水轮发电机基本常识-简.doc

水轮发电机基本常识
水轮发电机组的用途。
水轮发电机组是将具有一定高度的水头和流量的水的动能和势能转换为机械能并最终转换成电能的装置。水轮发电机设备是一种集合了多种学科和技术的工业产品，其中包括流体力学、工程力学、材料力学等多学科和机械、冶金、电子、计算机、自动控制等多门技术产物。水力发电站及其主要的设备——水轮发电机组是现代工业和现代生活的一项重要设备。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。

水力发电站
水力发电是大自然赐给人类的一种清洁能源，就像风能、太阳能一样，是可以再生、取之不尽，用之不绝，无污染的能源。水力发电站运行费用低，便于电力调峰。尽管水力发电站造价较高，水电建设成本高于火电建设成本约40％，然而由于能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的 1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：在中国，水电为0．04-0．09元／kwh，而火电为0．19元／kwh(火电燃料的购买和运输费用就占去50％一70％)。除了上述经济效益，开发水电还具有防洪、航运、供水、灌溉、旅游等综合效益。
因此，自1888年美国人建成世界上第一座水电站以来，各国都很重视水电站的兴建。发达国家的可用水电资源在20世纪60年代即已基本开发完。到80年代,世界最大水电站──长江三峡水电站的设计装机容量为1260万千瓦（机组容量70万千瓦）。
水力发电站规模分类：按照中国水利部部颁标准分为：
1、 大型水力发电站：容量大于250MW为大型水力发电站。
2、 中性水力发电站：装机容量50～250MW的为中型水力发电站。
3、 小型水力发电站: 装机容量小于50000kW的为小型水力发电站。
4、 微型水利发电站：装机容量100KW以下的为微型水力发电站

小型水电站枢纽工程主要由哪几部分组成？

主要由挡水建筑物(坝)、泄洪建筑物(溢洪道或闸)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括调压井)及电站厂房(包括尾水渠、升压站) 四大部分组成。

水轮发电机的工作原理
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。
早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机（impules turbine）和反击式水轮机（(reaction water turbine)
两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。

轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。

轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94％。

80年代，世界上尺寸最大的转桨式水轮机是中国东方电机厂制造的，装在中国长江中游的葛洲坝电站，其单机功率为170兆瓦，水头为18.6米，转速为54.6转／分，转轮直径为11.3米，于1981年投入运行。世界上水头最高的转桨式水轮机装在意大利的那姆比亚电站，其水头为88.4米，单机功率为13.5兆瓦，转速为375转／分，于1959年投入运行。

贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为3～20米的低水头电站。这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。

灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。世界上最大的灯泡式水轮机(转桨式)装在美国的罗克岛第二电站，水头12.1米，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。

混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，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。与轴流转桨式相比，其结构较简单，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95％。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5～700米，但采用最多的是40～300米。

水轮机的种类、构造和特点

1、 混流式水轮机 （Francis Turbine）
混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。
适用范围：H=30~700 m , 单机容量：几万kW~几十万kW
优点：适用范围广，结构简单，运行稳定，效率高，

2、 轴流式水轮机 ( Axial Turbine)
轴流式：水流沿转轮轴向流入，轴向流出，水流方向始终平行于主轴。
(a)、轴流定浆式(Propeller Type or Fixed Blade Type)：叶片不能随工况的变化而转动。改变叶片转角时需要停机进行。 结构简单，效率低。适用H、Q变化不大的情况（工况较稳定）， H：3~50m。(注：H——water head水头， Q——discharge流量)

 (b)、轴流转浆式（Kaplan Type or Adjustable Blade Type）：叶片能随工况的变化而转动，进行双重调节（导叶开度、叶片角度）。适用水头流量的变化，高效率区广，大中型电站多采用。 H：3~80m。

3、 贯流式水轮机 (Tubular Turbine)
贯流式：水轮机的主轴装置成水平或倾斜。不设蜗壳，水流直贯转轮。水流由管道进口到尾水管出口都是轴向的。H<20m,小型河床电站。
全贯流式： 发电机转子安装在转轮外缘。优点：水力损失小，过流量大，结构紧凑。
半贯流式： 轴伸式、竖井式、灯炮式。

4、 冲击式水轮机 (Impulse Turbine)
特征： 由喷管和转轮组成。水流以自由水流的形式(P=Pa)冲击转轮，利用水流动能(V方向、大小改变)产生旋转力矩使转轮转动。在同一时刻内，水流只冲击着转轮的一部分，而不是全部。
类型：
(1)、水斗式：( Pelton Type)特点是由喷泉嘴出来的射流沿圆周切线方向冲击转轮上的水斗作功。 
适用H：100~2000m；使用最广泛（高水头，小流量）。
(2)、斜击式：(Turgo Turbine)H：25~300m。    斜击、双击水轮机构造简单，效率低，
(3)、双击式：(Double Click Type)H：5~80m。      多用于微型电站。

发电机工作原理及构造。
1. 概述
电能是现代社会最主要的能源之一。发电机是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产，国防，科技及日常生活中有广泛的用途。
发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
发电机的分类可归纳如下：
发电机 { 直流发电机、交流发电机 { 同步发电机、异步发电机(很少采用)

交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。
2. 结构及工作原理
发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。
定子由定子铁芯、线包绕组、机座以及固定这些部分的其他结构件组成。
转子由转子铁芯(或磁极、磁扼)绕组、护环、中心环、滑环、风扇及转轴等部件组成。
由轴承及端盖将发电机的定子，转子连接组装起来，使转子能在定子中旋转，做切割磁力线的运动，从而产生感应电势，通过接线端子引出，接在回路中，便产生了电流。
水轮发电机 由水轮机驱动的发电机。由于水电站自然条件的不同，水轮发电机组的容量和转速的变化范围很大。通常小型水轮发电机和冲击式水轮机驱动的高速水轮发电机多采用卧式结构，而大、中型代速发电机多采用立式结构(见图)。由于水电站多数处在远离城市的地方，通常需要经过较长输电线路向负载供电，因此，电力系统对水轮发电机的运行稳定性提出了较高的要求：电机参数需要仔细选择；对转子的转动惯量要求较大。所以，水轮发电机的外型与汽轮发电机不同，它的转子直径大而长度短。水轮发电机组起动、并网所需时间较短,运行调度灵活,它除了一般发电以外，特别适宜于作为调峰机组和事故备用机组。水轮发电机组的最大容量已达70万千瓦。
发电机已实施出口产品质量许可制度，未取得出口质量许可证的产品不准出口。

发电机种类
发电机的分类可归纳如下：
发电机分：直流发电机(DC generator)和交流发电机(AC generator)
交流发电机分：同步发电机和异步发电机(很少采用)
交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。
在水力发电站中，主要采用的都是三相交流同步发电机。

水轮发电机组的附属设备

1、 控制及保护系统：（Control and Protection System）水轮发电机组的控制和保护系统水机组的重要组成部分。保护和控制系统由电子计算机，可编程序控制器，各种断路器、接触器、功能模块、各种电站元件、仪器和指示仪表以及一套控制软件组成。孔子和保护系统一般是安装在一个或者几个控制柜（控制屏）内。通过电力电缆和控制电缆与水轮发电机组相连。是水轮发电机组的核心。

2、 调速系统
什么是水轮机调速器（Governor）？水轮机调速器的作用是什么？ 水轮机调节是通过水轮机调节系统根据机组转速的变化不断地改变水轮机过流量来实现的。水轮机调节系统是由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成的闭环控制系统。通常把调节控制器和液压随动系统统称为水轮机调速器。
水轮机调速器作用是保证水轮发电机的频率稳定、维持电力系统负荷平衡，并根据操作控制命令完成各种自动化操作，是水电站的重要基础控制设备。

3、 励磁系统 （Excitation System）
励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分（或称励磁功率单元）。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分（或称励磁控制单元或励磁调节器）。在电力系统的运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用，它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机无功功率、功率因数和电流等参数。在电力系统正常运行的情况下，维持发电机或系统的电压水平；合理分配发电机间的无功负荷；提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性，所以对励磁系统必须满足以下要求：
1、常运行时，能按负荷电流和电压的变化调节（自动或手动）励磁电流，以维持电压在稳定值水平，并能稳定地分配机组间的无功负荷。 　　
2、应有足够的功率输出，在电力系统发生故障，电压降低时，能迅速地将发电机地励磁电流加大至最大值（即顶值），以实现发动机安全、稳定运行。 　　
3、励磁装置本身应无失灵区，以利于提高系统静态稳定，并且动作应迅速，工作要可靠，调节过程要稳定。

4、 阀门 （Valve）
水轮机进水阀是为了保护机组的安全、减轻导叶间隙磨蚀破坏、缩短引水钢管的充水时间而设置。
蝶阀(Butterfly Valve)：用于水头在200m以下的水电站。
球阀(Spherical Valve)：用于水头在200m以上的水电站
闸阀(Gate Valve)：用于小管径(D<1m)、高水头的水电站 。
5、 压力管道：（Penstock） 压力管道是用于将电站上游的水流引于到水轮机的装置。特别是高水头的电站，由于水流的压力很大，要求压力管道能承受较高的压力，除了要求压力管道采用一定厚度和材质的钢板之外，对压力管道的焊接工艺也有很高的要求。压力管道除了采用钢材制造外，也可以采用水力管道制造。

6、 增速器: （Speed Increaser）由于某些水轮机的转速很低，特别是超低水头的灌流是氺轮机，转速仅有几十转或100多转，无法达到发电机所需要的同步转速，这是，需要在水轮机和发电机之间加装一台齿轮增速器。并不是所有的水轮发电机组都需要安装增速器。

7、 油、气、水系统 （Oil, Air, Water System）
油系统：
1．透平油与绝缘油的功用及其用户
透平油：供给机组轴承的润滑油和操作用的压力油，称为透平油。其作用是润滑、散热及传递能量。
绝缘油：供给变压器、油开关等电气设备的绝缘油，其作用是绝缘、散热及灭弧。两种油的性质不同，应有两套独立的油系统。
2．油系统的作用
接收新油、储备净油、给设备充油、向运行设备添加油、从设备中排出污油、油的监督、维护和取样化验、油的净化处理、废油的收集及处理。
3．油系统的组成
油系统由：油罐、油处理设备、油化验设备、油吸附设备、管网、测量及控制元件。
气系统
1．压气系统的用途
压缩空气分为低压压缩空气和高压压缩空气。
(1) 低压压缩空气系统。机组制动；调相运行压水；蝶阀关闭时，将压缩空气通入阀上的空气围带，使其膨胀而减少漏水；检修时清扫设备，供风动工具使用；通向拦污栅，防冻清污。额定气压为0.5~0.8MPa。
(2) 高压压缩空气系统。厂房中所有调速器油压装置的压力油箱充气，调速器压力油箱中约有2/3的体积为压缩空气，以保证调速器用油时无过大的压力波动，额定气压为2.5MPa及4MPa。配电装置如空气断路器的灭弧和操作的用气，以及开关和少油断路器的操作用气，额定气压为2~5MPa。
2．压缩空气系统主要设备有：空压机、过滤器、储气罐、油水分离器、冷却器
水系统：
1．供水系统
水电站厂房内的供水系统包括技术供水、生活供水、消防供水。
技术供水包括冷却及润滑用水，如发电机的空气冷却器、机组导轴承和推力轴承的油冷却器、水润滑导轴承、空气压缩机气缸冷却器、变压器的冷却设备等。
注意不同用户对水压、水温、水质的要求。特别是水冷变压器对水压的要求，空气冷却器对水温的要求，水润滑轴承对水质的要求。
2．水电厂的供水系统由水源、供水设备、水处理设备、管网和测量控制元件组成。
3种供水水源：上游水库、下游尾水与地下水。
5种供水方式：自流供水、水泵供水、混和供水、射流泵供水和循环供水。
3种供水设备配置方式：集中供水、单元供水与分组供水。（注意不要把供水方式与供水设备配置方式混淆。）
8、 自动化元件（Automatic Components）：为保证水轮发电机组的安全运行，发电机组的控制和保护系统需要实时监控水轮机和发电机的运行状态，例如氺轮发电机组的转速、温度、震动、电压、电流、频率等等参数，这些参数，是由安装在水轮机和发电机中的各种自动化原件来实现的。这些自动化原件包括温度传感器、转速传感器等等。是水轮发电机组正常运行的重要保证。

中国的水轮机制造技术和制造能力
中国小水电综合实力世界第一
中国小水电可开发量约为1．28亿千瓦，居世界第一位，资源十分丰富。
中国政府大力发展农村小水电，特别是从20世纪80年代开展的三批农村水电初级电气化县建设，在农村主要靠结合江河治理，开发农村水电，解决照明和生活生产用电问题，取得了巨大成就，建成653个农村水电初级电气化县，累计解决了5亿多无电人口的用电问题，并有力地拉动了经济社会的发展。目前，全国1600多个拥有小水电资源的县中，有1500多个开发了小水电，800多个县主要靠农村水电供电；中国共建设成农村小水电站4．8万座，农村水电总装机达到3120万千瓦，2003年发电量达到1100亿千瓦时，均占全国水电总装机和年发电量的40％；2003年中国农村水电增加值482亿元，实现税利总额84亿元，其中税收42亿元。无论在开发程度、建设规模、投资力度方面，还是在设备的科技含量、发供电过程控制的现代化管理水平方面，中国小水电的综合实力都是名副其实的世界第一。
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