水电站机电设备基本介绍.ppt

水电站机电设备基本介绍 主要内容 一水电站总体介绍二水电站机电设备系统介绍三水电工程总承包 一水电站总体介绍 水电站定义水电站分类水电站特点 什么是水电站 将水能转换为电能的综合工程设施 一般包括由挡水建筑物 泄水建筑物形成的水库 水电站引水系统 发电站厂房和机电设备等 借助水工建筑物形成和集中水头 从高位水源向低位引水 利用水的压力或流速冲击水轮机使之旋转 将水能转换成旋转的机械能 并带动发电机切割磁感线产生交流电 水电站除发电所需的建筑物外 还常有为防洪 灌溉 航运等综合利用目的服务的其他建筑物 这些建筑物的综合体称水电站枢纽或水利枢纽 河段水流的出力 其中 q为流量 h为水头 水电站分类 通常根据水头集中方式和工程布置方式分为 坝式水电站引水式水电站混合式水电站按径流调节程度分 有调节水电站 无调节水电站根据装机容量分为 大型水电站 75万kw以上大1型 25万kw 75万kw大2型中型水电站 2 5万kw 25万kw小型水电站 2 5万kw以下 左上 坝后式水电站布置图右上 河床式水电站布置图左下 引水式水电站布置图 水电站与火电站 以30万千瓦机组为例 二水电站机电设备系统介绍 机械设备水轮机 调速器 技术供水系统 高低压气系统 油系统 排水系统 主辅桥机 电梯等电气设备发电机 励磁系统 发电机出口断路器 主变压器 gis 高压电缆 低压配电系统 辅助变压器 柴油发电机组 ups 电气保护系统 监控系统 通讯系统 安防系统 接地和避雷器 中低压电缆 照明等暖通消防设备消防系统 暖通系统 生活用水系统 污水处理系统等 水电站机电设备全系统图 进水阀 水轮机 发电机 调速器 励磁 出口断路器 主变 gis 柴油发电机组 厂用变 直流 ups 监控系统 电气保护 照明 通讯系统 低压交流配电系统 油 气 水系统 主 辅桥机 暖通空调 消防系统 生活水系统 污水处理 水轮机 类型及应用范围主要构造工作参数及相关概念 水轮机类型 根据转轮内水流运动的特征和转轮转换水流能量形式的不同 现代水轮机分为反击式和冲击式两大类 轴流式 斜流式 贯流式根据叶片能否转动又分别分为定浆式和转浆式混流式水流沿径向 轴向通过转轮 又称法兰西式 francis 轴流式水流先径向 轴向进入转轮 再轴向 轴向通过转轮 又称卡普兰式 kaplan 切击式也称水斗式或培尔顿式 pelton 是冲击式水轮机中唯一用于大型机组的机型 水轮机水头适用范围 在直径和水头相同时 轴流式过流能力 q 比混流式大 受空化和强度限制 70m 混流式水轮机应用范围最广 50 600m 冲击式水轮机应用水头最高 400 1800m 水头应用范围受设计水平 加工精度 材料性能影响 将随着科学技术的发展逐步扩大 水轮机主要构造 以轴流转浆式水轮机为例 引水部件大中型轴流式水轮机的引水部件由蜗壳和座环组成 当电站水头低于40m 多采用钢筋混凝土蜗壳 否则采用金属蜗壳 导水部分由导叶和导叶传动机构组成 通过控制导叶开度和叶片安放角按一定的协联关系同时改变 达到调节流量改变出力的目的 同时让水轮机在较大运行范围内保持高效率 转轮轴流转浆式转轮主要由叶片 轮毂和转轮接力器组成 尾水管尾水管的功能是将转轮流出的水流引向下游 并在转轮出口处形成静力真空和动力真空 使得转轮更多的利用水流的能量 蜗壳 导水机构 转轮 尾水管 水轮机工作参数 工作水头h水轮机进口和出口处单位重量水流的能量差值 单位为m 最大水头hmax 允许水轮机运行的最大净水头 通常有水轮机强度决定最小水头hmin 能保证水轮机安全 稳定运行的最小净水头设计水头hr 水轮机发出额定出力时的最小净水头 流量q单位时间内通过水轮机的水流体积称为水轮机的流量 单位为m3 s 设计流量 设计水头和额定转速下 水轮机发出额定出力时通过的流量单位流量 1米直径的转轮在1米的水头下通过水轮机的流量 转速n水轮机转轮单位时间内旋转的次数 成为水轮机的转速 单位为r min单位转速 1米直径的转轮在1米的水头下水轮机的转速 飞逸转速 当机组在最高水头下运行而突然甩负荷时 如果水轮机调速系统及其他保护装置失灵 导水机构发生故障使导叶开度在最大位置 此工况下机组可能达到的最高转速称为飞逸转速 出力p和效率水轮机出力指水轮机轴端输出的功率 常用单位为kw 通过水轮机的水流的出力即为水轮机的输入功率 由于水流在通过水轮机进行能量转换的过程中 会产生一定的损耗 包括容积损失 水力损失和机械损失 因此水轮机的出力小于水流出力 水轮机输入和输出功率之比称为水轮机效率 目前大型水轮机的最高效率可达90 95 水轮机相关概念 比转速ns比转速是多年水轮机制造和使用经验积累 并以统计观点为基础研究水轮机性能参数而来 是表达水轮机经济性的一项综合指标 定义 水轮机在1m水头下工作 能发出1马力功率所对应的转速 一般说来 水轮机适用的水头越高 比转速越小 从能量的观点看 在一定的水头段 所采用的水轮机比转速高一些好 比转速高意味着单位流量大或者单位转速高 从而可以减小尺寸重量 降低投资 但与此同时 由经验公式得出随着比转速增加 空化系数迅速增加 增加厂房开挖和土建投资 因此 要采用对应合适比转速 模型试验由相似理论可知 两台水轮机过流部分形状相似 几何尺寸成比例 同时在工作时单位转速n11保持相等 则两台水轮机工况相似 模型水轮机的运转规模比真机运转规模小 费用小 试验方便 因此 iec规定用模型试验对真机进行验收 模型试验按目的可分为能量试验 空化试验 飞逸特性试验 导叶水力矩和转轮叶片力矩特性试验等 水轮机相关概念 空化 当液体温度一定时 压力降低到某一临界压力时 液体汽化或溶解于液体中的空气发育形成空穴的现象称为空化 空蚀 由于空泡的溃灭 引起过流表面的材料损坏 随着水流速度的增加 压力降低 当压力下降到临界压力时 空化初生形成空穴 当空穴被流动的水流带到高压区时 空穴溃灭 产生巨大的冲击压力波冲击金属表面造成损坏 水轮机中的空化和空蚀现象按照发生部位定义分为四种基本类型 翼型空化和空蚀 间隙空化和空蚀 局部空化和空蚀 空腔空化 水轮机空化系数 与水轮机运行工况等有关电站空化系数 与吸出高度有关空化和空蚀是不可避免的 只能采取措施使其控制在允许范围内 iec关于评定水轮机空蚀损坏的标准是按允许的空蚀量 最大空蚀深度或空蚀面积或空蚀掉的材料体积或空蚀掉的材料重量等 来衡量 水轮机相关概念 特性曲线用于表达水轮机不同工况下对水流能量的转换 空化等方面的水力性能 力特性及其他性能 通常通过模型试验或现场试验的方法获得 将获得水轮机性能参数绘制成不同形式曲线图 即水轮机特性曲线 与水轮机特性有关的参数包括几何参数与工作参数 几何参数有转轮直径 导水叶开度 叶片转角 转浆式 工作参数有水头 流量 转速 效率 出力和吸出高度单独考察某两个参数之间的关系称为水轮机线性特性曲线 综合考察水轮机各参数之间的相互关系时 将各种性能的曲线绘制在同一图上 称为水轮机综合特性曲线 其中又根据纵横坐标的不同分为模型综合特性曲线和运转综合特性曲线 当水电厂装机台数大于1时 还涉及到水电厂运转综合特性曲线 以便了解整个水电站的水轮机动能指标 shereik水轮机主要参数表 调速系统 原理 将水轮发电机组的实际转速与给定值进行比较 转速偏差信号经调速器变换以后 产生一个能消除这个转速偏差的调节作用即接力器的位移 从而保证机组 交流电频率 稳定运行 调速器工作基本环节 测速 信号综合及放大 反馈功能 进行机组的正常操作 启停机 增减负荷等 保证机组安全运行 事故情况下紧急 安全停机 实现机组经济运行 转浆式机组双调节 分类按调速器各部件工作原理分 机械液压电气液压按调节规律分 比例积分 pi调节 比例积分微分 pid调节 按调速器执行机构数目分 单调节双调节主要设备 调速器油压装置漏油装置等油压装置油压装置是向水轮发电机的调速系统供给压力油的能源设备漏油装置漏油装置的作用是收集调速系统各处的漏油及液压操作元件的排油和漏油 并借助油泵将漏油箱中的油送回到油压装置的回油箱中 油系统 用管网将用油设备 油泵 储油罐 油处理设备 油化验设备和监测控制元件等连接起来组成的系统叫做油系统 润滑和散热作用 透平油的黏度适中时 可在机组的运动件与约束件之间的间隙中形成油膜 以油膜的液态摩擦代替固体之间的干摩擦 从而降低摩擦系数 起到润滑作用 同时 由于油的流动性 它还可将设备转动部件因摩擦产生的热量以对流的方式携带出来 与空气或冷却水进行热量交换 从而起到散热的作用 能量传递作用 由于高压液体在一定的几何形体内被迫移动时 可以传递机械能 因此在调速器和其他液压操作设备中的透平油主要起能量传递作用 用来进行液压操作 水电站用油分为润滑油和绝缘油两大类 其中润滑油中以透平油 又称汽轮机油 最为重要 绝缘油中以变压器油最为重要 为水电站的主要用油 油系统的任务主要是接受新油 储备净油 给设备充油或添油 从设备中排出污油 油的净化处理 油的监督维护取样化验以及废油收集与处理 油系统图 气系统 压缩空气系统简称气系统 由空气压缩装置 供气管网 用气设备和监测控制元件等四部分组成 一般分为高压和低压两大系统 水电厂中压缩空气主要应用在 油压装置压油槽充气机组停机过程制动装置用气水轮发电机组做调相运行时 反击式水轮机转轮室及尾水管压水充气蝴蝶阀止水围带充气设备检修维护工作中的风动工具 吹扫等用气寒冷地区水电厂水工闸门 进水口水面及拦污栅的防冻吹冰用气大中型水电厂的气动配电设备操作及灭弧用气机组调相压水供气当电力系统的无功功率不足时 常需要一部分水轮发电机转为调相运行 作调相运行的机组导叶全关闭 发电机处于同步电动机运行状态 从系统吸收有功功率 输出无功功率 此时必须使水轮机与水脱离 否则会消耗过多有功功率 试验证明 转轮在水中转动 功率消耗比在空气中转动大5 10倍 由于反击式水轮机转轮常低于下游水面 做调相运行就必须向转轮室及尾水管充入压缩空气 压低尾水管内的水面 一般要求尾水管水面与转轮下沿距离不小于0 5 1倍转轮直径 充气压力应抵消下游与尾水管水面之间的压力差 压水充气的影响因素关键是充气的位置和最小充气流量 重点是在转轮室形成气水分界面 气系统图 技术供水系统 技术用水是水轮发电机组及辅助设备的生产用水 如冷却 润滑用水以及某些电站的水压操作用水 技术供水的对象 机组轴承冷却器 发电机空气冷却器 水冷式空压机 水冷却的空压器和油压装置 以及某些水轮机的水润滑导轴承 水压操作的进水阀等是水电站中技术供水的对象 用水设备对供水的基本要求水量 用水设备所需的水量通常由制造厂规定 在初设阶段可由经验公式估算 最后用厂家资料校核 水压 与强度条件 阻力等有关水温 冷却器热量交换多少 与水量和水温有关 我国各种冷却器均以入口水温25摄氏度作为设计标准 桥机 水电厂一般采用桥式起重机和门式起重机两种 其中桥式起重机又分为单小车和双小车 起重机的型式和台数取决于厂房类型 最大起重量 一般为发电机转子 吊具 和机组台数等条件 主要工作参数有 额定起重量 起重机允许起吊的最大重量 包括平衡梁和吊具 称为额定起重量 跨度 起重机大车轨道中心线之间的垂直距离称为跨度 起升高度 主钩的上极限位置与下极限位置之间的距离称为起升高度工作速度 包括起升速度和运行速度 起升机构电动机在额定转速下 起吊部件上升速度称为起升速度 运行机构电动机在额定转速下 起重机 大车 或小车的运行速度shereik项目主要参数 台数 2台主桥机 165 25t 1台辅桥机 25t 跨度 21 4米起升高度 31 4米额定起重量 165t 2最大起吊部件 发电机转子328 5t起升速度 0 2m s运行速度 2m s 水轮机进水阀 在压力管道末端 水轮机蜗壳之前所设的阀门称为水轮机进水阀 简称进水阀或主阀 水电站常用的进水阀有蝴蝶阀 闸阀和球阀三种作用 为机组检修提供安全工作条件停机时减少机组漏水量 开机时缩短起动所需要的时间防止机组飞逸事故扩大设置条件 采用一根压力管道向两台或以上机组供水的联合或分组供水方式的电站 在每台水轮机前必须设置进水阀 采用单元供水方式的高水头或长管道的电站 可考虑在每台水轮机前设置进水阀 因为水头高时压力管道往往较长 而且水轮机漏水较严重 当水头较低且管道较短时 一般不设进水阀 但压力管道进水口闸门应为快速闸门 并与机组的过速保护联动 水轮发电机 水轮发电机型式按布置方式分 卧式和立式卧式水轮发电机适合中小型 贯流及冲击式水轮机 一般低 中速的大中型机组多采用立式发电机 按发电机推力轴承的位置立式发电机分 悬式和伞式在转子上部为悬式 中高速适用悬式结构 下部为伞式 中低速大容量水轮发电机多采用伞式结构 按冷却方式分 空气冷却和水冷却水轮发电机组成定子 转子 机架 推力轴承 导轴承等定子水轮发电机定子主要由机座 铁芯和三相绕组线圈等组成铁芯固定在机座上三相绕组线圈嵌装在铁芯的齿槽内发电机定子机座 铁芯和三相绕组统一体统成为发电机定子 水轮发电机 转子水轮发电机转子是转换能量和传递转矩的主要部件 一般由主轴 转子支架 磁轭 磁极等部件组成 主轴具有一定强度和刚度 用来传递扭矩 磁极是提供励磁磁场的磁感应部件 磁轭的作用是构成磁路并固定磁极 转子支架的作用是固定磁轭 机架推力轴承机架是立轴水轮发电机安置推力轴承 导轴承 制动器等的支撑部件 机架由中心体和支臂组成 按其所处的位置分为上 下机架 推力轴承作用是承受立轴水轮发电机组转动部分全部重量及水推力等负荷 并将这些负荷传给负荷机架 导轴承作用是承受水轮发电机组转动部分的径向机械不平衡力和电磁不平衡力 并约束轴线径向位移和防止轴的摆动 发电机价格估算发电机出厂价格包括消耗材料费用及制造加工费用两部分 一般材料费约占出厂价格的60 加工费约占40 这两部分的比例随着国家经济状况和生产力发展而变化 水轮发电机 额定容量sn通常用兆伏安或千伏安表示 通过综合考虑电站水能的有效利用 保证系统正常供电 机组制造的可能性和经济性 机组在电力系统运行调度的灵活性以及检修和电站布置等条件确定 额定电压un综合性参数 应考虑对发电机的技术经济指标 对发电机断路器遮断容量 对母线 变压器低压线圈 对近区负荷的供电电压及输配电设备的投资运行费等因素的影响 额定功率因数发电机的额定功率因数是发电机的额定有功功率与额定容量的比值 一般0 85 0 95之间 综合考虑发电机造价 电力系统无功补偿装置影响和投资以及输送无功功率造成的功率损失等方面 飞轮力矩飞轮力矩是发电机转动部分的重量与其惯性直径平方的乘积 gd2 它与机组的速度上升率以及水轮机引水管道内的压力上升率互相制约 值越大 机组转速变化率越小 电力系统运行就越稳定 但是发电机重量增加导致成本提高 通常gd2由水轮机的调节保证计算确定 调保计算实质上是解决水力惯性 机组惯性和调整性能三者矛盾 以达到水工建筑物和机组造价最省的目的 惯性时间常数在发电机额定转矩的作用下 把转子从静止状态加速到额定转速所需要的时间 水轮发电机 短路比空载额定电压时的励磁电流与三相稳态短路电流为额定值时的励磁电流的比值 短路比大可提高发电机在系统运行的静态稳定 但发电机转子用铜量增加 成本提高 水轮发电机短路比一般为0 9 1 3 标准值为1 1直轴瞬变电抗直轴瞬变电抗对发电机的动态稳定极限及突然加负荷时的瞬态电压变化率有较大影响 值越大 动态稳定极限越大 瞬态电压变化率越小 可以通过减小电磁负荷减小直轴瞬变电抗 但要增加定子铁心重量从而使发电机外形尺寸增大成本提高 普通空气冷却水轮发电机一般为0 24 0 38 调相容量水轮发电机可作调相机运行 向电力系统输送 感性 无功功率 以改善系统功率因数 水轮发电机作调相运行时的容量按转子励磁绕组的允许温升确定 一般为额定容量的0 6 0 75倍 冷却方式利用空气对定子 转子绕组以及铁心表面进行冷却是目前水轮发电机的主要冷却方式 随着单机容量增长 有些特大容量水轮发电机采用了定子 转子绕组直接通水冷却的方式或定子通水冷却 转子绕组采用加强空气冷却 shereik发电机主要参数 励磁系统 导体在磁场中运动并切割磁场的磁感线时 导体中将产生电流 因此 要发电必须同时满足 1 要有产生磁力线的磁场 2 运动的导体必须切割磁感线励磁系统就是产生发电机磁场的控制系统 由于发电机转子通过接通直流电流从而产生磁场 励磁系统的基本功能就是通过产生可以任意控制大小的直流电流 励磁电流 来维持发电机的稳定 作用发电机并网前 调节发电机输出的端电压 发电机并往后 合理分配发电机无功功率 提高同步发电机并列运行的静 动态稳定 发电机事故时 对转子绕组迅速灭磁 以保护发电机的安全 变压器 额定电压 额定电压比 额定容量 额定电流调压范围为了调整所需要的电压 变压器的绕组要具有分接抽头以改变电压比 其中主接是与额定电压额定电流和额定容量相对应的分接 分接因数是某一分接时的匝数与主分接匝数之比 分接级是以百分数表示的分接因数之差 分接范围是最大最小分接因数的范围 空载电流与空载损耗当二次绕组开路 一次绕组施加额定电压时一次绕组中流通的电流称空载电流 空载电流分为有功分量和无功分量 有功分量是损耗电流 汲取的有功功率称为空载损耗 主要与铁芯材质的单位损耗有关 阻抗电压与负载损耗当二次绕组短接 一次绕组流通额定电压而施加的电压成为阻抗电压 在一次绕组中流通的额定电流汲取的有功功率称为负载损耗 变压器 温升变压器的温升 对于空气冷却变压器指测量部分的温度与冷却空气温度之差 对于水冷却变压器是指测量部分的温度与冷却器入口处水温之差 冷却方式变压器的冷却方式由冷却介质种类及其循环种类表示 介质 水空气油循环种类 自然循环强迫循环强迫导向油循环onanofafanaf绝缘水平变压器的绝缘水平也称为绝缘强度 由设备的最高电压决定的耐受的电压值 包括雷电冲击耐受电压 操作冲击耐受电压及工频耐受电压在价格和重量方面单相一般为三相的85 左右 除非运输条件限制 一般尽量采用三相 gis gasinsulatedswitchgear六氟化硫气体绝缘全封闭配电装置sf6 六氟化硫气体主要作用是绝缘和灭弧 同时也作为传热介质 不宜与其他物质反应的稳定化合物 不燃无色无嗅无毒无公害 高绝缘强度强灭弧能