水轮发电机基本常识-附英文词汇.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(head)和流量(discharge)的水的动能(kinetic energy)和势能(potential energy)转换为机械能(mechanical energy)并最终转换成电能(electric energy)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。至于运行成本，水电明显优于火电：水力发电的成本只有火力发电的约1/4. 火力发电用燃料的购买和运输费用就占去运行50一70。而水力发电是不用燃料的。 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。 水力发电站的种类水力发电厂是把水的势能和动能转变成电能。根据水力枢纽布置不同,主要可分为堤坝式、引水式、抽水蓄能水电厂等。1、堤坝式水电厂（Hydropower dam type）: 在河床上游修建拦河坝,将水积蓄起来,抬高上游水位,形成发电水头的方式称为堤坝式,堤坝式水电厂又可分为坝后式、河床式及混合式水电厂等。 坝后式水电厂,这种水电厂的厂房建筑在坝的后面,全部水头由坝体承受,水库的水由压力水管引入厂房,转动水轮发电机组发电。坝后式水电厂适合于高、中水头的情况。2、河床式水电厂（River hydropower plant type）： 这种水电厂的厂房和挡水坝联成一体,厂房也起挡水作用,因修建在河床中,故名河床式。河床式水电厂水头一般在2030 M以下。 3、混合式水电厂（Hybrid hydropower station）：引水与大坝混合使用获得落差发电;4、引水式水电厂（Water type hydropower station）: 水电厂建筑在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地方,由引水渠道造成水头,一般不需修坝或只修低堰。土耳其可能大多数属于这种类型5、抽水蓄能水电厂(The pumped-storage hydropower station)：具有上池(上部蓄水库)和下池(下部蓄水库),在低谷负荷时水轮发电机组可变为水泵工况运行,将下池水抽到上池储蓄起来,在高峰负荷时水轮发电机组可变为发电工况运行,利用上池的蓄水发电。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(Large-scale hydro-electric power)：容量大于250MW为大型水力发电站。2、 中型水力发电站(Medium sized hydropower stations)：装机容量50250MW的为中型水力发电站。3、 小型水力发电站（Small hydropower stations）: 装机容量小于50000kW的为小型水力发电站。4、 微型水利发电站（Miniature hydroelectric power plant）：装机容量100KW以下的为微型水力发电站 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Pelton)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(francis)、轴流式(axial flow)、斜流式(diagonal)和贯流式(tubular)。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(fixed blad)和转桨式(adjustable blad)。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。 各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶（Guide vane）组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。 轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。 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(Kaplan)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(tubular turbine)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320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(bulb turbine)。 灯泡式(bulb)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(Francis turbine)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(Francis)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5700米，但采用最多的是40300米。 混流式的转轮(Runner)一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢(stainless steel)。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。 世界上水头最高的混流式水轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其水头为672米，单机功率为58.4兆瓦，于1967年投入运行。功率和尺寸最大的混流式水轮机装于美国的大古力第三电站，其单机功率为700兆瓦，转轮直径约9.75米，水头为87米，转速为85.7转分，于1978年投入运行。 斜流式水轮机(diagonal turbine)是瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40120米水头。 由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。世界上容量最大的斜流式水轮机装于苏联的洁雅电站，单机功率为215兆瓦，水头为78.5米。 水泵水轮机(pump turbine)主要用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷低于基本负荷时，它可用作水泵，利用多余发电能力，从下游水库抽水到上游水库，以位能形式蓄存能量；在系统负荷高于基本负荷时，可用作水轮机，发出电力以调节高峰负荷。因此，纯抽水蓄能电站并不能增加电力系统的电量，但可以改善火力发电机组的运行经济性，提高电力系统的总效率。50年代以来，抽水蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展。 早期发展的或水头很高的抽水蓄能机组大多采用三机式，即由发电电动机、水轮机和水泵串联组成。它的优点是水轮机和水泵分别设计，可各自具有较高效率，而且发电和抽水时机组的旋转方向相同，可以迅速从发电转换为抽水，或从抽水转换为发电。同时，可以利用水轮机来启动机组。它的缺点是造价高，电站投资大。 斜流式水泵水轮机转轮的叶片可以转动(adjustable)，在水头和负荷变化时仍有良好的运行性能，但受水力特性和材料强度的限制，到80年代初，它的最高水头只用到136.2米(日本的高根第一电站)。对于更高的水头，需要采用混流式水泵水轮机。 世界上最大的混流式水泵水轮机装于联邦德国的不来梅蓄能电站。其水轮机水头237.5米，发电机功率660兆瓦，转速125转/分；水泵扬程247.3米，电动机功率700兆瓦，转速125转/分。 抽水蓄能电站设有上、下两个水库。在蓄存相同能量的条件下，提高扬程可以缩小库容、提高机组转速、降低工程造价。因此，300米以上的高水头蓄能电站发展很快。世界上水头最高的混流式水泵水轮机装于南斯拉夫的巴伊纳巴什塔电站，其单机功率为315兆瓦，水轮机水头为600.3米；水泵扬程为623.1米，转速为428.6转/分，于1977年投入运行。 20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。 为了充分利用各种水力资源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重视，从而使贯流式水轮机和其他小型机组迅速发展。水轮机不论何种类型的水轮机均系利用水流的能量给叶片的反力推动转轮作功，以达到能量转换的目的。反击式水轮机利用水流的压能（位能）和动能，水流经过转轮叶片时受叶片的作用而改变压力与流速的大小和方向，而对转轮叶片产生反作用，形成转轮的旋转力矩使水轮机工作。冲击式水轮机利用水流的动能，通过喷嘴(nozzle)把高压水流全部转化为动能以高速射向转轮叶片而使转轮旋转。 水轮机的种类、构造和特点1、 混流式水轮机混流式：水流径向流入转轮，轴向流出。适用范围：H=30700 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 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：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：350m。(b)、轴流转浆式：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，高效率区宽，大中型电站多采用。 适用水头（Head）：380m。3、 贯流式水轮机贯流式：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。H20m,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：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：1002000m；使用最广泛（高水头，小流量）。(2)、斜击式：H：25300m。 斜击、双击水轮机构造简单，效率低，(3)、双击式：H：580m。 多用于小型电站。 水轮机转轮 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(direct current generator)、交流发电机alternating current (AC) generator, 同步发电机(synchronous generator)、异步发电机(asynchronous generator)(很少采用) 交流发电机还可分为单相发电机与三相发电机。 水轮发电机，除微型水轮发电机（100KW以下）为单项220V以外，其他都是三项400V, 6300V, 10600V 等电压等级的发电机。2. 结构及工作原理 发电机通常由定子（stator）、转子(rotor)、端盖(end closure)及轴承(bearing)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(horizontal)结构，而大、中型水轮发电机多采用立式(vertical)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。 在水力发电站中，主要采用的都是三项交流同步发电机。其他种类的发电机几乎不采用。 水轮发电机组的附属设备1、 控制及保护系统（contral and protecting system）：水轮发电机组的控制和保护系统是水机组的重要组成部分。保护和控制系统由电子计算机(PC)，可编程序控制器(PLC)，各种断路器(breaker)、接触器(contactor)、功能模块(module)、各种电子元件（electronic component）、仪器（instrument）和指示仪表(direction meter)以及一套控制软件(control software)组成。控制和保护系统一般是安装在一个或者几个控制柜(cabinet)（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。通常由我们公司提供，也有由用户自己配套的。2、 调速系统（governor）什么是水轮机调速器？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(closed loop control system)。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。该系统由我们提供。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、常规运行时，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，能迅速地将发电机的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。该系统由我们公司提供。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(Spheric valve)：用于水头在200m以上的水电站闸阀(gate valve)：用于小管径(D1m)、高水头的水电站 。 一般由我们公司提供。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，也可以采用水泥管道制造。通常由用户自己提供。6、 增速器(increaser): 由于某些水轮机的转速很低，特别是超低水头的灌流是水轮机，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。大多数有我们提供，高品质的增速器价格较贵。7、 油、气、水系统(oil, air, water system) 油系统：（Oil system）1透平油与绝缘油的功用及其用户透平油（Turbine oil）：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（Insulation oil）：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 (Air system) 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0.50.8MPa。(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25MPa。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：(Water system) 大多数由用户自己提供。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(automation component)：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，例如水轮发电机组的转速、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。由我们提供。 通常情况下，由我们提供的水轮发电成套设备有5种，称为“5大件”，即：水轮机，发电机，调速器，阀门，励磁系统。 除“5大件”以外，我们也按照用户的要求，为用户提供其他的部件和设备，行车、变压器、专用设备和专用工具等等。 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128亿千瓦，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48万座，农村水电总装机达