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页数:267

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出版时间:2009-7

价格:32.00元

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isbn号码:9787807345992

丛书系列:

图书标签:

• 水轮机
• 水力发电
• 调节技术
• 水工机械
• 水轮机组
• 水力工程
• 电力工程
• 水能资源
• 控制系统
• 水轮机运行

《水轮机调节》 引言 水轮机，作为水电站的心脏，其运行的稳定性和高效性直接关系到电网的可靠供电和电力资源的有效利用。而“调节”——这一核心技术，则赋予了水轮机生命，使其能够根据电力系统的需求变化，精准、快速地调整输出功率，在保证频率和电压稳定的同时，最大化水能的转化效率。本书《水轮机调节》便是一部深入探讨这一关键技术领域的专著，旨在为读者提供一个全面、系统而详尽的认知框架。 本书并非单纯的技术手册，更侧重于从原理到实践，从宏观到微观，层层剥茧，揭示水轮机调节过程的复杂性与精妙之处。我们希望通过本书，让读者不仅了解“如何调”，更能理解“为何这样调”，以及“调得更好”的可能性。 第一部分：水轮机调节的理论基础与基本原理 在正式进入调节系统的探讨之前，理解水轮机本身的特性与运行机理是必不可少的。本部分将从基础入手，为读者打下坚实的理论基础。 1.1 水轮机的类型及其动力学特性 1.1.1 不同类型水轮机的结构与工作原理概述：本书将首先介绍几种主要的水轮机类型，包括冲击式（如Pelton轮）、压力式（如Francis轮、Kaplan轮）和轴流式（如贯流式、混流式）等。对于每种类型，我们将详细阐述其基本结构、工作介质（水）的流动路径、能量转换方式以及其固有的动力学特性，例如，Kaplan轮的叶片角度可调性如何影响其效率范围，Francis轮在不同水头下的运行特点等。 1.1.2 水轮机的效率曲线与运行区域：理解水轮机的效率曲线至关重要，它揭示了在何种工况下水轮机能实现最高的水能转化效率。我们将分析不同类型水轮机效率曲线的形状特点，并探讨如何通过调节来使水轮机运行在效率最佳的区域。此外，还将讨论水轮机的过载能力、空载特性以及在非设计点运行时的性能表现。 1.1.3 水力惯性与水锤效应：水力惯性是指水流因惯性而产生的运动滞后现象，它对调节的响应速度有显著影响。我们将深入分析水力惯性的数学模型，并探讨其在调节过程中如何被补偿。水锤效应，即水流突然停止或改变速度时产生的压力波动，是水电站安全运行的一大挑战，本书将阐述其产生机理，并初步介绍如何通过调节策略来减缓或避免其发生。 1.2 功率调节的基本目标与评价指标 1.2.1 电力系统对水轮机调节的要求：电力系统是一个高度动态的复杂网络，其对水轮机的调节有着严格的要求。本书将详细阐述这些要求，包括频率稳定、电压稳定、负荷响应能力、调峰调频作用以及黑启动能力等。我们将分析当电力系统发生负荷变化、输电故障或其他扰动时，水轮机调节系统应如何快速有效地做出反应。 1.2.2 调节系统的性能指标：为了客观评价调节系统的优劣，我们需要一系列性能指标。本书将详细介绍这些指标，如调节精度、超调量、恢复时间、动态响应速度、稳态误差等。我们将解释这些指标的物理意义，并探讨如何通过设计和优化调节器来达到理想的性能。 1.2.3 经济性与可靠性的权衡：在保证技术指标的同时，经济性和可靠性也是调节系统设计中不可忽视的因素。本书将探讨如何在追求高效调节的同时，降低能耗，减少设备磨损，延长设备寿命，并确保系统在各种运行条件下都能稳定可靠地工作。 第二部分：水轮机调节系统的组成与关键技术 本部分将聚焦于水轮机调节系统的具体构成，并深入剖析构成系统中各个关键环节的技术要点。 2.1 调节系统架构与组成单元 2.1.1 测量单元：信号的采集与处理：调节系统的“眼睛”——测量单元，负责实时获取电网频率、机组有功功率、水头、流量、转速等关键参数。本书将详细介绍各种传感器（如频率计、功率表、压力传感器、转速表）的工作原理、精度要求及其安装布设。同时，还将讨论信号的滤波、放大、模数转换等预处理过程，以保证输入给控制器的信号准确可靠。 2.1.2 控制单元：指令的生成与决策：控制单元是调节系统的“大脑”，它根据输入的测量信号和预设的控制策略，生成调节指令。本书将介绍基于PID（比例-积分-微分）控制、模糊控制、神经网络控制等多种控制算法的原理及其在水轮机调节中的应用。我们将深入分析各种控制算法的优缺点，以及如何根据不同的机组特性和电网需求来选择和调整控制器参数。 2.1.3 执行单元：指令的执行与力量的传递：执行单元是调节系统的“手脚”，它将控制单元生成的指令转化为实际的物理动作，驱动导水叶片或转轮叶片进行角度调整，从而改变水轮机的出力。本书将详细介绍液压伺服系统、电动液压伺服系统以及新型电气式执行机构的工作原理、结构特点、响应速度和传动精度。我们将深入探讨伺服阀、执行缸、反馈装置等关键部件的功能与性能。 2.2 导叶（叶片）角度调节技术 2.2.1 导叶（叶片）的运动学与动力学模型：导叶（或转轮叶片）的角度是水轮机调节的核心参数。本书将建立导叶（叶片）的运动学模型，描述其角度与时间的关系，以及动力学模型，描述驱动导叶（叶片）运动的力与力矩。我们将分析影响导叶（叶片）运动的因素，如摩擦力、惯性力、水动力矩等。 2.2.2 伺服系统的动态响应与稳定性分析：伺服系统是驱动导叶（叶片）的核心执行机构。本书将深入分析伺服系统的动态响应特性，包括开环和闭环系统的频率响应、瞬态响应等。我们将运用控制理论中的稳定性判据（如Nyquist判据、根轨迹法）来分析伺服系统的稳定性，并探讨如何通过合理的系统设计和参数调整来提高其稳定性和响应速度。 2.2.3 导叶（叶片）间联动与刚性设计：在多叶片的水轮机中，叶片之间的联动同步性至关重要。本书将探讨导叶（叶片）之间的联动机构设计，确保其运动的一致性。同时，还将讨论导叶（叶片）及其驱动机构的刚性设计，以减小机械变形和振动，提高调节的精度和响应速度。 2.3 调速器设计与参数整定 2.3.1 经典PID调速器及其改进：PID调速器因其结构简单、易于实现且性能优良，在水轮机调节中得到了广泛应用。本书将详细介绍PID控制算法的原理，包括比例、积分、微分环节的作用，以及如何通过调整P、I、D参数来改善系统的动态性能。在此基础上，还将介绍如PID参数自整定、模糊PID、增量式PID等PID调速器的改进方法。 2.3.2 考虑水力惯性的调节器设计：水力惯性是影响调节响应速度的重要因素。本书将介绍如何将水力惯性模型融入调速器设计，例如通过引入水头反馈、流量反馈等措施，来补偿水力惯性带来的滞后效应，提高调节系统的快速性。 2.3.3 现代数字调速器的发展与应用：随着计算机技术和数字信号处理技术的发展，数字调速器已逐渐取代传统的模拟调速器。本书将介绍数字调速器的硬件组成（如微处理器、A/D转换器、D/A转换器等）、软件设计以及各种先进的控制算法（如自适应控制、预测控制、鲁棒控制）在数字调速器中的应用。 第三部分：水轮机调节的实践与应用 本部分将从实际工程应用的角度，探讨水轮机调节在不同工况下的挑战与解决方案，以及现代技术的融合应用。 3.1 不同类型水轮机的特有调节问题与对策 3.1.1 冲击式水轮机（Pelton轮）的调节：Pelton轮的调节方式主要是通过喷嘴针阀的移动来控制射流水量。本书将分析Pelton轮在不同负荷下的运行特性，以及针阀调节时的水力惯性和水锤问题，并介绍相应的调节策略，如利用水流偏导器等辅助手段。 3.1.2 压力式水轮机（Francis轮）的调节：Francis轮是应用最广泛的水轮机。我们将深入分析Francis轮在不同水头、不同负荷下的调节特性，以及其调速器设计中需要重点考虑的因素，如蜗壳压力波动、叶片空蚀等。 3.1.3 轴流式水轮机（Kaplan轮、贯流式）的调节：Kaplan轮和贯流式水轮机具有可调叶片，这增加了调节的自由度，但也带来了复杂的耦合问题。本书将探讨Kaplan轮的叶片角度与导叶角度的联动调节，以及贯流式水轮机在低水头、大流量下的运行特点和调节难点。 3.2 水电站运行中的特殊调节工况 3.2.1 调峰与调频运行：调峰调频是水电站对电网的重要贡献。本书将分析水电站在调峰和调频运行中的功率变化规律，以及如何通过优化调节策略，在满足电网需求的同时，最大限度地提高发电效率并减少机组损耗。 3.2.2 负荷变化的快速响应：电网负荷的瞬时变化对水轮机调节提出了严峻挑战。本书将探讨如何设计响应速度更快、超调量更小的调节系统，以应对突发负荷的增减。 3.2.3 黑启动与孤岛运行：在电网发生大面积停电时，水电站的黑启动能力显得尤为重要。本书将介绍水电站进行黑启动的程序和技术要点，以及在孤岛运行条件下，水轮机调节如何维持系统频率稳定。 3.3 现代调节技术与发展趋势 3.3.1 状态监测与故障诊断：通过实时监测机组的运行状态，及时发现潜在的故障隐患，是提高系统可靠性的关键。本书将介绍水轮机运行状态监测技术，如振动监测、温度监测、油品分析等，以及基于这些监测数据的故障诊断方法。 3.3.2 智能电网与水轮机调节的融合：智能电网的发展为水轮机调节带来了新的机遇。本书将探讨如何将先进的信息技术、通信技术与水轮机调节系统相结合，实现机组的远程监控、优化调度和协同运行。 3.3.3 新型水轮机调节方案研究：展望未来，本书将介绍一些正在研究或已初步应用的新型水轮机调节技术，例如基于模型预测控制的自适应调节、分布式调节系统、以及考虑机器学习和人工智能技术的辅助决策系统等。 结语 《水轮机调节》一书，力求在理论深度、技术广度以及实践可行性之间取得平衡。我们深信，通过对本书内容的学习和理解，读者将能够更深刻地认识水轮机调节技术的重要性，掌握其核心原理与关键技术，并为水电站的安全、稳定、高效运行提供有力的理论支持和技术指导。无论是初涉此领域的学生，还是经验丰富的工程师，亦或是对新能源技术感兴趣的广大读者，本书都将是一份宝贵的参考资料。我们期待本书的出版，能够为中国乃至全球的水电事业发展贡献一份力量。

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