现代水轮机调速系统

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1、 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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20m。 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

8、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1025Hz。 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

9、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）

10、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

11、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

12、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

13、，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

14、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

15、要参数 搭叠量：引导阀单边0.10.15毫米 活塞单边0.30.4毫米 配合间隙：0.020.03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