水輪機調速器選型概論

陳尹萍

武漢大學東湖分校，湖北武漢 430212

1 水輪機組的分類

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

常用水輪機組特點歸結如下：

水斗式：適用于高山丘陵水量不大的高水頭地區，水頭一般在200m以上；

斜擊式：高水頭小流量中小型機組，水頭一般在40m～120m之間；

混流式：最常見機組，在水頭和負荷大時比軸流轉槳效率低；

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輪體上，適用于水頭變化不大的水電站，轉槳式水輪機的槳葉在輪體上可以調節，適用于水頭及負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，發電機裝在水密的燈泡體內，故稱燈泡貫流式，轉輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉槳式。

2 水輪機調速器的主要任務和組成部分

2.1 水輪機調速器的主要任務

電網系統負荷的不斷變化，致使電網系統頻率會不斷變化。水輪機調速器的主要任務是通過調節水輪發電機組的輸出功率，維持水輪機組在額定轉速。根據異步交流電機原理：轉速n=60f/P式中f-頻率、P-磁極對數。據此，轉速n與電源頻率f成正比，調節機組轉速即是調節機組輸出頻率。

2.2 水輪機調速器的組成部分

水輪機調速器系統主要包括以下幾個部分：電氣控制部分、機械液壓執行機構、位移反饋檢測機構、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）、可編程計算機控制器（programmable computer controller-PCC）、工業個人計算機（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生產。

機械液壓執行機構部分含有電液轉換、液壓放大和液壓保護等元件。電液轉換機構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生的操作功不足的問題。液壓保護元件要求能在完全斷電或緊急情況下能保護水輪機組的安全。

位移反饋檢測機構含有位置檢測器件及連接機構。一般分為旋轉電位器式、直線式、光編碼器式檢測裝置。

液壓有源部分為整個機械液壓執行機構提供額定壓力等級的油源。一般分為2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、16MPa幾個標準壓力等級。

3 水輪機調速器的命名和分類

對于調速器執行部分的分類，目前我國還沒有統一的標準，一般都是各調速器廠家根據自身特點自行命名，總結有以下特點和方法。

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水輪機組的高油壓型調速器的縮寫。

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水輪機組的2.5MPa油壓等級調速器。

3）機組形式、編號組合

GLT-K可理解為貫流式調速器K型。

4）漢語拼音縮寫、主配壓閥直徑組合

BWT-80可理解為步進電機式微機調速器主配壓閥直徑為80mm的調速器。

4 水輪機調速器的選取法則

法則一：水輪機組特點決定調速器型號

水斗式：由于其自身結構特點，在控制順序和流程上要求比較嚴格，因此要求選取針對性較強的沖擊式專用調速器，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的調速器。

斜擊式：可根據操作功選取高油壓調速器（GYT）、常規油壓調速器（YT）、全數字式（SLT）、步進式（BWT）等可供選擇。

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

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

燈泡貫流式：燈泡貫流式機組由于水頭低、流量大的特點對調速器的調節精度提出更高要求。可選取專門針對此機組設計的調速器或控制精度高的調速器如GLT/PWST等系列。

法則二：操作功決定調速器型號

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

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

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