第四章 调速器运行与维护
第一节 调速器概述
一、水轮机调节的任务及基本原理
1.水轮机调节的任务
如图4-1所示，在水电站中，水轮机将水能转变为机械能，再由发电机将机械能转变为电能，然后经电力网将电能输送给用户使用。用户除要求供电安全、可靠和经济外，还对供电的频率和电压等指标有着严格的要求，因为电流频率和电压对其额定值的偏差将影响用户的生产与工作。我国对电能的质量标准规定，电力系统的频率应保持在50Hz，其允许偏差对电力网容量在3000MW及以上者为±0.2Hz，对容量在3000MW以下的地方电力网为±0.5Hz；用户端电压变动幅值的允许范围是，35kV及其以上的用户为额定电压的±5%；10kV及以下的用户为额定电压的±7%；低压照明用户为额定电压的+5%～-10%。
图4-1 水电厂电能生产过程示意图
发电机的频率与转速、磁极对数有以下关系
式中 f——发电机的频率，Hz；
p——发电机的磁极对数；
n——发电机的转速，r/min。
磁极对数由发电机结构确定，发电机确定后磁极对数为常数。因此，频率仅与机组转速有关。要保证频率在一定范围内稳定不变，就必须保持水轮发电机组转速稳定不变。水轮机调速器除了完成调节机组频率这一任务外，还负有多种控制功能，如机组启动、停机、工况转换、增减负荷等。
电力系统的频率稳定主要取决于其有功功率的平衡，即系统内的有功功率与有功负荷的平衡，而电力系统的有功负荷是不断变化的。水轮机调节的基本任务就是，按照用户有功负荷的变化所引起机组转速变化的偏差，不断调节水轮发电机组的有功功率输出，使之与用户的有功负荷平衡，并维持机组转速（频率）在规定范围内。供电电压的稳定是通过发电机的励磁装置来调节，即调节水轮发电机组的无功功率输出，使之与用户的无功负荷平衡，以保持发电机的端电压变幅在允许范围内。必须指出，频率变化与电压变化可以相互影响。在一般情况下，频率变化1%可引起电压变化1%～2%，而电压变化也会引起频率不稳定，所以发电机励磁系统不稳定也会影响水轮机调节工况。
由上可见，供电频率的稳定是通过发电机的有功调整，即由调速器来调节；而供电电压的稳定是通过发电机的无功调整，即由励磁装置来调节。
由水轮机原理可知，水轮机转矩由水流对水轮机转轮叶片的作用力而形成，由表达式
可知，调节水轮机流量Q可以改变水轮机动力矩 Mt。水轮机调节的途径就是改变进入水轮机的流量，以维持机组转速在额定值。对于不同类型的水轮机，其流量调节方式及流量调节机构又各有不同。
（1）混流式、定桨式水轮机的流量调节方式为单一调节，其流量调节机构是导叶。
（2）转桨式水轮机的流量调节方式为双重调节，其流量调节机构是导叶、轮叶。
（3）冲击式水轮机的流量调节方式为双重调节，其流量调节机构是针阀（由喷针、喷嘴组成）、折向器（或称偏流器）。
2.水轮机调节的工作原理
图4-2为水轮机调节工作原理图，从图中可见，水轮机调节系统由引水系统、水轮发电机组、电力系统、调速器等四个部分组成，并构成了一个封闭的调节系统。引水系统的作用是将上游水库或河道中的以水能的形式水引入水轮机，作功后再排至下游；水轮发电机组的作用是由水轮机将水流能量转化为旋转的机械能，再经发电机将机械能转换为电能并输送到电力系统；电力系统也称电网，其作用是将发电机输出的电能输送给用户；调速器的作用是根据电网频率的变化和用户的给定值调整进入水轮机的水能。其中水轮发电机组的运行调节、工况变化和操作，是在具有相应功能的调速器控制下实现的。在用户负荷变化时，导水机构随之按给定规律或要求改变水轮机流量，恢复力矩平衡和转速稳定。形成无差或有差调节特性等等，都是由自动调速器完成的。可见，自动调速器是水轮机调节系统个的控制核心，占有极为重要的地位。
调速器由自动调节机构、操作控制机构和指示仪表等组成，而自动调节机构是调速器的核心部分，它由测频元件、放大元件、反馈元件和执行元件等组成，其作用分述如下：
（1）测频元件，即图4-2中所示的测速装置——离心摆，它利用机械部件转动的方式检测转速偏差，并将其转变成相应机件位移输出，控制下一级元件工作。
（2）放大元件，分为第一级液压放大机构和第二级液压放大机构，是将测频元件来的频差信号和反馈元件来的反馈信号综合后进行放大，以推动下级元件工作。
图4-2 水轮机调节工作原理图
（3）反馈元件，起校正作用，包括硬反馈（杠杆1和杠杆2）和软反馈元件（缓冲器）。反馈一般采用负反馈形式，反馈信号的方向与输入信号的方向相反，起到削弱输入信号作用的目的。其中硬反馈元件属于起定量作用的校正元件，它将执行元件（接力器）输出信号按比例地引回输入端，以实现预计的调节规律；软反馈元件属于起稳定作用的校正元件，它将执行元件（接力器）输出信号的微分值引回输入端，以确保调节的稳定性和调节品质。
（4）执行元件，是调速器的输出接力器，它接受放大后的调节信号，并通过控制水轮机导水机构，调整进入水轮机的水流量。
此外，还有操作控制机构和指示仪表等。操作控制机构：主要有转速调整机构、开度限制机构、手自动切换装置、紧急停机电磁阀和手动操作机构等，以便调整机组转速、增减负荷、开机、停机和手动控制运行等。指示仪表：为了便于监控调速器的运行状况，对运行中出现的问题能及时了解和处理，在调速器上安装有油压表、转速表、开度表等。
二、调速器分类及型号
1.调速器的分类
调速器的分类方法较多，可按以下方式进行分类。
（1）按照组成元件结构分类。可分为机械液压调速器和电气液压调速器，前者由机械元件和液压元件构成，后者由电气元件和液压元件构成。
（2） 按照调速器容量的大小分类。可分为特小型、小型、中型、大型调速器，特小型、小型和中型调速器容量是指接力器的工作容量，单位为N·m，当接力器工作容量大于30000N·m时属于大型调速器，其容量用主配压阀直径的大小表示，单位为mm。
（3）按照调速器执行机构的数量分类。可分为单调节调速器、双调节调速器。
（4）按照调速器调节规律分类。可分为PI型（比例-积分规律）调速器、PID型（比例-积分-微分规律）调速器。
（5）按照调速器所用油压装置和接力器是否单独设置分类。可分为整体式和分离式。整体式一般用于中小型调速器，它将机械液压柜、油压装置、接力器做成一个整体；分离式用于大型调速器，机械液压柜、油压装置、接力器均单独设置。
2.调速器的型号编制说明
我国机械行业标准JB/T 2832—2004《水轮机调速器及油压装置型号编制方法》规定，调速器产品型号编制由产品基本代号、规格代号、额定油压代号、制造厂及产品特征代号四部分组成,如图4-3（a）所示。
图4-3 调速器型号编制说明
其中基本代号又由动力特征等五个部分组成,如图4-3（b）所示，具体为：
（1）动力特征：Y—带有接力器及压力罐的调速器；T—通流式调速器；D—电动式调速器。对不带有接力器和压力罐的调速器，此项省略。
（2）调节器特征：W—微机电液调速器。对机械调速器，此项省略。
（3）对象类别：C—冲击式水轮机调速器；Z—转桨式水轮机调速器。对于单调速水轮机调速器，此项省略。
（4）产品类型：T—调速器；C—操作器；F—负荷调节器。
（5）产品属性：D—电气液压调速器的电气柜；J—电气液压调速器的机械柜。对电气柜与机械柜为合体结构的电气液压调速器，此项省略。
规格代号为表示产品主要技术参数的数字。对带接力器和压力罐的调速器，表示接力器容量（N·m）；对不带接力器和压力罐的调速器，表示导叶主配压阀直径（mm）。对冲击式水轮机调速器，表示喷针配压阀直径（mm）×喷针配压阀数量/折向器配压阀直径（mm）×折向器配压阀数量，如数量为1则省略。
额定油压代号以额定油压MPa值表示。制造厂及产品代号依次表示制造厂代号和产品特征代号，产品特征代号可采用字母或数字，制造厂代号和产品特征代号之间须留一空格。
3.型号示例
（1）YDT-18000-4.0-SK05A。表示带压力罐的模拟式电气液压调速器，接力器容量为18000N·m，额定油压为4.0MPa，为天津水电控制设备厂05系列第一次改型产品。
（2）TDBWST-100-4.0。表示不带压力罐的步进电机微机双调节调速器，天津电气传动设计研究所产品，其主配压阀直径为φ100mm，额定的工作油压为4.0MPa，为统一设计产品。
4.调速器的系列型谱
根据我国机械行业标准JB/T 7072—2004《水轮机调速器及油压装置系列型谱》的规定，调速器型谱按容量可分为大型、中型、小型和特小型四个基本系列，具体见表4-1。
表4-1 调速器容量划分系列
① 指调速器能配置的接力器容量。
② 指单喷嘴冲击式水轮机调速器。
三、中小型调速器的应用与发展
水轮机调速器产生于19世纪末期，经历了机械液压调速器向电气液压型调速器、微机型调速器发展的漫长历程，伴随着控制技术、电子技术、液压技术的发展而不断完善。对于中小型水电站，目前采用的调速器种类很多，但概括起来主要有机械液压型、模拟电气液压型、微机电气液压型调速器等。
对于目前广泛采用电气液压型调速器，其电气部分由于及时应用电子工业的新技术、新产品，几乎与电子技术同步发展，先后经历了电子管、晶体管、集成电路、单片机、可编程控制器（PLC）、可编程计算机控制器（PCC）等技术，目前应用最广泛的是可编程控制微机调速器。
对于调速器的机械液压部分的技术改进一直发展较慢，与现代液压技术存在巨大差距。原液压元件常采用单件、小批量生产模式，元件结构复杂，加工工艺复杂，成本高，储能的压力油罐采用油气混合，不利于调速器液压元件生产的标准化、系列化。
经过近20年的研制与应用，高油压微机型水轮机调速器逐步被用户和行业主管部门认可，广泛应用于新建、改造的中小型水电站中。
四、自动调速器的基本组成结构
目前新建的水电站一般采用微机液压调速器，但许多农村小水电仍在沿用机械液压调速器，其工作原理基本相似的。但无论现有调速器多么先进和复杂，其基本结构和控制理论也是在机械液压调速器基础上发展起来的。
一台完整的自动调速器，其基本结构主要由三个部分构成。
1.自动调速系统
能自动跟随负荷（频率）的变化，不断调整水轮机的输入功率，以维持水轮发电机组能量转换的平衡，稳定机组的转速，从而达到自动调速的目的。这个系统是自动调速器的基本组成，也是核心组成部分，能完成调速器的自动调节功能。而自动调速系统由自动测速系统、放大执行机构、反馈元件等构成，不同类型调速器，其组成部分的结构形式不一样，但其控制原理是一致的。
2.操作控制系统
自动调速系统虽然能够按照设定的参数完成自动调节，但不能实现人为控制，在实际运行中，机组控制还需要人为去控制，如开机、停机、负荷增减、紧急停机等，因此，自动调速器需要设置人为操作控制的系统。
3.油压装置
调速器通过改变水轮机导叶或喷针开度来改变进行水轮机流量，从而达到调节的目的，需要克服巨大水压力和其他机械阻力，如果单纯依靠调节系统输出的机械或电气调节信号，是不能完成调节动作，必须将调节系统输出的调节信号进行放大，目前最常用的方法就是进行液压放大。因此，需要一套产生压力油源的装置为调速器提供压力油源，也就是调速器油压装置。