水轮发电机技术讲课

水轮发电机工作原理、构造、及启动运行操作检查注意事项和异常、故障、事故分析处理----主讲人：张勇1工程概况思林水电站位于贵州省思南县思林乡境内的乌江干流上，上游距构皮滩水电站89km，下游距沙陀电站115km。工程开发的主要任务是发电，兼顾航运、防洪及其他综合利用。水库总库容16.94亿m3，调节库容3.17亿m3，正常蓄水位440m。电站装机容量1050MW，保证出力303.6MW，年发电量40.64kW·h是贵州省和乌江干流主要的水电电源点之一。枢纽由大坝、泄洪消能建筑物、电站地下厂房、通航及导流建筑物等组成。本工程于2005年11月24日实现大江截流，首台机组2009年05月28日投入商业运行，2009年12月10日全部机组投产发电。2思林发电厂大坝34567891011第一章水轮发电机组基本工作原理及技术参数我厂水轮发电机组共有四台，分别为：#1、2、3、4机.水轮机由上海福伊特西门子水电设备有限公司生产，发电机由哈尔滨电机厂生产。现先简单介绍一下，再分别介绍其构造。若有不对之处,敬请批评指正,谢谢大家。12一、水轮发电机组基本工作原理上游大坝蓄水具有位能，具有压力的水流经拦污栅、进水口检修闸门、工作闸门及发电引水钢管进入水轮机蜗壳，初步形成环流，再经座环固定导叶分流后均匀地进入活动导叶，活动导叶开度的大小调节转轮的水流量，转轮在水的压力和速度作用下旋转，把水能（动能、势能）转换成机械能，转轮出口水流通过尾水管排至下游；水轮机大轴把转轮的转动力矩传给与水轮机大轴连接的发电机转子，并带动发电机转子转动，当发电机转子绕组中通以直流电，形成磁场同时由转子旋转而产生旋转磁场。发电机定子绕组因切割转子的旋转磁场，而在发电机三相定子绕组中产生交变感应电势。当发电机三相定子绕组输出回路接负载时就产生交变三相电流，此交变电流产生的磁场在发电机定子、转子形成旋转磁场，并且定子绕组产生的旋转磁场与发电机转子的旋转磁场同向，同速，当发电机转子磁极对数p一定时，发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同步关系，f=p·n/60；其中f----同步发电机电势的频率(Hz);p----同步发电机的磁极对数;n----同步发电机转子的转速(r/min)。131、水能转化为机械能1）进入水轮机的水能控制P=9.81QHη,根据能量守恒，要改变P，必须调节进入水轮机的流量或者改变水头。因为水头调节范围较小（431m—440m),汛期留有防洪库容，水头调节范围更小（431m—435m)。所以一般通过调节进入水轮机的流量来改变P。通过改变活动导叶开度这一途径来调节进水量或切断水流。导叶的操作力来自液压接力器，而液压接力器则受调速器来控制。2）水电厂电能生产及送出示意图：天然水流—坝—水库—取水口—压力钢管—水轮机—发电机—输变电装置—用户3）流量的调节过程：调节命令（上位机）—机组现地LCU—调速器电气部分—调速器机械部分—液压接力器—控制环—导叶拐臂—导叶开度改变—改变进入水轮机的流量。4）请写出有功功率与水头和流量的关系式。5）请说出我厂设计防洪水位是多少？6）请简要说明进入水轮机流量调节过程？142、机械能转变为电能

水流驱动水轮机转动带动同轴发电机转动1）发电机工作基本原理—电磁感应原理，导线切割磁力线将感应电动势，闭合导线产生交变电流。在工程上由于电枢绕组庞大，故电厂一般采用移动磁力线去切割固定不动的电枢绕组。当定子绕组流过三相交流电流以后产生一个旋转磁极，该磁极的转速称为同步转速，旋转磁极与转子磁极产生相互作用力，二者之间的角度决定了力的大小(有功负荷大小）和性质（发电机或电动机）。发电机的转速n与电势的频率f有严格不变的关系，即同步关系，f=p*n/60。2）发电机调压过程：由电磁感应定律E=L*dφ/dt可知改变等式右侧任意一个参数就可以改变感应电势E，但一般L不可改变，同步发电机磁力线切割速度不可改变，所以一般通过改变磁通强度（磁力线密度）来调整电压，要改变磁通强度必先改变励磁电流强度，也就是平时改变可控硅导通角。3）电压调整过程：电压调整命令—现地LCU—可控硅导通角—转子电压—转子电流—磁通—感应电动势改变4）我厂机组额定转速为93.75r/min，请计算有多少对磁极？15二、水轮发电机组基本参数在介绍水轮发电机构造之前,先介绍我厂发电机的基本参数：1）

#1—#4发电机型号SF262.5—64/150002）额定容量291.7MVA3）额定功率262.5MW4）额定电压15.75kV5）额定电流10692A功率因数0.9(滞后)6）额定励磁电压358V额定励磁电流1984.3A7）空载励磁电压143.5V空载励磁电流1164.7A8）额定转速93.75r/min飞逸转速185r/min额定频率50HZ9）定转子绝缘等级F级定子绕组≤120℃,转子绕组≤130℃飞轮力矩≥120,000T．m2转子起吊重量635t发电机额定效率（计算值）98.61%10）测速方式残压测频和齿盘测频旋转方向俯视顺时针11）励磁方式:静止可控硅励磁16发电机定子铁心外径￠15000mm定子铁心长度14200mm气隙长度27mm定子槽数624槽定子电密（计算值）23.05A/mm纵轴同步电抗Xd（不饱和值）99.237%纵轴暂态电抗X′d（不饱和值）31.244%纵轴次暂态电抗X″d（不饱和值）21.822%横轴与纵轴次暂态电抗比X″q/X″d=1.06负序阻抗（75℃）0.039Ω；短路比1.1017三、水轮机基本参数1、#1--#4水轮机型号HL270-LJ-6802、最大水头76.00m额定水头64.00m最小水头57.00m3、额定流量446.8m3/s吸出高度-7.2m4、额定功率267.85MW最大功率291.53MW5、转轮进口直径4.950m活动导叶24片固定导叶24片转轮叶片13片最大轴向力4750kN，但不包括水轮机转动部分惯量6、额定效率95.08%及以上最高效率96.56%及以上7、制造厂家：上海福伊特西门子水电设备有限公司18第二章水轮机的构造概述：我厂水轮机采用上海福伊特西门子水电设备有限公司生产的HL270-LJ-680型混流式水轮机。是将水能转换为机械能的的一种水力机械，主要由引水部件、导水部件、工作部件和泄水部件组成。还有一些辅助设备水导轴承部分、密封装置部分、主轴中心孔补气装置、机坑内部水、气管路、测量仪表及专用工具等部分组成。目前大多数电站主要采用混流式水轮机，其优点比较明显，结构简单、制造安装方便，运行可靠并具有较高效率和较小空蚀系数。水轮机转轮上部与主轴相连，在其四周布置有活动导叶，导叶上部通过拐臂与控制环连接，下部套在底环内，而底环又布置在座环的下环内，顶盖安放在座环的上环上，盖住转轮。固定导叶布置在活动导叶的外围，座环的碟形边与蜗壳相连，并被蜗壳四周包围。水导轴承位于顶盖上，控制环通过推拉杆与接力器相连。在座环下方布置有基础环，通过锥形环与尾水管相接。19一、转轮水轮机转轮由上冠、叶片、下环、止漏环、泄水锥和减压装置组成。1、叶片是转轮中最重要的部件，是水能转换为机械能最关键部位，受多种应力作用，工作条件恶劣，需要选用高强度，抗空蚀和抗磨损的不锈钢材料。2、转轮体主要用来装置叶片，它承受水推力，要求有较高的强度和刚度，其上部与主轴法兰相连，下部与泄水锥相连，中部四周开有13个孔，安放转轮叶片。3、泄水锥将水引至尾水管，不致因水流脱流而引起机组强烈振动。4、主轴两端采用双法兰结构，下端还采用焊接加固，再用一个不锈钢盖板盖住，在主轴下端1/3有一个水导轴承轴领，我厂水导轴承采用稀油润滑轴承分块瓦，油外循环冷却方式。20二、导水机构1、导水机构是由导叶、传动机构（拐臂、连杆和控制环）、接力器和推拉杆等组成。作用是根据负荷的变化来改变水轮机的流量，已达到控制机组正常运行的目的。导叶均匀布置在座环上，其断面为流线型。导水机构接力器型式有导管直缸式、摇摆式、双直缸式和小直缸式。我厂接力器采用双直缸式。2、导叶采用不锈钢整体铸造，共计24个。每个导叶设有3个自润滑导轴承支承，1个座落在底环中，另2个在顶盖中。导叶轴上部设有一个可调整的自润滑推力轴承。导叶设有摩擦限位装置，在导叶轴穿过顶盖处的轴承套上设有活动导叶轴密封。由各部件（包括自润滑轴承、销、拐臂、连杆、控制环和推拉杆）组成的导叶操作机构将导叶与接力器相连接，并设有剪断销、导叶保护装置等。3、水轮机设有2个油压操作、双作用直缸接力器，用于通过导叶操作机构来操作导叶。接力器设置于水车室的接力器坑衬内，支承在经加工过的支座板上，支座板与机坑里衬形成整体。操作接力器的压力油由调速系统的油压装置供给，其额定工作油压为6.3MPa。接力器还设有可调的分段关闭装置和可靠的油压操作接力器锁锭装置。21三、尾水管、蜗壳和盘型阀1、每台机在尾水管底部设有2个φ800mm盘形阀和在蜗壳1个φ800mm盘形阀，用于机组检修时排空流道内的积水。蜗壳盘形阀布置在蜗壳进口段的最低高程处，将蜗壳内的积水排到尾水管内。2个尾水管盘形阀分别位于尾水管扩散段的两侧，通过排水管引至排水廊道。2、盘形阀埋入混凝土的埋件有：盘形阀操作机构套管、盘形阀座及操作机构的埋设、排水管、阀坑拦污栅及基础埋件。3、蜗壳为钢板焊接结构，按不进行水压试验设计和制造，约分为30节。蜗壳在机坑进行挂装、调整和焊接。蜗壳延伸段设有止推环（止推环由设备制造厂VSS提供），蜗壳包括进口延伸段，它与距水轮机X轴线上游10.55m的压力钢管的焊接需要在现场进行，压力钢管的内径为8.52m，厚度约30mm。4、尾水管为不带中间支墩的肘型金属尾水管，采用肘形主要作用将转轮出口的水流引向下游，当转轮高于下游水位，使转轮出口形成静力真空，利用高于下游水面的吸出高度。还有使转轮出口处的水流动能恢复为动力真空，提高水轮机效率。金属尾水管里衬自基础环开始衬至肘管出口与扩散段进口连接断面处，里衬厚度25mm。22四、水轮机底环和顶盖1、顶盖为钢板焊接结构，一般要分瓣运输到工地，采用预应力螺栓把合，不需要在现场做结构焊接，顶盖带法兰，与座环用螺栓和定位销连接，顶盖设有引至尾水管的泄压管。2、底环为钢板焊接结构，由上环、下环和固定导叶组成，置于基础环上，用螺栓与基础环连接，分瓣件在工地用螺栓把合，不需要在现场做结构焊接。3、顶盖和底环上装有用于导叶轴的自润滑轴承和密封，设有导叶轴承孔；顶盖和底环均有可更换止漏环。顶盖内设有排水道将主轴密封的渗漏水排出，并设有两台顶盖排水泵，通过设在顶盖内的液位信号器进行自动控制。

23五、水轮机轴密封系统1、水轮机轴采用中空结构，上端与发电机轴采用外法兰连接，下端与转轮采用外法兰连接。主轴有中心补气设备、补气管及相应的水密封装置。2、轴密封系统分为工作密封和检修密封两部分。在主轴通过顶盖的部位设置工作密封。密封采用恒压式径向密封，其密封水压为0.8MPa～1MPa。工作密封能在不拆卸主轴、水轮机导轴承、导水机构、管路系统和顶盖排水设施的情况下进行检查、调整和更换密封元件。密封环为自补偿型。3、在机组停机导水叶漏水较大时，为防止水进入顶盖，在工作密封下方设置有用压缩空气充气的橡胶检修密封装置，检修密封由电站空压机系统提供工作压力约为0.8MPa压缩空气。24第三章发电机的构造概述：我厂发电机均采用立轴半伞式水轮发电机，推力轴承位于发电机转子下部的下机架上。轴系由上端轴、转子支架中心体、发电机主轴和水轮机主轴组成。并由发电机上导轴承支撑。发电机采用密闭双路无风扇自循环端部回风空气冷却系统，热风由12个固定在定子机座周围的针式高效冷却器冷却（三峡发电机采用了半水冷方式，即转子为空冷，定子为水内冷）。发电机励磁采用静止可控硅励磁系统。我厂发电机采用哈尔滨电机厂生产的SF262.5-64/15000型立轴半伞式水轮发电机。主要由定子、转子、推力轴承、下机架、上机架、上导轴承、制动和除尘系统、通风冷却系统、防油雾和消防系统、上盖板等组成。定子和转子是发电机产生电磁作用的主要部件，其它部件仅起支持或辅助作用。水轮发电机的主轴用法兰盘与水轮机主轴直接连接，由水轮机带动发电机转子旋转。发电机为立轴半伞式结构，我厂采用二部导轴承和一部推力轴承，推力轴承和下导轴承支撑在下机架上，发电机轴与水轮机轴采用法兰连接。25一、发电机定子

定子是水轮发电机的固定部件之一。主要由机座、铁芯、绕组、上下止压板、端箍支架、端箍、基础板及引出线等部件组成。1、定子机座：即定子外壳，主要作用是承受定子自重、上机架及机架其他部件的重力、承受电磁扭矩和不平衡磁拉力、承受绕组短路时的切向力。因此必须具有高强度，做好防止变形和振动的措施。机座由轧制钢板焊接而成，分成6瓣运至现场，在安装场进行组圆焊接，并测圆度。在安装间定子组装平台支架基础埋件。所有焊缝应进行无损探伤定子机座下环板与定子铁芯的结合型式为齿压板结构，定子机座基础板与混凝土结合部位设有契子板、调平螺杆、螺栓及灌浆孔。2、定子铁芯：是水轮发电机磁路的主要通道，由于存在交变磁通，才在绕组中感应交变电流。称此为磁电交换元件。定子铁芯由硅钢片叠装而成，叠装一定高度，分层压紧，并用高强度螺栓压紧，定子铁芯采用鸽尾形定位筋焊接于定子机座上，焊缝要进行探伤。3、定子绕组：当交变磁场切割绕组时，便在绕组中产生交变电动势和交变电流，从而完成水能—机械能—电能最终转换。定子绕组固定好坏，关系机组安全运行和绕组寿命，如固定不牢在电磁力和机械振动力的作用下，容易造成绝缘损坏，匝间短路等故障。因而槽部线棒用槽楔压紧，端部用端箍结构固定。定子绕组由条式线棒组成，“Y”形连接，支路并联，所有的线棒接头连接采用银铜焊，绕组绝缘为国家标准中规定的F级绝缘。26二、发电机转子转子是水轮发电机旋转部件，位于定子里面，与定子之间保持一定空气间隙，它的作用是产生磁场并通过与定子的相互作用，将水能转换为电能。由主轴，转子支架、磁轭和磁极等部分组成。磁极是凸极的，首尾两磁极与转子引线相连接，转子引线接至集电环。运行时励磁装置向集电环供给直流电。1、主轴：主要起中间连接、承受机组在各种工况下的转矩、承受推力负荷引起的拉应力、单边磁拉力和转动部分机械不平衡的力。2、转子支架：连接主轴和磁轭的中间部件，并起到固定磁轭和传递转矩的作用，我厂采用是组合式。3、磁轭：主要产生转动惯量和固定磁极，同时也是磁路一部分。由扇形冲片交错叠成整体，再用螺杆拉紧，然后固定在转子支架上。磁轭外缘的T型槽用以固定磁极。为防止过速时磁轭径向膨胀，造成磁轭与转子支架分离而产生偏心振动支架将磁轭加热后用径向键加以固定。4、磁极：产生磁场的部件，由磁极铁芯、励磁绕组、阻尼绕组与极靴压板等组成，叠片磁极由薄钢板迭成，励磁绕组用扁铜线绕成。27三、发电机通风冷却系统通风冷却系统为无风扇密闭自循环系统，空气通过转子的径向气流作用产生循环，在上、下机架侧设有挡风板。在发电机定子机座周围，对称地布置12个水冷式空气冷却器，冷却器与水管之间的全部接头为法兰或柔性管接头，冷却水来自电站技术供水系统。

28四、发电机的附属系统1、空气冷却器、推力轴承和上、下导轴承油冷却器供、排水系统系统以及及相应部位上设置的流量、压力、温度等自动控制元件。2、上导轴承油槽、推力轴承油槽和下导轴承油槽供、排油