水电站整个系统

水电站整个系统（水电站新人请进）
1、什么是水电站？水电站枢纽的组成。

水电站是将水能转变为电能的水力装置，它由各种水工建筑物，以及发电、变电、配电等机械、电气设备，组成为一个有机的综合体，互相配合，协同工作，这种水力装置，就是水电站枢纽或者水力枢纽，简称水电站。

它由挡水建筑物、泄水建筑物、进水建筑物、引水建筑物、平水建筑物及水电站厂房等水工建筑物共7个部分组成，机电设备则安装在各种建筑物上，主要是在厂房内及其附近。

（1）挡水建筑物。

是拦截水流、雍高水位、形成水库，以集中落差、调节流量的建筑物，例如坝和闸。

（2）泄水建筑物。

其作用主要是泄放水库容纳不了的来水，防止洪水漫过坝顶，确保水库安全运用，因而是水库中必不可少的建筑物，例如溢流坝、河岸溢洪道、坝下泄水管及隧洞、引水明渠溢水道等。

（3）进水建筑物。

使水轮机从河流或水库取得所需的流量，如进水口。

（4）引水建筑物。

引水建筑物是引水式或混合式水电站中，用来集中落差（对混合式水电站而言，则只是集中总会落差）和输送流量的工程设施，如明渠、隧洞等。

有时水轮机管道也被称为引水建筑物，但严格说来，由于它主要是输送流量的，所以与同时具有集中落差和输送流量双重作用的引水建筑物并不完全相同。

有些水电站具有较长的尾水隧洞及尾水渠道，这也属于引水建筑物。

（5）平水建筑物。

其作用是当负荷突然变化引起引水系统中流量和压力剧烈波动时，借以调整供水流量及压力，保证引水建筑物、水轮机管道的安全和水轮发电机组的稳定运行。

如引水式或混合式水电站的引水系统中设置的平水建筑物如压力池或高压池。

（6）厂区建筑物。

包括厂房、变电站和开关站。

厂房是水电站枢纽中最重要的建筑物之一，它不同于一般的工业厂房，而是是水力机械、电气设备等有机地结合在一起的特殊的水工建筑物；变电站是安装升压变压器的场所；而开关站则是安装各种高压配电装置的地方，故也称高压配电场。

（7）枢纽中的其它建筑物。

此类建筑物指对于将水能转变为电能这个生产过程没有直接作用的船闸或升船机、筏道、鱼道或鱼闸以及为灌溉或城市供水而设的取水设施等。

为了综合利用水资源，它们在整
个水电站枢纽中也是不可分割的一部分，对枢纽的布置和运用也有重要的影响。

将水能转变成电能的生产全过程是在整个水电站枢纽中进行的，而不仅仅是在厂房中进行的。

2、水电站的基本类型。

水电站是借助于建筑物和机电设备将水能转变为电能的企业。

水电站包括哪些建筑物以及它们之间的相互关系，主要取决于集中水头的方式。

所以按集中水头的方式来对水电站进行分类，最能反映出水电站建筑物的组成和布置特点。

（1）按集中水头的方式对水电站进行分类，水电站可分为：坝式、引水式和混合式。

坝式水电站。

它的水头是由坝抬高上游水位而形成。

分为坝后式和河床式。

坝后式水电站：厂房建在坝的后面，上游水压力由坝承受，不传到厂房上来。

对于水头较高的坝式水电站，为了不使厂房承受上游的水压力，一般常采用这种布置方式。

这时厂房设在坝后，水流经由埋藏于
坝体内的或绕过坝端的水轮机管道（埋藏于坝体内的常采用钢管，绕过坝端的常采用隧洞）进入厂房。

河床式水电站：水电站厂房代替一部分坝体作为抬高水位的建筑物，直接承受着上游水压力，它没有专门的水轮机管道，水流由上游进入厂房转动水轮机后泄回下游。

这类水电站水头较低，一般不超过30米。

引水式水电站。

水头由引水道形成。

这类水电站在布置上的特点是具有较长的引水道，水电站建筑物比较分散。

混合式水电站。

它的水头一部分由坝集中，一部分由引水道集中。

这类水电站的建筑物组成和布置除其中的坝以具有一定的高度为其特点外，其余与引水式水电站大体相似。

（2）按运行方式水电站可以分为：无调节水电站、有调节水电站和抽水蓄能电站等类型。

无调节水电站：它没有水库，不能对径流进行调节，只能直接引用河中径流进行发电，所以又称为径流式水电站。

无调节式水电站的运行方式，以尽可能多利用河中径流为原则。

有调节水电站：它借助于水库，能在某种限度内按照用电负荷对径流进行调节，把超过发电所需的多余来水蓄入水库，供来水不足时增大发电流量之用。

有调节水电站也称为蓄水式水电站，它的运行方式可以在一定程度上适应用电负荷情况，按照调节径流的周期长短，有调节水电站又可分为日调节水电站、年调节水电站和多年调节水电站，视水库的大小而定。

坝后式和混合式水电站一般都是有调节的；河床式水电站和引水式水电站则较多是无调节的。

抽水蓄能电站。

它以运行方式主要取决于负荷情况为其特点。

电力系统的负荷，在一日过程中和一年过程中都是很不均匀的。

抽水蓄能电站的作用，是在电力系统供低负荷时利用其它电站多生产的电能，通过抽水机组把水提送到高处，即把这些多余电能转变为水能的形式贮蓄起来，待到电力系统高负荷时，再把高处的水通过水轮发电机组放下来发电，使贮蓄起来的水能重新转变为电能，满足电力系统负荷需要。

所以建造抽水蓄能电站并不是为了水能资源的开发，只是达到贮蓄和调节电能的目的。

在较大的电力系统中，特别是在水电站比重很小或者水电站比重很大的电力系统中，建造抽水蓄能电站有重要意义，因为这样可以使电力系统的其它电站在一日和一年过程中承担比较均匀的负荷，提高设备
利用率和减低火电厂的单位煤耗量，并改善供电质量。

这类电站要安装用于抽水和用于发电的两套机组设备，以及修建高、低两个水库；同时由于能量转变经历了电能到水能再到电能的往复过程，损失增大，所以建设投资和能量损失都比一般水电站大些。

但是由于这种电站能提高整个电力系统的运行效益，加以它可以建在系统用电中心附近，既省输电线路又供电灵活，因此最近国内国外很多电力系统，都很重视抽水蓄能电站的建设。

近年来由于机电设备制造水平的提高，已成功地制造出既可抽水又能发电的可逆式两用机组，不必分别设置用于抽水和用于发电的两套机组，从而节约了设备投资和提高了机组效率。

3、水力发电的基本流程。

具有水头的水力——经压力管道或压力隧洞（或直接进入水轮机）进入水轮机转轮流道——水轮机转轮在水力作用下旋转（水能转变为机械能）——同时带动同轴的发电机旋转——发电机定子绕组切割转子绕组产生的磁场磁力线（根据电磁感应定理，发出电来，完成机械能到电能的转换）——发出来的电经升降压变压器后与电力系统联网。

发电系统设备简介
一、水轮发电机组及辅助设备简介
1、水轮机
水轮机是将水能转换为机械能的水力机械，利用水能机带动发电机将旋转机械能变为电能的设备，称为水能发电机组。

按水流能量转换特征，可将水轮机分为：反击式和冲击式。

（1）反击式水轮机的转轮在工作过程中全部浸在水中，压力水流流经转轮叶片时，受叶片的作用而改变压力、流速的大小和方向，同时水流对转轮产生反作用力，形成旋转力矩使转轮转动。

反击式水轮机按水流流经转轮的方向不同，又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式四种类型。

①混流式水轮机。

水流流经转轮时是辐向流进而轴向流出。

其结构简单，运行可靠，效率较高，是现代应用最广泛的水轮机。

适用水头范围一般为20～450米，目前最高已达800米，最大机组容量已达100万KW。

②轴流式水轮机。

水流流经转轮时是轴向流进而又轴向流出。

按其叶片在运行时能否转动又分为定浆式和转浆式两种。

轴流定浆式水轮机的叶片固定在轮毂上，制造简单，但当水头和流量
变化时，效率变化不大。

因此，它适用于负荷变化不大，水头变幅较小的水电站。

适用水头范围一般为3～50 米，最大机级容量已达13万KW。

轴流转浆式水轮机在运行时其叶片可以转动，能在水头和流量变化时保持较高效率工作。

目前适用水头已达88米，最大机组容量已达25万KW。

③斜流式水轮机。

水流进出转轮叶片都是斜向的，叶片转动轴线与与水轮机轴线成一夹角，高效率区较宽，因而适用于水头和流量变化较大的水电站。

适用水头在20～200米之间，最大机组容量达25万KW。

当做成水泵水轮机时，可用在抽水蓄能电站上。

④贯流式水轮机。

其转轮与轴流式相似，水流基本上沿轴向流过转轮，因而有良好的过流条件，提高了水轮机效率。

贯流式水轮机一般为卧式，可降低和简化厂房结构，土建工程量小，适用于25米以下的低水头水电站。

目前最大机组容量达5.5万KW。

（2）冲击式水轮机的特征是：有压水流从喷嘴射出后全部转换为动能冲击转轮旋转；在同一时间水流只冲击部分斗叶而不充满全部流道，转轮在大气压下工作。

常用的冲击式水轮机有切击式（水斗式）和斜击式两种。

①切击式水轮机：其特点为喷嘴射流沿转轮圆周切线方向冲击斗叶，是应用最广泛的冲击式水轮机。

它适用于高水头（1000～2000 米）小流量的水电站，目前世界上最高水头已应用到1767米，最大机组容量达31.5万KW。

②斜击式水轮机：其特点是喷嘴射流方向与转轮轮旋转平面成一夹角（约25.5°），从转轮一侧进入斗叶，从另一侧流出适用水头为25～300米。

（3）水轮机按主轴的装置方式不同，又分为立式和卧式两种。

主轴竖向装置者称立式，发电机位于水轮机上部，其位置较高，不易受潮，所占厂房面积较小，但厂房高度大。

立式装置多用于大中型水电站。

主轴横向装置者称卧式，发电机和水轮机布置在同一高程上，可减小厂房高度，但发电机易受潮，厂房面积较大，多用于小型水电站。

（4）水轮机的铭牌参数
水轮机的铭牌参数由三部分组成，第一部分之间用短横线隔开。

第一部分由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，前者表示水轮机型式，后者表示转轮型号（入型谱者采用该转轮的比转速作为代号）。

第二部分由两个汉语拼音字母组成，前一人表示主轴装置方式，后一个表示引
水室特征。

第三部分是以厘米为单位的转轮标称直径D1。

对冲击式水轮机，第三部分表示为：水轮机转轮标称直径/（作用在每一个转轮上的喷嘴数×射流直径）。

各种类型水轮机转轮的标称直径D1规定如下：
①混流式水轮机是指转轮叶片进口边的最大直径。

②轴流式水轮机是指转轮室的最大内径。

③斜流式水轮机是指与转轮叶片轴线相交处的转轮室内径。

④冲击式水轮机是指转轮与射流中心线相切处的节圆直径。

各型水轮机第一、二部分的代表符号见下表：
水轮机型式主轴装置方式引水室特征
混流式HL
轴流转浆式ZZ
轴流定浆式ZD
斜流式XL
贯流转浆式GZ
贯流定浆式GD
切击式QJ（也有称水斗式者，代号为CJ）斜击式XJ
双击式SJ 立轴L
卧轴W
斜轴X 金属蜗壳J
混凝土蜗壳H
明槽M
罐式G
灯泡式P
竖井式S
虹吸式X
轴伸式Z
注：可逆式水轮机在水轮机型式代号后加“N”（逆）。

水轮机牌号示例：
HL220- LJ-550，表示混流式水轮机，转轮型号为220，立轴，金属蜗壳，转轮直径为550cm。

ZZ560-LH-800，表示轴流转浆式水轮机，转轮型号为560，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径为800cm。

XLN200- LJ-300，表示斜流可逆式水轮机，转轮型号为200，立轴，金属蜗壳，转轮直径为300cm。

GD600-WP-250，表示贯流定浆式水轮机，转轮型号为600，卧轴，灯泡式引水室，转轮直径为250cm。

2QJ30- W-120/（2×10），表示一根轴上具有两个转轮的切击式水轮机，转轮型号为30，卧轴，转轮直径为120cm，每个转轮有两个喷嘴，射流直径为10 cm。

2、发电机。

发电机分为汽轮发电机和水轮发电机。

水轮发电机是水电站最重要的两大主机设备之一，它的作用是把机械能转变为电能。

（1）主要组成和结构特点
水轮发电机一般由转子、定子、上机架、下机架、推力轴承、导轴承、空气冷却器、励磁机和永磁机等主要部件组成。

其中转子和定子是产生电磁作用的主要部件，其他部件仅起到支持和辅助作用。

转子由主轴、转子支架、磁轭（轮环）和磁极等部件组成；定子由机座、铁芯和绕组等部件组成。

由于水电站的水头有限，水压力小，故转速不可能很高，一般在100～1000r/min。

与汽轮发电机相比，转速较低，要获得50Hz频率的电能，发电机转子的磁极也较多。

同时，为了避免产生几倍于正常水压的水击现象而要求导叶的关闭时间比较长，但又要防止机组转速上长过高，因此要求转子具有较大的重量和结构尺寸，使之有较大的惯性。

此外，为了减少占地面积，降低厂房造价，大中型水轮发电机一般采用立轴。

总之，水轮发电机的特点是转速低、磁极多、转子为凸极式，结构尺寸和重量都较大，大中型机组多采用立式。

（2）同步发电机的工作原理
转子转动——转子中由励磁电流产生的按正弦分布的旋转磁场切割定子三相对称绕组——定子三相绕组中产生三相正弦交变电动势——定子三相绕组与负载连通后，电路在电动势的作用下有电流通过——向负载输出电能。

（3）水轮发电机的铭牌参数
水轮发电机铭牌上标示的主要参数有型号、容量、电压、电流、转速各温升。

标示的型号以定子铁芯外径、磁极个数及额定容量等用一定的格式排列表示的；而标示的容量、电压、电流、转速和温升等都是该台发电机的额定值。

即能保证发电机正常连续运行的最大限值。

型号：国产发电机型号的含义是
其中：第1、2、3个框为型式（SF为立式空冷，SFS为立式水内冷，SFW为卧式，SFG为贯流式水轮发电机，SFD为水轮机-电动机）；第4个框为额定容量（MW）；第5个框为磁极个数；第6个框为定子铁芯外径（cm）。

额定电压：常用符号Ue表示，系指发电机正常运行时长期安全工作的最高定子绕组线电压，单位是KV。

额定电流：常用符号Ie表示，系指发电机正常工作连续运行的最大工作电流，即指额定情况下发电机以此电流运行其温升不会超过允许范围，其单位是A或KA。

额定功率：常用符号Pe表示，指发电机在额定运行情况下输出的有
功功率，单位是KW。

额定转速：常用符号Ne表示，转子正常运行时的转速，单位为r/min。

额定温升：常用符号T表示，指发电机某部分的最高温度与额定冷却介质温度差值，额定温升的确定与发电机绝缘的等级以及测量温度的方法有关，我国规定的额定冷却介质温度为40℃。

额定频率：我国规定的额定频率为50Hz。

3、调速器
国民经济各部门对电能生产的要求：（1）供电可靠性；（2）保证电能质量（电能质量的指标频率和电压）。

调速器的主要作用是调节发电机频率和有功负荷。

具体说，水轮机调节的基本任务，就是根据电网负荷的变化，不断地相应调节水轮发电机组有功功率的输出，以维持机组转速或频率在规定范围内。

水轮机调速器的类型：
根据水轮机类型的不同，有单调和双调两种。

（1）混流式、轴流定浆
式、和贯流定浆式都是靠导水机构调节进入水轮机的流量，为单调。

（2）转浆式、斜流式机组，除有除有调节流量的导水机构外，还有按导叶开度和水头变化而改变转轮叶片转角的调节机构，可使水轮按最优效率运行。

有两套调节机构，为双调。

（3）冲击式的流量调节不是采用导叶式，而是利用喷嘴和喷针相对位置的改变，以调节冲向水轮机转轮射流的大小。

为了防止高水头、长管道在调节时引起的管道水锤，喷针的关闭速度不能太快，为此在喷嘴出口处装有可改变射流方向的折向器。

当线路或设备发生故障，发电机需甩掉部分和全部负荷而要快速调节流量时，折向器可快速改变射流方向，从而使冲射到轮上的射流减小，喷嘴内的喷针便按规定的速度移到相应的位置，避免产生过大水锤压力。

这类水轮机也有两套调节机构，为双调。

按操作方式不同分，有（1）人工调节方式；（2）半自动调节方式；（3）自动调节方式。

人工或半自动调节的方式，多用于农村小型水轮发电机组。

大中型水轮发电机组，由于工业用电负荷变化迅速而且频繁，电能质量要求也高，依靠人工或半自动调节，无法满足要求，通常应设置自动调速器。

4、励磁系统
供给发电机励磁电流的直流电源及其附属部件，统称为水轮发电机的励磁系统。

励磁系统是水轮发电机的重要组成部分，它的特性好坏直接影响到同步发电机运行的可靠性和稳定性。

其主要作用是调节发电机电压和无功功率。

具体说，在电力系统中，自动调节励磁装置的主要作用有以下几种：
※保持电压恒定；
※实现并列运行机组间无功功率的合理分配；
※提高电力系统工作的稳定性及输电线路的输电能力；
※提高带时限继电保护装置的灵敏性和可靠性；
※限制水轮发电机突然甩负荷时电压上升；
※根据电力系统需要，实现对同步发电机不同的励磁控制方式。

5、油、水、气系统
（1）油系统
油系统是水电站必不可少的辅助系统之一，它分为透平油和绝缘油。

油系统的配置视水电站的规模而有不同，在一般的小型水电站中，它的作用是：绝缘、冷却、润滑，调速系统液压操作及立式机组的电站中还有开机前顶转子之用。

具体讲在水电站中油的作用如下：
※透平油：润滑、散热和液压操作。

◎润滑作用：在轴瓦与转动部分之间形成油膜，以润滑油内部摩擦代替固体干摩擦、从而大大减小摩擦系数、减少设备的摩擦功率损失和磨损。

据估算，全世界消耗于摩擦损失的能量，约占全部产生的动力能的1/3，因而改善润滑以减小摩擦阻力是具有重大意义的。

润滑油还能保证机械不受腐蚀，延长设备寿命，保证设备的功能和安全。

◎散热作用：设备转动部件因摩擦所消耗的功以热能形势表现出来，促使轴承温度升高，这对设备和润滑油本身的寿命和功能都有很大影响，因此必须设法散出其热量。

根据润滑理论，润滑油在对流作用下将热量传出，再通过冷却器将热量传给冷却水（水冷式），从而使油和设备的温度升高不致辞超过规定值，保证设备安全运行。

◎液压操作：水电站的调速系统以及绝大多数的主阀、液压阀和立式机组的顶转子操作，都是用高油压来操作，常用透平油作传递能量的工作介质。

※绝缘油：绝缘、散热和消弧。

◎绝缘作用：油的绝缘强度比空气大得多，用油作绝缘介质可以大提高电气设备运行的可靠性，缩小设备尺寸。

◎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，温升过高将损耗线圈绝缘，甚至烧毁变压器。

绝缘油吸收了这些热量，利用温差对流作用，在变压器内循环流动，通过冷却器将热量传给冷却水带走（水冷式），保证变压器温度正常。

◎消弧作用：当油开关切断电力负荷时，在触头之间产生电弧。

电弧温度很高，如不及时将热量传出，弧道分子的高温电离就会迅速扩展，电弧将会不断地发生，这样就可能烧坏设备。

此外，电弧的继续存在，还可能使电力系统发生振荡，引起过电压，损坏设备。

绝缘油在受到电弧作用时，发生分解，产生约含70%氢的气体。

氢是活泼的消弧气体，它在被分解的过程中从弧道中带走大量的热，同时直接钻进弧柱地带，将弧道冷却，限制弧道分子的离子化，使电弧熄灭。

在容量稍规模稍大的水电站中，油系统的配置有以下部分：
油库：设置各种油罐及油池；
油处理室：设置油泵、滤油机、烘箱等；
油化验室：设置化验仪器及药物等；
油再生设备：水电站通常只设吸附器；
管网及测量控制元件：如温度计、液位信号器、油混水信号器、示流信号器等。

（2）水系统
水电站的水系统包括技术供水、消防供水、生活供水和排水系统。

我们这里所讲的主要是技术供水系统，它的作用主要是：冷却、润滑、密封、操作。

其中：
冷却包括发电机冷却、推力轴承及导轴承冷却、水冷却式变压器油的冷却、水冷式空压机的冷却、其它冷却（如油压装置回油箱有时也设
置冷却器，以带走油在流动中因摩阻而产生的热量）。

润滑包括水轮机导轴承使用橡胶瓦时的冷却和深井泵导轴承橡胶瓦的冷却。

操作是指在水头较高的电站利用高压水操作主阀和其它液压阀，这样可以节省油压设备或使油系统简化（就注意工作部件的防锈防蚀问题），以达到传递能量的目的。

此外，射流泵的工作也是靠技术供水来传递能量的。

除上述各项外，水轮机主轴密封供水也比较普遍。

具体讲：
技术供水又称生产供水，主要作用是对运行设备进行冷却、有时也用来进行润滑（如水轮机橡胶瓦导轴承）、密封供水（如主轴密封供水）及水压操作（如高水头电站主阀）。

消防供水主要用于主厂房、发电机及油处理室等处的灭火。

实践证明，技术供水对机组及整个电站的安全经济运行，影响甚大，需要引起重视。

技术供水系统由水源、管网、用水设备以及量测控制元件等组成。

水源：由取水设备（如水压不够，应设水泵升压）、水处理设备（如沉淀池、过滤器等）组成，为完成技术供水系统的任务而准备好水量、水压、水温、水质都符合要求的技术用水。