水轮机自动调节-第1章-水轮机调节基本概念

使用教材水轮机自动调节程远楚张江滨主编中国水利水电出版社课程名称：水轮机调节授课教师：程远楚武汉大学动力与机械学院•理论学习41学时讲授内容:1,2章3,4章5章6.3.3,6.3.47章9.3,9.4•实验4学时•课程设计1周学习安排学习安排复习并掌握先修课的有关内容课堂：听讲与理解、适当笔记课后：认真读书、完成作业实验：充分准备、勇于实践总成绩＝考试成绩＋实验成绩＋平时成绩学习方法学习要求第一章水轮机调节基本概念水轮机调节的任务、途径与方法水轮机调节的特点水轮机调节系统的基本概念水轮机调速器的系统结构第1章学习重点第一章水轮机调节基本概念水力发电厂是利用水能生产电能的工厂，它是电力系统的一个重要组成部分。电力系统是由若干个发电厂、变电所、输配电线路以及用户在电气上相互连接的一个整体。由若干个发电厂联合向用户供电，可以大大提高供电的可靠性、经济性和电能质量。1.1水轮机调节的任务一电力生产过程与特点1、电力生产的特点第一章水轮机调节基本概念1、电力生产的特点发供电同时完成，为保证电力系统的稳定，需确保电力系统的有功功率平衡和无功功率平衡，即发电厂的发电量必须根据用户用电量进行调整．电力系统频率主要决定于系统内有功功率的平衡。系统内各类发电厂原动机输出的有功功率的总和，在任何时刻都必须同系统的有功功率负荷(包括各种用电设备所带的有功功率和网络的有功功率损耗)相平衡，否则频率就会出现偏移。然而，任何电力系统的负荷都在不停地波动，由于电能不能大量储存，负荷功率的变化立即引起频率的相应变化，这种变化是瞬时出现的，原动机输出功率由于调节系统的相应迟缓，无法适应发电机电磁功率的瞬时变化，因此严格地维持频率不变是不可能的，但必须把频率对于其额定值的偏移限制在一个相当小的范围内。2、水电站生产过程第一章水轮机调节基本概念3、电力系统的负荷变化•电力系统用电单位的用电就称为负荷。负荷在每昼夜、每周、每月、每年都是在变化着的。在发电厂里通常把每昼夜的负荷变化用日负荷变化曲线表示，同样的可以有周负荷、月负荷和年负荷变化曲线。但发电厂感兴趣的、乃是日负荷交化曲线．第一章水轮机调节基本概念3、电力系统的负荷变化①可预见性的变化高峰与低谷，总体趋势可预见，但其变化速度及准确变化时刻不可预见．②随机变化变化周期可能为几秒－几十秒，幅值相对较小(2%-3%)第一章水轮机调节基本概念二电力系统的电能质量要求①可靠性要保证所有发电设备运行可靠，并持续不断地向各类用户供电，一方面要求所有发电设备应安全可靠，不会因故障而退出运行，避免因停电引起生产的停顿，造成人民生活秩序的破坏，甚至影响人身安全，如手术台上的病人或电梯上的人员。另一方面，当用户用电量瞬间出现大量增减时，供电系统应能迅速增加或减少相应的出力，以适应用户需要，即采用积极的办法来保持供电系统本身的稳定性，保持供电系统能量平衡，保持发电设备运行工况的稳定，维持水电站生产过程系统运行参数的正常。尽可能避免消极的运行方式，如当供电系统供不应求时，采取切除某些次要用户用电的线路，以减少电力供应的方式，这是一种消极的保持系统能量平衡的运行方式。须知对次要用户停电所造成的损失也是难以估计的。第一章水轮机调节基本概念二电力系统的电能质量要求②要求电能的频率在额定值附近某一范围内。•供电频率为交流5０Ｈz;供电频率的允许偏差：电网容量在3000MW及以上者，为±0.2Hz；电网容量在3000MW以下者，为±0.5Hz.第一章水轮机调节基本概念•频率变化对用户的不利影响•(1)引起异步电动机转速变化，使其拖动的工作机械转速不稳定，从而使机床加工件表面不光洁，使纺织机上的线条与布表面不均匀，严重时造成次品和废品，甚至会使生产无法进行．•(2)频率下降，导致电动机转速下降，拖动机械的出力下降．•(3)测量、控制等电子设备因频率波动导致准确性和工作性能下降，当频率下降过多时可能导致电子设备无法工作．•(4)频率下降可能使汽轮机进入共振区，可能导致辅助机械停止工作，也可能导致电力系统崩溃．二电力系统的电能质量要求③要求电能的电压在额定值附近某一范围内。•供电电压变动幅度，不超过下列范围:•35kV及以上供电和对电压质量有特殊要求的用户为额定电压的±5%,•10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的±7%,•低压照明用户为额定电压的+5%,-10%.④波形应为正弦波，畸变小第一章水轮机调节基本概念三水轮机调节的任务１．水轮机调节的基本任务≈负荷的变化导致频率的变化，要维持频率在一定范围内，必须对机组进行调整．≈水轮机调节的任务是：根据负荷的变化不断地调节水轮发电机组的有功功率输出，以维持机组转速（频率）在规定范围内，或按某一预定的规律变化．第一章水轮机调节基本概念三水轮机调节的任务２．水轮机调速器的作用•调速器的基本作用是调整转速、调整功率。具体主要有以下作用:•(1)能自动调节水轮发电机组的转速，使其保持在额定转速允许的偏差内运转，以满足电网对频率质量的要求。•(2)能使水轮发电机组自动或手动快速起动、同期及并网，增减负荷，正常停机，紧急停机。•(3)当水轮发电机组在电力系统并列运行时，调速器能自动承担预定的负荷分配，使各机组能实现经济运行。•(4)能满足转桨式、冲击式水轮机双重协联调节的需要。第一章水轮机调节基本概念三水轮机调节的任务因此，水轮机调节除承担基本任务外，还担负如下任务:•(1)进行机组的正常操作。机组的开停机，增减负荷，以及发电、调相等各种工况的相互切换。•(2)保证机组的安全运行。在各种事故情况下，机组甩掉全部负荷后，调速系统应能保证机组迅速稳定在空载或者根据指令信号可靠地紧急停机。•(3)实现机组的经济运行。按要求自动分配机组间的负荷。第一章水轮机调节基本概念四水轮机调节的实现途径与方法•水轮发电机组的转动部分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，它的运动可由如下方程来描述Ｊ机组转动部分惯性力矩GD2机组飞轮力矩，g重力加速度第一章水轮机调节基本概念JddtMMtggGDJ42n30),,(/81.9nQHfQHMt四水轮机调节的实现途径与方法•水轮发电机组的转动部分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，它的运动可由如下方程来描述第一章水轮机调节基本概念JddtMMtg),,(/81.9nQHfQHMt•水轮机主动力矩Ｍt由水流对水轮机叶片的作用力形成，它推动机组转动，其大小决定于水头H和流量Q。•由图可见，导叶开度一定时，力矩随转速增加而减小;当转速一定时，力矩随导叶开度增加而增加。四水轮机调节的实现途径与方法•水轮发电机组的转动部分是一个围绕固定轴线作旋转运动的刚体，它的运动可由如下方程来描述第一章水轮机调节基本概念JddtMMtg•Mg是发电机定子对转子的作用力矩，它的方向与转向相反，是阻力矩。由发电机原理可知，Mg代表发电机有功功率输出，即与用户耗电功率的大小有关，与用户的性质有关。•综合用户后的Mg一般是随转速增加而增加的，当用电设备为某一组合时，Mg=f(n)可用一条曲线表示。)(nfMg四水轮机调节的实现途径与方法第一章水轮机调节基本概念JddtMMtgα,Q图1-2水轮机调节示意图⑴Mt、Mg与n的关系①Mt：Mt是机组动力矩a)当水头一定，开度一定（如a=a3）时，n↑↓→Mt↓↑。b)当水头一定，转速n相同时，a↑↓→Mt↑↓(如下,a、b、c三点)。②Mg：Mg是负荷力矩，与负载性质有关，它代表不同用户设备组合后的总负荷力矩。a)对同一负荷特性曲线，n↑↓→Mg↑↓（见图1-2中红线）；b)在n一定时，对不同的负荷特性曲线→Mg不同（见图1-2中a、b、c三点）。点点点点''caba0n四水轮机调节的实现途径与方法第一章水轮机调节基本概念JddtMMtgα,Q图1-2水轮机调节示意图（2）改变负荷，开度a不变（a=a3)在a3下显然，如果负荷变化后，不调节导叶开度，机组转速仍可稳定在某一数值上，水轮机及负荷的这种能力称为自平衡能力。但这样稳定后的转速偏离额定值较远。若出力由额定值降到0，转速升高值可达（1.8-2.4）。不能满足系统对频率的要求。01'30202'1()(()(()(nnbnfMnanfMnnCnfMggg平衡点）平衡点）平衡点）四水轮机调节的实现途径与方法第一章水轮机调节基本概念JddtMMtgα,Q图1-2水轮机调节示意图调整方法：①调整Ｈ不容易实现，不经济，调节范围有限②调整n与调节目标相矛盾③调整效率不经济，不现实④调整Ｑ)(afQ四水轮机调节的实现途径与方法第一章水轮机调节基本概念α,Q图1-2水轮机调节示意图显然要调节水轮机输出的主动力矩，就是要调节水轮机输出功率，其中最有效的方法和途径是通过调节（控制）水轮机的流量。而流量的调节（控制）是通过改变导水机构（即水轮机的活动导叶）的开度来实现的。对转桨式水轮机，还通过协调调节轮叶转角来共同实现对流量的调节。而实现这种调节（控制）的控制装置就是水轮机调速器（或称水轮机控制器）。恒定！维持时时时nnnaanfMcnnaanfMbnnaanfMabgcgg0301032)())())()1.2水轮机转速调节过程一转速的手动调节第一章水轮机调节基本概念1.2水轮机转速调节过程一转速的手动调节•用转速表测量机组转速(频率)，运行人员密切监察转速表，监视机组转速的稳定情况。•当发现机组转速有偏差时，就手摇调速手柄，操纵导水叶改变开度，控制进入水轮机的水量，使机组转速回复到额定值。第一章水轮机调节基本概念导水机构机组执行机构运行人员频率表水能Q,H电能U,I,f1.2水轮机转速调节过程二转速的自动调节离心飞摆有两个重锤(1)，通过钢带(2)悬挂在上支持块(3)上。并与下支持块(4)相连。在上、下支持块轴心间装有弹簧(5)。上支持块的上端与飞摆转轴(6)相连，下支持块的下端与转动套(7)相连接。飞摆转抽和水轮机主轴(10)，用皮带轮(8)和皮带(9)联系起来，使飞摆转轴直接跟随水轮机主轴旋转，而不停地“监视”水轮机主轴的转速。第一章水轮机调节基本概念1.2水轮机转速调节过程二转速的自动调节若不考虑钢带的拉伸作用，重锤在旋转时，受到向外甩的离心力和弹簧形变所产生的推力的共同作用。转速高则重锤的转动半径就大;反之则小，并通过钢带佼转动套升降。重锤位置与转速是一一对应的，额定转速时，弹簧力等于离心力，使重锤和转动套处于相应的“中间位置”。此时转动套通过杠杆(13)，使阀门(14}保持应有的开度，水轮机出力与负荷相等，水轮机在额定转速下运行．第一章水轮机调节基本概念1.2水轮机转速调节过程二转速的自动调节①当负荷减小时，转速上升而离心力增大，重锤将转动套向上提升，并通过杠杆关小阀门减小流量，水轮机出力因而减小，直到与负荷相等。水轮机在新的稳态下运行．②当负荷增加时，转速下降，离心力减小，弹簧因而推动转动套下降，并通过杠杆开大阀门增加流量，使水轮机出力增加，直到与负荷平衡，水轮机又在新的稳态下运行。第一章水轮机调节基本概念因此，离心飞摆能够不断“监视”转速，并不断与额定转速比较，根据转速升降的高低程度来控制阀门。1.３水轮机调节系统组成一调节系统框图第一章水轮机调节基本概念１．量测元件用来测量水轮发电机组运行时任一瞬间的转速变化，将转速信号转换成位移或电压信号，。然后与给定信号进行比较（综合），确定频率（转速）偏差的大小和方向。2．计算决策元件根据将被调节参数任一瞬间值与“参考输入值”进行比较的结果，即计算出的偏差的方向和大小，作出操作决策，发布操作命令。3．执行元件阀门14就是所谓的执行元件，它按照计算决策元件的命令动作，对调节对象进行控制，执行开大或关小导叶开度命令。1.３水轮机调节系统组成一调节系统框图第一章水轮机调节基本概念４．放大元件上述简易调速器的飞摆力太小，无法适应稍大的水轮机，必须将“离心飞摆”的推动力量加以“放大”。放大元件通