水輪發(fā)電機技術講課

水輪發(fā)電機工作原理、構造、及啟動運行操作檢查注意事項和異常、故障、事故分析處理----主講人：張勇1工程概況思林水電站位于貴州省思南縣思林鄉(xiāng)境內的烏江干流上，上游距構皮灘水電站89km，下游距沙陀電站115km。工程開發(fā)的主要任務是發(fā)電，兼顧航運、防洪及其他綜合利用。水庫總庫容16.94億m3，調節(jié)庫容3.17億m3，正常蓄水位440m。電站裝機容量1050MW，保證出力303.6MW，年發(fā)電量40.64kW·h是貴州省和烏江干流主要的水電電源點之一。樞紐由大壩、泄洪消能建筑物、電站地下廠房、通航及導流建筑物等組成。本工程于2005年11月24日實現(xiàn)大江截流，首臺機組2009年05月28日投入商業(yè)運行，2009年12月10日全部機組投產(chǎn)發(fā)電。2思林發(fā)電廠大壩34567891011第一章水輪發(fā)電機組基本工作原理及技術參數(shù)我廠水輪發(fā)電機組共有四臺，分別為：#1、2、3、4機.水輪機由上海福伊特西門子水電設備有限公司生產(chǎn)，發(fā)電機由哈爾濱電機廠生產(chǎn)。現(xiàn)先簡單介紹一下，再分別介紹其構造。若有不對之處,敬請批評指正,謝謝大家。12一、水輪發(fā)電機組基本工作原理上游大壩蓄水具有位能，具有壓力的水流經(jīng)攔污柵、進水口檢修閘門、工作閘門及發(fā)電引水鋼管進入水輪機蝸殼，初步形成環(huán)流，再經(jīng)座環(huán)固定導葉分流后均勻地進入活動導葉，活動導葉開度的大小調節(jié)轉輪的水流量，轉輪在水的壓力和速度作用下旋轉，把水能（動能、勢能）轉換成機械能，轉輪出口水流通過尾水管排至下游；水輪機大軸把轉輪的轉動力矩傳給與水輪機大軸連接的發(fā)電機轉子，并帶動發(fā)電機轉子轉動，當發(fā)電機轉子繞組中通以直流電，形成磁場同時由轉子旋轉而產(chǎn)生旋轉磁場。發(fā)電機定子繞組因切割轉子的旋轉磁場，而在發(fā)電機三相定子繞組中產(chǎn)生交變感應電勢。當發(fā)電機三相定子繞組輸出回路接負載時就產(chǎn)生交變三相電流，此交變電流產(chǎn)生的磁場在發(fā)電機定子、轉子形成旋轉磁場，并且定子繞組產(chǎn)生的旋轉磁場與發(fā)電機轉子的旋轉磁場同向，同速，當發(fā)電機轉子磁極對數(shù)p一定時，發(fā)電機的轉速n與電勢的頻率f有嚴格不變的關系，即同步關系，f=p·n/60；其中f----同步發(fā)電機電勢的頻率(Hz);p----同步發(fā)電機的磁極對數(shù);n----同步發(fā)電機轉子的轉速(r/min)。131、水能轉化為機械能1）進入水輪機的水能控制P=9.81QHη,根據(jù)能量守恒，要改變P，必須調節(jié)進入水輪機的流量或者改變水頭。因為水頭調節(jié)范圍較?。?31m—440m),汛期留有防洪庫容，水頭調節(jié)范圍更?。?31m—435m)。所以一般通過調節(jié)進入水輪機的流量來改變P。通過改變活動導葉開度這一途徑來調節(jié)進水量或切斷水流。導葉的操作力來自液壓接力器，而液壓接力器則受調速器來控制。2）水電廠電能生產(chǎn)及送出示意圖：天然水流—壩—水庫—取水口—壓力鋼管—水輪機—發(fā)電機—輸變電裝置—用戶3）流量的調節(jié)過程：調節(jié)命令（上位機）—機組現(xiàn)地LCU—調速器電氣部分—調速器機械部分—液壓接力器—控制環(huán)—導葉拐臂—導葉開度改變—改變進入水輪機的流量。4）請寫出有功功率與水頭和流量的關系式。5）請說出我廠設計防洪水位是多少？6）請簡要說明進入水輪機流量調節(jié)過程？142、機械能轉變?yōu)殡娔?/p>

水流驅動水輪機轉動帶動同軸發(fā)電機轉動1）發(fā)電機工作基本原理—電磁感應原理，導線切割磁力線將感應電動勢，閉合導線產(chǎn)生交變電流。在工程上由于電樞繞組龐大，故電廠一般采用移動磁力線去切割固定不動的電樞繞組。當定子繞組流過三相交流電流以后產(chǎn)生一個旋轉磁極，該磁極的轉速稱為同步轉速，旋轉磁極與轉子磁極產(chǎn)生相互作用力，二者之間的角度決定了力的大小(有功負荷大?。┖托再|（發(fā)電機或電動機）。發(fā)電機的轉速n與電勢的頻率f有嚴格不變的關系，即同步關系，f=p*n/60。2）發(fā)電機調壓過程：由電磁感應定律E=L*dφ/dt可知改變等式右側任意一個參數(shù)就可以改變感應電勢E，但一般L不可改變，同步發(fā)電機磁力線切割速度不可改變，所以一般通過改變磁通強度（磁力線密度）來調整電壓，要改變磁通強度必先改變勵磁電流強度，也就是平時改變可控硅導通角。3）電壓調整過程：電壓調整命令—現(xiàn)地LCU—可控硅導通角—轉子電壓—轉子電流—磁通—感應電動勢改變4）我廠機組額定轉速為93.75r/min，請計算有多少對磁極？15二、水輪發(fā)電機組基本參數(shù)在介紹水輪發(fā)電機構造之前,先介紹我廠發(fā)電機的基本參數(shù)：1）

#1—#4發(fā)電機型號SF262.5—64/150002）額定容量291.7MVA3）額定功率262.5MW4）額定電壓15.75kV5）額定電流10692A功率因數(shù)0.9(滯后)6）額定勵磁電壓358V額定勵磁電流1984.3A7）空載勵磁電壓143.5V空載勵磁電流1164.7A8）額定轉速93.75r/min飛逸轉速185r/min額定頻率50HZ9）定轉子絕緣等級F級定子繞組≤120℃,轉子繞組≤130℃飛輪力矩≥120,000T．m2轉子起吊重量635t發(fā)電機額定效率（計算值）98.61%10）測速方式殘壓測頻和齒盤測頻旋轉方向俯視順時針11）勵磁方式:靜止可控硅勵磁16發(fā)電機定子鐵心外徑￠15000mm定子鐵心長度14200mm氣隙長度27mm定子槽數(shù)624槽定子電密（計算值）23.05A/mm縱軸同步電抗Xd（不飽和值）99.237%縱軸暫態(tài)電抗X′d（不飽和值）31.244%縱軸次暫態(tài)電抗X″d（不飽和值）21.822%橫軸與縱軸次暫態(tài)電抗比X″q/X″d=1.06負序阻抗（75℃）0.039Ω；短路比1.1017三、水輪機基本參數(shù)1、#1--#4水輪機型號HL270-LJ-6802、最大水頭76.00m額定水頭64.00m最小水頭57.00m3、額定流量446.8m3/s吸出高度-7.2m4、額定功率267.85MW最大功率291.53MW5、轉輪進口直徑4.950m活動導葉24片固定導葉24片轉輪葉片13片最大軸向力4750kN，但不包括水輪機轉動部分慣量6、額定效率95.08%及以上最高效率96.56%及以上7、制造廠家：上海福伊特西門子水電設備有限公司18第二章水輪機的構造概述：我廠水輪機采用上海福伊特西門子水電設備有限公司生產(chǎn)的HL270-LJ-680型混流式水輪機。是將水能轉換為機械能的的一種水力機械，主要由引水部件、導水部件、工作部件和泄水部件組成。還有一些輔助設備水導軸承部分、密封裝置部分、主軸中心孔補氣裝置、機坑內部水、氣管路、測量儀表及專用工具等部分組成。目前大多數(shù)電站主要采用混流式水輪機，其優(yōu)點比較明顯，結構簡單、制造安裝方便，運行可靠并具有較高效率和較小空蝕系數(shù)。水輪機轉輪上部與主軸相連，在其四周布置有活動導葉，導葉上部通過拐臂與控制環(huán)連接，下部套在底環(huán)內，而底環(huán)又布置在座環(huán)的下環(huán)內，頂蓋安放在座環(huán)的上環(huán)上，蓋住轉輪。固定導葉布置在活動導葉的外圍，座環(huán)的碟形邊與蝸殼相連，并被蝸殼四周包圍。水導軸承位于頂蓋上，控制環(huán)通過推拉桿與接力器相連。在座環(huán)下方布置有基礎環(huán)，通過錐形環(huán)與尾水管相接。19一、轉輪水輪機轉輪由上冠、葉片、下環(huán)、止漏環(huán)、泄水錐和減壓裝置組成。1、葉片是轉輪中最重要的部件，是水能轉換為機械能最關鍵部位，受多種應力作用，工作條件惡劣，需要選用高強度，抗空蝕和抗磨損的不銹鋼材料。2、轉輪體主要用來裝置葉片，它承受水推力，要求有較高的強度和剛度，其上部與主軸法蘭相連，下部與泄水錐相連，中部四周開有13個孔，安放轉輪葉片。3、泄水錐將水引至尾水管，不致因水流脫流而引起機組強烈振動。4、主軸兩端采用雙法蘭結構，下端還采用焊接加固，再用一個不銹鋼蓋板蓋住，在主軸下端1/3有一個水導軸承軸領，我廠水導軸承采用稀油潤滑軸承分塊瓦，油外循環(huán)冷卻方式。20二、導水機構1、導水機構是由導葉、傳動機構（拐臂、連桿和控制環(huán)）、接力器和推拉桿等組成。作用是根據(jù)負荷的變化來改變水輪機的流量，已達到控制機組正常運行的目的。導葉均勻布置在座環(huán)上，其斷面為流線型。導水機構接力器型式有導管直缸式、搖擺式、雙直缸式和小直缸式。我廠接力器采用雙直缸式。2、導葉采用不銹鋼整體鑄造，共計24個。每個導葉設有3個自潤滑導軸承支承，1個座落在底環(huán)中，另2個在頂蓋中。導葉軸上部設有一個可調整的自潤滑推力軸承。導葉設有摩擦限位裝置，在導葉軸穿過頂蓋處的軸承套上設有活動導葉軸密封。由各部件（包括自潤滑軸承、銷、拐臂、連桿、控制環(huán)和推拉桿）組成的導葉操作機構將導葉與接力器相連接，并設有剪斷銷、導葉保護裝置等。3、水輪機設有2個油壓操作、雙作用直缸接力器，用于通過導葉操作機構來操作導葉。接力器設置于水車室的接力器坑襯內，支承在經(jīng)加工過的支座板上，支座板與機坑里襯形成整體。操作接力器的壓力油由調速系統(tǒng)的油壓裝置供給，其額定工作油壓為6.3MPa。接力器還設有可調的分段關閉裝置和可靠的油壓操作接力器鎖錠裝置。21三、尾水管、蝸殼和盤型閥1、每臺機在尾水管底部設有2個φ800mm盤形閥和在蝸殼1個φ800mm盤形閥，用于機組檢修時排空流道內的積水。蝸殼盤形閥布置在蝸殼進口段的最低高程處，將蝸殼內的積水排到尾水管內。2個尾水管盤形閥分別位于尾水管擴散段的兩側，通過排水管引至排水廊道。2、盤形閥埋入混凝土的埋件有：盤形閥操作機構套管、盤形閥座及操作機構的埋設、排水管、閥坑攔污柵及基礎埋件。3、蝸殼為鋼板焊接結構，按不進行水壓試驗設計和制造，約分為30節(jié)。蝸殼在機坑進行掛裝、調整和焊接。蝸殼延伸段設有止推環(huán)（止推環(huán)由設備制造廠VSS提供），蝸殼包括進口延伸段，它與距水輪機X軸線上游10.55m的壓力鋼管的焊接需要在現(xiàn)場進行，壓力鋼管的內徑為8.52m，厚度約30mm。4、尾水管為不帶中間支墩的肘型金屬尾水管，采用肘形主要作用將轉輪出口的水流引向下游，當轉輪高于下游水位，使轉輪出口形成靜力真空，利用高于下游水面的吸出高度。還有使轉輪出口處的水流動能恢復為動力真空，提高水輪機效率。金屬尾水管里襯自基礎環(huán)開始襯至肘管出口與擴散段進口連接斷面處，里襯厚度25mm。22四、水輪機底環(huán)和頂蓋1、頂蓋為鋼板焊接結構，一般要分瓣運輸?shù)焦さ?，采用預應力螺栓把合，不需要在現(xiàn)場做結構焊接，頂蓋帶法蘭，與座環(huán)用螺栓和定位銷連接，頂蓋設有引至尾水管的泄壓管。2、底環(huán)為鋼板焊接結構，由上環(huán)、下環(huán)和固定導葉組成，置于基礎環(huán)上，用螺栓與基礎環(huán)連接，分瓣件在工地用螺栓把合，不需要在現(xiàn)場做結構焊接。3、頂蓋和底環(huán)上裝有用于導葉軸的自潤滑軸承和密封，設有導葉軸承孔；頂蓋和底環(huán)均有可更換止漏環(huán)。頂蓋內設有排水道將主軸密封的滲漏水排出，并設有兩臺頂蓋排水泵，通過設在頂蓋內的液位信號器進行自動控制。

23五、水輪機軸密封系統(tǒng)1、水輪機軸采用中空結構，上端與發(fā)電機軸采用外法蘭連接，下端與轉輪采用外法蘭連接。主軸有中心補氣設備、補氣管及相應的水密封裝置。2、軸密封系統(tǒng)分為工作密封和檢修密封兩部分。在主軸通過頂蓋的部位設置工作密封。密封采用恒壓式徑向密封，其密封水壓為0.8MPa～1MPa。工作密封能在不拆卸主軸、水輪機導軸承、導水機構、管路系統(tǒng)和頂蓋排水設施的情況下進行檢查、調整和更換密封元件。密封環(huán)為自補償型。3、在機組停機導水葉漏水較大時，為防止水進入頂蓋，在工作密封下方設置有用壓縮空氣充氣的橡膠檢修密封裝置，檢修密封由電站空壓機系統(tǒng)提供工作壓力約為0.8MPa壓縮空氣。24第三章發(fā)電機的構造概述：我廠發(fā)電機均采用立軸半傘式水輪發(fā)電機，推力軸承位于發(fā)電機轉子下部的下機架上。軸系由上端軸、轉子支架中心體、發(fā)電機主軸和水輪機主軸組成。并由發(fā)電機上導軸承支撐。發(fā)電機采用密閉雙路無風扇自循環(huán)端部回風空氣冷卻系統(tǒng)，熱風由12個固定在定子機座周圍的針式高效冷卻器冷卻（三峽發(fā)電機采用了半水冷方式，即轉子為空冷，定子為水內冷）。發(fā)電機勵磁采用靜止可控硅勵磁系統(tǒng)。我廠發(fā)電機采用哈爾濱電機廠生產(chǎn)的SF262.5-64/15000型立軸半傘式水輪發(fā)電機。主要由定子、轉子、推力軸承、下機架、上機架、上導軸承、制動和除塵系統(tǒng)、通風冷卻系統(tǒng)、防油霧和消防系統(tǒng)、上蓋板等組成。定子和轉子是發(fā)電機產(chǎn)生電磁作用的主要部件，其它部件僅起支持或輔助作用。水輪發(fā)電機的主軸用法蘭盤與水輪機主軸直接連接，由水輪機帶動發(fā)電機轉子旋轉。發(fā)電機為立軸半傘式結構，我廠采用二部導軸承和一部推力軸承，推力軸承和下導軸承支撐在下機架上，發(fā)電機軸與水輪機軸采用法蘭連接。25一、發(fā)電機定子

定子是水輪發(fā)電機的固定部件之一。主要由機座、鐵芯、繞組、上下止壓板、端箍支架、端箍、基礎板及引出線等部件組成。1、定子機座：即定子外殼，主要作用是承受定子自重、上機架及機架其他部件的重力、承受電磁扭矩和不平衡磁拉力、承受繞組短路時的切向力。因此必須具有高強度，做好防止變形和振動的措施。機座由軋制鋼板焊接而成，分成6瓣運至現(xiàn)場，在安裝場進行組圓焊接，并測圓度。在安裝間定子組裝平臺支架基礎埋件。所有焊縫應進行無損探傷定子機座下環(huán)板與定子鐵芯的結合型式為齒壓板結構，定子機座基礎板與混凝土結合部位設有契子板、調平螺桿、螺栓及灌漿孔。2、定子鐵芯：是水輪發(fā)電機磁路的主要通道，由于存在交變磁通，才在繞組中感應交變電流。稱此為磁電交換元件。定子鐵芯由硅鋼片疊裝而成，疊裝一定高度，分層壓緊，并用高強度螺栓壓緊，定子鐵芯采用鴿尾形定位筋焊接于定子機座上，焊縫要進行探傷。3、定子繞組：當交變磁場切割繞組時，便在繞組中產(chǎn)生交變電動勢和交變電流，從而完成水能—機械能—電能最終轉換。定子繞組固定好壞，關系機組安全運行和繞組壽命，如固定不牢在電磁力和機械振動力的作用下，容易造成絕緣損壞，匝間短路等故障。因而槽部線棒用槽楔壓緊，端部用端箍結構固定。定子繞組由條式線棒組成，“Y”形連接，支路并聯(lián)，所有的線棒接頭連接采用銀銅焊，繞組絕緣為國家標準中規(guī)定的F級絕緣。26二、發(fā)電機轉子轉子是水輪發(fā)電機旋轉部件，位于定子里面，與定子之間保持一定空氣間隙，它的作用是產(chǎn)生磁場并通過與定子的相互作用，將水能轉換為電能。由主軸，轉子支架、磁軛和磁極等部分組成。磁極是凸極的，首尾兩磁極與轉子引線相連接，轉子引線接至集電環(huán)。運行時勵磁裝置向集電環(huán)供給直流電。1、主軸：主要起中間連接、承受機組在各種工況下的轉矩、承受推力負荷引起的拉應力、單邊磁拉力和轉動部分機械不平衡的力。2、轉子支架：連接主軸和磁軛的中間部件，并起到固定磁軛和傳遞轉矩的作用，我廠采用是組合式。3、磁軛：主要產(chǎn)生轉動慣量和固定磁極，同時也是磁路一部分。由扇形沖片交錯疊成整體，再用螺桿拉緊，然后固定在轉子支架上。磁軛外緣的T型槽用以固定磁極。為防止過速時磁軛徑向膨脹，造成磁軛與轉子支架分離而產(chǎn)生偏心振動支架將磁軛加熱后用徑向鍵加以固定。4、磁極：產(chǎn)生磁場的部件，由磁極鐵芯、勵磁繞組、阻尼繞組與極靴壓板等組成，疊片磁極由薄鋼板迭成，勵磁繞組用扁銅線繞成。27三、發(fā)電機通風冷卻系統(tǒng)通風冷卻系統(tǒng)為無風扇密閉自循環(huán)系統(tǒng)，空氣通過轉子的徑向氣流作用產(chǎn)生循環(huán)，在上、下機架側設有擋風板。在發(fā)電機定子機座周圍，對稱地布置12個水冷式空氣冷卻器，冷卻器與水管之間的全部接頭為法蘭或柔性管接頭，冷卻水來自電站技術供水系統(tǒng)。

28四、發(fā)電機的附屬系統(tǒng)1、空氣冷卻器、推力軸承和上、下導軸承油冷卻器供、排水系統(tǒng)系統(tǒng)以及及相應部位上設置的流量、壓力、溫度等自動控制元件。2、上導軸承油槽、推力軸承油槽和下導軸承油槽供、排油