3-压缩空气系统解析

3压缩空气系统23压缩空气系统31概述2空气压缩装置33机组制动供气4机组调相压水供气35风动工具、空气围带和防冻吹冰供气8配电装置供气37油压装置供气6低压气系统39水电站压缩空气的综合系统33.1概述3.1.1压缩空气的用途3.1.2压缩空气系统的组成3.1.3压缩空气系统的分类43.1.1压缩空气的用途1、压缩空气的优点空气具有极好的弹性，可压缩性，是储存压能的良好介质，压力稳定。而且它既简洁获得，又便于贮存和输送，并且运用便利，因此得到广泛应用。2、压缩空气的用途(1)油压装置压力油槽充气(2)机组停机制动装置用气(3)机组作调相运行时转轮室的充气压水(4)检修维护时风动工具及吹扫用气(5)水导轴承检修密封围带充气(6)进水阀围带充气(7)变电站配电装置的操作及灭弧用气(8)寒冷地区的水工闸门，拦污栅等的防冻吹冰53.1.2压缩空气系统的组成压缩空气系统，简称气系统，由空气压缩装置、供气管网、测量限制元件和用气设备等组成。气系统的任务是随时满足用户对气量、气压、清洁和干燥等方面的要求。

空气压缩装置：将自由空气压缩后，获得具有确定压力的压缩空气。供气管网：将气源和用气设备联系起来，输送和支配压缩空气。测量和限制元件：用于保证设备的平安运行和向用气设备供应满足质量合格的压缩空气。用气设备：气系统用途中所提及的设备。气系统的任务是随时满足用户对气量、气压、清洁度和干燥度的要求。63.1.3压缩空气系统的分类水电厂将水轮机调速系统的油压装置用气称为厂内高压气系统；机组刹车制动、调相充气压水、风动工具、吹扫和空气围带等用气称为厂内低压气系统；而配电装置用气则称为厂外高压气系统；水工闸门、拦污栅、调压井等用气称厂外低压气系统。73.2空气压缩装置3.2.2往复活塞式空压机3.2.3回转螺杆式空压机3.2.4滑片式空压机3.2.5空压机比较3.2.1空气压缩装置的基本结构

83.2.1空气压缩装置的基本结构

1、结构空气压缩装置的结构原理如图所示，包括电动机、空气压缩机、空气过滤器、贮气罐、气液分别器、冷却器和冷干机等。(1)电动机：为空气压缩机供应原动力。(2)空气压缩机：简称为空压机，是以电动机为动力，将自由空气加以压缩的机械。按工作原理可分为速度型和容积型两大类。目前水电厂所接受的空气压缩机多为容积型。图3-1空气压缩装置结构原理图

压缩机速度型轴流式离心式混流式

容积型

回转式滑片式螺杆式转子式往复式膜式活塞式9(3)空气过滤器：用来过滤空气中所含的尘埃。(4)气液分别器：用来分别压缩空气中所含的油和水分，使压缩空气得到净化，以削减污染，降低管道及用户设备的腐蚀。(5)冷却器：用来冷却压缩后的高温气体和空压机油，以削减功耗、降低压缩空气的温度以及延长空压机油的运用寿命。图3-1空气压缩装置结构原理图10(6)储气罐：作为压力调整器和气能储存器。可用来减弱空压机排出的气流脉动和断续动作所产生的压力波动，提高输出气流的连续性及压力稳定性；在设备耗气量大于空压机排气量时保证连续供应足够的气量；进一步沉淀分别压缩空气中的油和水分。(7)冷干机：将压缩空气冷却降温，使其中的水份凝合成液滴。(8)汽水分别器：把水分、油、尘埃从压缩空气中分别出来，运用户能获得干燥、清洁的压缩空气图3-1空气压缩装置结构原理图113.2.2活塞式空压机1、结构

S75型空压机，为往复活塞式压缩机，属容积型，其外型结构如图所示。1-排气阀2-接头3-接管螺母4-电机轮5-单向阀6-压缩机主机7-三角皮带8-钢丝网防护罩9-电机10-气压开关11-压力表12-储气罐13-橡胶轮14-排水阀15-平安阀122、工作原理吸气过程：当活塞向右移动时，气缸左腔容积增大，压力降低，形成真空，吸气阀克服弹簧阻力自行打开，空气在大气压力的作用下进入气缸左腔压缩过程：当活塞返行时，气缸左腔压力增高，吸气阀自动关闭，吸人的空气在气缸内被活塞压缩排气过程：当活塞接着向左移动，气缸内的气体压力增高到排气管中的压力时，排气阀自动打开，压缩空气被排出至此，就完成了一个工作循环。活塞接着运动，则上述工作循环将周而复始地进行，以完成压缩气体的任务。单作用式空压机的工作原理图l―活塞；2―气缸；3―进气阀；4―排气阀133、特点优点：压力范围广、热效率高、可修理性强、对材料要求低、技术较为成熟和适应性强——广泛应用。缺点：转速不高、机器大而重且结构困难，另外因其排气不连续而造成气流脉动，导致运转时有较大的振动——应用受限，有被其他形式取代的趋势。4、说明为了获得高压力的压缩空气，可将几个气缸串联起来工作，连续对空气进行多次压缩，这种空压机称为二级、三级或多级空压机。两级单作用式空气压缩机工作原理图1―曲轴；2―连杆；3―一级气缸；4―二级气缸；5―空气过滤器；6―冷却器143.2.3螺杆式空压机1、分类螺杆空气压缩机按螺杆的数目分为双螺杆空压机和单螺杆空压机。在欧、美、日等西方经济发达地区的占有率已经接近100％，几乎完全取代活塞式空气压缩机，而其中的99％以上是双螺杆空气压缩机。152、双螺杆式压缩机结构双螺杆空压机无进气与排气阀组，由一对平行布置、相互啮合的转子组成。工作时，一个转子按顺时针转动，一个转子按逆时针转动，在相互啮合的过程中，空气被压缩到所须要的压力。双螺杆压缩机具有极高的机械牢靠性和优良的动力平衡性，运行效率高，操作及修理也特殊便利，是目前市场中的主导产品。双螺杆式空压机的工作原理如图所示。螺杆式压缩机结构示意图1―同步齿轮；2―气缸；3―阳转子；4―阴转子；5―轴密封；6―轴承163、双螺杆式压缩机工作原理螺杆式压缩机工作分如下四个过程：吸气过程：当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口的自由空气相通。外界空气即被吸入，沿轴向流入主副转子的齿沟内。封闭及输送过程：吸气结束时，转子的进气侧端面转离了进气口，空气充溢整个齿沟，并被主副转子的齿峰与机壳封闭。两转子接着转动，其齿峰与齿沟的啮合面渐渐向排气端移动。173、双螺杆式压缩机工作原理压缩过程：啮合面渐渐向排气端移动，使封闭空间不断减小，封闭空间中的气体渐渐被压缩，压力得到提高。排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，气体的压力达到最高。被压缩的气体起先排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口之间的空间为零，即完成排气过程。184、特点优点：结构简洁、工作牢靠、动力平衡好、适应性强、操作便利。缺点：造价高，不能制成微型和压缩空气的压力受到限制。193.2.4滑片式空压机1、结构滑片式压缩机的结构如图所示，主要由定子外壳、转子和滑片等组成。滑片式压缩机的转子以偏心方式放置于定子中,转子径向开有滑槽，滑片可以在滑槽中做往复运动。202、工作原理随着转子的旋转，安装在转子槽中的滑片，在离心力作用下被推至气缸壁，通过油膜与定子紧密接触，形成了一系列体积不同的压缩腔。随着转子的转动，压缩机转子的滑片与气缸之间压缩腔的容积不断削减，空气被压缩压力不断提高。压缩后的油气混合气经机械分别和过滤分别，将压缩空气中含油量降低到规定值。212、工作原理经净化后的压缩空气进入后冷却器中进行冷却，冷却后被输送到用户系统。冷却中所形成的凝合水经由一排水电磁阀而排出。在空压机运转中需不断地注入空压机油，以便在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜防止滑片与气缸壁的干脆接触而造成磨损。空压机油的注入，还具有冷却散热和气室密封的作用。223、特点滑片式空压机技术含量较高，在全球领域具备生产实力的厂家较少，因此进入国内市场较晚，照旧处在概念传播的阶段。但由于其超长的寿命、良好的牢靠性、优异的排气质量、最高的效率和最少的维护正在快速赶超其它同类产品，必将成为新型压缩机的市场主流。23滑片机主机

双螺杆机主机

单螺杆机主机

运动部件

1个转子1对阴阳转子

1个螺杆，2个星形轮

运动速度

1000-1500rpm

1500-3000rpm

运动形式

单纯回转运动

阳转子驱动阴转子进行啮

螺杆驱动2个星形轮进行啮合

加工装配

加工要求很高，但不需要专用设备装配简单易行

必须使用专用设备加工，要求十分严格；装配复杂，要求十分严格

材质寿命

所有运动部件使用寿命都在10万小时以上

轴承寿命2-4万小时

轴承寿命5万小时星形轮寿命5百到2千小时

受力种类

只受径向力

轴向力与径向力均存在

效率

基本消除各种内泄漏，容积效率高传动效率最高效率永不下降

各种内泄漏普遍存在，容积效率低下皮带传动或齿轮传动效率低下随磨损量增加效率下降，单螺杆尤其明显

维护

主机终生免维护轴承终生免维护油气管路内置，基本免维护日常维护量最少维护容易进行

单螺杆主机需定期更换星型轮轴承需定期更换油气管路外置，维护量很大日常维护量较大维护难度大，不易进行日常维护

3.2.5空压机比较目前活塞式正渐渐淡出市场，螺杆式为市场的主旋律，滑片式正越来越多地受到重视。243.3机组制动供气1．机组制动概述机组在低速运转时，会引起推力轴承及导轴承中润滑油膜变薄或遭遇破坏，使润滑条件出现恶化，致使轴瓦磨损，严峻时会烧坏轴瓦。因此，在机组停机过程中当转速下降到确定程度时必需进行强迫制动，以便机组能在很短的一段时间内停下来。图3-5为机组在不同条件下的制动过程曲线。图3-5机组制动过程曲线251>自由制动：机组运转时的动能全部消耗在克服自由制动力矩（即机组的推力轴承和导轴承的摩擦力矩、发电机转子对空气的摩擦力矩与水轮机转轮对水或空气的摩擦力矩）上，依据这种动能的消耗程度，机组转速渐渐下降，经过一段时间后机组停止转动。接受这种方式时，机组停机时间较长，可能长达30分钟至1个小时。这对机组是特殊不利的。2>强迫制动（有如下几种）：风闸制动：该方式接受压缩空气作为强迫制动的能源来推动制动闸，一般用于立式水轮发电机组的制动；水力制动：用于冲击式机组，即停机时打开专用的制动喷嘴，将水流射到水斗的背面，从而在机组轴上产生制动力矩进行制动；电气制动：即停机时通过专设的开关将与系统解列的发电机接入制动用的三相短路电阻上实现电气制动。该方式须要设置机械制动作为备用。262．机组机械制动装置系统机组顶起转子装置与机组制动装置接受同一设备布置在发电机风洞内。机组在解列须要制动时，千斤顶用气操作以强制机组停转；机组长时间不运转或检修推力轴承时，千斤顶用油操作以顶起转子。图3-6为机组制动装置系统原理图。另外，机组顶起转子装置与机组制动装置也可分开设置。转子顶起装置用油压操作，其动力源布置在发电机风洞内，机组制动装置用气压操作，气源布置在发电机顶部。图3-6机组制动装置系统原理图动画演示27机械制动的自动操作机组解列后，当转速降至额定转速的35%左右时，由转速继电器限制的电磁空气阀DKF自动开启，压缩空气常常开阀1和2进入制动闸，对机组进行制动。经过确定时限（由时间继电器整定的时间）后，使电磁空气阀DKF关闭，制动闸内的压缩空气与大气相通，压缩空气排出，制动过程结束，制动装置自动退出。图3-6机组制动装置系统原理图28机械制动的手动操作当水轮发电机组在停机过程中出现机械制动装置失灵时或机组停机检修时，需手动投入机械制动。即先将常开阀门1和2关闭，在机组停机时，当机组转速下降到规定值时，打开阀门3，使压缩空气进入制动闸对机组进行制动。待机组转速下降到零时，再关闭阀门3，打开阀门4，使制动闸排气，制动完毕后，关闭阀门4，为下次手动操作做好准备。图3-6机组制动装置系统原理图29顶起转子按规程规定，第一次停机24小时，其次次停机36小时，第三次停机48小时，以后为72小时以上须要顶转子。当然有时为了检修的须要也须要顶转子。切断制动系统与制动闸的联系，切换三通阀接通高压油泵，向制动闸打油，使发电机转子抬高8~12mm。开机前排出制动闸中的油，此时需打开阀门5，使制动闸中的油排至回油箱，最终用压缩空气吹扫制动闸中的残油。图3-6机组制动装置系统原理图303、机组电气制动装置系统（1）机械制动缺点

314、关于机组制动的探讨从近年来某些立式机组和水泵机组的运行阅历来看，在自由制动时其推力轴承的温度并无上升的趋势，这就为我们供应了取消强迫自动从而简化机组的自动限制系统的可能性。因此对机组制动做进一步探讨有着特殊现实的意义。5、设备选择计算1>机组制动耗气量计算制动耗气量取决于发电机所须要的制动力矩，由电机制造厂供应。在设计制动供气系统时可依据制动耗气流量来计算，也可按充气容积来计算。相对来说按充气容积来计算更为合理。因为制动过程并非持续耗气过程。322>贮气罐容积计算机组制动用气主要由贮气罐供应。因此贮气罐容积必需保证制动用气后，贮气罐内气压保持在最低制动气压以上。该容积与机组制动耗气量、制动前后贮气罐允许的压力降等有关。3>空气压缩机生产率计算空气压缩机生产率按在确定时间内复原贮气罐压力的要求来确定。如机组制动为一个独立的气系统，则应设置两台空压机，一台工作一台备用。4>供气管道选择通常按阅历选择，供气干管Φ20-100，环管Φ15-32，支管Φ15。自三通阀以后的制动供气管，须接受耐高压的无缝钢管。333.4机组调相供气1、机组调相的目的为了提高电力系统的功率因素和保持电压水平，常常须要装设调相机（同期补偿器）向系统输送无功功率或从系统吸取无功功率，以补偿输电线路和异步电机的感性或容性电流。在电力系统中，水电站是否担当调相任务，取决于电力系统的要求和本电站的具体条件，需由多方面来论证。假如电站距离负荷中心比较近，系统又缺乏无功功率，而该电站的年利用小时数又不高，则利用水轮发电机组在不发电期间作同期调相方式运行是可行的。2、机组调相的特点1>比装设特地的同期调相机经济、不须要一次投资；2>运行工况切换灵敏便利，由调相机转为发电机只须要10~20s，易于担当电力系统事故备用容量。3>对能源的消耗比其他方式多。343、机组调相的方式1>水轮机转轮与发电机解离，其缺点是短期内无法转为发电工况，而且拆卸和安装工作困难；2>关闭进水口闸门和尾水闸门，抽空尾水管的存水，其缺点是转为发电运行前需较长时间充水，而且其运行操作困难；3>开启导叶使水轮机空转，带动发电机做调相运行，其缺点是效率低，耗水大，极不经济；4>利用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转，这种方式操作简便，转换快速，能量消耗少。水轮发电机组以同期调相方式运行时，大多是利用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转的方式。这种方式具有操作简便，转换快速，能量消耗少等优点，同时对机组振动也可相应减轻。354、调相压水的目的削减阻力，即削减能耗，同时对机组的振动也相应减轻。另外该方式操作简便，转换快速。5、给气压水过程机组由发电转为调相运行时，利用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转。动画演示366、压水过程的影响因素

当转轮在水中旋转时，一方面搅动水流使其旋转，另一方面也在尾水管中引起竖向回流和横向回流。当空气进入转轮室后，先被水流冲裂成气泡然后由竖向回流将其带至尾水管底部。其中一部分气泡会随着中心的水流回升上去，另一部分气泡则随着横向回流带至下游。造成压缩空气从尾水管大量逸失，导致压水不成功，即转轮始终不能脱水，或者须要消耗很多压缩空气。动画演示37压水成败和效果取决于给气流量、携气流量和逸气流量三个条件。凡是影响这三个条件的因素，就必定对压水过程产生影响。给气管径及给气压力的影响贮气罐容积的影响给气位置的影响导叶漏水的影响转速的影响转轮的型号和尺寸下游水位和尾水管高度等。386、设备选择计算1>充气容积计算充气容积包括转轮室空间、尾水管的部分容积，以及可能与这两部分相连通的管道。2>贮气罐容积计算给气压水时，需短时间内由贮气罐供应大量的压缩空气。贮气罐的容积必需满足首次压水过程总耗气量的要求，除了转轮室必要充气外，还应补偿压水过程中不行避开的漏气量。计算时可按压水过程的空气有效利用系数计算，也可按转轮脱水以前转轮室的漏气率计算。3>空压机生产率计算4>调相给气流量计算5>管道选择计算39403.5检修维护空气围带防冻吹冰供气1、检修维护供气水电站机组及其它设备检修时，常常运用各种风动工具，如风铲、风钻、风砂轮等。例如水轮机转轮发生汽蚀后，在检修时要运用风铲铲掉被汽蚀破坏的海绵状的金属表面，然后用电焊补焊，焊补后还须用风砂轮磨光。又例如金属钢管检修时要用风锤打掉钢管壁上的锈垢，用风砂枪清除钢管壁上的附着物(某种苔、菌类等)。此外，检修机组及金属结构时，常用压缩空气除尘、吹污，吹扫水系统的过滤网和取水口拦污栅，以及供排水管道和量测管道等；集水井检修或清理时，常用压缩空气将泥水搅混，然后用污水泵解除。在机组运行期间，亦常常运用压缩空气来吹扫电气设备上的尘埃等。检修维护用气的工作压力均为0.5~0.7MPa。用气地点包括主机室、安装场、水轮机室、机修间、尾水管进人廊道、水泵室、转轮室、闸门室和尾水平台等。412、空气围带供气水轮机常用空气围带止水，最常见的有轴承检修密封围带和蝴蝶阀止水围带。（1）轴承检修密封围带用气水轮机导轴承检修时，近年来多接受空气围带止水。充气压力通常接受0.7MPa。因耗气量很小，气源一般取自制动供气干管或其它供气干管。（2）蝴蝶阀止水围带用气蝴蝶阀空气围带充气的目的是防止漏水。空气围带必需的充气压力应比蝴蝶阀的作用水头高0.1~0.3MPa。因耗气量很小，一般从主厂房内的各级压气系统干脆引取，或经减压引取。假如阀室离主厂房较远，为保证供气压力，可在阀室设置一个小贮气罐，或一台小容量的空压机。423、防冻吹冰供气处于寒冷地区的水电站、水泵站、拦河坝以及其他水工建筑物，在冰冻期间，为了防止冰压力对水工建筑物和闸门造成的危害，影响闸门投入工作，堵塞进水口拦污栅等，通常接受压缩空气吹气防冻。防冻吹冰对供气压力和干燥度有确定的要求。喷嘴出口压力一般为0.15MPa左右，当喷嘴在水下较深时宜接受较高的压力，但压力不宜过高，防止气体流速高而引起喷嘴局部降温以致结冰封塞；用于防冻吹冰的压缩空气必需实行干燥措施来提高其干燥度，以防压缩空气流过管道后受外界气温影响达到露点，致使喷嘴口或管内结冰堵塞。433.6低压气系统

某电站的低压气系统（机组无调相任务）如图所示，将机组制动与检修维护用气合用一套供气装置，配置三台排气压力为0.8MPa、排气量为3.3m3/min的空压机，选用两个6.0m3制动用储气罐和一个3.0m3检修用储气罐。正常状况下，两台空压机工作，一台备用，工作空压机和备用空压机需定期自动轮换。空压机的起停由气管上的电接点压力表自动限制。为提高制动用气的牢靠性，检修贮气罐可向制动贮气罐单向补气。为便于日常的维护吹扫及取水口吹扫，电站另外配置两台2台移动式空压机。44图3-7低压气系统图453.7油压装置供气

3.4.1油压装置给气的目的和供气方式

3.4.2油压装置压油槽补气

3.4.3油压装置供气系统463.7.1油压装置给气的目的和供气方式油压装置是水轮机调整系统和机组限制系统的能源。压油槽中的容积约有1/3是透平油，2/3是压缩空气，由透平油和压缩空气共同保证和维持调整系统所须要的工作压力。压油槽供气有两种方式：一级压力供气：空压机额定排气压力和储气罐的气压与压油槽的额定油压接近相等或稍大。设备投资省，但压缩空气的干燥度较差。此种供气方式必需实行有效措施以提高空气的干燥度。二级压力供气：空压机的压力和储气罐的气压高于压油槽的额定油压，一般取空压机额定排气压力为压油槽的额定油压的1.5~2.0倍。压缩空气自高压贮气罐经减压后供应压力油槽。这种供气方式对削减压油槽中空气的水分是有利的，是高压供气方式的发展方向。473.7.2油压装置压油槽补气在水轮机调整过程中，压缩空气一部分溶于油中，另一部分从不严密处漏失，为了维持压油罐的压力，压油罐就必需依据油罐的油位自动补气。压入压油槽中的空气必需清洁、干燥，以避开压油槽中有湿气凝合，从而锈蚀配压阀和接力器。压油槽补气方式一般有两种，依据压油槽的油位自动补气和自动回路故障或机组检修后手动补气。4849某电站为一级压力供气的油压装置充气压缩空气系统，如图3-8所示。空压机为三台1KY~3KY，接受3台排气压力为7MPa、排气量为1.0m3/min的空气压缩机，中压储气罐为2个，每个3m3，额定压力为7MPa，经冷干机进行空