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1、武汉科技学院 2007 届毕业设计11.概述人类社会不能离开电，但在当前世界上大多用的是火力发电，对于要持续发展的人类社会来说，毕竟不是长久的事，水电应运而生，发展水电是必然也是必须的，水轮机调速器产生于十九世纪末期，经历了由机械液压调速器向电液调速器发展的漫长历程，到二十世纪八、九十年代，电液调速器已十分成熟，成为水轮机调速器的主流产品。 电液调速器的电气部分善于及时应用电子行业的新技术、新产品，几乎与电子技术同步发展。无论是电子管、晶体管、集成电路，还是微机、可编程控制器（PLC） 、可编程计算机控制器（PCC） ，往往是问世不久，就在水轮机电液调速器上得到了应用。而电液调速器的机械液压部
2、分却基本处于停滞状态，与在许多行业中广泛应用的现代液压技术存在着巨大差距。例如：液压元件与数十年前的机械液压调速器基本一样，依然是单件、小批量的生产模式；工作油压维持在 2.5Mpa 或 4.0 Mpa 的低压水平上；压力容器采用油、气接触的普通压力罐；等等。众所周知，在冶金、矿山、起重、运输及工程机械等行业中得到广泛的应用的现代液压技术，同样拥有大量先进而成熟的技术成果：液压元件为大批量工业化生产，品种齐全，标准化、系列化程度高；工作油压早已达到 16 31.5 Mpa；压力容器广泛采用油、气分离的囊式蓄能器；等等。从本质上讲，正是由于没有及时吸收、应用液压行业的新技术、新产品，才导致了电液
3、调速器机械液压部分的停滞和落后状态。反之，只有更好地吸收、应用液压行业的新技术、新产品，才能促进电液调速器机械液压部分加快技术进步、实现产品的升级换代高油压水轮机调速器一面世，便以其高性能、高可靠性、高性价比等显著的技术经济优势赢得了用户和市场，迅速得到推广。短短数年间，初步形成了自 3000 Nm 到 50000 Nm 的各型中小型高油压水轮机调速器产品，以及用于冲击式水轮机的各型高油压调速器产品。截止到 2005 年底，已有数百台中小型高油压水轮机调速器在全国各地电站投入运行，部分高油压水轮机调速器还出口国外，受到用户及设计、安装单位的一致好评，显示了强大的生命力。武汉科技学院 2007
4、届毕业设计22.系统使用要求,进行负载特性分析2.1 设定以混流式水轮机为例,额定水头 25m,机组额定功率 400kw，混流式水轮机以调节导叶角度以调节水的流量，从而改变叶轮的转速2.2 液压控制系统设计的一般步骤1.油压装置的系统设计，应遵循以下原则：容量不大于 40 升的小型高压油压装置，通常只设一台高压齿轮泵组。如机组有无电源开机的要求，则应再并联一台手摇柱塞泵。蓄能器容量为（40300）升的大中型高压油压装置，通常设两台高压齿轮泵组。对容量更大及用于转桨式水轮机桨叶控制部分的高压油压装置，也可考虑设两大一小共三台高压齿轮泵组，中较小的齿轮泵组用于补充系统的经常性耗油。2.每台高压齿轮
5、泵组一般应并联一只安全阀，对功率较大的泵组，可考虑同时设置一只卸荷阀。3. 压力滤油器应设置在蓄能器的进油侧，而不应设置在蓄能器的供油侧，以保护蓄能器的胶囊不受机械杂质的损害。每台齿轮泵组设一只单联的压力滤油器，比两台齿轮泵组共用一只双联的压力滤油器更为灵活、可靠。压力滤油器与蓄能器间应设置单向阀，既保证停泵时压力油不倒流，又方便滤油器清洗。4.系统功率平衡与频率调整在电力系统中，由于电能不能大量储存，发电、供电和用电是同时完成的。在任何时刻，电力系统的发电、输配电和用户的用电必须保持功率平衡。电力系统的功率平衡包括有功功率平衡和无功功率平衡。有功功率的不平衡会导致系统频率的波动；无功功率的不
6、平衡则会导致系统电压的波动，严重时甚至导致电力系统的解列和崩溃。由于用户负荷随时都在变化，因而要求发电厂跟随负荷变化不断地进行有功功率和无功功率的调整，以保持电力系统的功率平衡。调整无功功率以保持系统电压稳定由发电机励磁系统实现；而调整有功功率以保持系统频率稳定则是靠机组的调速器实现的。发电机的频率与转速、磁极对数有以下关系：60pnf武汉科技学院 2007 届毕业设计3式（1-1）中：f 为发电机输出的交流电压频率（Hz） ；p 为发电机的磁极对数；n 为发电机的转速（r/min） 。发电机的磁极对数 p 对具体的发电机来说，是一个确定值。由式（1-1）可知，发电机输出的频率与发电机组的转速
7、成正比。要保持机组频率稳定，就要保持机组转速稳定。为保持机组转速稳定，就要保持输入机组的功率所转换的电功率与机组输出的电功率相等。若输入机组的功率大于机组输出的功率，机组转速和系统频率将上升；反之，若输入机组的功率小于机组输出的功率，机组转速和系统频率将下降。由于电力系统的负荷是随机变化的，机组转速和系统频率必然产生随机波动，显然，机组的功率平衡只能是动态平衡，机组转速和系统频率不可能绝对不变，而只能尽量减少其变化范围，使其稳定在允许的范围内。我国电力系统规定：电网频率应保持 50Hz，对电网容量在 3000MW 及以上者，其允许偏差为0.2Hz，对容量在 3000MW 以下的地方电力网，其允
8、许偏差为0.5Hz；在系统负荷发生变化时，依靠系统中各发电机组的调速器自动实现的频率调整，称为一次调频；在系统负荷发生较大变化时，仅依靠一次调频尚不能使系统频率稳定在允许的范围内时，需通过另外的自动装置或技术措施对系统频率作进一步的调整，这类调整称为二次调频。2.3 功率的调节方法水轮机的功率：N=9.81QH(kW) （1-2）式（1-2）中：Q：水轮机的流量（m 3/s）H：水轮机工作水头(m)：水轮机的效率由于水轮机工作水头难以调整，因此只能用改变进入水轮机的流量的方法调整水轮机功率。对于不同类型的水轮机，流量调节方式及流量调节机构各不相同。混流式、轴流定桨式水轮机的流量调节方式为单调节
9、，其流量调节机构是导叶；冲击式水轮机的流量调节方式为双调节，其流量调节机构是喷针和折向器；转桨式水轮武汉科技学院 2007 届毕业设计4机的流量调节方式为双调节，其流量调节机构是导叶和桨叶。对于单调节水轮机，在调速器及操作器选型前，首先要确定所选调速器或操作器的操作功。2.4 调速器的操作功应考虑三个因素一是液压缸须克服的导水机构水力矩的大小；二是液压缸须克服的导水机构机械摩阻力的大小；三是要留有必要的操作功裕量。导水机构水力矩的大小取决于水轮机的类型和大小，也取决于水轮机的实际工作水头和流量。导水机构机械摩阻力的大小取决于导水机构的具体结构、加工质量和安装质量，也取决于导水机构在运行中的锈蚀
10、和卡阻情况。机组所需的调速器操作功通常应由水轮机制造厂家计算、提供。对于中小型混流式及轴流定桨式水轮机，如已知其有关参数，可按下列近似公式估算机组所需的 操作功 A：公式一 （Nm） （10-1） 1maxDH250Q式中：Q 为机组额定流量（m 3/s） ； Hmax 为最大水头（m） ； D1 为水轮机转轮直径（m）公式二 （Nm） （10-2）/30NA式中：N 为机组的额定功率（kw） ； H 为额定水头（m） 。 公式三中型反击式水轮机导叶接力器所需的调速功 A 可按下式计算（Nm） （10-3）1max0DHkbA式中：b 0为水轮机导叶高度，m；a0max为水轮机导叶最大开度，m
11、m；k 为与机型有关的系数对于混流式水轮机：D 13.0m、K=2.94；对于轴流式水轮机：K=2.94。为分离式机结构,液压缸不安装在回油箱上,而直接与水轮机导水机构相连,机械液压部分的要求：武汉科技学院 2007 届毕业设计51.手动开停机增减负荷及带负荷运行.2.无条件,无扰动地进行自动与手动的相互切换.3.检测到电气故障时,能自动的切为手动,并将负荷固定于故障前的状态.整个系统的原理根据公式 2,根据公式,估算出机组所需的操作功 2400 NmH/30NA3设计液压系统的主要方案31 确定回路方式选用开式回路,执行元件的排油回油箱,油液经过沉淀,冷却再进入液压泵的进口。3.2 选用液压
12、油液选用抗磨液压油。3.3 初定系统压力16Mpa 以下。3.4 选择执行元件该液压系统需要往复的控制导叶角度,选用双作用活塞液压缸。2-1 系统原理图武汉科技学院 2007 届毕业设计63.5 确定液压泵类型该系统压力21MPa,选用齿轮泵。3.6 选择调速方式该系统对速度的稳定性要求较高,选用调速阀的节流调速回路。3.7 选择调压方式溢流阀旁接在液压泵的出口,在进油和回油节流调速系统中为定压阀,保持系统工作压力恒定,当液压系统在工作循环不同阶段的工作压力相差很大时,为节省能量消耗,应采用多级调压。3.8 选择换向回路为保证系统的稳定,采用手动与电动并联方式,当遇到电气故障时,自动切换为手动
13、。3.9 绘制液压系统原理图自油压装置输送来的压力油,在压力表后,分为左中右三条并联油路构成,左边油路是自动调节回路,由数字开关阀组成,中间油路是手动操作阀和锁定阀组成,右边油路为紧急停机和锁定,电磁阀构成的紧急停机回路。上述三条并联油路的控制阀各自有两个输出工作油口,所有控制液压缸开启的油口并为一条油管,经单向节流阀与液压缸关闭腔相连,位移反馈装置用于向调速器电气部分反馈液压缸的位移信号。武汉科技学院 2007 届毕业设计74. 液压部分可靠性分析:为了稳妥可靠，GKT 系列高油压调速器还是选用滑阀类换向阀作功率级液压阀传统调速器的自动调节、手动操作与紧急停机都是通过主配压阀实现的，由于主配
14、压阀的体积较大，设计中不考虑主配压阀的冗余配置。运行中万一出现主配压阀卡死在开机侧的事故，自动调节、手动操作与紧急停机均将失灵。除小型调速器可用操作手轮控制外，大中型调速器便无法进行任何操作，直接影响机组的安全运行。对于高油压调速器而言，由于各类控制液压阀对油质要求比传统主配压阀更高，因而对高油压调速器调节控制系统的可靠性应有更高的要求。GKT 系列高油压调速器，在系统设计中采取了以下措施，以确保液压控制系统的（1）可靠性：1）采用自动调节阀组、手动操作阀与紧急停机电磁阀三者各自独立、相互并联的系统方案。与传统调速器的液压系统类比，相当于三者各有自己的“主配压阀” ，大大提高了配置的冗余度；2
15、）自动调节阀组的进、排油侧串联有手自动切换阀，在手动操作或紧急停机时，该阀将同时切断自动调节阀组的油路。即使自动调节阀组发生卡死或其他任何故障，都不会影响手动操作和紧急停机的正常工作；万一手自动切换阀因电气故障或阀体本身故障不能自动切换，还可用切换阀上的手动按钮进行切换。3）自动调节阀组被手自动切换阀切断油路后，因紧急停机电磁阀处于复归状态，油路也被切断，调速器处于手动工况，用手动操作阀能可靠地进行机组的开停机和增减负荷操作。4）自动调节阀组被手自动切换阀切断油路后，只要紧急停机电磁阀接到紧停信号，即能可靠动作，实现紧急停机。万一紧急停机电磁阀因电气故障或阀体本身故障不能动作，还可用紧停阀上的
16、手动按钮进行紧急停机，也可通过手动操作使机组停机。武汉科技学院 2007 届毕业设计85）在功率级液压阀的选择上，有滑阀类换向阀与插装阀两种方案。与滑阀类换向阀相比，插装阀具有过流量大及漏油量小的优点。但有分析指出：当滑阀类换向阀的阀芯卡在开启位置，只会导致机组全开，系统油压仍然保持，还可用其它措施使机组停机。而插装阀的某一单元万一卡在开启位置时，就有出现压力油与回油直接连通的可能，从而导致系统失压、失控。在此问题上目前尚有不同观点。赞成采用插装阀的认为，插装阀的优点明显，而插装单元卡死的可能几乎不存在。武汉科技学院 2007 届毕业设计95系统的参数计算及液压元件的选择5.1 执行元件主要结构尺寸计算1液压缸的主要尺寸确定根据初定的系统压力,液压缸的最高工作压力 Pmax=0.9Mpa.调速器要求油缸全开全关动作速度相等，最大负载为工进阶段的负
