水轮机调速器选型概论

陈尹萍

武汉大学东湖分校，湖北武汉 430212

1 水轮机组的分类

水利发电机组系统由水轮机组和发电机组构成，是利用水的势能转化为电能的主要设备。目前，绝大多数水轮机组都是用来带动交流发电机组。水轮机组根据工作原理分为反击式和冲击式两大类。目前，世界上单机容量最大的冲击式机组为挪威的悉·西马电站，其单机容量为315mW，水头885m，转速为300转/min。反击式机组则由水流冲击的反作用力使转轮旋转而工作的，目前世界上单机容量最大的反击式机组为中国的向家坝电站，其单机容量为800mW。冲击式机组一般水压保持恒定，主要是动能的转换。反击式机组水压和动能均能变化，主要是压力能的转化。冲击式机组根据水流方向又分为，切击式（水斗式）和斜击式（由瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机）两大类，两者射流的倾角不同。反击式机组可分为混流式（由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机）、轴流式和贯流式。斜击式、轴流式和贯流式根据结构有定桨和转桨式（由奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机）。

常用水轮机组特点归结如下：

水斗式：适用于高山丘陵水量不大的高水头地区，水头一般在200m以上；

斜击式：高水头小流量中小型机组，水头一般在40m～120m之间；

混流式：最常见机组，在水头和负荷大时比轴流转桨效率低；

轴流式：适用于平原河道上，水头低于40m，定桨式桨叶固定在转轮体上，适用于水头变化不大的水电站，转桨式水轮机的桨叶在轮体上可以调节，适用于水头及负荷变化较大的水电站；

灯泡贯流式：适用于3m～20m低水头大流量地区，发电机装在水密的灯泡体内，故称灯泡贯流式，转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。

2 水轮机调速器的主要任务和组成部分

2.1 水轮机调速器的主要任务

电网系统负荷的不断变化，致使电网系统频率会不断变化。水轮机调速器的主要任务是通过调节水轮发电机组的输出功率，维持水轮机组在额定转速。根据异步交流电机原理：转速n=60f/P式中f-频率、P-磁极对数。据此，转速n与电源频率f成正比，调节机组转速即是调节机组输出频率。

2.2 水轮机调速器的组成部分

水轮机调速器系统主要包括以下几个部分：电气控制部分、机械液压执行机构、位移反馈检测机构、液压油源部分。

电气控制部分含有主逻辑控制器、显示屏、测频、电气综合放大等主要元件。主逻辑控制器一般选取可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller-PLC）、可编程计算机控制器（programmable computer controller-PCC）、工业个人计算机（Industrial Personal Computer-IPC）这3类。PCC和IPC是控制器和显示屏的集合体，一般不用单独配置显示屏，PLC一般配触摸式显示屏。电气综合放大和测频元件一般为各厂家自主研发生产。

机械液压执行机构部分含有电液转换、液压放大和液压保护等元件。电液转换机构的作用是将通过电气综合放大后的输出动作指令的电信号转换为可控的液压信号。液压放大元件解决压力油源提供的额定压力所产生的操作功不足的问题。液压保护元件要求能在完全断电或紧急情况下能保护水轮机组的安全。

位移反馈检测机构含有位置检测器件及连接机构。一般分为旋转电位器式、直线式、光编码器式检测装置。

液压有源部分为整个机械液压执行机构提供额定压力等级的油源。一般分为2.5MPa、4.0MPa、6.3MPa、16MPa几个标准压力等级。

3 水轮机调速器的命名和分类

对于调速器执行部分的分类，目前我国还没有统一的标准，一般都是各调速器厂家根据自身特点自行命名，总结有以下特点和方法。

1）汉语拼音缩写、操作功率组合

GYT-1000可理解为操作功为1 000kW水轮机组的高油压型调速器的缩写。

2）汉语拼音缩写、操作功、油压等级组合

YT-1000-2.5可理解为操作功为1 000kW水轮机组的2.5MPa油压等级调速器。

3）机组形式、编号组合

GLT-K可理解为贯流式调速器K型。

4）汉语拼音缩写、主配压阀直径组合

BWT-80可理解为步进电机式微机调速器主配压阀直径为80mm的调速器。

4 水轮机调速器的选取法则

法则一：水轮机组特点决定调速器型号

水斗式：由于其自身结构特点，在控制顺序和流程上要求比较严格，因此要求选取针对性较强的冲击式专用调速器，一般型号为CJ-2/2-4.0等理解为冲击式两喷嘴两折向器压力等级为4.0MPa的调速器。

斜击式：可根据操作功选取高油压调速器（GYT）、常规油压调速器（YT）、全数字式（SLT）、步进式（BWT）等可供选择。

混流式：目前常用步进式调速器（BWT）、电动阀式调速器（DFT）等型号调速器选择。

轴流式：轴流式控制精度要求较高可选择步进式调速器（BW（S）T）、比例伺服调速器（PW(S)T）、电动阀调速器（DKT）等型号的调速器。

灯泡贯流式：灯泡贯流式机组由于水头低、流量大的特点对调速器的调节精度提出更高要求。可选取专门针对此机组设计的调速器或控制精度高的调速器如GLT/PWST等系列。

法则二：操作功决定调速器型号

调速器额定操作功与水轮发电机组功率匹配是选型的关键，主配压阀活塞直径在80mm以上的称为大型调速器；操作功在10 000N·m～30 000N·m之间的称为中型调速器；操作功在10 000N·m以下的称为小型调速器，其中调速功在3 000N·M以下的又称为特小型调速器。

如：GYT-7500型理解为高油压（一般为16MPa）操作功为7500N·m的机组。

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