第四章 調速器運行與維護

第一節 調速器概述

一、水輪機調節的任務及基本原理

1.水輪機調節的任務

如圖4-1所示，在水電站中，水輪機將水能轉變為機械能，再由發電機將機械能轉變為電能，然后經電力網將電能輸送給用戶使用。用戶除要求供電安全、可靠和經濟外，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與工作。我國對電能的質量標準規定，電力系統的頻率應保持在50Hz，其允許偏差對電力網容量在3000MW及以上者為±0.2Hz，對容量在3000MW以下的地方電力網為±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%。

發電機的頻率與轉速、磁極對數有以下關系

式中 f——發電機的頻率，Hz；

p——發電機的磁極對數；

n——發電機的轉速，r/min。

磁極對數由發電機結構確定，發電機確定后磁極對數為常數。因此，頻率僅與機組轉速有關。要保證頻率在一定范圍內穩定不變，就必須保持水輪發電機組轉速穩定不變。水輪機調速器除了完成調節機組頻率這一任務外，還負有多種控制功能，如機組啟動、停機、工況轉換、增減負荷等。

電力系統的頻率穩定主要取決于其有功功率的平衡，即系統內的有功功率與有功負荷的平衡，而電力系統的有功負荷是不斷變化的。水輪機調節的基本任務就是，按照用戶有功負荷的變化所引起機組轉速變化的偏差，不斷調節水輪發電機組的有功功率輸出，使之與用戶的有功負荷平衡，并維持機組轉速（頻率）在規定范圍內。供電電壓的穩定是通過發電機的勵磁裝置來調節，即調節水輪發電機組的無功功率輸出，使之與用戶的無功負荷平衡，以保持發電機的端電壓變幅在允許范圍內。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定，所以發電機勵磁系統不穩定也會影響水輪機調節工況。

由上可見，供電頻率的穩定是通過發電機的有功調整，即由調速器來調節；而供電電壓的穩定是通過發電機的無功調整，即由勵磁裝置來調節。

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

（1）混流式、定槳式水輪機的流量調節方式為單一調節，其流量調節機構是導葉。

（2）轉槳式水輪機的流量調節方式為雙重調節，其流量調節機構是導葉、輪葉。

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

2.水輪機調節的工作原理

圖4-2為水輪機調節工作原理圖，從圖中可見，水輪機調節系統由引水系統、水輪發電機組、電力系統、調速器等四個部分組成，并構成了一個封閉的調節系統。引水系統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；水輪發電機組的作用是由水輪機將水流能量轉化為旋轉的機械能，再經發電機將機械能轉換為電能并輸送到電力系統；電力系統也稱電網，其作用是將發電機輸出的電能輸送給用戶；調速器的作用是根據電網頻率的變化和用戶的給定值調整進入水輪機的水能。其中水輪發電機組的運行調節、工況變化和操作，是在具有相應功能的調速器控制下實現的。在用戶負荷變化時，導水機構隨之按給定規律或要求改變水輪機流量，恢復力矩平衡和轉速穩定。形成無差或有差調節特性等等，都是由自動調速器完成的。可見，自動調速器是水輪機調節系統個的控制核心，占有極為重要的地位。

調速器由自動調節機構、操作控制機構和指示儀表等組成，而自動調節機構是調速器的核心部分，它由測頻元件、放大元件、反饋元件和執行元件等組成，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，它利用機械部件轉動的方式檢測轉速偏差，并將其轉變成相應機件位移輸出，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和第二級液壓放大機構，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，它將執行元件（接力器）輸出信號按比例地引回輸入端，以實現預計的調節規律；軟反饋元件屬于起穩定作用的校正元件，它將執行元件（接力器）輸出信號的微分值引回輸入端，以確保調節的穩定性和調節品質。

（4）執行元件，是調速器的輸出接力器，它接受放大后的調節信號，并通過控制水輪機導水機構，調整進入水輪機的水流量。

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

二、調速器分類及型號

1.調速器的分類

調速器的分類方法較多，可按以下方式進行分類。

（1）按照組成元件結構分類。可分為機械液壓調速器和電氣液壓調速器，前者由機械元件和液壓元件構成，后者由電氣元件和液壓元件構成。

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

（3）按照調速器執行機構的數量分類。可分為單調節調速器、雙調節調速器。

（4）按照調速器調節規律分類。可分為PI型（比例-積分規律）調速器、PID型（比例-積分-微分規律）調速器。

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

2.調速器的型號編制說明

我國機械行業標準JB/T 2832—2004《水輪機調速器及油壓裝置型號編制方法》規定，調速器產品型號編制由產品基本代號、規格代號、額定油壓代號、制造廠及產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速器；T—通流式調速器；D—電動式調速器。對不帶有接力器和壓力罐的調速器，此項省略。

（2）調節器特征：W—微機電液調速器。對機械調速器，此項省略。

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

（4）產品類型：T—調速器；C—操作器；F—負荷調節器。

（5）產品屬性：D—電氣液壓調速器的電氣柜；J—電氣液壓調速器的機械柜。對電氣柜與機械柜為合體結構的電氣液壓調速器，此項省略。

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

額定油壓代號以額定油壓MPa值表示。制造廠及產品代號依次表示制造廠代號和產品特征代號，產品特征代號可采用字母或數字，制造廠代號和產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，為天津水電控制設備廠05系列第一次改型產品。

（2）TDBWST-100-4.0。表示不帶壓力罐的步進電機微機雙調節調速器，天津電氣傳動設計研究所產品，其主配壓閥直徑為φ100mm，額定的工作油壓為4.0MPa，為統一設計產品。

4.調速器的系列型譜

根據我國機械行業標準JB/T 7072—2004《水輪機調速器及油壓裝置系列型譜》的規定，調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、中小型調速器的應用與發展

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

對于目前廣泛采用電氣液壓型調速器，其電氣部分由于及時應用電子工業的新技術、新產品，幾乎與電子技術同步發展，先后經歷了電子管、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，目前應用最廣泛的是可編程控制微機調速器。

對于調速器的機械液壓部分的技術改進一直發展較慢，與現代液壓技術存在巨大差距。原液壓元件常采用單件、小批量生產模式，元件結構復雜，加工工藝復雜，成本高，儲能的壓力油罐采用油氣混合，不利于調速器液壓元件生產的標準化、系列化。

經過近20年的研制與應用，高油壓微機型水輪機調速器逐步被用戶和行業主管部門認可，廣泛應用于新建、改造的中小型水電站中。

四、自動調速器的基本組成結構

目前新建的水電站一般采用微機液壓調速器，但許多農村小水電仍在沿用機械液壓調速器，其工作原理基本相似的。但無論現有調速器多么先進和復雜，其基本結構和控制理論也是在機械液壓調速器基礎上發展起來的。

一臺完整的自動調速器，其基本結構主要由三個部分構成。

1.自動調速系統

能自動跟隨負荷（頻率）的變化，不斷調整水輪機的輸入功率，以維持水輪發電機組能量轉換的平衡，穩定機組的轉速，從而達到自動調速的目的。這個系統是自動調速器的基本組成，也是核心組成部分，能完成調速器的自動調節功能。而自動調速系統由自動測速系統、放大執行機構、反饋元件等構成，不同類型調速器，其組成部分的結構形式不一樣，但其控制原理是一致的。

2.操作控制系統

自動調速系統雖然能夠按照設定的參數完成自動調節，但不能實現人為控制，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，自動調速器需要設置人為操作控制的系統。

3.油壓裝置

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