)定，所以發(fā)電機勵磁系統(tǒng)不穩(wěn)定也會影響水輪機調(diào)節(jié)工況。

由上可見，供電頻率的穩(wěn)定是通過發(fā)電機的有功調(diào)整，即由調(diào)速器來調(diào)節(jié)；而供電電壓的穩(wěn)定是通過發(fā)電機的無功調(diào)整，即由勵磁裝置來調(diào)節(jié)。

由水輪機原理可知，水輪機轉(zhuǎn)矩由水流對水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的作用力而形成，由表達式可知，調(diào)節(jié)水輪機流量Q可以改變水輪機動力矩 M_t。水輪機調(diào)節(jié)的途徑就是改變進入水輪機的流量，以維持機組轉(zhuǎn)速在額定值。對于不同類型的水輪機，其流量調(diào)節(jié)方式及流量調(diào)節(jié)機構(gòu)又各有不同。

（1）混流式、定槳式水輪機的流量調(diào)節(jié)方式為單一調(diào)節(jié)，其流量調(diào)節(jié)機構(gòu)是導(dǎo)葉。

（2）轉(zhuǎn)槳式水輪機的流量調(diào)節(jié)方式為雙重調(diào)節(jié)，其流量調(diào)節(jié)機構(gòu)是導(dǎo)葉、輪葉。

（3）沖擊式水輪機的流量調(diào)節(jié)方式為雙重調(diào)節(jié)，其流量調(diào)節(jié)機構(gòu)是針閥（由噴針、噴嘴組成）、折向器（或稱偏流器）。

2.水輪機調(diào)節(jié)的工作原理

圖4-2為水輪機調(diào)節(jié)工作原理圖，從圖中可見，水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)由引水系統(tǒng)、水輪發(fā)電機組、電力系統(tǒng)、調(diào)速器等四個部分組成，并構(gòu)成了一個封閉的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。引水系統(tǒng)的作用是將上游水庫或河道中的以水能的形式水引入水輪機，作功后再排至下游；水輪發(fā)電機組的作用是由水輪機將水流能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機械能，再經(jīng)發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能并輸送到電力系統(tǒng)；電力系統(tǒng)也稱電網(wǎng)，其作用是將發(fā)電機輸出的電能輸送給用戶；調(diào)速器的作用是根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化和用戶的給定值調(diào)整進入水輪機的水能。其中水輪發(fā)電機組的運行調(diào)節(jié)、工況變化和操作，是在具有相應(yīng)功能的調(diào)速器控制下實現(xiàn)的。在用戶負荷變化時，導(dǎo)水機構(gòu)隨之按給定規(guī)律或要求改變水輪機流量，恢復(fù)力矩平衡和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。形成無差或有差調(diào)節(jié)特性等等，都是由自動調(diào)速器完成的。可見，自動調(diào)速器是水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)個的控制核心，占有極為重要的地位。

調(diào)速器由自動調(diào)節(jié)機構(gòu)、操作控制機構(gòu)和指示儀表等組成，而自動調(diào)節(jié)機構(gòu)是調(diào)速器的核心部分，它由測頻元件、放大元件、反饋元件和執(zhí)行元件等組成，其作用分述如下：

（1）測頻元件，即圖4-2中所示的測速裝置——離心擺，它利用機械部件轉(zhuǎn)動的方式檢測轉(zhuǎn)速偏差，并將其轉(zhuǎn)變成相應(yīng)機件位移輸出，控制下一級元件工作。

（2）放大元件，分為第一級液壓放大機構(gòu)和第二級液壓放大機構(gòu)，是將測頻元件來的頻差信號和反饋元件來的反饋信號綜合后進行放大，以推動下級元件工作。

（3）反饋元件，起校正作用，包括硬反饋（杠桿1和杠桿2）和軟反饋元件（緩沖器）。反饋一般采用負反饋形式，反饋信號的方向與輸入信號的方向相反，起到削弱輸入信號作用的目的。其中硬反饋元件屬于起定量作用的校正元件，它將執(zhí)行元件（接力器）輸出信號按比例地引回輸入端，以實現(xiàn)預(yù)計的調(diào)節(jié)規(guī)律；軟反饋元件屬于起穩(wěn)定作用的校正元件，它將執(zhí)行元件（接力器）輸出信號的微分值引回輸入端，以確保調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)品質(zhì)。

（4）執(zhí)行元件，是調(diào)速器的輸出接力器，它接受放大后的調(diào)節(jié)信號，并通過控制水輪機導(dǎo)水機構(gòu)，調(diào)整進入水輪機的水流量。

此外，還有操作控制機構(gòu)和指示儀表等。操作控制機構(gòu)：主要有轉(zhuǎn)速調(diào)整機構(gòu)、開度限制機構(gòu)、手自動切換裝置、緊急停機電磁閥和手動操作機構(gòu)等，以便調(diào)整機組轉(zhuǎn)速、增減負荷、開機、停機和手動控制運行等。指示儀表：為了便于監(jiān)控調(diào)速器的運行狀況，對運行中出現(xiàn)的問題能及時了解和處理，在調(diào)速器上安裝有油壓表、轉(zhuǎn)速表、開度表等。

二、調(diào)速器分類及型號

1.調(diào)速器的分類

調(diào)速器的分類方法較多，可按以下方式進行分類。

（1）按照組成元件結(jié)構(gòu)分類。可分為機械液壓調(diào)速器和電氣液壓調(diào)速器，前者由機械元件和液壓元件構(gòu)成，后者由電氣元件和液壓元件構(gòu)成。

（2） 按照調(diào)速器容量的大小分類。可分為特小型、小型、中型、大型調(diào)速器，特小型、小型和中型調(diào)速器容量是指接力器的工作容量，單位為N·m，當(dāng)接力器工作容量大于30000N·m時屬于大型調(diào)速器，其容量用主配壓閥直徑的大小表示，單位為mm。

（3）按照調(diào)速器執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量分類。可分為單調(diào)節(jié)調(diào)速器、雙調(diào)節(jié)調(diào)速器。

（4）按照調(diào)速器調(diào)節(jié)規(guī)律分類。可分為PI型（比例-積分規(guī)律）調(diào)速器、PID型（比例-積分-微分規(guī)律）調(diào)速器。

（5）按照調(diào)速器所用油壓裝置和接力器是否單獨設(shè)置分類。可分為整體式和分離式。整體式一般用于中小型調(diào)速器，它將機械液壓柜、油壓裝置、接力器做成一個整體；分離式用于大型調(diào)速器，機械液壓柜、油壓裝置、接力器均單獨設(shè)置。

2.調(diào)速器的型號編制說明

我國機械行業(yè)標準JB/T 2832—2004《水輪機調(diào)速器及油壓裝置型號編制方法》規(guī)定，調(diào)速器產(chǎn)品型號編制由產(chǎn)品基本代號、規(guī)格代號、額定油壓代號、制造廠及產(chǎn)品特征代號四部分組成,如圖4-3（a）所示。

其中基本代號又由動力特征等五個部分組成,如圖4-3（b）所示，具體為：

（1）動力特征：Y—帶有接力器及壓力罐的調(diào)速器；T—通流式調(diào)速器；D—電動式調(diào)速器。對不帶有接力器和壓力罐的調(diào)速器，此項省略。

（2）調(diào)節(jié)器特征：W—微機電液調(diào)速器。對機械調(diào)速器，此項省略。

（3）對象類別：C—沖擊式水輪機調(diào)速器；Z—轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器。對于單調(diào)速水輪機調(diào)速器，此項省略。

（4）產(chǎn)品類型：T—調(diào)速器；C—操作器；F—負荷調(diào)節(jié)器。

（5）產(chǎn)品屬性：D—電氣液壓調(diào)速器的電氣柜；J—電氣液壓調(diào)速器的機械柜。對電氣柜與機械柜為合體結(jié)構(gòu)的電氣液壓調(diào)速器，此項省略。

規(guī)格代號為表示產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)的數(shù)字。對帶接力器和壓力罐的調(diào)速器，表示接力器容量（N·m）；對不帶接力器和壓力罐的調(diào)速器，表示導(dǎo)葉主配壓閥直徑（mm）。對沖擊式水輪機調(diào)速器，表示噴針配壓閥直徑（mm）×噴針配壓閥數(shù)量/折向器配壓閥直徑（mm）×折向器配壓閥數(shù)量，如數(shù)量為1則省略。

額定油壓代號以額定油壓MPa值表示。制造廠及產(chǎn)品代號依次表示制造廠代號和產(chǎn)品特征代號，產(chǎn)品特征代號可采用字母或數(shù)字，制造廠代號和產(chǎn)品特征代號之間須留一空格。

3.型號示例

（1）YDT-18000-4.0-SK05A。表示帶壓力罐的模擬式電氣液壓調(diào)速器，接力器容量為18000N·m，額定油壓為4.0MPa，為天津水電控制設(shè)備廠05系列第一次改型產(chǎn)品。

（2）TDBWST-100-4.0。表示不帶壓力罐的步進電機微機雙調(diào)節(jié)調(diào)速器，天津電氣傳動設(shè)計研究所產(chǎn)品，其主配壓閥直徑為φ100mm，額定的工作油壓為4.0MPa，為統(tǒng)一設(shè)計產(chǎn)品。

4.調(diào)速器的系列型譜

根據(jù)我國機械行業(yè)標準JB/T 7072—2004《水輪機調(diào)速器及油壓裝置系列型譜》的規(guī)定，調(diào)速器型譜按容量可分為大型、中型、小型和特小型四個基本系列，具體見表4-1。

三、中小型調(diào)速器的應(yīng)用與發(fā)展

水輪機調(diào)速器產(chǎn)生于19世紀末期，經(jīng)歷了機械液壓調(diào)速器向電氣液壓型調(diào)速器、微機型調(diào)速器發(fā)展的漫長歷程，伴隨著控制技術(shù)、電子技術(shù)、液壓技術(shù)的發(fā)展而不斷完善。對于中小型水電站，目前采用的調(diào)速器種類很多，但概括起來主要有機械液壓型、模擬電氣液壓型、微機電氣液壓型調(diào)速器等。

對于目前廣泛采用電氣液壓型調(diào)速器，其電氣部分由于及時應(yīng)用電子工業(yè)的新技術(shù)、新產(chǎn)品，幾乎與電子技術(shù)同步發(fā)展，先后經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、單片機、可編程控制器（PLC）、可編程計算機控制器（PCC）等技術(shù)，目前應(yīng)用最廣泛的是可編程控制微機調(diào)速器。

對于調(diào)速器的機械液壓部分的技術(shù)改進一直發(fā)展較慢，與現(xiàn)代液壓技術(shù)存在巨大差距。原液壓元件常采用單件、小批量生產(chǎn)模式，元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝復(fù)雜，成本高，儲能的壓力油罐采用油氣混合，不利于調(diào)速器液壓元件生產(chǎn)的標準化、系列化。

經(jīng)過近20年的研制與應(yīng)用，高油壓微機型水輪機調(diào)速器逐步被用戶和行業(yè)主管部門認可，廣泛應(yīng)用于新建、改造的中小型水電站中。

四、自動調(diào)速器的基本組成結(jié)構(gòu)

目前新建的水電站一般采用微機液壓調(diào)速器，但許多農(nóng)村小水電仍在沿用機械液壓調(diào)速器，其工作原理基本相似的。但無論現(xiàn)有調(diào)速器多么先進和復(fù)雜，其基本結(jié)構(gòu)和控制理論也是在機械液壓調(diào)速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

一臺完整的自動調(diào)速器，其基本結(jié)構(gòu)主要由三個部分構(gòu)成。

1.自動調(diào)速系統(tǒng)

能自動跟隨負荷（頻率）的變化，不斷調(diào)整水輪機的輸入功率，以維持水輪發(fā)電機組能量轉(zhuǎn)換的平衡，穩(wěn)定機組的轉(zhuǎn)速，從而達到自動調(diào)速的目的。這個系統(tǒng)是自動調(diào)速器的基本組成，也是核心組成部分，能完成調(diào)速器的自動調(diào)節(jié)功能。而自動調(diào)速系統(tǒng)由自動測速系統(tǒng)、放大執(zhí)行機構(gòu)、反饋元件等構(gòu)成，不同類型調(diào)速器，其組成部分的結(jié)構(gòu)形式不一樣，但其控制原理是一致的。

2.操作控制系統(tǒng)

自動調(diào)速系統(tǒng)雖然能夠按照設(shè)定的參數(shù)完成自動調(diào)節(jié)，但不能實現(xiàn)人為控制，在實際運行中，機組控制還需要人為去控制，如開機、停機、負荷增減、緊急停機等，因此，自動調(diào)速器需要設(shè)置人為操作控制的系統(tǒng)。

3.油壓裝置

調(diào)速器通過改變水輪機導(dǎo)葉或噴針開度來改變進行水輪機流量，從而達到調(diào)節(jié)的目的，需要克服巨大水壓力和其他機械阻力，如果單純依靠調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的機械或電氣調(diào)節(jié)信號，是不能完成調(diào)節(jié)動作，必須將調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出的調(diào)節(jié)信號進行放大，目前最常用的方法就是進行液壓放大。因此，需要一套產(chǎn)生壓力油源的裝置為調(diào)速器提供壓力油源，也就是調(diào)速器油壓裝置。