水輪機(jī)調(diào)速器選型概論

陳尹萍

武漢大學(xué)東湖分校，湖北武漢 430212

1 水輪機(jī)組的分類

水利發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)由水輪機(jī)組和發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，是利用水的勢能轉(zhuǎn)化為電能的主要設(shè)備。目前，絕大多數(shù)水輪機(jī)組都是用來帶動交流發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)組根據(jù)工作原理分為反擊式和沖擊式兩大類。目前，世界上單機(jī)容量最大的沖擊式機(jī)組為挪威的悉·西馬電站，其單機(jī)容量為315mW，水頭885m，轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/min。反擊式機(jī)組則由水流沖擊的反作用力使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)而工作的，目前世界上單機(jī)容量最大的反擊式機(jī)組為中國的向家壩電站，其單機(jī)容量為800mW。沖擊式機(jī)組一般水壓保持恒定，主要是動能的轉(zhuǎn)換。反擊式機(jī)組水壓和動能均能變化，主要是壓力能的轉(zhuǎn)化。沖擊式機(jī)組根據(jù)水流方向又分為，切擊式（水斗式）和斜擊式（由瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱德里亞水輪機(jī)）兩大類，兩者射流的傾角不同。反擊式機(jī)組可分為混流式（由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，故又稱弗朗西斯水輪機(jī)）、軸流式和貫流式。斜擊式、軸流式和貫流式根據(jù)結(jié)構(gòu)有定槳和轉(zhuǎn)槳式（由奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機(jī)）。

常用水輪機(jī)組特點(diǎn)歸結(jié)如下：

水斗式：適用于高山丘陵水量不大的高水頭地區(qū)，水頭一般在200m以上；

斜擊式：高水頭小流量中小型機(jī)組，水頭一般在40m～120m之間；

混流式：最常見機(jī)組，在水頭和負(fù)荷大時比軸流轉(zhuǎn)槳效率低；

軸流式：適用于平原河道上，水頭低于40m，定槳式槳葉固定在轉(zhuǎn)輪體上，適用于水頭變化不大的水電站，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的槳葉在輪體上可以調(diào)節(jié)，適用于水頭及負(fù)荷變化較大的水電站；

燈泡貫流式：適用于3m～20m低水頭大流量地區(qū)，發(fā)電機(jī)裝在水密的燈泡體內(nèi)，故稱燈泡貫流式，轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計(jì)成定槳式，也可以設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)槳式。

2 水輪機(jī)調(diào)速器的主要任務(wù)和組成部分

2.1 水輪機(jī)調(diào)速器的主要任務(wù)

電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷的不斷變化，致使電網(wǎng)系統(tǒng)頻率會不斷變化。水輪機(jī)調(diào)速器的主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組的輸出功率，維持水輪機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速。根據(jù)異步交流電機(jī)原理：轉(zhuǎn)速n=60f/P式中f-頻率、P-磁極對數(shù)。據(jù)此，轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速即是調(diào)節(jié)機(jī)組輸出頻率。

2.2 水輪機(jī)調(diào)速器的組成部分

水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：電氣控制部分、機(jī)械液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位移反饋檢測機(jī)構(gòu)、液壓油源部分。

電氣控制部分含有主邏輯控制器、顯示屏、測頻、電氣綜合放大等主要元件。主邏輯控制器一般選取可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller-PLC）、可編程計(jì)算機(jī)控制器（programmable computer controller-PCC）、工業(yè)個人計(jì)算機(jī)（Industrial Personal Computer-IPC）這3類。PCC和IPC是控制器和顯示屏的集合體，一般不用單獨(dú)配置顯示屏，PLC一般配觸摸式顯示屏。電氣綜合放大和測頻元件一般為各廠家自主研發(fā)生產(chǎn)。

機(jī)械液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分含有電液轉(zhuǎn)換、液壓放大和液壓保護(hù)等元件。電液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的作用是將通過電氣綜合放大后的輸出動作指令的電信號轉(zhuǎn)換為可控的液壓信號。液壓放大元件解決壓力油源提供的額定壓力所產(chǎn)生的操作功不足的問題。液壓保護(hù)元件要求能在完全斷電或緊急情況下能保護(hù)水輪機(jī)組的安全。

位移反饋檢測機(jī)構(gòu)含有位置檢測器件及連接機(jī)構(gòu)。一般分為旋轉(zhuǎn)電位器式、直線式、光編碼器式檢測裝置。

液壓有源部分為整個機(jī)械液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供額定壓力等級的油源。一般分為2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、16MPa幾個標(biāo)準(zhǔn)壓力等級。

3 水輪機(jī)調(diào)速器的命名和分類

對于調(diào)速器執(zhí)行部分的分類，目前我國還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，一般都是各調(diào)速器廠家根據(jù)自身特點(diǎn)自行命名，總結(jié)有以下特點(diǎn)和方法。

1）漢語拼音縮寫、操作功率組合

GYT-1000可理解為操作功為1 000kW水輪機(jī)組的高油壓型調(diào)速器的縮寫。

2）漢語拼音縮寫、操作功、油壓等級組合

YT-1000-2.5可理解為操作功為1 000kW水輪機(jī)組的2.5MPa油壓等級調(diào)速器。

3）機(jī)組形式、編號組合

GLT-K可理解為貫流式調(diào)速器K型。

4）漢語拼音縮寫、主配壓閥直徑組合

BWT-80可理解為步進(jìn)電機(jī)式微機(jī)調(diào)速器主配壓閥直徑為80mm的調(diào)速器。

4 水輪機(jī)調(diào)速器的選取法則

法則一：水輪機(jī)組特點(diǎn)決定調(diào)速器型號

水斗式：由于其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在控制順序和流程上要求比較嚴(yán)格，因此要求選取針對性較強(qiáng)的沖擊式專用調(diào)速器，一般型號為CJ-2/2-4.0等理解為沖擊式兩噴嘴兩折向器壓力等級為4.0MPa的調(diào)速器。

斜擊式：可根據(jù)操作功選取高油壓調(diào)速器（GYT）、常規(guī)油壓調(diào)速器（YT）、全數(shù)字式（SLT）、步進(jìn)式（BWT）等可供選擇。

混流式：目前常用步進(jìn)式調(diào)速器（BWT）、電動閥式調(diào)速器（DFT）等型號調(diào)速器選擇。

軸流式：軸流式控制精度要求較高可選擇步進(jìn)式調(diào)速器（BW（S）T）、比例伺服調(diào)速器（PW(S)T）、電動閥調(diào)速器（DKT）等型號的調(diào)速器。

燈泡貫流式：燈泡貫流式機(jī)組由于水頭低、流量大的特點(diǎn)對調(diào)速器的調(diào)節(jié)精度提出更高要求?？蛇x取專門針對此機(jī)組設(shè)計(jì)的調(diào)速器或控制精度高的調(diào)速器如GLT/PWST等系列。

法則二：操作功決定調(diào)速器型號

調(diào)速器額定操作功與水輪發(fā)電機(jī)組功率匹配是選型的關(guān)鍵，主配壓閥活塞直徑在80mm以上的稱為大型調(diào)速器；操作功在10 000N·m～30 000N·m之間的稱為中型調(diào)速器；操作功在10 000N·m以下的稱為小型調(diào)速器，其中調(diào)速功在3 000N·M以下的又稱為特小型調(diào)速器。

如：GYT-7500型理解為高油壓（一般為16MPa）操作功為7500N·m的機(jī)組。

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