水轮机调节系统的特点

水轮机调节系统的仿真与优化

设计者：闫艳伟、夏春杰、刘博文、房全国、郭朋飞

指导老师：周俊杰

（郑州大学化工与能源学院，郑州，450001）

摘要

水能一种可再生能源，是清洁能源，是绿色能源。我国水资源的蕴藏总量是比较丰富的，占世界第五位，随着科技的进步我国的水利工程也得到迅速发展。而水轮机在水利工程中起着至关重要的作用。随着科学技术的发展和新学科边缘学科交叉学科的诞生，计算机的应用、水轮机技术得到了进一步的完善发展，并取得了卓著绩效。改善水力性能提高效率，特别在近年来，水轮机制造业都在不断提高水轮机效率上下功夫，无论是其最高效率和平均效率都有了新的突破。

利用matlab simulink对水轮机进行系统仿真主要内容有：

（1）水轮机装置系统的数学模型的建立，包括：引水系统、液压随动系统、发电机系统、水轮机线性和非线性系统。

(2)在simulink下建立水轮机的线性和非线性发电系统的仿真模型。 (3)对甩15%载荷和甩60%载荷进行了仿真分析，并得出水轮机线性化模型优于非线性化模型稳定性。

【关键字】：水轮机 ；数值模拟 ； 水轮机仿真模拟；线性化；非线性化

一填空题：

1. 配压阀结构型式：通流式 和 断流式。

2. 根据连接范围不同， 总线分为 片级总线，系统总线，外总线。

3. 总线信号线分为 数据线， 地址线 ，控制线 ，电源线和地线 ，备用线 4. 水轮机调速器分类按元件结构不同分为 机械液压型 电气液压型 。 按调节规律不同 分为PI 和PID ;按反馈位置分为

辅助接力器 和 中间接力器 和电子调节器型；按施行结构的数目分为 单调节 和 双调节；按工作容量可分为 大，中，小型。

5. 调节设备一般包括 调速柜 ，接力器 ，油压装置 ，

6. 压油槽根据工作的情况，油的容积可分为 保证正常压力所需的容积，工作容积，事故关闭容积，贮备容积。 补充：

1. PID控制算法有哪些： 按算法不同分为位置型和增量型。

2. 负荷的类型：根据性质不同分1功率与频率没有直接关系的负载，2成正比的负载，3成平方关系的负载，4成三次方关系的负载，5成更高次方关系的负载；

3. 油压装置的组成：压力油罐，回油箱，带电动机的油泵，补气装置。

4.负载功率与电压关系：1与电压关系甚微的负载，2与电压平方成反比变化的负载，3成正比的负载。 5.接力器按工作原理分：双向作用和差动作用。

6.水轮机调节系统运行工

一． 名词解释

1. 水轮机调节:在自动调节装置（调速器）控制下的水轮发电机组，按照预定的功能、性能

和程序完成电能生产的调节及控制过程。 2. 水轮机调节系统：用来检测被控参量（转速、功率、水位、流量等）与给定参量的偏差，

并将它们按照一定特性转换成主接力器行程偏差的一些设备所组成的系统。 3. 水轮机调节系统的静特性：指调节系统处于稳定平衡状态时的机组转速与出力之间的变

化关系。 4.机组惯性时间常数:是指机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。

5水流惯性时间常数: 是指在额定工况下，表征过水管道中水流惯性的特征时间常数。 6接力器的最短关闭时间:接力器以匀速由全开到全关位置所用时间。 7调节保证计算：在设计阶段就应计算出上述过渡过程中最大转速上升值及最大压力上升值.工程上把这种计算称为调节保证计算. 8闭环开机： 9调节时间：Tp是指从阶跃扰动发生时刻开始到调节系统进入新的平衡状态为止所经历的时间.

二． 思考题

1. 水轮机调节的方法：根据负荷变化引起的机组转速或者频率的偏差，利用调速器调整水

轮机导叶或喷针的开度，使水轮机动力矩和发电机阻力矩及时恢复平衡，从而确保转速或者频率在规定的的范围内。 2. 调差率e值与什么因素有关

3. 水轮

水轮机调节复习题

热能与动力工程专业 第一章 水轮机调节基本概念

1、水轮机调节的任务、途径是什么？水轮机调节系统有哪两个部分组成？ 反映电能质量的主要指标有哪两个？

2、刚性回转体绕固定轴转动的微分方程是怎样的？

3、水轮机调节原理示意图的分析和说明。

4、水轮机调节有哪些特点？

5、当代现有三种调速器（辅助接力器型、中间接力器型、电子调节型）的系统结构组成框图是怎样的？要求填写对应部件的中文名称和传递函数。

6、双重调节调速器的系统结构组成。

7、调速器的分类和发展情况如何？

8、控制理论中的典型环节有哪些？其传递函数和阶跃响应曲线是怎样的？

第二章 水轮机调节系统工作原理

1、水轮机调节系统的静态与动态品质指标有哪些？

2、国家标准中对动态特性的规定有哪些？什么叫机组调差率、永态转差率？

第三章 机械液压型调速器

1、机械液压型调速器自动调节机构有哪些部件组成？

2、离心飞摆的作用和特性，以及其工作参数。

3、什么叫遮程？其对调速器有何影响？试分析。

4、液压放大机构的结构、组成、原理和特性。

5、什么是“D”型被控制油孔？其有何作用？

6、什么是永态反馈、局部硬反馈？有什么作用？用什么参数表达其工作

第1章

概论

（一） 单项选择题

1．水轮机的工作水头是（ ）。

（A）水电站上、下游水位差

（B）水轮机进口断面和出口断面单位重量水流的能量差 2．水轮机的效率是（ ）。

（A）水轮发电机出力与水流出力之比 （B）水轮机出力与水流出力之比 3．反击式水轮机是靠（ ）做功的。

（A）水流的动能 （B）水流的动能与势能 4. 冲击式水轮机转轮是（ ）。

（A）整周进水的 （B）部分圆周进水的 5．喷嘴是（ ）水轮机的部件。

（A）反击式 （B）冲击式 （二）填空题

1．水电站中通过 把水能转变成旋转机械能，再通过 把旋转机械能转变成电能。 2．水轮机分为 和 两大类。 3．轴流式水轮机分为 和 两种。

4．水轮机主轴的布置形式有 和 两种。 5．冲击式水轮机有

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1．频率波动过大有什么后果？电力系统对频率指标有哪些规定？

频率偏差过大：将会导致以电动机为动力的机床、纺织机械等运转不稳定，造成次品或废品

发生。更重要的是频率偏差过大也会影响发电机组及电网自身的稳定运行，甚至造成电网解列或崩溃。

电力系统规定：我国电力系统标称频率50HZ，正常频率偏差允许?0.2HZ，当系统容量较小时，偏差值可放宽至?0.5HZ。 2．什么是调节系统和随动系统？

调节系统：由调节对象和调节器两部分组成，是一种闭环或反馈控制系统，按照给定值与被

调节量信号偏差工作的，其给定值或者保持常量，或者随时间缓慢变化。

随动系统：（伺服系统）是另一类闭环或反馈系统，其负荷变化往往不是主要输入量（扰动）。

与调节系统不同，随动系统的给定值带有随机性，经常处于变化过程中，系统的输出量以一定精度跟随给定值变化。

3．试画出自动调节方框图，说明水轮机调节系统的工作过程。

机组的转速信号（被调节参数）送至测量元件，测量元件把频率信号转换为唯一的电压信号后与给定信号比较，确定频率偏差及偏差的方向，根据偏差情况按一定调节规律发出调节命令。命令被放大并送至执行元件去推动导水机构，反馈元件又把导叶开度变化的信息返回加法器，同时也形成一定的调节规律。调

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1．频率波动过大有什么后果？电力系统对频率指标有哪些规定？

频率偏差过大：将会导致以电动机为动力的机床、纺织机械等运转不稳定，造成次品或废品

发生。更重要的是频率偏差过大也会影响发电机组及电网自身的稳定运行，甚至造成电网解列或崩溃。

电力系统规定：我国电力系统标称频率50HZ，正常频率偏差允许?0.2HZ，当系统容量较小时，偏差值可放宽至?0.5HZ。 2．什么是调节系统和随动系统？

调节系统：由调节对象和调节器两部分组成，是一种闭环或反馈控制系统，按照给定值与被

调节量信号偏差工作的，其给定值或者保持常量，或者随时间缓慢变化。

随动系统：（伺服系统）是另一类闭环或反馈系统，其负荷变化往往不是主要输入量（扰动）。

与调节系统不同，随动系统的给定值带有随机性，经常处于变化过程中，系统的输出量以一定精度跟随给定值变化。

3．试画出自动调节方框图，说明水轮机调节系统的工作过程。

机组的转速信号（被调节参数）送至测量元件，测量元件把频率信号转换为唯一的电压信号后与给定信号比较，确定频率偏差及偏差的方向，根据偏差情况按一定调节规律发出调节命令。命令被放大并送至执行元件去推动导水机构，反馈元件又把导叶开度变化的信息返回加法器，同时也形成一定的调节规律。调

1、水轮机工作水头：水轮机水头是水轮机进口断面和出口断面之间水流能量的差值（落差）

2、水轮机的效率：由于水流流经水轮机进行能量交换时会产生一定的损耗，因此水流流经水轮机的出力会小于水流出力，水轮机出力和水流出力之比称为水轮机的效率。

3、水轮机蜗壳包角:蜗壳从进口起到鼻端（末端）为止的环绕水轮机座环的总角度。 4、水轮机吸出高度:水轮机叶片背面压力最低点K到下游水面的垂直高度。符号：Hs，单位：m。

5、水轮机单位转速、单位流量、单位功率

单位转速 n11 ：表示D1=1m，Hηs=1m时该水轮机实际转速 单位流量Q11 ：表示D1=1m，Hηs=1m实际有效流量

单位功率N11 ：表示同系列的水轮机D1=1m，有效水头Hηs=1m时水轮机的出力 6、空化现象：当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。空化过程可以发生在 液体内部，也可以发生在固定边界上。

7、空蚀现象：空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。

8、空化和空蚀的关系：空蚀是空化的直接后果，先空化后空蚀，空化可以发生在液体内部，也可以发生在

1、水轮机工作水头：水轮机水头是水轮机进口断面和出口断面之间水流能量的差值（落差）

2、水轮机的效率：由于水流流经水轮机进行能量交换时会产生一定的损耗，因此水流流经水轮机的出力会小于水流出力，水轮机出力和水流出力之比称为水轮机的效率。

3、水轮机蜗壳包角:蜗壳从进口起到鼻端（末端）为止的环绕水轮机座环的总角度。 4、水轮机吸出高度:水轮机叶片背面压力最低点K到下游水面的垂直高度。符号：Hs，单位：m。

5、水轮机单位转速、单位流量、单位功率

单位转速 n11 ：表示D1=1m，Hηs=1m时该水轮机实际转速 单位流量Q11 ：表示D1=1m，Hηs=1m实际有效流量

单位功率N11 ：表示同系列的水轮机D1=1m，有效水头Hηs=1m时水轮机的出力 6、空化现象：当液体温度一定时，降低压力到某一临界压力时，液体也会汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴，这种现象称为空化。空化过程可以发生在 液体内部，也可以发生在固定边界上。

7、空蚀现象：空蚀是指由于空泡的溃灭，引起过流表面的材料损坏。在空泡溃灭过程中伴随着机械、电化、热力、化学等过程的作用。

8、空化和空蚀的关系：空蚀是空化的直接后果，先空化后空蚀，空化可以发生在液体内部，也可以发生在

1、水轮机的基本工作参数都有哪些？

答：水头、流量、转速、出力、效率（每写对一个得2分）

2、水轮机的编号规则？

类型 比转速表示水轮型号 主轴布置形式 引水形式 以厘米表示的转轮直径（每写对一个得2分）

3、试简述一元理论，二元理论，三元理论。

一元理论：采用无穷叶片数及轴面速度沿过流断面均匀分布假定，流动状态只是转面流线长度坐标的函数。

二元理论：放弃一元理论中两个基本假设中的一个。

三元理论：完全放弃一元理论的两个基本假设，直接研究三维流场。 4、什么是蜗壳的最大包角、水轮机比转速、单位流量？

答：蜗壳最大包角指蜗壳的进口端面到蜗壳的鼻端所围成的角度。

水轮机比转速是指水轮机在水头为1m，出力为1kw时所具有的转速。

单位流量是指水轮机标称直径为1m，有效水头为1m时所具有的的流量。 5、按水流流经导叶与水轮机轴线的相对位置，导水机构可分为哪几种形式？ （1）径向式导水机构，水流方向与主轴垂直 （2）轴向式导水机构，水流方向与主轴平行 （3）斜向式导水机构，水流方向与主轴相交

6、水轮机的几个典型工作水头如何定义？

最大水头：是允许水轮机运行的最大净水头。

最小水头：是保证水轮机安全、稳定运行的的最小净水