现代水轮机调速系统汇编

现代水轮机调速系统

机械液压专题

概述现代水轮机调速系统主要有以下部分组成：□

微机调速器□油压装置□事故配压阀（或重锤关机）□分段关闭装置□主接力器现代水轮机调速系统机械液压部分专题一、调速器电液随动系统二、油压装置三、机组过速保护四、典型调速器五、高油压调速器六、常见故障及故障处理七、我国调速器机械液压部分的现状及发展趋势八、其它：

常用阀类液压元件的结构几点值得注意的问题

一、调速器电液随动系统

1-1调速器电液随动系统的二种基本系统结构

1)电子调节器型的电液随动系统

2)中间接力器型机械液压随动系统

1-2电液转换装置

1)电液比例阀

2)电液伺服阀

3)数字阀

4)电机转换器

1-3主配压阀

1)位移型主配压阀

2)流量型主配压阀3)进口主配压阀1-1调速器电液随动系统的二种基本系统结构

国内外调速器的形式很多，种类也很繁杂,从本上看调速器的组成、原理和功用基本上无大差异。现代国内外微机调速器大多属于下面的二种系统结构：1）一种是电子调节器＋电液随动系统（电子调节器）；

2）一种是电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动装置（中间接力器型）。1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）主要特点：

□

采用具有复中特性电液转换元件。

□

采用电气反馈，取消机械反馈

□转速死区小主要方式：□流量输出型

□

位移输出型

流量输出型主要特点：

□采用具有复中特性、流量输出型电液转换元件。

如电液比例阀、比例伺服阀、数字阀或流量输

出电液转换器。□控制流量输入型放大执行件或直接控制主接力器。□标准化程度高，易于集成。

1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）

1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）

流量输出类系统框图（比例阀、伺服阀、数字阀）例1：比例阀控制的大型调速器液压系统1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）例2：比例阀控制的高油压调速器液压系统1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）例3：比例阀控制的高油压调速器液压系统1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）位移输出型主要特点：

□采用具有复中特性、位移输出型电液转换元件。

如交流伺服电机、直流伺服电机等。□控制位移输入型放大执行件。□无油结构，彻底规避油液污染问题，整机可靠

性得到大幅提高。

1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）位移输出类系统框图（伺服电机控制)1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）例1：电机控制的大型调速器液压系统1）电子调节器＋电液随动系统(电子调节器型）2）电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动装置

（中间接力器型）

主要特点：□电液转换元件采用直流伺服电机或交流伺服电

机构成电机伺服装置

□导叶位置采用机械反馈（钢丝、钢带、杠杆）

□无油结构，规避油质污染问题

□耗油量小，减少了油泵启动次数

主要方式：

□

位移输出2）电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动装置

（中间接力器型）系统框图（伺服电机控制)例1：带中间接力器的大型调速器液压系统(座式调速器)2）电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动装置

（中间接力器型）例2：带中间接力器的大型调速器液压系统2）电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动装置

（中间接力器型）例2：电机控制的小型调速器液压系统2）电子调节器＋电机伺服装置＋机械液压随动装置

（中间接力器型）1-2电液转换装置

电液转换装置的功能是将电子调节器微弱的电气信号线性地转换成具有一定操作力的机械位移或转换为具有一定压力的流量输出。电液转换装置是调速器电气部分与机械液压部分的接合体是电液随动系统十分重要的部件，对调速器的可靠性及调节品质起着至关重大作用。1-2电液转换装置电液转换装置一般与主配压阀相接口:□与带引导阀的机械位移输入型主配压阀相配合，控制引导阀。□与带辅助接力器的流量控制型主配压阀接口，控制辅助接力器。目前，调速器的电液转换部件大多以如下三种方式存在：

A、电液转换器（包括双锥式、环喷式）

B、电液比例阀（包括电液伺服阀、数字阀）

C、电机转换器（包括步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、摆线电机等）1-2电液转换装置

---电液转换器

这里提到的电液转换器是指依赖调速器制造厂家研制生产的专用电液转换元件，如早期的控制套式电液转换器，八十年代的双锥式、环喷式等电液转换器。双锥式、环喷式电液转换器这两种伺服阀是从工作原理上和结构上保证没有卡阻和失效的可能而沿用至今。虽然，它们的共同之处对油质污染非常敏感，但至今可以说仍然是一种响应性很好的电液转换元件。由于，目前应用很少，略述。1-2电液转换装置

---电液比例阀（包括电液伺服阀、数字阀）特点：□液压工业成熟的电液转换控制元件。□具有较好的调节性能指标，完全满足水轮机调速系统

的调节要求。□抗油污能力比电液伺服阀强，滤油精度≤20μm。□批量和规格化生产，避免了自制电液转换元件因小批

量加工工艺难度和加工设备引起的制造缺陷。□集成度和标准化程度高，机构简单并且互换性好。电液比例方向阀

电液比例控制阀是七十年代初人们为了解决液压控制系统在工业环境中的应用，并克服伺服阀在工业应用中的一些缺点，在伺服阀的基础上才发展起来的。它是介于比例伺服阀和开关阀的控制元件，具有伺服阀良好的工作性能和开关阀的抗油污能力。除仍保留了中位死区，以减小中位（无信号状态时阀芯的自然位置）泄漏，其稳态特性已与伺服阀不相上下，频宽达10～25Hz。1-2电液转换装置

---电液比例阀（包括电液伺服阀、数字阀）电液比例阀方向结构示意图1-2电液转换装置

---电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀）比例伺服阀

比例伺服阀，又称高频响比例阀，是比例技术与伺服技术进一步结合的产物。它是在比例阀的基础上，将比例阀中的比例电磁铁和伺服阀的阀芯+阀套加工技术有机结合起来获得的。与比例阀相比，他最重要的特征就是当阀芯处于中位时，阀口是零开口（发口的遮程几乎为零），这意味着比例伺服阀的控制特性具有死区为零的特点。由于阀口的零开口特性，故比例伺服阀在零位的线性好。1-2电液转换装置

---电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀）比例伺服阀结构示意图1-2电液转换装置

---电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀）数字阀

数字阀严格说，是用脉宽调制控制的高速开关阀，也称脉冲阀。并非一简单的开关信号，而是通常用计算机进行控制，利用来调整单位时间内高（低）电平所占的比例来控制阀的流量大小，进而控制调速器接力器的线性工作，这一过程称之为断续工作的线性化。

通常采用座阀式电磁换向阀，也称为电磁换向球阀。采用钢球与阀座的接触密封，所以避免了滑阀式换向阀的内部泄漏。座阀式电磁换向阀在工作过程中受液流作用力影响小，不易产生径向卡紧。故动作可靠，且在高油压下也可正常使用；换向速度也比一般电磁换向滑阀快。1-2电液转换装置

---电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀）数字阀结构1-2电液转换装置

---电液比例阀、包括电液伺服阀、数字阀）1-2电液转换装置

---电机转换器

电机转换器作为水轮机微机调速器转换元件的应用是在20世纪九十年代初，是为了解决长期困扰水轮机微机调速器液压系统的抗油污问题应运而生的。它不但彻底规避了油液污染，同时还发挥了控制电机技术的优势，可以说在很大程度降低了调速器转换元件的故障率，提高了可靠性。是水轮机微机调速器行业的一次成功的技术革命和巨大的技术成果。

电/机转换器，它是采用伺服电机驱动装置+机械传动部件的构成的电气－机械转换部件。一般有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机和摆动电机等，放大部分采用螺杆传动。电机伺服装置（本身不具备复中功能）1-2电液转换装置

---电机转换器具有自复中特性的电机转换器1-2电液转换装置

---电机转换器应用环境---油质问题水轮机形式---常规机组和特殊机组操作力和输出流量1-2电液转换装置

----选择与应用1-3主配压阀

主配压阀是水轮机调速器专用的、不可缺少的重要液压放大部件，亦是水轮机控制设备中体积较大，加工精度较高的部件。

目前，主配压阀按其前置级的反馈方式不同有二种结构。

一种是流量控制型主配压阀（流量输入）；

一种是位移控制型主配压阀（位移输入）。流量输入型的主配压阀的特点前置级输入为流量的主配压阀，是将引导阀固定于中位，以流量输入方式作用于辅助接力器的上腔（即控制腔），使辅助接力器运动。而辅助接力器的运动，又通过引导阀衬套（引导阀衬套与辅助接力器联为一体）产生一个与输入流量相反的流量进入辅助接力器上腔构成内反馈，当输入流量与反馈流量相等时，辅助接力器停止运动，构成了一个液压内反馈的闭环系统，具有主配自复中功能。这是一个很有特点的结构形式，国内外好多厂家为了达到这个目的，是靠在主配上加装位移传感器才得以实现主配的复中的。与其接口的电液转换装置必须是电液比例阀、比例伺服阀和数字阀等流量输出对它进行控制。1-3主配压阀---流量输入型

前置级为流量输入的主配压阀

1-3主配压阀---流量输入型前置级为流量输入的主配压阀1-3主配压阀---流量输入型前置级输入为位移的主配压阀，是以机械位移输入方式作用于引导阀针塞使之离开过流窗口。引导阀针塞产生的输出流量控制辅助接力器的运动，其输出通过引导阀衬套（引导阀衬套与辅助接力器联为一体）构成1：1的内反馈，当输入流量与反馈流量相等时，辅助接力器停止运动。很多伺服电机控制的调速器都是采用这种方式，是一个机械位置反馈的闭环系统。1-3主配压阀---位移输入型1-3主配压阀

---位移输入型1-3主配压阀

---位移输入型进口主配压阀（美国GE公司）

进口主配压阀（法国阿尔斯通）主配压阀的选择原则与调速器相配的外部管道中的设计流速一般不超过5m/s；计算调速器容量的油压，应按正常工作油压的下限考虑；选择的主配压阀的直径和最大窗口，应使接力器最短关闭时间应满足机组提出的要求，且主配压阀最大工作行程应合理。主配压阀几个重要参数搭叠量：引导阀单边0.1~0.15毫米

活塞单边0.3~0.4毫米配合间隙：0.02~0.03毫米二、油压装置

油压装置是向水轮发电机的调速系统供给压力油的能源设备，是调苏系统的重要组成部分。同时也可作为进水阀的压力油源。油压装置的工作能力是由压力容器的额定工作油压及总容积来标志。油压装置主要包括回油箱、压力油罐、油泵－电机、阀组和测控元件。油压装置系统构成二、油压装置油压装置主要包括回油箱、压力油罐、油泵－电机、阀组和测控元件。这里主要介绍（1）压力容器（2）油泵---电机（3）组合组（4）测控元件（5）其它各种压力整定值和油位的确定（供参考）二、油压装置二、油压装置

---压力油罐压力油罐，是在有压力的条件下工作的一种容器。在水轮机调速系统油压装置中，压力油罐使用的正常工作压力等级，按型谱规定有2.5Mpa，4.0Mpa，6.3Mpa三种规格。它的工作介质是压缩空气和汽轮机透平油。压力油罐为钢制容器，它主要由筒体，封头，法兰，密封元件，开孔与接管及支座组成。其设计、制造、试验、探伤、验收均按GB150《钢制压力容器》中的要求进行，也可根据需要执行美国ASIM标准的。罐体顶部和侧壁安装有安全阀及液位和压力的测量、传感等自动化元件。二、油压装置

---压力油罐二、油压装置

---囊式蓄能器囊式蓄能器是液压行业执行的通用标准型式蓄能器的一种。它按油压等级分为10MPa，20Mpa和32Mpa三种规格；按容积分别有100L，80L，63L，40L，25L，16L…等不同规格。囊式蓄能器是利用气体(氮气)的可压缩性来储存能量的。在使用前，首先经顶部的充气阀向蓄能器中的胶囊充以预定压力的氮气，然后用液压泵经底部的油口向蓄能器充油。在压力油的作用下，顶开菌形阀，油进入容器内，压缩胶囊，当气腔和液腔的压力相等时，胶囊处于平衡状态。当系统需要用油时，在气体压力作用下，囊膨胀，输出压力油。二、油压装置

---囊式蓄能器油泵的作用是将机械能转换成液压能，是油压装置不可缺少的的动力元件。油泵有定量泵和变量泵两种，在水轮机调速系统油压装置上一般采用定量泵。定量泵的种类繁多，它包括齿轮泵、三螺杆泵、定量叶片泵、定量柱塞泵等等。但应用最为广泛的就是三螺杆泵，然后就是齿轮泵，柱塞泵也有一定的应用。二、油压装置

---油泵二、油压装置

---三螺杆泵三螺杆泵特点：螺杆泵是一种转子型容积式泵，它利用螺杆转动将液体沿轴向压送而进行工作。按螺杆根数，分为单螺杆泵、双螺杆泵和三螺杆泵等，在液压传动上使用最为广泛的是具有良好密封性能的三螺杆泵。螺杆泵的主要优点：1）螺杆泵的输油量大，且输油过程是连续的，所以流量的脉动小，。2）螺杆泵工作时无闭死容积，不会出现困油现象，所以噪音小，运转平稳。3）主动螺杆与从动螺杆之间无接触（即主动螺杆不把扭矩传给从动螺杆），无摩擦力存在，因而磨损小，寿命长。二、油压装置

---三螺杆泵二、油压装置

---齿轮泵外啮合齿轮泵

外啮合齿轮泵中，在吸油区和排油区附近由两个齿轮的齿廓。壳体和侧盖板等形成两个密闭的容积。齿轮转动时在吸油区附近的封闭容积变大，在排油区的封闭容积变小。由于齿轮的齿顶和壳体内孔表面间及齿轮端面和盖板间间隙很小，而且啮合的接触面接触紧密，其密封作用并把两腔隔开。

因此，齿轮传动时泵便连续地，周期性地排油。二、油压装置

---齿轮泵内啮合齿轮泵

内啮合齿轮泵是靠一个小齿轮1（主动齿轮）与一个相对较大的内齿环2（从动齿轮）相啮合而工作的，其中有一个月压板3将吸油腔4与压油腔5相隔开。

二、油压装置

---齿轮泵油泵的工作方式及输油量确定油泵的运行方式有间歇式和连续式两种。前者是靠压力开关位置接点来控制；后者则是通过卸荷阀来实现。依照GB/T9652.1《水轮机控制系统技术条件》中规定：“组合式和分离式油压装置应设置2台油泵，每台油泵的输油量足以补充漏油量，并有最少2倍的安全系数。通常每台泵的每分钟输油量不大于接力器容积的0.65倍。”在调整过程中，油泵应能在时间T内，补充自压力容器中输出的油量。时间T，即油泵的“恢复时间”不宜太短。一般油泵“恢复时间”为60~100秒。二、油压装置

---油泵组合阀的功用组合阀是具有单向逆止、减载延时、安全溢流及卸荷旁通等作用的多功能集合阀组。其主要功用是保护油泵、压力油罐及用油系统的压力安全，以及油泵电机实现空载启动减小对电网冲击。组合阀安装在油泵出口与压力油罐连接的管路上。二、油压装置

---组合阀组合阀组合阀的整定值：当压力油罐中的压力高于工作压力上限的2%时，油泵安全阀开始排油。当油压高于或等于工作油压上限10%时，安全阀应全部打开，并使压力油罐内的压力不再升高。油压降到工作油压的85%时，安全阀应完全关闭。二、油压装置

---组合阀油压装置的自动化元件包括控制元件和测量元件，主要有压力开关、压力变送器、液位变送器、油位计、自动补气装置及空气安全阀等。随着自动化水平和管理水平的提高，油压装置上的测量、控制等自动化元件的配置也愈来愈高。在实际应用中，应根据其功用进行合理的选择。二、油压装置

---测控元件测控元件1、液位计—主要用于指示压力罐内和回油箱内的油位。如有自动补气功能，还需要增设液位开关和液位传感器，时时监测液位并发讯控制；2、压力开关—用于控制油泵电机的启停和事故高低油压报警停机。通常二台油泵方案最少需要5只开关。3、压力变送器—主要用于监控。4、自动补气装置—集手自动补气、排气及空气过滤一体。保证压力油罐的正常油气比。

各种压力整定值和油位的确定（供参考）压力油罐各种压力的整定值（供参考）：工作油压上限，一般取额定工作油压；工作油压下限，一般取额定工作油压的92～95%；备用油泵启动压力，一般取额定工作油压的85～90%；事故低油压整定值应按水轮机制造厂家提供的数据整定。二、油压装置

---测控元件压力油罐的总容积的35%处的油位（35%V）定位正常油位，上、下限油位分别为总容积的（38～40）%和（30～33）%。当油位超过上限值而油压降到工作油压的下限时，应向压力油罐补气。回油箱总容积的50%处的油位为正常油位，上、下限油位一般为总容积的40%及60%。油位高于上限或下限时，由液位开关发出信号。二、油压装置

---测控元件三、机组过速保护3-1、分段关闭装置3-2、事故配压阀3-3、重锤关机3-1分段关闭装置

当水电站的压力过水系统惯性时间常数TW值较大时，在机组甩负荷过程中，有可能难以保证水压上升和转速上升同时满足调保计算的要求。一般解决的方法主要是设置调压井、装调压阀或改变导叶关闭规律等，通常采用改变导叶关闭规律的方法较多。为适应不同水电站的需要，在调速系统中设置有电气液压控制或机械液压控制的分段关闭装置，用于实现导叶的关闭规律，满足调保计算的要求。

分段关闭装置的容量选型应与大中型调速器的工作容量相适应，并满足主接力器的关闭速率要求。3-1分段关闭装置3-1分段关闭装置3-2事故配压阀装置

机组甩去全部负荷，而水轮机导叶开度大于空载开度时，水轮机转速将持续升高，直到过剩的能量全部消耗于克服各种机械损失和水力损失为止。这一升高的转速叫飞逸转速，而相应的工况则称之为飞逸工况。在发生飞逸时，水轮机的转动部分所受的离心力，要比正常转速下大得多，此刻机组的转动部分会产生不同程度的损坏，甚至造成不堪设想的严重后果。

为防止飞逸或限制飞逸转速值，必须设置机组过速保护。根据电站不同的水轮机型式，一般混流式、轴流转桨和冲击式机组设置有事故配压阀、快速闸门或进水球阀；而贯流式机组则是在导水机构控制环一侧配置关闭重锤，设置重锤关闭控制装置。3-2事故配压阀装置3-3重锤关机装置四、典型调速器常规机型

□混流式---单调节

□轴流转浆式---双调节特殊机型

□贯流式---双调节

□冲击式---多喷嘴

四、典型调速器

---混流式电液转换元件采用流量输出型：--比例阀---比例伺服阀---数字阀等等。用于混流式单调节系统四、典型调速器

---混流式四、典型调速器

---混流式四、典型调速器

---混流式四、典型调速器

---轴流转桨电液转换元件采用流量输出型：--伺服电机。

用于转桨式双调节机组四、典型调速器

---轴流转桨式电液转换元件采用流量输出型：--比例阀---比例伺服阀---数字阀等等。

用于轴流转桨等双调节机组四、典型调速器

---用于贯流式机组四、典型调速器

---冲击式电气控制部分采用微机控制器，测频、调节器及电源双冗余容错结构，提高整机系统的可靠性采用直联式系统方案。喷针控制单元采用电液随动系统进行比例控制，接受计算机PID信号；折向器则是根据转速判断和开停机状态进行开关量控制。喷针采用“一阀一控”、仅有一级放大的电液随动系统，使得多喷嘴系统产生的多套子液压控制单元结构简单，其各喷针的出力分配由计算机电气回路实现。机械液压系统全部采用标准化液压元件［8］，实现了模块式结构设计，从而规避了小批量生产、自制生产零部件所带来的不稳定质量问题，大幅度提高了具有多子液压系统的冲击式调速器的可靠性和可维护性。四、典型调速器

---冲击式国内最高油压为16MPa，国外有18~22MPa液压行业35MPa，甚至有更多高的应用高油压技术成熟主要应用于混流式机组轴流转桨机组有应用，但受到受油器结构限制五、高油压调速器1、工作压力的提高，大大减小设备体积，更好更多的结合液压工业技术、引入标准液压元件，减少自制加工件的不稳定因素，从而降低制造成本和提供工作可靠性。2、压力容器采用液压标准的囊式蓄能器，替代了传统的压力油罐。采用囊式蓄能器储能，胶囊内所充氮气与液压油不直接接触，油质不易劣化，延长液压油使用寿命；囊式蓄能器胶囊密封极为可靠，氮气极少漏失，运行中无须补气，减少了运行维护的工作量；由于不须设置高压空气系统，可使电站节约一笔十分可观的投资和运行费用五、高油压调速器3、油泵可采用普通液压标准型高压齿轮泵，拓展了油泵的选择范围。4、主接力器的结构尺寸得到大大减小，大多可直接采用或参考工程用标准液压缸，使得接力器的结构、密封方式等有了更规范化的设计和检测，解决了小批量单件生产导致的泄露、摩擦力大及互换性差等问题。五、高油压调速器5、很大范围内（调速器操作功），液压系统无需配置专用主配压阀，而是采用输出流量相当的一级比例阀直接驱动接力器，或二级比例阀,或一级与大功率级液动换向阀、插装阀联动，实现较大功率的液压放大。6、液压元件标准化程度的提高，具有良好的互换性并易于集成及实现不同控制功能。其主控液压元件的连接尺寸分别符合IN24340/DIN24342/ISO7368以及GB2877，可与国内外主要液压件公司同类产品完全互换。五、高油压调速器五、高油压调速器五、高油压调速器五、高油压调速器

----GYT—600/1000六、常见故障及故障处理

调速器在调整试验过程中和投入运行以后，可能遇到各种类型的故障或不正常的运行情况，发生这些问题的原因可能来自被控系统，也可能是由于调速器本身制造装配不良，元件出现缺陷或调整不当。当发现不正常情况后，应首先通过观察，判断故障的类型，然后确定是调速器本身的原因，还是调速器之外的原因。

总之，一定找到问题的真正原因。只有当原因找到后才能确定解决问题的方法。现象：油泵启动频繁、明显外漏

原因1：主配偏离中位

运动零件如阀芯阀套间隙因磨损明显加大

控制元件如比例阀、手动阀、换向阀复中差

液压锁（液控单向阀）处有异物

原因2:油压装置阀组主控阀泄漏

原因3：机组导叶接力器或浆叶受油器窜油

六、常见故障及故障处理

----耗油量大

六、常见故障及故障处理

---接力器抽动现象：空载状态频率波动较大，并网后接力器往

复运动频繁且幅度较大，经电气参数调整

无效，切手动后仍然如此。

原因：主要运动零件卡涩、位移传感器故障。

如主配压阀的引导阀、电液比例阀

处理：清洗七、我国调速器机械液压部分现状及发展趋势大量应用液压工业先进技术