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水轮机调速器综述
作者：郭绍锋 郭锋远
来源：《中国科技博览》2013年第31期
[摘要]水轮发电机组将水能转换为电能，输送电能给电力系统用户使用。电力系统向用户提供的电能应满足一定的质量要求，频率和电压的变化都不能太大，应保持在额定值附近的某一范围内，否则将影响各用电部门的工作质量。这就需要水轮发电机有一个调节系统，根据电力负荷图的安排，随着负荷的变化迅速改变机组的出力，调节水轮发电机的发电的频率，满足系统的要求。水轮机调速器的分类很多，按调节功的大小分为中小型调速器和大型调速器；按其组成原件的工作原理分为三类，即机械液压调速器、电气液压调速器、微机电液调速器。 [关键词]水轮发电机调速器负荷波动
中图分类号：U261.27 文献标识码：U 文章编号：1009―914X（2013）31―0366―01
电力系统的负荷是不断变化的，根据系统要求和水轮发电机组出力变化灵活的特点，水轮发电机组的出力需进行调节。根据系统负荷的变化迅速调节机组出力，满足系统的要求；担负系统短周期的负荷波动，调整系统频率，使供电频率保持不变。调速器要达到这种调节目的就必须有一定的结构来完成调节。 一、调速器的基本原理
调速器由测量、加法、放大、执行和反馈原件组成。当由导水机构输入的水能经机组转换成电能输送给系统，电能的频率f（亦即机组的转速n）信号被调速器的测量元件测到，测量元件将频率f信号转化为位移信号输送给加法器并与给定的频率值比较，判定频率f是否有偏差和偏差方向，根据偏差的情况通过放大器向执行元件发出指令，执行元件根据指令改变导水机构的开度，反馈元件则将导叶开度的变化情况反馈给加法器，以检查开度的变化是否符合要求，如变化过度，则发出指令继续进行修改。 二、机械液压调速器的主要组陈 （一）离心摆
离心摆有两个摆锤，其顶部通过钢带与转轴固定，下部与可沿轴上下滑动的套筒相连。离心摆用电动机带动旋转，其转速与水轮发电机组转速同步。在转速上升或下降时，摆锤在离心力的作用下带动套筒上下移动。故离心摆是测量和指令原件，测量对象是机组转速，将机组转
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速信号转换成为套筒位移信号。但离心摆的负载能力较小，不能直接推动导水机构，还需要放大和执行机构。 （二）主配压阀
主配压阀由阀套盒两个阀盘组成。阀套右侧中部有压力油孔，顶部和底部各有一个回油孔，阀套左右侧各有一个油孔分别与接力器左右的两个油腔相连。在机组稳定运行时，两个阀盘所处位置正好堵住与接力器相通的两个油孔，故接力器处于静止状态。转速需要调解时，离心摆的位移信号通过杠杆传递给配压阀，配压阀移动，打开油孔，压力油进入或流出接力器，接力器移动调节导叶开度。 （三）接力器
接力器由油缸和活塞组成。油缸左右分别有一个油孔通往配压阀；接力器的活塞杆和水轮机的导水机构连接。当需要改变水轮机的导水机构的开度时，配压阀使压力油进入接力器的左腔或右腔，使接力器活塞移动关闭或打开导水机构。 （四）反馈机构
只有以上三种机构虽然可以在负荷变化时关闭或打开水轮机的导水机构，但无法避免过调节情况的发生。反馈机构能够在调节之后，反馈调节后的运行状况，判断是否继续进行调节。 （五）调速器的工作过程
当机组以稳定工况运行时，离心摆也同步旋转，配压阀的两个阀盘堵住了通向接力器的油孔，接力器两侧油压相等，接力器处于静止状态。当机组负荷减小时，机组转速上升，离心摆的转速亦随之上升，摆锤因离心力增大向外移动，带动套筒移动，通过杠杆带动阀盘向下移动打开了配压阀上的两个油孔，压力油静茹接力器右侧油腔，同时，接力器左侧油腔接通排油孔排油，接力器右侧较高油压推动缸体中的活塞向左移动，使水轮机的流量减小，出力下降，适应电力系统的负荷减小状况。 三、主要调速器的特点 （一）机械液压调速器
机械液压调速器自动控制部分为机械元件，操作部分为液压系统。机械液压调速器机构复杂，制造要求高，造价较高，随着经济的发展，对电力系统周波、电站运行自动化等提出了更高的要求，机械液压调速器精度不高的缺点显得越来越突出，故新建的大中型电站已较少采用。
（二）电器液压调速器
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电器液压调速器是在机械液压调速器的基础上发展起来的，其自动控制部分用电气原件，即调速器的测量、放大、反馈、控制等部分用电气回路来实现，液压放大和执行机构仍为机械液压装置。电器液压调速器的主要特点为：精度和灵敏度较高，便于实现电子计算机控制和提高调节品质、经济运行及自动化的水平；制造成本低，便于安装检修和参数调整。 （三）微机电液调速器
自20世纪90年代以来，微机电液调速器已经普及到国内大中型水电站。其核心控制器采用可编程逻辑控制器和可编程计算机控制器，使得调速器系统的测量、放大、反馈、控制功能的实现，在可靠性、调节功能和调节品质方面，都有了较大提高。微机电液调速器的放大和执行机构具有精度高、响应快，出力大的特点，而且抗油污、防卡涩能力强，比以前的调速器有更好的调节性能。 四、调速器的发展趋势
提高调速器的可靠性和控制性能调速器的可靠性一直是关注的重点，应从系统整体设计上考虑，在系统结构、硬件选择、液压执行机构、软件编制检测、制造工艺和安装水平、检验和测试、维护和发展等多方面共同努力，以提高整机的可靠性。增强调速器功能，实现智能化及多目标综合控制水轮机调速器不但应有效地调节和控制机组，还应扩展和开发故障定位、预警机制、自修复功能等，具备运行状态在线自动监测、运行参数远程修改和多项计算机辅助试验功能，使调速系统更加智能化，并可根据功率、相位差、水头等信号实现多目标综合控制。实现调速器的标准化、高压化和集成化在中小型调速器研制方面，应全面采用现代电液控制技术，机械液压部分采用标准液压件，大幅度提高工作油压。研制体积小、重量轻、结构简单的标准化、高压化、集成化的运行稳定可靠、技术性能优良、维修方便的调速器，并在中小型电站推广应用。
水轮机调速器是水电站重要的基础自动化设备，其质量的好坏直接影响到电能品质和电站安全经济运行。近几十年来，我国水轮机调速器取得了可喜的进展，今后我国水电事业将会有更大发展，这就需要更多、更好、各种类型的调速器。我们应在现有基础上认真总结提高，自立更生地开发、生产优质的水轮机调速器。另外，我们还需吸收国外先进经验，特别在加工质量和工艺水平上要急起直追，以使我国水轮机调速器产品质量全面达到国际先进水平，更好地满足我国水电事业发展的需要，并逐步走向国际市场。 参考文献
[1]刘启钊，胡明．水电站 [M]北京：中国水利水电出版社，2010． 作者简介
1、郭绍锋（1983.11--），男，河南省清丰县人，郑州维科重工