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1、水力机组 辅助设备,主要介绍：主阀；油、气、水系统,水力机组辅助设备,水力机组辅助设备 Anxiliary Equipment for Hydropower Unit 学分：3学分 学时：48学时 预修课程：水轮机水轮机调节 主要内容：水电站进水阀及其操作系统、油系统、压缩空气系统、技术供水系统、排水系统、辅助设备系统的设计及其水力监测等。参考教材：水力机组辅助设备 开课对象：热能与动力工程专业本科生 开课学期：每第四学年第一学期,水力机组辅助设备教学大纲（32学时）,一、课程内容（一）绪论 水力机组辅助设备系统 自动控制监测系统及其主要元件的基本工作原理 设计计算的主要方法和运行调试要求,水
2、力机组辅助设备教学大纲（32学时）,二）水力机组辅助设备系统 进水阀及其操作系统的工作原理 油系统：基本概念、组成、系统图及设计方法 压缩空气系统：基本概念、组成、系统图及设计方法 技术供水系统、排水系统：基本概念、组成、系统图及设计方法（三）辅助设备系统的设计 辅助设备系统设计的任务、内容、方案、成果（四）机组水力参数的测量 水电站水力测量的目的和内容 水电站水轮机工作水头的含义及其测量方法 水轮机引、排水系统的监测 水轮机汽蚀和机组相对效率的测量 机组振动和轴向位移的测量,水力机组辅助设备教学大纲（32学时）,三、建设学时分配表,水力机组辅助设备教学大纲（32学时）,四、习题与作业 作业建
3、议包括下列内容（见表），作业时数在20小时左右。,水力机组辅助设备教学大纲（32学时）,参考数目,五、推荐材料 水力机组辅助设备范华秀，中国水利水电出版社，1997,学习目标,本课程为“热能与动力工程专业”（水动方向）的专业课之一，它主要系统论述水电站水力机组设备、量测装置的基本原理、设计计算的主要方法和运行调试的要求。本课程为了解我国大中型水电站辅助设备与量测技术的目前状况提供必要的基础，为学生从事水力相组辅助设备的设计，运行，调试与科学研究打下必要的基础。,概论,主机设备：水轮机+发电机=水力发电机组 附属设备：调速器。（保证能量转换效率最高）辅助设备：主阀、油气水系统等。（保证主机安全经
4、济运行）,水轮机进水阀,1、进水阀的作用及设置条件。2、主阀的型式及适用情况。3、进水阀的操作方式。,水轮机进水阀,1.1进水阀的作用及设置条件进水阀：即主阀是指装置在水轮机蜗壳前的阀门.作用：1 岔管引水时构成检修机组的安全工作条件。（检修时）当一根输水总管给几台机组供水时，其中某一台机组需要停机检修，为了不影响其他机组的正常运行，需要关闭机组的进水阀。,岔管输水,岔管结构模型,水轮机进水阀作用,2 减小漏水量（停机时）和缩短重启动时间（对高水头长引水管道电站）3 调速系统故障，紧急切断水流，即防飞逸事故扩大。（2min内），液压操作的要求30-50s,飞逸事故图片,水轮机进水阀及其操作系统
5、,进水阀设置条件：1.岔管输水系统（一般都设置）2.H120m时，单元输水可以设置进水阀3.H120m时，单元输水管短，可在进水口设快速闸门。,快速闸门,水轮机进水阀及其操作系统,主阀：一般，不许在动水情况下开启，这样加大操作力矩，运行上也不需要。（防飞逸除外）主阀状态：全开、全关。不许作部分开启来调节流量以免造成过大的水力损失和影响水流稳定，引起过大的振动。,主阀的型式及适用,1、蝶阀：体积小，重量轻起闭力小，起闭时间短，但全开时水头损失大，易漏水，广泛用于200250m以下中、低水头电站；2、球阀：关闭严密，漏水量小，水力损失小，但体积大，重量大，用于管径在23m以下，水头在250m以上的
6、高水头电站；3、闸阀：全开时水力损失小，不易漏水，但体积大，较重，起闭时间长，常用于高水头，管径在1m以下的水电站；一般仅作为检修用。4、快速闸门：无水力损失，不易漏水，但造价高，适用于200m以下水头中、低水头电站。,蝶阀,蝶阀,球阀,闸阀,水轮机进水阀及其操作系统,1.2进水阀的操作方式：1.液压操作。油压装置：30%40%的油+压缩空气合用。（主阀易进水，要分别设置）2.电动操作。用于小型机组，H低，D小，仅作检修用。3.手动操作。（对不要求远方操作的小型进水阀）,水轮机进水阀及其操作系统,1.3进水阀操作系统（对蝶阀作讲述）蝶阀：开启：开油源、开旁通阀，拔出锁定。水压上升到要求后，空气
7、围带排气，开蝶阀，全开后关闭旁通阀，投入锁定，切断油源。关闭：开油源，开旁通阀，拔出锁定，关蝶阀。全关后，空气围带充气，投入锁定，切断油源。,油系统,1、水电站用油种类及其作用 2、油的基本特性 3、油的劣化和净化 4、油的再生 5.、油系统组成,油系统,2.1水电站用油种类及其作用 一、用油种类1、润滑油（H）（脂Z）（1）透平油，有HU-22，HU-30，HU-46等，在符号后面的数字表示油50时的运动粘度，供机组轴承和液压操作用。（2）机械油，供电动机、水泵的轴承和起重机齿轮变速器。（3）压缩机油，专供空压机润滑用。（4）润滑脂（黄油），供滚动轴承用。有，钙基润滑脂 抗水性能好，适用水泵
8、、水轮机。钠基润滑脂，遇水分解，适用发电机、电动机。,油系统,2、绝缘油(1)变压器油：有DB-10，DB-25型，符号后面的数字表示油的凝点（负值），供变压器及电流、电压互感器用。(2)开关油：有DU-4型，符号后面的数字表示油的凝点（负值），供开关用。(3)电缆油：有DL-38，DL-66，DL-110三种，符号后面的数字表示以千伏计的电压，供电缆用。,油系统,二、油的作用透平油作用：主要作用为润滑、散热及液压操作。（1）润滑作用。运行中由各轴承承受着机组的轴向和径向载荷运转，透平油可在机组的运动件（轴）与约束件（轴承）之间的间隙中形成油膜，以轴承间油膜的内部摩擦代替轴承的固体干摩擦，从而
9、降低摩擦系数.(2)散热作用。润滑油在轴承和轴承油箱冷却器之间的连续循环运动，不断将轴承运转时产生的热量带出冷却，使油和轴承的温度不致超过运行规定值，保证设备的安全经济运行。（3）液压操作。调速系统、主阀、调压阀和液压操作设备的操作等，都是以透平油作为传递能量的工作介质。,绝缘油作用,绝缘油在设备中的作用是绝缘，散热和消弧。（1）绝缘作用。由于绝缘油的绝缘强度约为空气的6倍，因而用绝缘油来作为绝缘介质，可以大大提高电气设备运行的可靠性，并可缩小设备尺寸，使得设备结构紧凑。（2）散热作用。变压器等设备运行时，线圈通过强大的电流，损耗的功率将产生大量的热，若不及时将这些热量散发出来，温升过高将损害
10、线圈绝缘，甚至烧毁变压器。通过绝缘油把这部分热量吸收，由于温差对流作用可使之产生内循环流动，把这部分热量传至外壳散发或通过冷却器中冷却水带走(水冷式)，以保证变压器的正常运行。（3）消弧作用。油开关断开时，在开关触点之间会产生强大的电弧。此电弧温度很高，如不及时将热量传出，就可能烧坏设备以及引起过电压击穿设备。,油系统,2.2、油的基本特性 1、粘度（液体的内摩擦力）特点：粘度随温度上升（压力下降）而降低。2、闪点，混合气被点燃的最低温度。特点：沸点越低闪点越低。3、凝固点，油的温度降低到刚刚失去流动性时的温度。4、酸值，油中有机酸含量。特点：使用中酸值会逐渐升高（油被氧化）腐蚀金属，加速劣化
11、，降低油的流动性。,油系统,5、抗氧化性，油抵抗与氧发生化学反应的能力。油被氧化危害，增加沉淀物，酸值增加。影响润滑。特点：粘度小的油抗氧化性能好 6、抗乳化度，乳浊液达到完全分层的时间特点：粘度小的油抗乳化度好。危害：润滑性能下降，摩擦力增加。,油系统,7、水分，油中水分来源，一是外界侵入，二是油被氧化而生成的水。水在油中的存在状态为，游离水、溶解水、结合水、乳化水。危害：腐蚀能力加大，降低耐压等级。加速绝缘纤维老化。8、机械杂质悬浮的固体杂质含量危害：影响油的流动性，破坏油膜、堵塞油管、滤网。增加摩擦力，降低油的抗乳化度,油系统,9、水溶性酸或碱 油中酸或碱的存在会腐蚀金属，加速油的劣化。
12、其中酸腐蚀铁和铁合金，碱则腐蚀有色金属。10、绝缘强度（kv/cm）在规定的试验条件下，绝缘油承受击穿电压的能力，称绝缘强度。危害：击穿电气设备。,油系统,综合分析：1、绝缘油使用要求：安全可靠、使用时间长。故要耐压等级高，良好的抗氧化性、抗乳化度。2、透平油要求：良好的抗氧化性（使用时间）、抗乳化度（工作环境）。,油系统,2.3油的劣化和净化一、油劣化原因及危害1、根本原因：油被氧化。2、加速油氧化因素：（1）水分：空气水分、设备漏水、温差水、干燥剂失效。（2）温度：过负荷、冷却水中断。（3）空气（4）天然光线：紫外线。（5）电流：轴电流（转子、定子间隙电磁场不平衡产生单边磁拉力，转动部件与
13、地间产生电压）,油系统,3、劣化危害：酸值增加、闪点降低（绝缘油不利）、颜色加深、粘度增大、有沉淀物析出、影响润滑、散热，腐蚀金属和纤维，导致操作系统失灵。,油系统,二、油的净化处理 污 油：轻度劣化（机械净化）。废油：深度劣化变质（再生）1、沉清。2、压力过滤（压力滤油机）特点：过滤杂质和微量水分。适用：水分较少、杂质较多的油。,压力过滤,压力过滤是利用压力滤油机把油加压，使之通过具有吸收水分和阻止机械杂质通过的过滤层，以达到使油净化的目的。压滤机由齿轮油泵3、预滤过器2、三通阀4、回油阀10、滤油器6(包括滤框、滤板、滤纸及油盘)等组成。滤油时，油泵将污油从压力滤油机进油口吸入，通过预过滤
14、器，除去较大的杂质，再经油泵加压后进入滤油器，通过滤框孔口流入两层滤纸间的空腔中，再透过滤纸，从滤板上的沟道网汇集到滤油器下方的管孔流出。,油系统,3、真空过滤（真空滤油机）作用：除气脱水。特点：速度快、效率高最好方式：真空滤油机+压力滤油机,真空过滤,真空过滤是利用油和水的汽化温度不同，在真空罐内水分和气体形成减压蒸发，从而将油中的水分及气体分离出来，达到除水脱气的目的。真空过滤是一种快速除水的好方法，水电站应用广泛。将污油由压力滤油机2输送至加热器3加热至5070，用油泵5压向真空罐4内并经过喷嘴11扩散成雾状，由于油与水的沸点不同，在一定温度和真空下，沸点将降低而使油中的水分与气体汽化，
15、形成减压蒸发，油与水分及气体得到分离，再利用真空泵6经油气隔板10，将水蒸汽及气体抽吸出来。,油的再生,油在运行过程中会受各种外界因素的影响，使得油的物理和化学性质变化而成为废油，影响油继续使用。用化学方法或物理化学方法使油恢复原来的性质，叫做油的再生。油的再生一般采用吸附剂的方法，如粒状白土过滤法、硅胶过滤吸附法以及活性氧化铝过滤吸附法等。它们能吸附油劣化后所产生的氧化物，如酸类、胶质、水分以及油泥沉淀物等。,油的再生,1）透平油油的再生 考虑到运行设备的安全和吸附器的布置，除强迫油循环系统可采用连续性再生外，一般采用非连续性再生，即机组检修时，对油进行机械净化处理，同时进行油的再生。,油的
16、再生,2）变压器油的再生 通常将吸附剂放置于变压器外的吸附器上，这种方法叫做热虹吸法。工作原理如下：变压器带负荷时，油因受热密度变小，油自变压器的上部流入吸附器，油在流动过程中，逐渐冷却密度变大，从吸附器底部流回变压器。吸附器内装有吸附剂，油在运行中因氧化所生成的氧化物通过吸附剂时被吸附，从而使运行中的油处于合格状态。,油系统,油系统：是将贮油设备、用油设备、管网及油处理设备连接成一个系统。油系统一般有以下几部分组成：(1)油罐。(2)油处理设备。油泵、压力滤油机、真空滤油机、真空泵、滤纸烘箱及油过滤器等。(3)油化验设备。化验仪器、设备和药物等。(4)油吸附设备。硅胶吸附器。(5)管网。油系
17、统设备及用户连接起来的管道系统。(6)测量及控制元件。温度信号器、压力控制器、油位信号器、油混水信号器、示流信号器等。,辅助设备气系统,1、压缩空气的用途2、气系统分类3、制动基础知识4、机组调相压水5、油压装置供气目的、方式6、空气干燥的方法,压缩空气的用途,1、油压装置压力油罐充气；（1）30%40%的油，60%70%的压缩空气。（2）工作压力一般为2.5MPa，大型机组为4.0MPa。（3）便于布置，易漏油（对工艺水平要求高），有干燥度要求。2、配电装置中空气QF和气动隔离开关用气；（1）作为灭弧或操作能源。（2）空气QF用气的工作压力为2.0-2.5MPa，气动隔离开关工作压力0.7M
18、Pa。（3）有干燥度要求。,压缩空气的用途,3、机组停机时制动用气；工作压力为0.7MPa。4、机组调相用气工作压力为0.7MPa5、蝶阀止水围带用气工作压力：0.1-0.3MPa6、风动工具、吹污清扫用气工作压力：0.7MPa7、防冻吹冰用气，水工闸门、拦污栅,气系统分类,高压：大于0.7MPa；低压：小于等于0.7MPa。厂内高压气系统：水轮机调节系统和机组控制系统的油压装置。厂外高压气系统：空气QF.厂内低压气系统：机组制动、调相压水、空气围带、风动工具及吹扫等。厂外低压气系统：水工闸门、拦污栅。,压缩空气系统的组成,压缩空气系统的任务是及时给用户供气，并满足压缩空气的质量(气压、干燥、
19、清洁)要求。压缩空气系统由空气压缩装置(空压机及附属设备)、管道系统、测量控制元件和用气设备四部分组成。1）空气压缩装置 空气压缩装置由空气压缩机、电动机、储气罐和油水分离器等组成。2）管道系统 管道系统由干管、支管和管件组成，将气源和用气设备联系起来，输送和分配压缩空气。3）测量控制元件 测量控制元件包括各种类型的自动化元件，如压力继电器、温度信号器、电磁空气阀等，其主要作用是监测与控制，保证压缩空气系统的正常运行。4）用气设备 用气设备主要有油压装置压力油罐、制动闸、风动工具等。,机组制动的目的和方法,当发电机与电网解列，水轮机导水叶关闭之后，为了使机组尽快的停下来，通常采用强迫装置-制动
20、闸来强迫制动，它作用的能源就是压缩空气。制动闸的作用:（1）缩短机组在低速下运转的时间；（2）长期停机时，推力轴承的油膜可能破坏，故在机组启动前顶起转子；,机组制动的目的和方法,制动方式：1、自由制动。2、强迫制动。（1）机械制动，转速下降到额定转速的30%-40%时投入制动。（2）电气制动，额定转速的40%-60%时投入。（3）联合制动（机械+电气）。（4）反向射流制动。（水斗式）,机组调相压水供气,为了提高电力系统的功率因素和保持电压水平，常常需要水轮发电机作调相机。向系统输送无功功率,以补偿输电线路和异步电动机的感性容性电流。目前最广泛采用的作调相运行的方式是利用压缩空气强制压低转轮室水
21、位，使转轮在空气中旋转，这种方式操作简便，转换迅速,能量消耗少。压缩空气通常是从专用的贮器罐中引来，强制压低尾水管中的水位。压缩空气的最小压力，必须等于转轮室所要求压低的水位和下游水位之差。,油压装置供气目的,油压装置的压力油罐是一个蓄能容器，是水轮机调节系统的能源，用它来移动接力器活塞以改变导叶的开度和转桨式水轮机转轮桨叶的转角，同时也用来操作水轮机主阀、调压阀、技术供水管路和调相供气管路上的液压阀。压力油罐的容积有3040是透平油，其余为6070%压缩空气。用压缩空气和油共同造成压力，保证和维持调节系统所需要的工作压力。由于压缩空气具有弹性，并贮存了一定量的机械能，因而减小了压力油罐中的压
22、力波动。,油压装置供气方式,油压装置供气方式包括一级压力供气和二级压力供气。(1)一级压力供气：空压机的排气压力Pk不需要专门减压而直接供气给压力油槽，即空压机的额定排气压力Pk与压油槽的额定压力Py接近相等或稍大。此方式供气空气的干燥度较差。(2)二级压力供气：空压机的排气压力Pk高于压油槽的额定压力Py，一般取Pk=(1.52.0)Py，压缩空气自高压贮气罐经减压后供给压油槽，此方式供气空气的干燥度较高。,空气干燥的方法,1、物理法：干燥剂如硅胶。2、化学法：干燥剂如氯化钙、氯化镁、苛性钠。3、降温法。空压机与储气罐间设置水冷却器。主要老电站（早上的露水）4、热力法：加压、减压。电站常用。
23、,辅助设备水系统,1、水电站供水系统的几个方面2、各项供水系统的作用3、供水系统的组成及要求4、技术供水系统在水温、水质、水压不能满足要求时的后果5、技术供水系统的取水方式和供水方式6、排水对象及排水方式,水电站供水系统的几个方面,1、技术供水2、消防供水3、生活供水,技术供水系统的作用,1、技术供水系统作用：对运行的主机及辅助设备进行冷却、润滑，有时也作为操作能源；如发电机、轴承、水冷式变压器和空压机。2、消防供水系统作用：用于发电机、主厂房、油处理室以及变压器的灭火；,技术供水对象,供水对象:发电机空气冷却器 发电机推力轴承和导轴承 水轮机导轴承冷却和润滑 水冷式变压器冷却器、空压机等,发
24、电机空气冷却器,原由：发电机运行时将产生电磁损失及机械损失。后果：损耗将最终转化为热量，如果不及时散出，导致发电机温度升高，将会影响发电机出力、效率和寿命，甚至会发生事故。设备限制：发电机允许的温度上升值一般为7080。,推力轴承及导轴承油冷却器,原由：机组运行时轴承的机械摩擦产生大量的热量，而轴承是浸在透平油中的，油温升高将加速油的劣化，影响轴承寿命，甚至可能使轴承烧毁。措施：在轴承油箱内设置油冷却器，冷却水不断在管内流过，将油中的热量带走。,水轮机导轴承,水轮机导轴承采用橡胶轴瓦时，用水来冷却和润滑。压力水从橡胶轴瓦与不锈钢轴颈之间流过，形成润滑水膜以承受工作压力，并把摩擦热量带走。,水冷
25、式变压器,内部水冷式变压器：冷却器装在变压器的绝缘油箱内，通过冷却器的冷却水将热量带走（内部冷却）。外部冷却：油泵抽出油冷却。,水冷式空压机,空气被压缩时，将产生大量的热，并把热量传给气缸。为保证空压机正常运行，避免润滑油分解和碳化，并提高效率，需要对空压机进行冷却。空压机的冷却方式有水冷式和风冷式，水冷式是在气缸体及气缸盖周围包以水套，其中通入冷却水以带走热量。,供水系统的组成及要求,技术供水系统由水源、取水和净化设备、用水设备、管网以及量测控制元件等组成。1）水源、取水和净化设备、用水设备 由取水设备(如水泵)从水源（如水库、尾水渠等）取水，经水处理设备(如拦污栅、滤水器等)净化，使所取的
26、水符合用水设备对水量、水压、水温和水质的要求。2）管网 由取水干管、支管及管路附件等组成。干管直径较大，把水引到厂内用水区。支管直径较小，把水从干管引向用水设备。管路附件包括弯头、三通、法兰等，也是管网不可缺少的组成部分。3）量测控制元件 如阀门、压力表、温度计、示流信号器等。用以监视、控制和操作供水系统的有关设备，保证供水系统正常运行。要求：水量、水质、水温、水压,水温、水质、水压对设备的影响,1、水温用水设备的进水温度以425为宜，过高影响发电机出力，过低会使空冷器铜管结露，同时，日温差太大会造成铜管破裂；2、水压为保持需要的冷却水量和必要的流速，要求进入冷却器的水有一定的水压，冷却器水管
27、进口水压一般控制在0.2MPa左右，压力过低，流速太慢，影响冷却效果，压力过高，造成冷却器铜管破裂；3、水质水质不满足要求会对冷却水管和水轮机轴颈产生磨损、腐蚀、结垢、堵塞,技术供水系统的取水方式,1、上游取水（包括钢管取水、蜗壳取水、坝前取水）2、下游取水3、地下水源4、支流取水,技术供水系统供水方式,1、自流供水：2、水泵供水：3、混合供水,水头在1580m的电站（小型水电站一般在12m以上），当水温、水质符合要求时，一般采用自流供水。水压由水电站的自然水头来保证。自流供水是利用电站的自然落差将水输向用水设备，供水简单可靠，操作方便，易于维护。,自流供水,自流供水,对于电站水头大于4050
28、m的电站采用自流供水时，为了保证用水设备的安全，应有可靠的减压措施。常在取水口后面装设减压阀降低供水压力，当降压不多时，也可用截止阀来调节供水压力。,水泵供水,当电站水头低于15m时，自流供水水压难以满足要求。当电站水头高于8090m(对于小型水电站，水头大于120m)时采用自流减压供水往往不经济。因此，在这两种情况下，一般采用水泵供水，来保证所要求的水量和水压。,混合供水,混合供水是由自流供水和水泵供水相混合的供水方式。水头为1220m的电站，单一供水往往不能满足要求，需采用混合供水。（1）自流供水与水泵供水交替使用的系统 对于水头小于20m，但变化幅度较大的电站，当水头在较高能满足水压要求
29、时，采用自流供水方式；当水头在较低不能满足水压要求时，则改为水泵供水方式。切换水头由技术经济比较确定。此种供水系统通常是两种水源，共用一套管道，由于运行时间较少，可以不设备用水泵。因此，在不降低安全可靠性条件下，可以简化系统，且设备投资和运行费用减少，运行也方便。（2）自流与水泵按用户同时供水的系统对于水头为20m左右的立式机组电站，采用按用水设备位置和要求水压分别供水的办法。对自流能满足水要求的设备，采用自流供水方式；对于不能满足水压要求的设备，则采用水泵供水方式。,排水系统的分类,1、冷却水排水(空冷器、轴承冷却器)2、检修排水 3、渗漏排水,排水系统的排水方式,1、自流排水（冷却器）2、水泵排水（检修排水）3、集中后经水泵排水（集水井排水）,谢谢观看,
