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1、二、水轮机调节原理二、水轮机调节原理二、水轮机调节原理二、水轮机调节原理 水轮发电机转子运动方程水轮发电机转子运动方程水轮发电机转子运动方程水轮发电机转子运动方程 水轮发电机组示意图水轮发电机组示意图 第1页/共31页调节流量的途径：调节流量的途径：调节流量的途径：调节流量的途径：混流式水轮机：混流式水轮机：混流式水轮机：混流式水轮机：通过改变导叶开度通过改变导叶开度通过改变导叶开度通过改变导叶开度轴流转浆式水轮机：改变导叶开度轴流转浆式水轮机：改变导叶开度轴流转浆式水轮机：改变导叶开度轴流转浆式水轮机：改变导叶开度 同时改变叶片转同时改变叶片转同时改变叶片转同时改变叶片转角角角角 调节流量的
2、实质：调节转速调节流量的实质：调节转速调节流量的实质：调节转速调节流量的实质：调节转速 水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器水轮机调节所用的调节装置称为水轮机调速器 调速器与机组构成了水轮机调节系统调速器与机组构成了水轮机调节系统调速器与机组构成了水轮机调节系统调速器与机组构成了水轮机调节系统第2页/共31页三、水轮机调节系统的组成三、水轮机调节系统的组成 调速器的作用：以转速信号为依据，迅速自动地调速器的作用：以转速信号为依据，迅速自动地调节导叶开度，以达到改变出力恢复转速的目的。调节导叶开度，以达到改变出力
3、恢复转速的目的。调速器由自动调整机构、控制机构、油压装备、调速器由自动调整机构、控制机构、油压装备、保护装备和监视仪表组成。其中，自动调整主要由测量保护装备和监视仪表组成。其中，自动调整主要由测量元件、放大元件、校正元件等组成，调速器与机组构成元件、放大元件、校正元件等组成，调速器与机组构成水轮机调节系统。水轮机调节系统。当系统频率出现偏差时，能自动改变导水机构的当系统频率出现偏差时，能自动改变导水机构的开度，使机组输出的有功功率满足电网负荷的需要，维开度，使机组输出的有功功率满足电网负荷的需要，维持频率稳定。转速调整机构和开度限制机构通过自动调持频率稳定。转速调整机构和开度限制机构通过自动调
4、节机构起着控制作用。节机构起着控制作用。第3页/共31页 机组的转速信号（被调节参数）送至机组的转速信号（被调节参数）送至测量元件测量元件，测量元件把，测量元件把频率信号转换为位移或电压信号，然后与给定信号综合，确定频率频率信号转换为位移或电压信号，然后与给定信号综合，确定频率偏差及偏差的方向，并根据偏差情况按一定的调节规律发出调节命偏差及偏差的方向，并根据偏差情况按一定的调节规律发出调节命令。调节命令被令。调节命令被放大元件放大元件放大后，送到放大后，送到执行元件执行元件去推动导水机构，去推动导水机构，反馈元件反馈元件又把导叶开度变化信息返回加法器，同时也形成必要的调又把导叶开度变化信息返回
5、加法器，同时也形成必要的调节规律。节规律。自动调节方框图自动调节方框图自动调节方框图自动调节方框图第4页/共31页四、水轮机调节系统的特性四、水轮机调节系统的特性 调节系统的工作归纳起来主要有两种工作状态：调节系统的工作归纳起来主要有两种工作状态：一种是调节前后的稳定状态，用静特性描述；另一种是一种是调节前后的稳定状态，用静特性描述；另一种是从调节开始到结束的过渡过程，用动特性描述。从调节开始到结束的过渡过程，用动特性描述。1.调节系统的静特性调节系统的静特性 第5页/共31页 只有单机运行的机组才有可能采用无差调节的只有单机运行的机组才有可能采用无差调节的运行方式如图运行方式如图(a)所示。
6、若对并列运行的机组采用无差所示。若对并列运行的机组采用无差调节，由于各机组调速器的灵敏度不可能都完全一样，调节，由于各机组调速器的灵敏度不可能都完全一样，当机组负荷变化时，会在机组间发生负荷窜动，致使导当机组负荷变化时，会在机组间发生负荷窜动，致使导水机构不停地动作，机组无法稳定运行。水机构不停地动作，机组无法稳定运行。水电站在向电网供电的过程中，只需保证供电的水电站在向电网供电的过程中，只需保证供电的频率保持在规定范围内即可，因此可以允许机组转速在频率保持在规定范围内即可，因此可以允许机组转速在调节前后有微小的偏差。为解决负荷分配问题，可使调调节前后有微小的偏差。为解决负荷分配问题，可使调节
7、系统的静特性线有一定的倾斜，如图节系统的静特性线有一定的倾斜，如图(b)所示，使机所示，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，与原来的转速有差别，这种调节称组的转速是不同的，与原来的转速有差别，这种调节称为有差调节。为有差调节。第6页/共31页 按照有差静特性斜线进行调节，可使并列运行的机组保持按照有差静特性斜线进行调节，可使并列运行的机组保持按照有差静特性斜线进行调节，可使并列运行的机组保持按照有差静特性斜线进行调节，
8、可使并列运行的机组保持同步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配同步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配同步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配同步转速运行，并可在机组间按照要求明确地进行负荷分配。两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配两台调差率相同并列运行机组间的负荷分配 第7页/共31页两台调差率不同并列运行机组间的负荷分配两台调差率不同并列运行机组间的负荷分配两台调差率不同并列运行机组间的负荷分配两台调差率不同并列运行机组间的负荷分配 第8页/共31页2.调节系统的动特性调节系统
9、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。速随时间变化的关系。当电力系统负荷变化时，水轮机导水机构不可能当电力系统负荷变化时，水轮机导水机构不可能立即动作来改变水轮机的主动力矩以适应新的发电机阻立即动作来改变水轮机的主动力矩以适应新的发电机阻抗力矩，存在有一个滞后时间，而在此时间内机组转速抗力矩，存在有一个滞后时间，而在此时间内机组转速已产生了较大变化；又在具有很长压力引水管道的水电已产生了较大变化；又在具有很长压力引水管道的水电站中，水流的惯性很大，导叶启、闭所引起的水击压力站中，水流的惯性很大，导叶启、闭所引起的水击压力
10、会抵消部分导水机构的调节作用，因而也会引起调节动会抵消部分导水机构的调节作用，因而也会引起调节动作的滞后以及转速的较大变化。作的滞后以及转速的较大变化。第9页/共31页各种过渡过程曲线各种过渡过程曲线各种过渡过程曲线各种过渡过程曲线 第10页/共31页过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标过渡过程的品质指标（a a）无差调节过渡过程）无差调节过渡过程）无差调节过渡过程）无差调节过渡过程（b b）有差调节过渡过程）有差调节过渡过程）有差调节过渡过程）有差调节过渡过程 第11页/共31页五、水轮机调节的特点五、水轮机调节的特点为了适应不同的水力发电条件，水轮机具有不同为了适应不同的
11、水力发电条件，水轮机具有不同的结构型式。与其他原动机调节相比较，水轮机调节有的结构型式。与其他原动机调节相比较，水轮机调节有如下几个主要特点。如下几个主要特点。(1)通过水轮机的流量较大，导致水轮机及其导水机构通过水轮机的流量较大，导致水轮机及其导水机构的结构尺寸较大。这就要求推动导水机构的调速器应有的结构尺寸较大。这就要求推动导水机构的调速器应有足够大的操作能力，所以水轮机调速器均设有外加能源足够大的操作能力，所以水轮机调速器均设有外加能源的多级液压放大系统，这将使执行元件的惯性增加，不的多级液压放大系统，这将使执行元件的惯性增加，不利于调节。利于调节。(2)水电站一般都是有压过水系统，由水
12、力学知道，当水电站一般都是有压过水系统，由水力学知道，当导叶开度变化较快时，管道内水流惯性会引起难以避免导叶开度变化较快时，管道内水流惯性会引起难以避免的水击的水击(锤锤)效应，它与调节作用相反并恶化调节过程。效应，它与调节作用相反并恶化调节过程。(3)水轮机调速器配备具有双重调节能力的执行机构。水轮机调速器配备具有双重调节能力的执行机构。第12页/共31页六、调速器的类型六、调速器的类型1按调速器元件结构分为：机械液压按调速器元件结构分为：机械液压(机调机调)和电气液压和电气液压(电调电调)2按调节规律可分为：按调节规律可分为：PI和和PID调速器调速器3按执行机构数目分：单调节和双调节调速
13、器按执行机构数目分：单调节和双调节调速器单调节：只有一个导叶启闭机构，如混流式和轴流定单调节：只有一个导叶启闭机构，如混流式和轴流定浆式浆式水轮机。水轮机。双调节：有两个调节机构双调节：有两个调节机构(导叶开度，叶片转角导叶开度，叶片转角)，ZZ、CJ（针阀、折流板转动）（针阀、折流板转动）第13页/共31页4按反馈的位置分为：辅助接力器型、中间接力器型、按反馈的位置分为：辅助接力器型、中间接力器型、电子调节器电子调节器5按调速器工作容量大小可分为：按调速器工作容量大小可分为：大型：活塞直径大型：活塞直径80mm 以上以上中型：操作功中型：操作功1000030000N.m小型：操作功小于小型：
14、操作功小于10000N.m特小：小于特小：小于3000N.m第14页/共31页水电站水电站引水发电系统引水发电系统第15页/共31页七、调节保证计算七、调节保证计算1调节保证计算的任务调节保证计算的任务根据水电站水轮机组和引水系统条件，针对甩荷根据水电站水轮机组和引水系统条件，针对甩荷过渡过程所进行的机组转速和引水系统压力上升的计算过渡过程所进行的机组转速和引水系统压力上升的计算叫调节保证计算。叫调节保证计算。2调节保证计算的任务及目的调节保证计算的任务及目的(1)计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最计算有压引水系统的最大和最小内水压力。最大内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强大
15、内水压力作为设计或校核压力管道、蜗壳和水轮机强度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止度的依据；最小内水压力作为压力管道线路布置，防止压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；压力管道中产生负压和校核尾水管内真空度的依据；第16页/共31页(2)计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验计算丢弃负荷和增加负荷时转速变化率，并检验其是否在允许的范围内。其是否在允许的范围内。(3)选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压选择调速器合理的调节时间和调节规律，保证压力和转速变化不超过规定的允许值。力和转速变化不超过规定的允许值。(4)研究减小水锤压强及机组转速变化的措施。研究减小水锤压强
16、及机组转速变化的措施。3调节保证计算标准调节保证计算标准所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变所谓调节保证计算标准，是指水锤压力和转速变化在技术经济上合理的允许值。包括：化在技术经济上合理的允许值。包括：速率上升值速率上升值；水压上升值水压上升值；尾水管真空值。尾水管真空值。4计算工况选择计算工况选择a.额定水头甩全负荷；额定水头甩全负荷；b.最大水头甩全负。最大水头甩全负。第17页/共31页5.调保计算步骤调保计算步骤(1)准备基本数据；准备基本数据；(2)求出计算工况下求出计算工况下LV；(3)给定导叶关闭时间给定导叶关闭时间TS计算计算 、；(4)进行较核、调整进行较核、调整6.改善
17、甩负荷过渡过程的措施改善甩负荷过渡过程的措施(1)设置阻水器设置阻水器(2)增加机组转动惯量增加机组转动惯量(3)设置调压井或调压阀设置调压井或调压阀(4)改变导叶关闭规律改变导叶关闭规律第18页/共31页混流式水轮机甩负荷过渡过程混流式水轮机甩负荷过渡过程 第19页/共31页俄罗斯萨扬俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站事故舒申斯克水电站事故 萨彦萨彦-舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞河上游。重力拱坝，舒申斯克水电站建在俄罗斯西伯利亚叶尼塞河上游。重力拱坝，最大坝高最大坝高245m，总装机，总装机640万万kW，多年平均发电量，多年平均发电量235亿亿kWh。水库总库。水库总库容容313亿亿m3
18、，有效库容，有效库容147亿亿m3，为多年调节水库。工程具有发电、灌溉、，为多年调节水库。工程具有发电、灌溉、航运和供水等综合经济效益。工程于航运和供水等综合经济效益。工程于1968年动工兴建，年动工兴建，1975年年10月月11日截流，日截流，1978年第年第1台临时机组在台临时机组在60m水头下投入运行，水头下投入运行，1989年全部工程竣工。年全部工程竣工。厂房内共布置有厂房内共布置有10台单机容量台单机容量64万万kW的立轴混流式水轮发电机组。水的立轴混流式水轮发电机组。水轮机为轮机为PO230/833-677型，转轮直径型，转轮直径6.77m，转速，转速142.8r/min，额定水头
19、，额定水头194m，流量，流量358m3/s，额定出力，额定出力65万万kW，最大水头，最大水头212m，最大出力，最大出力73.5万万kW，转轮重，转轮重156t。最高效率。最高效率96%。转轮采用耐空蚀不锈钢制造。发电机为。转轮采用耐空蚀不锈钢制造。发电机为伞式，额定电压伞式，额定电压15.75kV，额定容量为，额定容量为711MVA，最大容量，最大容量736MVA，转子采，转子采用强制风冷，定子采用水内冷。发电机转子重用强制风冷，定子采用水内冷。发电机转子重935t，发电机总重，发电机总重1860t。第20页/共31页2009年年8月月17日莫斯科时间日莫斯科时间4时时13分，电站发生了
20、严重灾难性事故。分，电站发生了严重灾难性事故。事故造成电站发电机层以下厂房淹没，至少事故造成电站发电机层以下厂房淹没，至少74人死亡，人死亡，1人失踪，电站人失踪，电站2号、号、7号、号、9号机组完全损毁。主厂房部分机组的基础和风罩、桥机轨道大梁、厂号机组完全损毁。主厂房部分机组的基础和风罩、桥机轨道大梁、厂房排柱、边墙、屋顶和地板等被摧毁。电站短期内难以恢复发电，停电损失房排柱、边墙、屋顶和地板等被摧毁。电站短期内难以恢复发电，停电损失难以估量。难以估量。事故初步分析为，当变压器发生爆炸后，机组失去负荷，转速快速事故初步分析为，当变压器发生爆炸后，机组失去负荷，转速快速上升。为保护机组不至因
21、为飞逸而破坏，水轮机调速器会自动关闭导叶。如上升。为保护机组不至因为飞逸而破坏，水轮机调速器会自动关闭导叶。如导叶关闭太快，会使导叶前压力快速上升。根据电站基本参数估算，其压力导叶关闭太快，会使导叶前压力快速上升。根据电站基本参数估算，其压力钢管长度约为钢管长度约为450m，压力波在水中传递速度约为，压力波在水中传递速度约为900m/s，压力波由机组传，压力波由机组传至水库需至水库需0.5s。当机组在满负荷运行时，导叶内流速在。当机组在满负荷运行时，导叶内流速在25m/s左右。如导叶左右。如导叶全关闭时间为全关闭时间为5s，水击压力约为，水击压力约为230m水头，如在额定水头水头，如在额定水头
22、194m工作，总压工作，总压力超过力超过400m水头，作用在导叶前圆环上的压力可能高达水头，作用在导叶前圆环上的压力可能高达50008000吨，这吨，这种水压作用完全可能冲破水轮机顶盖，进而掀翻机组。种水压作用完全可能冲破水轮机顶盖，进而掀翻机组。当前，国际上报导对于事故原因还有如下猜测：（当前，国际上报导对于事故原因还有如下猜测：（1）因异物进入水轮机）因异物进入水轮机组，导致导叶紧急关闭，从而发生水锤；（组，导致导叶紧急关闭，从而发生水锤；（2）变压器爆炸伤及压力钢管或）变压器爆炸伤及压力钢管或蜗壳，导致高压水涌出；（蜗壳，导致高压水涌出；（3）水锤发生导致变压器爆炸。）水锤发生导致变压器爆炸。第21页/共31页萨彦萨彦-舒申斯克水电站舒申斯克水电站第22页/共31页萨彦萨彦-舒申斯克水电站舒申斯克水电站第23页/共31页爆炸后的厂房外景爆炸后的厂房外景第24页/共31页被爆炸掀开了顶的厂房被爆炸掀开了顶的厂房第25页/共31页被爆炸掀开了顶的厂房被爆炸掀开了顶的厂房第26页/共31页爆炸后的厂房内景爆炸后的厂房内景第27页/共31页爆炸后的机组段爆炸后的机组段第28页/共31页爆炸前厂房内的设备爆炸前厂房内的设备第29页/共31页爆炸前后房内的设备爆炸前后房内的设备第30页/共31页感谢您的观看！第31页/共31页