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水力发电及水电站主机设备选择

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水力发电及水电站主机设备选择
专 题 报 告
主讲人:边善庆
二○○四年八月





人类在劳动生产中要利用自然力量,最初是使用家畜, 以后才利用机械。第一台机械原动机就是水力机械。 三千多年前在我国、埃及和印度就开始有水碓、水碾、 水磨、水车等简单机械,利用水力来进行生产。我国最早的 关于水力机械的文字记载出现在汉朝,距今已有1900多年。 法国在六世纪才有人知道建筑水磨。欧洲在十五、十六世纪 由于手工业工场的发展,在手工业生产中利用水力比较普遍, 这时就有了浮动抽水站和水力织布机等机械。 在发电机没有发明以前,水力机械只是把水能转变为机 械能,各种水力机械都是直接推动各种生产机械(如磨粉、 车水等)。十九世纪后期,由于资本主义工业的发展,要求 更大量的动力;人类陆续发明了发电机和高压输电线,这时 水力就可以转变为应用十分方便的电力,同时又可以把电力 输送到很远的地方去。因此水电站建设在资本主义国家中得 到了很快的发展。

一个世纪以前,当时世界上一些先进的工业国家 所兴建的第一座水电站,以及随之而建起的第一批水 电站,按目前标准来说,都是属于小型的,甚至是微 型水电站。但是这些小型水电站的意义是十分重大的, 因为它们不仅为水电开发在技术上开创了一条道路, 而且也为当时新兴的工业提供了廉价的电力。1878年 在法国巴黎附*,建造的塞尔曼兹水电站是世界上最 早的水电站。1882年,美国的威斯康辛州的阿普尔顿 水电站投入运行,仅是一台提供1.8KW照明用的直流发 电机。1912年,我国在云南昆明附*石龙坝建成第一 座水电站,安装德国西门子公司的二台240KW水轮发电 机组。 水力发电是水能利用的主要形式。由于我国的水 力资源极为丰富,而且具备许多优越条件,因此我国 的水电建设将具有极其广阔的发展前景。

第一章

水力发电的基本概念

水力发电是利用河流中水的落差(水头)和流量 为特征值所积蓄的势能和动能,通过水轮机转变为机 械能,然后带动发电机发出电能,经母线通过低压断 路器接至升压变压器,将电压升高接入电网输电系统。 水力发电所用的河川水流是取之不尽、用之不竭 的能源,与其他能源的开发相比,不需要昂贵的燃煤

开采、运输等复杂环节,因而水力发电的成本低。同
时,水电的应用还节约了大量煤炭、石油、天然气等 重要原料,并有利于环境保护。

1.

水力发电的基本条件

一条河流的上游总比较高些,下游总比较低些,因为河 流水位高低的差别,就产生了水能,这种能量称为位能或势 能。我们知道:任何物体由高处落向低处会产生一定的力量, 所以河水由高处流向低处就会产生一定的水力。由于河流水 面高低的差别(叫做落差或水头),所以产生水力,这是构 成水力的一个基本条件。此外,水力的大小还决定于河流中 流量的多少,这是和落差同样重要的另一个基本条件。落差 和流量都直接影响水力的大小,落差和流量愈大,水电站的 出力也就愈大。 落差一般是用米来表示。例如黄河从青海发源地流入渤 海,全长4845公里,水流总共降落4368米,*均每公里落差 0.9米,也就是*均水面比降为万分之九。该比降可以表示落 差集中的程度。像黄河上游的坡降较陡,可达千分之二到三, 落差比较集中,水力利用也比较方便;下游比较*坦,比降 仅有万分之几,落差非常分散,水力利用也就要困难些。

一个水电站所利用的落差,就是水电站的上游水 面和通过水轮机后的下游水面之差(如图1)。水电站 上游和下游的水面经常变动,落差也就随着变动。

流量是河流中单位时间内流过的水量,以一秒钟 内流过多少立方米来表示。流量在时间上的变化非常 显著。我国的河流一般在夏季、秋季流量较大,冬季、 春季比较小,各月、各天的流量不同,各年的水量也 不同。像黄河通过三门峡的最大流量曾达到每秒18500 立方米,而最小流量只有每秒160立方米,相差达100 多倍。天然的水力随着流量的变化而忽大忽小,很不 适用,所以必须修建水库,调节流量,才能充分地利 用水力资源。 一般河流的流量在上游比较小;因为各支流的汇 入,下游流量逐渐增大。所以上游的落差虽集中,但 是流量较小;下游流量虽大,但是落差比较分散。因 此,往往在河流的中游段利用水力最为经济。

我们知道了一个水电站利用的落差和流量,则水 从高处落下,在单位时间内所做的功,叫水流功率可 用下式表示:

No =γQ H (kg-m/s)
式中 γ— 水的比重,每立方米水等于1000公斤重。 Q — 流量,以每秒立方米计。 H — 落差,以米计。

但是,水流功率一般不用kg-m/s表示,而用千瓦 或马力作单位,它们之间的关系为: 1 kW= 102 (kg-m/s) 1 HP= 75 (kg-m/s) 所以水流功率也可用下式表示: 1000 No = ——— Q H = 9.81QH 102 1000 或 No = ——— Q H =13.33QH (HP) (kW)

75

当水流作功时,必然有一定能量的损失。所以实 际上所作的功比No小。即: N = Noη = 9.81QHη(kW) N = Noη = 13.33QHη(HP) 式中 N—— 水电站的出力。 η—— 效率系数。 当初步估算出力时,效率系数可采用0.82,则水 电站的出力可简化为: N = 8QH (kW)

● 例如某个水电站引用流量100m3/s,利用水头50m,它的出 力为: N = 8×100×50 = 40000 kW 由于河流中的流量和落差经常在变化,而且用电需要也 随时在变化,所以水电站所发的电也是各季、各天、各时不 同的。水电站所生产的发电量是以千瓦时(度)来计算的。 因为一小时等于3600秒,用W/3600来代替上述公式的流 量,就可以得到计算电能的公式如下: E = 8×W/3600×H =WH/450 (kW· h)

l 例如某个水电站一年中利用的水量是20亿m3,*均水头45m, 它的年发电量为: E = 200×107×45/450=200×106 =2亿 (kW· h)

2

水力资源的开发

2.1 我国水力资源的开发
我国水力资源十分丰富,水能资源理论蕴藏总量(未包括 台湾省)6.76亿kW,居世界第一位。其中,长江流域占40%,西 藏各河流约占21.5%,西南各国际河流约占16.7%,黄河流域占 6%,珠江流域占5.2% ,其它约占10.6%。在地区分布上,我国 水力资源的72%集中在西南地区,其次是中南、西北、华东、东 北,华北和内蒙最少。 长江是我国第一条大河,流域面积约194万*方公里,全长 约5200公里,全部落差约5600米,总蕴藏量约2亿多kW,年总水 量超过1万亿m3。长江的水力资源大部集中在上游,即我国的西 南地区,四川宜宾以上约占64%;宜宾以上坡度大,宜宾以下流 量大。长江由四川流入湖北,经过了世界有名的特大型三峡水 电站,其发电能力达1820万kW,装设26台70万kW水轮发电机组。

黄河的综合利用流域规划已在二十世纪五十年代 编制完成。按照规划内容,除了黄河下游的严重水害 将得到根本解决外,并将在黄河干流从青海龙羊峡以 下到海口止共3670公里间建立46座水力枢纽,总发电 容量可达2300万kW。其中刘家峡、盐锅峡、青铜峡、

八盘峡、三门峡和龙羊峡等大型水电站都已建成,不
仅供给西北地区各工业城市的用电,并可为黄河下游 的灌溉和航运创造十分有利的条件。

南方的珠江是我国的第三条大河。根据有关资料,
珠江流域也有不少优越的水力发电地址,现正进行对 全流域的有系统的勘测研究工作。

我国水力资源中技术上可开发的装机容量约3.78亿kW,

相应年发电量1.923万亿kW· h。但总开发率很低,东西部开
发差异很大。全国*均开发率按2003年水电发电量* 14.7%,约居世界第70多位,排在很多发展中国家如印度、

巴西、埃及、越南、泰国等国家之后。当前我国西部地区的
水电开发才刚刚开始,开发水*仅7.5%,开发潜力巨大。因 此,21世纪水电要结合国家的西部大开发机遇,实施大规模 西电东送的战略。

2.2 我国水力资源开发的特点

(1)我国的一些大型水电站在地区分布上很有利,
一般都处于人口稠密地区的附*,所以它的经济价值 很高。如黄河的三门峡、刘家峡;长江的三峡、葛洲 坝;四川的大渡河、岷江;浙江的新安江和东北的松 花江等。同时我国水力资源的分布也恰巧弥补了我国

煤矿分布上的缺陷,我国的西南、西北以及长江以南
的地区缺少质好量大的煤矿,建设火电厂的条件较差, 但是这些地区都有丰富的水力可以利用。

(2)我国许多水力资源都具有巨大的综合利用的作用。
这些水力资源的开发,都能同时满足国家当前迫切的防洪、 发电、灌溉、航运等要求。例如黄河的开发和治理,就要同

时解决黄河的防洪、发电、灌溉、航运,水土保持等问题,
这是河流综合利用的原则。我国长江三峡水电站显著的经济 效益,也体现了这个原则:水库总库容393亿m3,其中221亿 m3 的防洪库容,能有效控制长江洪水;年发电量847亿kW· h, 辐射大半个中国,可使全国人均每年增加电量70kW· h;万吨 级船队可直达重庆,单向年通过能力将从目前的1000万吨增 加到5000万吨,运输成本可降低35%;年发电量相当于燃烧 5000万吨原煤的能量,可相应减少温室效应和酸雨,保护了

环境。

(3)我国的许多水力地址,特别是目前选择并准备开 发的一些水电站,大都有很好的自然条件。由于地形、地 质、水文条件优越,因而工程量比较小,而发电量却比较

大。例如原苏联古比雪夫水电站装机容量210万kW,混凝土
量是700万m3,约每千瓦要用3.5 m3的混凝土,此外还要大 量的土方;而我国黄河上的若干水电站,每千瓦约只用1.5 m3 左右的混凝土。同时我国土建工程的造价与机电设备和 金属材料采购金额相比,是比较低的;水电站工程所需的

石料和砂石料,大都可以在工地附*取得。此外,我国的
气候条件也比较好,绝大部分地区可以一年四季施工。这 些自然条件的优越,可以大大地缩短水电建设的周期。

总的来说,我国的水力资源是极为丰富的,而且 具备许多优越条件,但结合我国的实际情况,在水电

开发中需要特别注意两个问题:一是河流中的泥沙问
题,二是水库建设涉及的移民问题。因为河流中挟带 的泥沙,在最严重的情况下可以很快将水库淤满,如

流入渠道会引起渠道淤塞,粗粒泥沙通过水轮机会引
起转轮叶片的磨损。如果在*原河流上修建大型水库, 就会造成一定的淹没损失,并需妥善地解决水库建设 涉及的移民问题。这两个问题,我们在规划水电站开 发时,必须慎重地加以考虑。

2.3

世界水力资源的开发

全世界理论水力资源蕴藏量目前还没有一个准确的数字, 有人估计大约60-70亿kW。据《国际水力发电与大坝》杂志 1999年统计资料,按年发电量估算,世界理论水力资源蕴藏 量为405,000亿kW· h,技术可开发水力资源为143,200亿kW· h。 截止到1998年底,全世界水电总装机容量约为6.9亿kW,年发 电量约为27610亿kW· h,开发利用程度约为19.3%。 世界上大多数发达国家,一般都优先发展水电,水电开 发程度在60%以上的国家共有9个,分别是:法国(96.9%)、 瑞士(84.9%)、墨西哥(69.9%)、奥地利(69.1%)、德国 (68.9%)、美国(67.4%)、日本(66.6%)、挪威 (64.5%)、意大利(63%)。发展中国家水电开发利用程度 长期不高,但*二、三十年来,尤其是二十世纪80年代中期, 一些国家水电开发速度大大加快,如巴西、巴拉圭、委内瑞 拉、土耳其和中国等。目前世界上水电装机容量排在前5位的 国家,分别是:美国(7540万kW)、中国(7297万kW)、加 拿大(6567.8万kW)、巴西(5451.4万kW)、俄罗斯(4394 万kW)。

目前各大洲水力资源开发情况表
地区 理论水力 资源 (亿kW· h) 技术可开发 水力资源 已开发资源 水电开发 装机 年发电量 程度

(亿kW· (万kW) h)

亚洲 非洲 南美洲 中北美洲 欧洲 大洋洲 合计

203003.72 33242.08 75026.05 64858.62 24287.30 4451.20 404868.97

67903.07 19235.19 28899.52 16308.18 9731.81 1156.14 143233.91

22980.83 2033.31 10543.94 15420.70 16738.98 1330.57 69048.33

(亿kW· h) 7841.02 637.27 5742.59 7496.94 5434.80 429.87 27582.49

(%) 11.5 3.3 19.9 46.0 55.8 37.2 19.3

从上表可以看出,世界水电开发程度以欧洲为最 高,而非洲和亚洲较低。因此,对于非洲、亚洲和南 美洲来说,今后开发水电的潜力还是很大的。 世界上有许多国家,正是由于具有丰富的水力资 源的优势,凭籍其大量廉价的水电而建立起发达经济 的。例如北欧的挪威、瑞典,中欧的瑞士,北美的加 拿大等国都是如此。挪威自称“能源之国”,技术可 开发的水力资源为1780亿kW· h,已开发1150亿kW· , h 主要用以发展铝、镁等有色金属冶炼,以及化肥、纸 浆等能源密集型工业。目前挪威的*均电价在世界各 国中为最低,人均用电量在世界各国中为最高,而其 人均国民收入则居世界的前列,超过美国和日本。

3.河流的综合利用和梯级开发
3.1 河流的综合利用
河流的综合利用是社会主义制度下开发水力资源的根
本原则。也就是说,对国家水利资源的利用,必须从整个国 民经济的利益出发,同时尽可能的满足各项水利事业的要求。 我国许多河流的水力地址都具有巨大的综合利用的作 用,不仅可以建设水电站发展电气化事业,而且可以同时采

取各种水利措施,解决防洪、灌溉、航运(包括放木和筏
运)、工业城市给水、渔业等问题。这样,我们就能充分地、 合理地分配和利用水力资源,使各个经济部门都能得到应有

的发展。

我们知道,各项水利事业的利益在某些方面是一致的,例 如建立一个水利枢纽,可以发电,可以使上游的航运水深大大 增加,也可以拦蓄洪水,造成灌溉及供水的有利条件。但是在 某些方面它们之间的利益也可能发生矛盾。例如发电要求水库 在汛期尽量多蓄水,以供枯水期使用,而防洪却要求水库在汛 期内经常空出一定的容积,以备随时拦蓄洪水。在此情况下, 我们就只能根据统筹兼顾的原则,妥善地解决防洪和发电蓄水 的矛盾。 必须指出,在各种不同的具体条件下,综合利用原则必须 根据各项水利事业在当地的迫切和重要程度的不同,分别轻重 缓急,加以不同的对待。例如我国永定河上的官厅水电站,是 一个综合利用的水利枢纽。但是由于永定河洪水严重威胁着首 都北京和重要工业城市天津及该地区其他城市和广大农村人民 生命财产的安全,因此在综合利用规划中必须首先满足防洪的 要求,其他各项水利事业的要求,在全面规划、统筹安排下, 以期得到最大可能限度的满足。 总的来说,河流综合利用的效益是巨大的。它们之间的要 求虽然存在着一定的矛盾,但都可以在社会主义制度及综合利 用的原则下得到统一解决。

3.2

河流的梯级开发
河流的梯级开发,就是把河流象通常的阶梯那样

分成很多级来开发。为什么要研究河流的梯级开发呢?

我们在河流上建造一个水电站时,仅仅只利用了整个
河流的一小段,在这一段的上下游还可建造一系列的 水电站,也就是说,每个水电站仅是河流梯级开发中 的一个梯级。

在流域规划中,根据综合利用原则和水文、地理、地质 等自然情况进行河流的梯级开发,选定坝址,决定坝高,以 获得一定的效益。例如在一个地形开阔、地质条件很差的河 段,那就是基本上否定了建筑高坝的可能性。相反,如在岩 石坚硬,地形陡峻的峡谷段,就要考虑建筑高坝或引水道式 的高水头水电站。在研究河流的梯级开发时,还必须考虑到 河流流量需要调节的程度,并选定几个关键性的调节水库。 调节水库的位置很重要,如太偏上游,控制的面积就太小, 流量不大,调节作用不显著;如位于下游,上游的一系列水 电站就得不到调节的好处。所以,在比较大的河流,一般都 有几个大水库分布在各河段上。象黄河干流的46个梯级开发 中就有三个大水库,分布在三个河段上,中间并有一系列的 中小型水库,互相配合,就可得到最大的拦洪和调节流量的 效果。为此,需要做大量勘测、调研、论证和可行性研究工 作。

在研究和选择河流的梯级开发时,一般要考虑以 下几个因素:

★ 符合综合利用的原则,最大限度地满足各经济
部门的要求。

★ 能得到最大的发电效益,也就是各梯级的总出
力和总发电量应该是最大的。 ★ 使全部梯级造成的总淹没损失最小。 ★ 在梯级中能选出解决当前任务,适宜于提前开 发的第一期工程。

第二章

水电站布置方式及设备概述

1.水电站建筑枢纽的组成
无论发电、灌溉或任何一种水利事业,都需要修

建水工建筑物,以控制和支配水流。不同用途的若干
个水工建筑物组合在一起,便构成了水利枢纽。如果 水利枢纽是以发电为主要目的,也可称为水电站建筑 枢纽。

水电站建筑枢纽建筑物组成
水电站建筑枢纽有下列建筑物组成:

( 1) 挡水建筑物
其典型代表是各种类型的坝。它是枢纽中重要组 成部分之一。主要功用是拦蓄水流,抬高水位,形成 水库或便于引水建筑物的引水。 ( 2) 泄水建筑物

其功用是渲泄水库中多余的水,保证水电站建筑
枢纽中各建筑物的安全。各种类型的溢洪道、泄水孔、 泄水隧洞等都属于这类建筑物。泄水建筑物可建于坝 上或坝旁。

(3) 引水建筑物 其功用是将水引入水轮机及为了满足某些下游用水部

门的要求,将水由挡水建筑物的上游引至其下游。渠道、
水槽、水管、隧洞等都属于此类建筑物。 (4) 水电站厂房 水电站的厂房是使水能转变为电能的主机设备和为此 目的服务的附属设备的工作场所。装设水轮发电机组的场

所为主厂房,装设附属设备、电力仪表及机检修工厂等的
场所为副厂房。

(5)水电站开关站 开关站是水电站接入电力系统的升压开关站。它和枢纽

总布置、出线走廊、送电方向、出线回路数、出线电压等级
及相关电器设备有关。按布置一般分为户内式和户外式。 (6) 其他建筑物 为了其它目的,有时在水电站建筑枢纽中还筑有专门建 筑物。如为航运目的而建的船闸、筏道、升船机等;为养鱼

而建的鱼道、鱼闸等。
自然条件是复杂的,因而每一个水电站枢纽都各有其特 殊性。上述建筑物在不同的自然条件下可能采用不同型式。

2.水电站的布置方式
如在一较短的河段上有集中的水位落差,就可以 最有效地利用水流能量。当有天然瀑布时,水流能量 的利用可大为简化,然而这样的条件十分罕见。一般 要利用分布在一段长距离上的河川落差,这需要人工 将落差集中。水电站可以按不同的集中落差方式,分 成以下三种基本类型的布置方式。


★ ★

堤坝式水电站的布置方式
引水式水电站的布置方式 混合式水电站的布置方式

2.1 堤坝式水电站的布置方式
在这种布置方式中,水头主要靠坝造成,如图2 所示。为了利用A、B两点之间的落差,在B点筑一座坝, 将水位抬高至A点。此时就形成可利用的水头H,△H为 水头损失。堤坝式水电站布置时,厂房可以位于坝轴 线的一端、坝后或坝内。这种布置方式,不可避免地 引起淹没。所以,利用堤坝所构成水头的大小,除了 决定于筑坝的技术条件外,另一方面还取决于上游的 地形条件及淹没面积的价值。如果淹没较大的居民 区、,重要的工矿企业和交通要道等,有时虽然淹没 面积不大,但仍是不经济的。堤坝式水电站枢纽布置 见图3。

图2

堤坝式水电站的布置图

图3

堤坝式水电站枢纽布置图
3 — 船闸)

(图中:1 — 拦河坝,2 — 发电厂房

堤坝式水电站由于在堤坝上游形成了水库,又

可以利用水库中的存水进行水量调节。这种水电站适
宜于*原河流,大多建筑在河道坡降小,而流量较大

的河段上。

2.2

引水式水电站的布置方式
引水式水电站的水头主要靠坡降很小的引水道造

成。如图4所示,为了利用B点以下的集中落差,在B点 筑一座坝,然后由坝的右岸用引水明渠(或隧洞)将

水引至C点,再由C点经压力管道将水引入厂房内。很
显然,这种布置方式是由明渠来造成水头的,坝的作 用只是将水引入明渠中去,对增加水头不起显著作用。 引水式水电站的布置方式,在坝的上游造成的淹没较 小,但不能像堤坝式那样用水库来对河水进行调节。 引水式水电站枢纽布置见图5。

图4

引水式布置示意图

图5

引水式水电站枢纽布置

引水式水电站适宜于山区河流,河道坡

度较陡和流量较小的情况。由于这种水电站引
用的流量不会太大,发电规模往往比堤坝式水

电站要小,一般都属于中小型水电站。

2.3

混合式水电站的布置方式
混合式水电站的布置方式如图6所示。这种布置

方式具有堤坝式和引水式布置的优点。坝上游AB段的

水头可由筑在B点的坝来集中,坝下游的集中水头可由
引水渠道取得。同时这种布置方式可形成较大的水库 来进行河流的水量调节。混合式布置方式最适合于上 游坡降较小、下游有很大坡降的河流上。

图6

混合式布置示意图

上述三种布置方式实际上是最常用的,
同时也是最简单的。在复杂的自然条件下,为

了充分利用能量,有时迫使采用更复杂的布置
方式。但是引水渠道(或隧道)和坝在这些布 置中仍是集中水头的主要建筑。

3.水电站设备
水电站设备通常是指在机械和电气方面所必需具备的设 备,主要包括水力机械设备、电气一次系统、电气二次系统、 金属结构及一些辅助设施。

3.1

水力机械设备

水力机械设备包括水轮机、水轮发电机、调速器、励磁 装置和进水阀门,以及各种水泵、油泵、空气压缩机、起重 设备、通风和采暖设备等。它的主体是水轮发电机组,其余 都是围绕着主机正常运行、检修所需要的辅助设备。 (1)水轮机是将水能转变为转动主轴的机械能。根据水 电站的水头大小,可以设计安装混流式、轴流式、贯流式和 水斗式等水轮机。 (2)水轮发电机是将水轮机的机械能转化为电能,然后 送入电力系统。由于水轮发电机通常是与水轮机同轴刚性连 接,故整个机组的转速是一致的。

(3)调速器用于控制水轮机的转速,方法是:采用 混流式水轮机时改变导叶的开度;采用轴流或贯流式水 轮机时改变导叶和轮叶的开度;采用水斗式水轮机时改 变针阀和折向器的开度。调速器包括油压装置、操作柜 和输油管路等。 (4)励磁装置用以向发电机提供磁场电流源。在正 常情况下维持发电机电压水*,合理分配发电机的无功 功率。事故时应进行强行励磁、强行减磁或灭磁,以提 高电力系统的稳定性。 (5)水轮机进水阀门多采用蝴蝶阀和球阀,一般安 装在水轮机的分支压力管上。进水阀门的用途:在机组 检修和长期停机时,关闭阀门以减少导叶缝隙漏水造成 气蚀损坏;在导水机构因故障不能关闭时,关闭阀门以 防止机组飞逸。

(6)水电站厂房内的起重机是主要起重设备,其 起重量应根据机组的最重安装件(通常为发电机转子) 的重量进行选定。有的厂房安装二台起重机,而在吊 运转子和其他过重部件时由二台起重机联合作业。

在安装过程中,除利用厂房内主起重机外,还应
采用一些小型机械化起重运输工具。如在水轮机室内 进行检修工作时往往需要安装沿环形轨道滑行的电葫 芦,以保证水轮机室内全部范围内的起重作业。

3.2

电气一次系统

电气一次系统是变压器、断路器、隔离开关、互感器、避 雷器等设备通过母线、导线构成的整体。它的主要作用是发电、 变电、灵活地汇集和分配电能,安全、经济地送电。电气一次 系统与电力系统的稳定运行、绝缘配合、过电压和短路容量等 均有密切关系,要求选用运行灵活、可靠的设备,其结构、性 能、参数均能满足电力系统运行需要。 同步水轮发电机的电压相对较低,一般为10.5kV 至24kV。 在这种情况下,由发电机输往变压器的输电电流必然很大,因 此要求母线的断面相应增大。容量在10万kVA以下时可采用明 式母线,容量更大时则采用封闭母线或特制电缆。鉴于母线造 价很高,且其电能损失较大,故应力求使变压器靠*发电机, 以缩短母线长度。 由于SF6 全封闭组合电器占地面积小,不受气候条件的影 响,不产生无线电干扰、无静电感应问题,有良好的运行性能, 因而有着广阔的发展前途。

3.3

电气二次系统

电气二次系统包括由自动化元件、自动装置、继电器、 仪表等组成的监测、控制和保护系统。它的主要作用是监视、 控制电气一次系统的运行,保证电能质量,并在电气设备出 现异常和故障时自动发出信号或切除故障,以缩小事故范围。 此外,电气二次系统还包括保证水电站实现综合自动化所需 的操作机构,如自动操作、自动保护、自动调整、自动检测 和自动经济运行。 电气二次系统的控制装置所用直流操作电源,由专门的 变压器和备用蓄电池组供给。所有最重要的操作和控制机构 均应接通中央控制室,从中央控制室实施电站机组的操纵。 随着电力系统的发展和大容量水电站的建立,要求采用 电子计算机,在基础自动化工作和自动化元件日臻完善的情 况下,逐步实现全电站的综合自动化。现代化水电站的值班 人员很少,甚至无人值班。

3.4

金属结构

水电站的金属结构由拦污栅,工作闸门、检修闸 门和压力输水管道等组成。它的主要作用是满足水工 建筑物运行的需要,并保证在任何工作水位下供给电 站必需的水量。 水电站进水口上的拦污栅,用以阻拦污物进入输 水管道,以防护水轮机、阀门、管道不受损坏。工作 闸门多采用固定式启闭机,每扇闸门一套。检修闸门 多采用活动式启闭机操作,门体*时存放于门库。几 个孔口可共用一套检修闸门。压力输水管道多采用焊 接压力钢管,它适用的水头范围很广,可由几十米至 一千多米。

3.5

辅助设施

为了使水电站正常、安全、经济运行,水电站还需配置 技术供水系统、压缩空气系统、压力油系统、水轮机过流部 件的排水系统、水力测量监视系统、通风和空气调节系统、 采暖系统、通信系统以及机械修配设备等辅助设施。 (1)技术供水系统用于向机组部件和热交换器(冷却器) 及保证机组正常运行所必需的其他设备供水。它包括水轮机 导轴承的水密封装置、水轮发电机空气冷却器、推力轴承、 导轴承及变压器的油冷却器。 技术供水系统的运转安全程度,决定着水电站的运行可靠性, 因而往往需考虑主用和备用水源。主用水源一般可由压力水 管或下游取水,当水头高时,自流供水;水头低时,以水泵 供水。技术供水系统除所要求的流量和压力外,还应保证水 质足够清洁。为此,应设置专门的滤水器,其滤网必须定期 清污。

(2)压缩空气系统保证水电站水力机械设备和电气 设备所需的压缩空气。在一般情况下,水电站均配置两 套压缩空气系统:7kg/cm2的低压系统,主要用于机组制 动闸、机组调相时压水、风动工具和吹扫及蝴蝶阀围带 充气等;>25 kg/cm2的高压系统,主要用于调速器油压 装置充气、空气断路器操作和灭弧用气等。压缩空气系 统由空气压缩机、贮气罐和耐压风管组成。空气压缩机 的数量一般不少于两台,其中一台备用。 (3)压力油系统由贮油设备、油处理设备和管网组 成。用以接受新油、贮存净油、向设备注油、运行油的 贮存和监护、新油和劣质 油处理、废油的收集、再生、 贮存和发运。 水电站用油以汽轮机油和变压器油用量最大。油系 统内汽轮机油和绝缘油的贮油罐和油处理设备必须分开 设置。绝缘油库一般布置在主厂房外,靠*主变压器或 开关站。汽轮机油库可布置在电站厂房内,需有消防和 防潮措施。

(4)排水系统用于机组检修时,需排除在压力水管、 蜗壳、尾水管内的积水。该系统包括:排水管道及所附闭 锁机构、排水廊道、集水井和水泵机组。计算水泵机组向 下游排放积水的能力,以不超过4~8小时为限。此外,还 应设计集流排水设施,以便排除室内的漏水和渗水。 (5)为了安装、检修机组和其他设备,在设计水电站 时应考虑配置机械修配设备,其品种、数量按电站装机容 量、台数、水轮机直径等因素确定。一般,配置机械修配 设备有以下几点基本要求: ◆ 应能满足机组和其他设备易损零部件的修配。 ◆ 电站交通方便,据城市较*或附有协作厂时,设备 可酌情减少。 ◆ 同一或相邻河流上有几个邻*的水电站时,应在其 中一个设置梯级中心修配厂。

(6)为使电站安全,经济运行和收集科研资料,电 站设有水力测量监视系统。一般测量项目有:

全站测量:上、下游水位,电站毛水头,冰凌信号,
水库水温测量。 机组测量:拦污栅前后水位差及堵塞信号、钢管爆 破保护、水轮机流量、净水头测量,水轮机流道的压 力、气蚀测量等。 试验性测量:在个别机组,装设专用测量管道, 以测量机组效率等

(7)水电站厂房的通风、空气调节与采暖系统, 是保证机电设备安全运行与保护运行检修人员身体健 康的必要措施。一般应按有关设计标准、规范要求, 并结合水电站厂房的特点进行合理的设计。如水电站 厂房发电机层余热量较大,应以降温为主;水轮机层 及以下各层湿度较大,应以去湿为主。中央控制室应 采用比主厂房标准高的通风设施。 (8)通信系统是保证水电站安全运行、生产管理 和经济调度的重要手段,主要包括厂内通信和系统通 信。厂内通信包括生产调度和生产管理通信,系统通 信用于对外通信及防汛通信等,一般由电力线载波、

架空地线载波和微波中继通信等几种方式构成。

第三章
1 水轮机

水轮发电机组及其选择

1.1 水轮机类型 由于水流对水轮机转轮的水力作用不同,水轮机 可分成反击式和冲击式两大类型。 1.1.1 反击式水轮机 反击式水轮机主要是利用水流的压力能(位能) 来做功。在水流流入水轮机转轮叶片流道前,流速较 小,压力较大;水流流处叶片流道后,流速较大,压 力较小。这样使转轮叶片的正背面形成了压力差,构 成转动力矩的条件,促进转轮转动。 由于水流进入转轮的方向不同,反击式水轮机又 可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种型式 (如图1)。

图1 反击式水轮机示意图

1) 混流式水轮机 其水流是从水*方向(径向)流进转轮,经过叶 片,转为垂直方向(轴向)流出。这种型式水轮机在 1849 年 由 美 国 人 法 兰 西 斯 研 究 成 功 , 国 外 常 称 为 Francis式。混流式水轮机应用普遍,运行稳定,效率 较高,多用于中水头和中等流量的水电站,一般适用 净水头30-700m。 2) 轴流式水轮机 其水流是从垂直方向(轴向)进入转轮,经过叶 片,仍从垂直方向流出。这种型式水轮机在1912年由 捷克人卡普兰首次采用定桨式水轮机,1916年卡普兰 研制成功转桨式水轮机,所以在国外也称为Kaplan式。 轴流式水轮机过水能力大,适用于大流量、低水头水 电站,一般适用净水头30-80m。

3) 斜流式水轮机
其水流是与水*方向成一定角度流入转轮,经叶 片后再以垂直方向流出。这种水轮机在1952年由当时 在英国电力公司工作的瑞士人代里阿兹研制成功的, 国外也称为Deriaz式。斜流式水轮机适用净水头在 40-120m。

4) 贯流式水轮机
其水流由水*方向流入转轮,经过叶片后仍由水 *方向流出。这种型式水轮机过流量大,效率较高, 水力损失小,但对密封、绝缘要求高,一般适用净水 头小于20m。

1.1.2

冲击式水轮机

冲击式水轮机是利用水流的动能来做功的。水流 从喷嘴射出,形成一股呈水柱状的高速射流,冲击转

轮使之转动。它不需要尾水管、蜗壳和复杂的导水机
构,因此结构比较简单,操作维护方便。根据水流喷 射条件和转轮结构的不同,冲击式水轮机可分为水斗

式、斜击式和双击式三种型式(如图2)。

图2

冲击式水轮机示意图

1) 水斗式水轮机
其高速水流垂直喷射在转轮的斗叶上,推动转轮 旋转后水流跌落入尾水渠中。尾水渠的水面为大气压 力。这种型式的水轮机在1880年由美国人贝尔登研制 成功,国外也称Pelton式。水斗式水轮机多用于小流 量、高水头的水电站,适用净水头300-1700 m。

2) 斜击式水轮机
其高速水流斜向喷射在转轮上。水流从斗叶一侧 进入,由另一侧流出。斜击式和水斗式主要区别是射 流的角度不同。水斗式的喷嘴与转轮是在同一*面上, 而斜击式的喷嘴与转轮的回转*面形成一个角度,一 般为22.5度。斜击式水轮机过流能力比水斗式大,适 用净水头20-300 m。

3) 双击式水轮机
其高速水流喷射在转轮的上部叶片,进行第一次 射击,水流经过上部叶片流向中心再流入转轮下部叶 片,对下部叶片进行第二次射击,故称为双击式。这 种型式水轮机效率较低,但结构简单,一般用于小型

水电站,适用净水头 5-100 m。

1.2

水轮机基本工作参数
水轮机基本工作参数是表明水轮机对水流能量利

用的特性值,包括7个有因次量:出力N (kW)、流量Q

(m3/s)、水头H (m)、额定转速n (r/min)、飞逸转速np
(r/min)、转轮名义直径D1 (m)和允许吸出高度hs (m)。 2个无因次量:水轮机效率η和气蚀系数σ。

1) 出力 水轮机出力是水轮机轴上向外输出的机械功率, 用N表示,一般采用单位为kW,可由下式求得: N =γQHη/102 = 9.81QHη (kW) 式中η — 水轮机效率 2) 流量 单位时间内通过水轮机的水流体积,称为水轮机 流量,用Q表示,一般采用单位为m3/s。水轮机在设计 水头时达到额定出力所需流量称为设计流量。

3) 水头 水电站上游水位与下游水位之差,称毛水头。水 电站毛水头减去自上游至水轮机蜗壳入口处管道内的 水头损失,称净水头,一般采用单位为m。 根据电站自然条件不同,水轮机工作净水头在一 定范围内变化,有的水电站最大与最小净水头变幅可 达2倍或更大。 设计水轮机时,一般给定最大净水头、最小净水 头和设计净水头。设计净水头是水轮机达到额定出力 时最小净水头。在个别情况下,设计水轮机时还给出 加权*均净水头(表示长时间出现的净水头)和初期 运行净水头(水库还未蓄满水时,水轮机初期运行的 净水头)。

4) 转轮名义直径

水轮机的几何尺寸 是以转轮的名义直径 ( D1 ) 为表 征 的 ,一 般 采用单位为m。我国水轮 机制造厂所采用的转轮 名义直径D1 ,如图3表示。

5) 额定转速 额定转速是水轮机轴每分钟旋转的次数,用 n表示,一般 采用单位为转/分。 6) 飞逸转速 当甩去全负荷, 水轮机轴输出功率为零,导水机构不关闭, 水流通过转轮产生的最大转速称为飞逸转速。 7) 效率 水轮机效率等于水轮机轴上的出力与进入水轮机的水流出 力之比。由于水轮机工作过程中产生能量消耗,效率η恒小于 1.0。 8) 气蚀系数 水轮机的汽蚀性能用气蚀系数σ表示,它是转轮叶片动力 真空与工作水头的比值。水轮机气蚀系数在实验室由模型试验 确定,由水轮机模型综合特性曲线上查取。

(9)允许吸出高度
反击式水轮机在转轮叶片背面接*出口的区域会发生气 蚀,因为在此位置压力最低。为避免叶片气蚀的发生,可通 过选择适宜的吸出高度来控制该区域的真空值。 允许吸出高度hs是水轮机转轮叶片压力最低点与下游水 位间的高度差,计算公式如下: hs ≤10.0 - ▽/900 -KσHr (m) 式中 ▽ — 水轮机装置高程(m) σ — 气蚀系数,从水轮机模型综合特性曲线上 查取。 k — 气蚀修正系数,一般取1.2~1.5 。 在工程实践中,通常将各型式水轮机的标高统一定在 水轮机的中心线。因此,实际吸出高度Hs = hs +下游水位 至转轮叶片旋转轴线的距离。采用这种起算点计算水轮机允 许吸出高度,还有一定的安全裕度。

1.3 水轮机单位参数与比转速 1.3.1 水轮机单位参数
水轮机运行工况和水流运动情况复杂。目前,水
轮机设计以理论计算为基础,通过试验研究予以验证 和补充。在试验中,要使模型水轮机和原型水轮机呈 几何相似、运动相似和动力相似。为便于比较,可将 各种水轮机各种工况的基本工作参数换算成水轮机转 轮名义直径为1m、工作水头为1m的参数,这些参数称 为单位参数。计算公式如下:

单位转速 n`1 = n D1 / √H (r/min) 单位流量 Q′1 = Q / D12 √H (m? /s) 单位功率 N′1 = N / D12 √H3 (kW)

单位参数由模型试验求出。几何相似、尺寸不同 的水轮机构成系列,同系列水轮机在相似工况下工作

时单位参数相同。为反映系列水轮机参数的相互关系,
分别以单位转速n′1 和单位流量Q′1 为纵横坐标,绘 制成水轮机模型综合特性曲线图。图4为混流式水轮机 模型综合特性曲线。

图4 混流式水轮机模型综合特性曲线

该图表示不同工况的模型水轮机效率η、气蚀系

数σ、导叶开度α。和水轮机5%的出力限制线。轴流
式和斜流式水轮机还表示出转轮叶片开度φ0。*年来, 随着大容量、大尺寸水轮机的迅速发展,为保证水轮 机的稳定运行,要求测定模型转轮出口尾水管的压力 脉动值ΔH/H ,并要求此值小于10%。

1.3.2 水轮机比转速
水轮机在1m水头下,发出1HP的功率时所具有的转速, 即为水轮机的比转速,用ns 表示,此时单位为r/min。比转 速与运转时的水轮机转速n、水头H和出力N有关,当水头 不是1m ,出力不是1HP时,其比转速的单位将变成m· HP。由 相似律的关系可以得出下列两个公式:
n √Nhp ns = H 4√H (m· HP) 或 ns = 0.857 H 4√H n √Nhp (m· kW)

将上述表达式作变换,可导出用单位参数表示比转速的 关系式:
ns = 3.65n1’ √ (Q1’ η) (m· HP) 或 ns = 3.13n1’ √( Q1’η) (m· kW)

由上述公式看出,ns 为单位转速n′1 和单位流量Q′1 的 函数.

对于几何相似的水轮机,在相似工况下的比转速ns 是相等的。通常以下列两种工况的ns 来表征某一系列 的水轮机: 设计水头和额定转速与额定出力相对应工况点的比 转速,称为设计比转速。 最优效率对应的最优工况下的比转速,称为最优比 转速。 现代水轮机的设计比转速范围: 轴流式水轮机 混流式水轮机 水斗式水轮机(单喷嘴) ns = 200~850 (m· kW) ns = 50~300 (m· kW) ns = 10~35 (m· kW)

在一定水头下,提高反击式水轮机的比转速,可 以缩小水轮机尺寸,提高发电机转速,从而减轻机组 重量,提高经济性。但比转速的提高,受到水轮机气 蚀强度以及稳定性的限制。提高水斗式水轮机的比转 速,在于增加喷嘴数目。目前水斗式水轮机喷嘴数最 多为6个。 我国水轮机型谱推荐的设计转速与水头的关系为:
2300

轴流式水轮机

ns = √H 2000

(m· kW)

混流式水轮机

ns = √H

- 20 (m· kW)

1.4 水轮机选择
1.4.1 水轮机基本参数选择的原始资料 选择水轮机基本参数的原始资*ǎ (1) 现场资料 a) 水电站主要水工建筑物(水库、进水口、引水道、厂 房等)的标高及位置,并标明地质条件。 b) 厂房布置型式,引水方式和引水管长度、直径及材质。 c) 水电站综合利用特征、运行条件(如调峰、调相、调 频运行要求等)和允许最大挖深值。 d) 极限气温、湿度、发生过的强风暴及地震等。 e) 在极限温度下的水质分析和泥沙的浓度、成分及硬度 等。 f) 各类运输或道路限制。

2) 水文资料
a) 流量与时间变化的曲线,并表明限制流量。 b) 设计流量及年利用小时。 c) 上游和下游的的极限水位。 d) 上下游水位与流量的关系曲线。 e) 水头变化范围(最大、设计、最小和加权*均净 水头)。 f) 水电站装机容量和建议机组台数。 以上这些原始资料,一般都由业主委托勘测设计 单位提供。

1.4.2 机组容量和台数选择
在水电站装机容量确定的前提下,机组容量和台

数的选择,需考虑水电站枢纽布置、电力系统的运行
要求、设备制造和运输条件,以及水电站运行管理和 造价等因素,通过技术经济比较确定。

机组容量应与电力系统负荷及其增长速度相适应,
在保证电力系统运行安全灵活的条件下,采用单机容 量较大,机组台数较少的方案,则机组效率高,并可 简化水电站枢纽布置,有利于加快施工进度和节约水 电站总投资,但一般不少于两台。

1.4.3 型式选择
按水电站水头,参照水轮机类型选择水轮机型式。 在某些水头段,可选用两种型式水轮机时,需通过技术 经济比较确定。 在相同水头下,各种类型水轮机相互比较时,有以 下特点: ● 混流式与水斗式相比,前者最优效率高,比转速 高,容量相同时尺寸小、转速高、重量轻,厂房面积小。 但开挖较深,部分负荷时效率较低,结构复杂。 ● 斜流式或轴流式与混流式相比,前者*均效率高, 适应水头和负荷变幅较大,单位转速高,可节约发电机 材料,但结构工艺复杂,气蚀系数大,要求开挖较深。 ● 贯流式与轴流式相比,前者由于流道通顺,过流能 力大,效率较高,比转速也高,但适用水头低。 目前,各型式水轮机都在不断改进,分别向适应更 高水头进展,并为降低机组造价而努力。

1.4.4

参数计算

1) 反击式水轮机 式中: 根据转轮特性参数和模型水轮机 Nt ——— 水轮机额定功率 (kW) 综合特性曲线,可按以下公式计算 Ng ——— 发电机额定功率 (kW) 水轮机基本工作参数。 η 发电机额定效率(通常在
Nt = Ng /ηg (kW) Nt (m) 9.81 Q’1 Hr √ Hr ηt n’1 √Hr n= D1 Qr = D12 √ Hr Q’1 ▽ (m3/s) (r/min)
g ———

D1 = √

hs ≤10

- kσH r (m) 900

0.96-0.98范围内,大功率取大值) D1 ——— 转轮名义直径(m) H r ——— 设计净水头(m) ηt ——— 水轮机额定效率 n 水轮机额定转速(r/min) ——— Q r ——— 水轮机在设计水头,发 出额定功率时的流量(m3/s) h s ——— 允许吸出高度 (m) σ ——— 气蚀系数 k ——— 气蚀修正系数 ▽ ——— 水轮机装置高程 (m)

例:土耳其卡拉乔伦Ⅱ水电站装机容量2×23600kW,设计水头 101.95m,水轮机装置高程▽=77.3m。试求利用上述计算公式 选择水轮机型号、转轮直径、转速、流量及允许吸出高度。
根据设计水头可采用混流式水轮机HL160型,由该转轮综合特性曲线上 查出单位流量Q’1 =0.84 m3/s ,单位转速n’1 = 67 r/min,模型效率ηm=0.88, 气蚀系数σ=0.08。 在初步计算中,取ηt = ηm ,取k = 1.5 ,ηg =0.973,水轮机额定功率 Nt = 23600/0.973 = 24255 kW 24255 24255 转轮直径 D1= √ = √ = 1.8m 9.81×101.95 √101.95×0.84×0.88 7464.69

67 √ 101.95
转速 n= = 375.83 ,取发电机相*的同期转速375 r/min 1.8 额定流量 Qr = 1.82 √ 101.95 ×0.84 =27.48 m3/s 允许吸出高度 hs ≤ 10-77.3/900-1.5×0.08×101.95 = - 2.23 m , 因此取-2.5 m。 水轮机型号 HL160-LJ-180

(2) 水斗式水轮机
按以下公式计算水轮机基本工作参数 Nt Qr = (m3/s) 9.81 Hrηt Qr d0 = 0.545 √ (m) Z0 √ Hr D1 = K0 d0 (m),K0 =10~18,水头高 时取大值。 n’1 √Hr n= D1 通常n’1为 39 r/min (r/min),

式中 Nt ——— 水轮机额定功率(kW) Hr ——— 设计净水头(m) ηt ——— 水轮机额定效率 Q r ——— 水轮机在设计水头, 发出额定功率时的流量(m3/s) D1 ——— 转轮节圆直径 (m) d0 ——— 射流直径 (m) z0 ——— 喷嘴数 n ——— 水轮机额定转速 (r/min)

例:厄瓜多尔奥卡那水电站设计净水头373m,装机容量26000kW, 安装2台13000kW立轴水斗式水轮机。试求利用上述计算公式选择 水轮机流量、射流直径、转轮直径和转速(拉美系统频率60HZ)。 根据设计水头可采用水斗式水轮机CJA237型,由其转轮 特性曲线上查得:单位转速N‘1 = 39 r/min,模型效率ηm =0.9,在初步计算中,取ηg =0.97 , ηt =ηm =0.9,Z0 = 4,K0 = 12
水轮机额定功率 Nt = 13000/0.97 = 13402 kW 13402 额定流量 Qr = =4.07 m3/s 9.81 ×373×0.9 4.07 射流直径 d0 = 0.545 √ 4×√373 转轮节圆直径 D1 = 12×0.125=1.5m(150cm) = 0.124m 取0.125m(12.5cm)

39 √ 373 转速 n = 1.5 同期转速 514.3r/min =502.14 r/min ,取发电机相*的

水轮机型号:CJA237-L-150/4×12.5

1.4.5

水轮机参数选择

1) 反击式水轮机参数选择 ● 单位流量Q’1 混流式水轮机应选用相应于设计水头的单位转速n‘1 与5%出力限制线相交点处的单位流量Q‘1 。若因基础开挖 所限或建在多泥沙河流上时,为了减少水轮机磨损,或电 站长期在电力系统承担基荷运行,可考虑选取小于5%出 力限制线上的单位流量Q‘1 值。但应大于最优效率的单位 流量Q‘10值。 轴流式水轮机综合特性曲线图中未表示出力限制线。 理论上,机组最大功率受单位流量和效率乘积(Q‘1 η) 最大值限制。实际采用时,按允许的吸出高度hs(相应的 气蚀系数σ)、*均效率等因素选定。偏离最优工况较大 时,效率低、振动大,一般不超过推荐使用最大单位流量 Q‘1max值。

导叶开度按水轮机最大流量的相应开度,并留有 5%裕度选取。水库调节性能差的水电站,在洪水期, 水头大于设计水头时,为了多发电,发电机可提高功 率因素运行。低水头电站,汛期弃水量大,下游水位 抬高,水头显著降低,为增大小于设计水头时水轮机 功率,均需考虑增大导叶开度。 ● 单位转速 n‘1 单位转速 n‘1 按最优工况n‘10或稍高于最优工况的 n‘10 选取。计算出的转速应取接*的同期转速,若介 乎两同期转速之间,应比较机组重量、造价、效率, 经分析后确定。 需分期开发和提前发电的电站,如前期或施工期 长,应选用偏低的转速。

● 水轮机装置高程 水轮机装置高程按下式计算: 水轮机装置高程=下游尾水位+H s 式中 下游尾水位 —— 电站运行河床被冲刷后的尾水位 H s —— 实际吸出高度(m) 对立轴混流式水轮机 b0 Hs=hs+ (b 0 — 导水机构的高度) 2 对立轴轴流式和斜流式水轮机 Hs=hs 对卧轴水轮机 D1 H s = h s- 2 装置高程,一般应根据水轮机特性、电站运行和下游水位的 变化情况,综合分析比较确定。为留有安全裕度,装置高程应较 计算值低0.5 ~1.0 m 。

2) 水斗式水轮机参数选择 水斗式水轮机有卧轴和立轴两种结构型式。卧轴可装两 个转轮,每个转轮设置1-2个喷嘴。立轴只装一个转轮,目 前最多可设置6个喷嘴。立轴结构紧凑,厂房面积小,利用 水头高。大型水斗式水轮机,当Z0 ≥ 2,一般采用立轴结 构。

水斗式水轮机比转速ns 与喷嘴数的开方√Z0 成正比, 水头和功率一定时,增加喷嘴数Z0 ,转轮直径相应减小√Z0 倍,转速相应增加√Z0 倍。 转轮直径D1和射流直径d0 的比值D1 / d0 减小,转论直径 减小,而转速增大,这时可降低机组造价;但转轮的应力与 (D1 / d0)2成反比增大。故高水头电站,D1 / d0应选用较 大值。

2
2.1 发电机型式

水轮发电机

(1)大中型水轮发电机目前广泛采用立式结构,而小型

水轮发电机常采用卧式结构。在立式水轮发电机结构中,根据
推力轴承所在位置的不同,又可分为悬式和伞式发电机两种 (如图5和图6)。

图5 悬式发电机断面图

图6 伞式发电机断面图

悬式水轮发电机的特点是:推力轴承装在转子上 方的上机架上。这种发电机通常有两个导轴承,一个 在上机架上,一个在下机架上。目前我国水电站中的 水轮发电机大多属此类。 伞式水轮发电机的特点是:推力轴承装在转子下 方的下机架或水轮机顶盖上。这种发电机通常有一个 导轴承,装在下机架上。如果在伞式发电机的上机架 上再装一个导轴承,也称半伞式水轮发电机。 伞式发电机与悬式发电机比较,它具有下列优点: ● 机组高度较小,可以减小吊车的起吊高度, 因而降低了厂房的高度。 ● 可以只用一个导轴承。 ● 发电机消耗钢材较少。

水轮发电机的结构型式与机组制造水*,机组技 术经济指标、机组运行稳定性和检修方便等因素有关, 主要视定子铁芯直径(Di )与定子铁芯高度和机组转 速乘积(Lt ·n)的比值而定。

一般

Di/Lt ·n ≤ 0.035 采用悬式
Di/Lt ·n > 0.035 采用半伞式或伞式

Di/Lt ·n > 0.05 采用伞式
式中n为发电机额定转速

(2)水轮发电机的冷却方式分为空气冷却、半水冷和全水 冷三种。目前,利用空气作为冷却介质对定子、转子绕组以及 定子铁芯表面进行冷却,仍然是水轮发电机的主要冷却方式。 在大中型水轮发电机中,采用空气冷却器的密闭循环空气冷却 方式。这种冷却方式具有结构简单,安全可靠及安装检修方便 等优点。 半水冷水轮发电机是定子绕组采用水内冷、转子绕组及定 子铁芯等采用空气冷却。全水冷水轮发电机是定子、转子绕组 和定子铁芯等均采用水冷却。 水轮发电机采用水冷却技术,不仅可以提高发电机极限容 量,使定子、转子绕组的运行温度比空冷的低,而且线圈冷却 较均匀,因而可延长线圈绝缘寿命。但是水内冷水轮发电机的 结构及运行维护复杂,并需要装设一套水处理设备,辅助设备 占地面积较大,还有水冷管路元件的锈蚀、渗漏等特殊问题。 我国三峡水电站左岸14台700MW水轮发电机,经过国际招标, 国外制造厂商决定选用半水冷的方式。

2.2 发电机基本参数
水轮发电机基本参数是:容量、电压、转速、功

率因数和频率,以及电抗、飞轮力矩、效率、励磁电
压和电流。 发电机的容量和转速必须与水轮机的容量和转速 相适应,发电机的飞轮力矩必须在负荷变化时保证发 电机的同期运行,并当发电机突然被切除时,在规定 的水轮机导水机构关闭时间的条件下,使机组转速保 持在允许的范围内。

1) 容量
发电机的额定容量以kW表示,它等于: Ng = Nt η
g

式中 Nt —— 水轮机轴上的出力(kW) η
g

— 发电机的效率

发电机的额定容量就是发电机的有效出力(实际 出力)。发电机的尺寸取决于以KVA表示的满出力

N s(视在出力),它和有效出力的关系如下:
N g = Ns · cos∮ 式中 cos∮— 功率因数

2)功率因数
发电机的额定功率因数,用来表示电流周期变化 与电压周期变化之间的相位差特性。在电流周期变化 与电压周期变化相位差为四分之一周期即∮=90°的 情况下,也即当瞬间电压达到最大值而电流为零的情 况下,发电机不生产有功出力,也不要水轮机供给其 转动所需的能量。此时功率因数cos∮=0。 如果在技术条件中不作特别说明,发电机通常按 额定功率因数cos∮=0.8来制造。cos∮的大小与电力 用户有关,它根据发电机在电力系统中的工作条件通 过专门的电气计算而定出的。 常用的功率因数取0.8;0.85;0.9 。

3) 电压
我国水轮发电机的标准电压规定为3.15,6.3,10.5, 15.75和18kV。应根据发电机的容量来采用标准电压:

容量(MW) <20 20-40 40-125

电压(kV) 6.3 10.5 13.8

125-300
>300

15.75
18.0

在工程实践中,容量为40-125 MW的发电机,常采用非标 准电压13.8 kV。厂用电大都采用电压 3.15 kV。 发电机应保证在额定电压变动±5%的范围中进行长时间 运行。因为这样可补偿由空转到满负荷之间在升压变压器和 输电线路中的电压变化。

4) 转速和频率
我国采用标准的交流电频率f = 50HZ(每秒的周期数)。 频率f与发电机的磁极对数P和每分钟转速n有关,可用下式 表示为: f = P n /60 在f = 50HZ的情况下,发电机的磁极对数和每分钟转数 的关系式为: n = 3000 / P 因此,每一整数P将相对于某一同期转速。 大型水轮发电机最常采用的转速在62.5 至500转/分的范 围内。

5) 效率



● ●

● ●



发电机的损失包括下列数种: 定子线圈中的铜损。 定子有效钢中的铁损。 由定子泄散磁场和间隙内磁场的非正弦波所 引起的 附加损失。 推力轴承和导轴承中的机械摩擦损失。 风力损失。 发电机励磁损失。

6)电抗
电抗是发电机的内部电力阻抗,它并不引起出力的 损失。电抗可用以表示发电机在电力系统中在稳定情况 下、在过负荷情况下或突然改变负荷的事故情况下的特 性,它是决定发电机与其他电站并列运行稳定性的重要 因素。 发电机有三种主要的电抗:同期电抗、瞬变电抗、 超瞬变电抗。我国制造的不同容量空冷发电机的电抗; 同期电抗Xd 值在 0.7—1.1(*均为0.9);瞬变电抗Xd’ 值 在 0.24 — 0.45 (*均为0.33);超瞬变电抗Xd” 值在 0.16 — 0.28 (*均为0.21)。 发电机的电抗值通常由发电机制造厂提供。在绝大 多数情况下,正常电抗值均能满足发电机在电力系统中 运行的条件。但在特殊的情况下,如沿极长的输电线路 传送很大容量的时候,必须按照特定的电抗值来设计发 电机,此时电抗值比正常设计时的电抗值为小。

(7)飞轮力矩
飞轮力矩是(GD2 )是发电机转动部分的重量G与惯性直 径D*方的乘积。它直接影响到发电机在甩负荷时的速度上 升率和系统负荷突变时运行稳定性。通常GD2是由水轮机调 节保证计算确定的。 飞轮力矩大,机组甩负荷后速度上升率较低,或者可减 小钢管直径,或者可允许增加钢管长度。但GD2的增加,将 增大发电机的重量和造价。 当水轮发电机基本尺寸确定后,GD2 值可按下列经验公 式估算: GD2 = K Di3.5 Lt ( t ·m2 ) 式中 Di —— 定子铁芯内径(m) Lt —— 定子铁芯高度(m) K —— 经验系数,按下表选取。 n(r/min) ﹤100 100-375 ﹥375 K 5.2 5.0 4.8

2.3 水轮发电机选择
水轮发电机的选择应结合电站环境条件、电网条件、制 造水*、经济条件等,以求选择技术先进、经济合理的方案。

2.3.1选型要点
1) 选择水轮发电机时,根据给定的条件除满足强度、 刚度等要求外,还应保证具有良好的运行稳定性。 2) 水轮发电机的效率,除在额定条件下的效率外,还 应重视加权*均效率,并配合水轮机特性选择最佳的同期转 速。 3) 水轮发电机的最大出力,要考虑增加水电机组的调 峰能力、改善高水头条件下机组运行的稳定性和获得季节性 电能。

2.3.2 主要参数选择
1) 额定容量 水轮发电机的额定容量根据电站装机容量、台数 和功率因数外,还应考虑下列情况: ● 采用的发电机容量值,不应小于水轮机在设计 水头下最大导叶开度时的出力。 ● 发电机的容量不应大于以不发生气蚀为限制条 件的水轮机的极限出力。

2) 额定功率因数
发电机额定功率因数与电站接入系统的方式(采用的电 压等级、送电距离等)、系统中无功配置以及发电机造价等 因素有关。当额定容量一定时,提高功率因数可以提高发电 机有效材料的利用率和发电机的效率,减轻发电机重量、降 低造价,但电抗值增大、惯性时间常数减小、稳定性降低。 *年来,由于装设同步调相机和电力电容器等来改善系 统功率因数,远距离超高压输电线对地电容增大和采用快速 励磁,都提高了电力系统稳定性,因此有提高发电机额定功 率因数的趋势。 我国不少水电站实际运行中,发电机功率因数长期大于 额定值,如湖南柘溪水电站单机容量88.24MVA、湖北丹江口 水电站单机容量176.5MVA,额定功率因数均为0.85,但长期 运行在功率因数0.95的情况下。*期制造的龙羊峡、天生桥、 五强溪、李家峡等水电站水轮发电机的额定功率因数都选为 0.9。

(3)额定电压 额定电压反映了水轮发电机的绝缘水*和技术经济指标, 对主变压器、发电机电压配电装置的造价也有很大影响。 额定电压的选择与发电机容量、转速、合理的槽电流、 冷却方式等直接相关。对一定容量的发电机,在电磁负荷取 值合适的条件下,额定电压选得低,电机消耗的绝缘材料和 有效材料可相应减少,但降低电压将使发电机定子绕组和主 变压器的用铜量有所增加,故应综合考虑其经济性。 分析我国已投运的水轮发电机额定电压,也有选得偏高 的,如1955年投运的单机容量为12.5 MVA的北京官厅水电站, 发电机额定电压选为10.5kV、1974年投运的四川渔子溪一级 水电站单机容量为44.4 MVA,发电机额定电压选为13.8kV。 也有选得偏低的,如陕西安康水电站的水轮发电机额定容量 为228.6 MVA,按表推荐为15.75 kV,经制造厂电磁计算及造 价比较后,选用13.8 kV;青海龙羊峡水电站的水轮发电机额 定容量为355.6 MVA,按表推荐为18 kV,最终选定15.75 kV 较经济。三峡水电站的水轮发电机额定容量为 840MVA , 额 定电压选为20kV。

(4)纵轴瞬变电抗 在电磁负荷确定的条件下,纵轴瞬变电抗Xd’ 主要 由定子绕组和励磁绕组的漏抗值确定。Xd’ 的变化,对 发电机动态稳定极限及突然加负荷时瞬变电压变化率 有较大影响。Xd’越小,动态稳定极限越大,瞬变电压 变化率越小。但减小Xd’ 主要是减小电负荷,即要增加 定子铁芯长度或直径,增加定子铁芯的重量,从而使 发电机的外形尺寸增大,造价提高。 为了提高有效材料的利用率,Xd’ 值有提高的趋势。 特别是*年来采用快速励磁调节器和快速动作的高压 断路器后,系统动态稳定性有了提高。如20世纪60-70 年代制造的刘家峡水电站单机容量257MVA,发电机的 Xd’为0.31,而80-90年代制造的龙羊峡水电站单机容量 355.6MVA,发电机的Xd’为0.346,白山水电站单机容量 342.86MVA,发电机的Xd’为0.36。

3 机组主要参数的简化选择及重量和造价
在设计开始阶段,选择水电站的机组台数时,往
往需要研究很多方案。为了比较各个方案的经济性, 要求知道机组的主要参数、重量和造价资料。 为了迅速地确定机组主要参数,以下简单公式为 选择水轮机转轮直径和机组正常转速提供了可能性,

而不必使用水轮机的综合特性曲线。

3.1 水轮机转轮直径 确定转轮直径的简单公式为: D1 = K1√ N (m) 式中 N —— 水轮机在设计水头时的额定出力 (MW) K1 —— 按出力的设计水头不同而取定的系数, 见下表: H(m) 220 140 100 60 30 12 8.5 5.5 K1 0.27 0.33 0.38 0.47 0.68 1.2 1.4 2.0 根据计算得出的转轮直径D1 ,可以取以下最*一级标准 直径(m): 1.6,1.8,2.0,2.25,2.5,2.75,3.0,3.3,3.7, 4.1,4.5,5.0,5.5, 6.0,6.6, 7.2,8.0,9.0。 当D1﹤1.6 m时,不适用上述公式,因为小直径的水轮 机是成序列的,H、Q和N值的变化范围较大。

3.2 机组转速
确定机组转速的简单公式为: n = K2/D1 (r/min) 式中 D1 —— 水轮机转轮的名义直径 (m) K2 —— 按出力的设计水头不同而取定的系数, 见下表: 1) 混流式水轮机 H(m) 300 200 120 90 55 30 23 K2 1000 850 700 650 530 420 380 2) 轴流式水轮机 H(m) 30 21 13 9.0 5.5 K2 650 600 540 480 400 根据计算得出的机组转速取其最*一级的同期转速,其中 最常用的几种同期转速(r/min)如下:
62.5 ,68.2,75,88.2,100,107.1,125,150,166.7,187.5, 214.3,250,300,375,428.6,500,600,750。

3.3 机组重量
3.3.1水轮机重量 水轮机重量与转轮直径有关,根据*年来制造厂提供不同水 头的水轮机重量整理如下: (1) 混流式水轮机重量(t)

H(m) D1(m) 1.6 2.0 2.5 3.0 3.8

300
52 82 128 188 318

200
48 74 118 173 294

160
47 72 115 167 285

120
45 70 109 160 274

80
42 65 102 149 252

40
37 58 91 133 220

2)
H(m) D1(m) 2.0 2.5 3.0 3.8 4.5 5.0

轴流式水轮机重量(t)
50 40 30 20 10

52 83 123 203 290 365

47 76 113 190 270 340

42 68 100 165 240 300

36 57 85 142 200 255

27 43 64 105 150 180

3.3.2 发电机重量
发电机重量与发电机容量有关,根据*年来制造厂提供不同 转速的发电机重量(t)整理如下: n(r/min) N(MVA) 150 1440 1360 1210 1140 1050 980 88.2 100 125 150 187.5 214.3

120
100 80 60 40 30 20

1200
1040 880 710 550 460 370

1140
980 820 660 500 410 340

1000
930 710 560 420 340 270

930
830 660 530 390 330 250

860
740 630 490 360 300 230

810
700 580 460 340 280 220

3.4 机组造价
当确定水轮机和发电机的主要参数和重量后,根据单 位重量的价格(在市场经济条件下此价格经常在变化,估算 时可根据收集掌握的已出售机组价格和重量统计资料或制 造厂以往投标报价的统计资料推算出来,也可直接向制造 厂查询),即可求出机组的造价。但这一造价不包括调速器、 油压装置、励磁装置等辅助设备造价。 由于辅助设备的造价不仅与机组重量有关,而且还与 机组的出力,以及水电站的装机台数有关。考虑到辅助设 备造价与机组的造价相比显得较小,一般可以假定为8-10%。 根据机组重量与造价的分析表明,当水电站装机容量 和水头已定时,大机组的重量要比小机组的重量大,但是 大机组每吨重量的造价要比小机组每吨重量的造价低很多。 因此,在电站装机容量不变的条件下,机组台数的某些变 动,不至于引起机组造价的大变化。必须指出,采用较大 的机组是当前降低电站设备造价的趋势。

技术委员会秘书组编制

2004年8月




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