水电厂基础知识1

第一章 概述

第一节、水电厂基础知识

一、水电站分类

水电站可分为:

1.坝后式:电站主厂房紧靠坝体,与坝体为一体。如三峡电站。

2.引水式:电站主厂房在水库下游一定距离,发电用水由引水隧洞或渠道引入厂房,这

种形式最为常见。

3.混合式:就是将以上两种形式融为一体。在我们国家不常见。

4.抽水蓄能式:在系统电力过剩时将做过功的水抽入水库在系统电力紧张时再次用于发

电。

5.潮汐式:利用海水涨、退潮时的落差发电。

二、水电站主要工作方式:

水电站主要工作方式及电能的产生过程:

水库主阀 水轮机导流部件 主轴 发电机发电机定子 开关站(电站生产过电力系统

注解:水库集存水能能量,水能从取水口进入引水隧洞(或明渠),再由引水隧洞(或

明渠)引入调压井(或前池),经过调压闸(只有调压井有,前池没有该设备)进入压力钢管,再经过主阀(有蝴蝶阀和球阀之分)进入水轮机的导水机构,冲动水轮机转轮,使其转动。水轮机转轮带动主轴(主轴是连接发电机转子的)旋转,使发电机转子与其做同步旋转,由发电机定子绕着切割转子磁极的磁力线产生交流电能(电能产生),发电机生产的电能经过出口断路器进入主变压器(升压变压器)升压后经开关站分配给系统,再由变电站降压后分配给用户线路,最后经线路变压器(我们在路边可以看到的变压器)分配给用户。

三、水电站设备分类

水电站设备分为:水文、水工、水动、电气一次、电气二次和计算机监控(现代设备)

设备。

1. 水文设备:提供水能资源的实时和预报数据,用于水库的实时调度(发电用水和防

洪泄水依据)。

2. 水工设备:保证水电站建筑的安全的设备(如:泄洪闸门、取水口闸门、栏污栓等)。

3. 水动设备:把水能转换为旋转机械能的设备及其控制他的机械设备(如水轮机、调

速器等)。

4. 电气一次设备:是生产、传输电能的设备及其测量、使用电能的机械设备(如断路

器、变压器、互感器、电动机等)。

5. 电气二设备:是控制电气一次设备的机械设备和电气回路(如励磁机、继电器等),

一般指模拟电路。

6. 计算机监控设备:指监视、控制二次机械设备的数字设备(如工控机、PLC等)。

第二节、水库(大坝)

一、概念

1.死水位Z死 :允许水库降落的最低水位。

死库容V死:一次性蓄满不具有兴利作用。

2.防洪限制水位Z限:在汛期来临前不允许超过的水位。

共用库容V共:正常蓄水位与防洪限制水位之差所对应的库容。

3.正常蓄水位Z正:水库在正常运行情况下,在共水期开始时,为保证需要应蓄到的水

位。

兴利库容V兴:正常蓄水位与死

水位之间的库容为兴利库容 。

正常蓄水位与死水位之间的深度称消落

深度。

4.防洪高水位Z防:担负着下游防洪

任务的水库,在遇到下游防护地区的设

计洪水时,水库按下游允许的安全泄量

泄洪,此时水库所达到的最高水位。

防洪库容V防:防洪高水位与防洪限制

水位之间的库容差。

5.设计洪水位Z设:当水库遭遇设计

标准的洪水时,正常泄洪设施的闸门全

部打开,水库所达到的最高水位。

拦洪库容V拦:设计洪水位与防洪限制水位之间的库容。

6.校核洪水位Z校:当水库遭遇校核标准的洪水时,全部泄洪设施都投入运用,由于泄

洪能力的限制,水库水位将超过设计洪水位这时所达到的最高水位。

调洪库容V调:校核洪水位与防洪限制水位之间的库容。

校核洪水位Z校以下的库容为总库容。

二、 水工建筑物

1.挡水建筑物:大坝,如:重力坝、水闸、拱坝等。

2.泄水建筑物:溢流道、泄洪遂洞、泄水坝等。

3.输水建筑物: 引水遂洞、涵管、渠道、渡槽等。

4.取水建筑物:进水口、抽水站等。

5.水电站建筑物:水电站厂房、调压井等。

6.永久建筑物:使用年限达到5年以上。

三、 水工设备

1. 取水设备:进水口闸门及其起重机。有的电站取水口还设有放空阀。

2. 泄水设备:泄洪闸门及其控制它的液压机械设备。有的小型闸门也采用电动或人工手动

操作。

3. 水工检修设备:桥式起重机,检修闸门,冲沙闸门等。

4. 水工监测设备:自动监测大坝安全的设备。

第三节、水电站水文

一、水电站水文的意义

提供水能资源的实时和预报数据,用于水库的实时调度。是水电站发电用水和防洪泄水

的主要依据。

水电站是把水能转换为电能的地方,水是水电站的动力源。因此水电站必须对水库上游河流来水量要有预知能力,这直接关系到电站的发电调度。

二、表述河流特征的名词

1.河流长度:自河源到河口的长度。

2.落差:河段两端的河底高程差。

3.纵比降:单位河长的落差。

4.干流:河长最长或水量最大的一支流。

5.流域:河流某断面的集水区域。

6.分水线:流域的周界。

7.水系:流域各条水流路线构成的脉络相通的系统。

三、表述水体特征的名词

1.流量Q:单位时间内通过某一断面的水量体积。流量随时间变化,常见的表述单位有

日均流量、月均流量、年均流量、多年平均流量等。

Q=横断面积A×流速V

2.水位Z:水面位置相对于海平面或某一指定平面位置的落差。

333. 径流总量(W):是指时段T内通过某一断面的水流总量。常见单位m、亿m、方、

333(m/S)·月、(m/S)·年、(m/S)·日。

4. 径流深Y:是指将径流总量平铺在整个流域面积上的水层深度。单位:mm。

Y=QT/1000F=W/1000F

其中:Q—平均流量;T—时段;F—流域面积;W—径流总量。

5.径流系数a:指某一时段内的径流深Y与相应的降雨深X的比值,0

6.含沙量:单位体积浑水中所含的泥沙重量,单位是kg/m3。

7.输沙率:单位时间内流过某一断面泥沙重量,单位t/s。

四、表述降雨特征的名词

1.对流雨:主要指夏季的阵雨,它是由地表局部受热所致。

2.地形雨:它是由地形升高所致。

3.锋面雨:它一般处在冷暖气团交替之间。

4.气旋雨:它与四周气压不同所致。

5.降雨强度:单位时间内的降雨量,常见单位:mm/3h。

小雨0—10mm,中雨15—25mm,大雨30—45mm,暴雨≥50mm。

第二章 水轮机

第一节、水轮机工作参数

水轮机的工作参数是表述水体通过水轮机时水体能量转换为旋转机械能过程中的一些

特性数据。水轮机的基本工作参数主要有:水头H、流量Q、出力N、效率η、转速n。

一、水头H

水轮机的水头即工作水头:是水轮机进、出口断面间的水体能量差,单位是(米/水柱)。 计算公式:

E—单位重量水体的能量;Z—相对某一基准的位置高度;P—相对压力;V—断面平均流

速;α—断面动能不均匀系数;γ—水的重度;g—重力加速度。

水轮机的工作水头随着电站上、下游水位(水库水位和尾水水位)变化而变化。

1. 最大水头:是允许水轮机工作的最大工作水头,它对水轮机的强度和结构设计有决

定性的影响。

2.最小水头:保证水轮机安全、稳定运行的最小工作水头。

3.额定水头:水轮机额定出力时的最小工作水头。

4.设计水头:水轮机具有最高效率的工作水头。

二、流量Q

水轮机流量是单位时间内通过水轮机某一既定过流断面的水流体积常用符号Q表示,单

3位是m/s。在额定水头下,水轮机以额定转速、额定出力运行时所对应的水流量称为设计流

量Q,它是水轮机发出额定出力时所需的最大流量。

耗水率q:是指水轮机在某一时间段内每发一度电所需的水量。

计算公式:

A—出力系数;H—某一时间段内的平均工作水头;3600j—焦耳。

三、转速n

水轮机转速是在单位时间内水轮机的旋转次数。常用符号n表示。常用单位r/min。

四、出力N和效率η

水轮机出力是水轮机轴端输出的功率,常用符号N表示,常用单位KW。

水轮机的输入功率为单位时间内通过水轮机的水流的总能量,即水流的出力,常用符号

Nn表示。公式:

Nn=GQH=9.81QH

G—重力加速度,一般为9.81.

因为水流通过水轮机时存在一定的能量损耗,所以水轮机的出力N总是小于水流的出力

Nn。水轮机的输入和输出功率之比称为水轮机的效率,用符号η表示。

由于水轮机在工作过程中有一定的能量损耗,所以水轮机的效率η<1.

因此,水轮机的出力N可以表示为:

N=GQHη=9.81QHη

第二节、水轮机的类型 G—重力加速度,一般为9.81.

水轮机是将水能转换为旋转机械能的一种原动机。根据水轮机利用水流能量方式的不同,可以分为:

在本章,不对水轮机结构做介绍,水轮

机的详细结构在“水轮机结构”一章中介

绍。

一、反击式

反击式水轮机主要利用的是水流的

压能。在工作时,水流始终充满整个转轮

流道。

1. 混流式水轮机

混流式水轮机如右图所示。水流从四

周径向流入转轮后轴向流出转轮。混流式

水轮机应用水头20—700M,混流式水轮机结构简单,运行稳定且效率高,是现代应用最为广泛的一种水轮机。 混流式水轮机

2.轴流式水轮机

轴流式水轮机如右图所示。水流在转轮区

内始终保持轴向流动。轴流式水轮机的常用水

头为3—50M,在中低水头、大流量的小水电

站中得到广泛应用。

根据转轮叶片在运行中能否转动,又分为

轴流转桨式水轮机和轴流定转桨式水轮机。

轴流式水轮机

3.斜流式水轮机

斜流式水轮机如右图所示。水流在转轮区内

与主轴成某一角度的方向流动。斜流式水轮机转

轮叶片大多做成可转动的形式,有较宽的高效率

区。适用水头在40—20米。

斜流式水轮机

4.贯流式水轮机

贯流式水轮机是一种流道近似于直筒状的卧轴式水轮

机。它没有蜗壳,叶片可做成固定和转动式两种。根据其发

电装置形式的不同,分为全贯流式和半贯流式。贯流式水轮

机一般用于大流量、低水头的水电站。一般水头在1—25米。

最大水头可达30米。

二、冲击式水轮机

冲击式水轮机的转轮在空气中工作,冲击式水轮机吸收

水体的动能工作。来自压力钢管的高压水流在进入转轮之

前,已经转变成高速自由射流。该射流冲击转轮的部分轮叶,

并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的改变。 冲击式水轮机

冲击式水轮机安射流冲击转轮的方式不同,分为水斗 式、斜击式、双击式三种。

水轮机类型及应用水头范围表

第三节、水轮机型号

根据我国“水轮机型号编制规则”规定,水轮机型号由三部分组成,每一部分用短“—”隔开:

1.水轮机型式

由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成,拼音字母表示水轮机型式,阿拉伯数字表示转轮型号。如:HL200表示转轮型号为200的混流式水轮机。

2.主轴布置形式及引水室特征

由汉语拼音字母组成,第一个字母表示主轴布置形式(立轴或卧轴),第二个字母表示引水室特征(金属或混凝土)。如:LJ表示立轴金属蜗壳。

3.第三部分表示水轮机转轮的标称直径。

例 如 水轮机铭牌型号为HL220—LH—250则表述为:转轮型号为220的混流式立轴混凝土蜗壳转轮直径为250cm的水轮机。

第三章 水轮机结构

(略)

第四章 水轮机工作原理

(略)

第五章 水轮机调速器

第一节、概述

一、调速器的基本作用

1.开机时打开导叶,给水轮机转轮提供动力源(水量)。

2.开机后自动调整机组频率与电力系统频率一致,实现快速并网。

3.并网后分配机组间的负荷。

4.运行中自动调整负荷。

5.事故或停机时快速切断水流,使机组转速迅速下降,保证设备安全。

二、调速器的分类

随着科学技术的发展,调速器也从原始的机械型调速器发展到现代的微机调速器。根据调速器的测量、操作方式的不同分为:

1. 全机械式调速器(现代已经淘汰。只有在几百个KW小型、老式水电站还有这种调速器)。

2.电气液压型调速器。

3.微机调速器。

三、调速器的工作原理

为了便于理解,我以电气液压型调速器的基本原理为例分析,原理图如下:

动作过程:调速器飞摆电机与发电机做同步旋转,摆锤在离心力的作用下向外扩张或向内收索,带动活塞头在活塞套内上下移动。当活塞头的上工作通道与活塞套的开向工作腔接通时,压油罐的压力油即通过该通道进入拉向接力器的前腔,迫使拉向接力器的活塞头向后移动,压力油同时进入推向接力器的后腔,迫使推向接力器的活塞头向前移动,两个活塞头配合带动控制环做同心旋转,拉动活动导叶拐臂,迫使活动导叶旋转打开。与此同时,活塞头的下回油通道

与活塞套的回油腔联通,使接力器的关向油路与回油箱回油管联通实现回油。活塞头的上回油通道被活塞套堵塞,失去作用。

导叶的关向动作过程与以上相反。

第二节、微机调速器及其基本结构

一、微机调速器的主要功能

微机调速器除具备传统调速器的基本调节功能外,由于微机具有强大的运算和逻辑判断能力以及记忆能力、丰富的硬件资源,在调速器的设计中充分发挥微机的这些优势,使微机调速器的功能不断的扩大和加强,微机调速器具有如下功能:

1.微机调速器的基本功能

一般微机调速器应具备如下基本功能:

(1).频率测量与调节功能。微机调速器可测量发电机和电力系统频率,并实现机组频率自动调节和控制。

(2).频率跟踪功能。当频率跟踪功能投入时,微机调速器自动调整机组频率与系统频率的差值,以实现快速自动准同期并网。

(3).自动调整、分配负荷功能。机组并入系统后,微机调速器将按设定的永态转差系数bP值,自动调整机组的出力,并分配机组间的负荷。

(4).负荷调整功能。接受上位机的控制指令,调整机组出力。

(5).开停机操作功能。接受上位机指令实现机组的自动开停机功能。

(6).紧急停机功能。遇到水力机械和电气故障时,上位机发出紧急停机指令,实现紧急停机。

(7).主要技术参数的采集和显示功能。

(8).手动操作功能。

(9).手自动的无条件和无扰动切换功能。具有故障诊断功能的微机调速器在自动运行时,当系统级故障被检测出以后,调速器将自动工况切换为手动工况运行。这种切换是无条件的,且切换过程中不应该有负荷的冲击和摆动。

2.微机调速器的特殊功能

(1).在线故障诊断及处理功能

1).机组频率信号和电力系统频率信号消失故障的在线诊断及处理。

2).导叶和轮(桨)页位置反馈信号消失故障的在线诊断及处理。

3).水头信号消失故障的在线诊断及处理。

4).微机功能模块故障检测(包括主机模块、D/A和A/D模块、CPU)。

诊断出上述一些故障以后,调速器中相应的部件和软件应做出处理措施,对双微机来说一般是切换到备用机,没有备用机则采取投入负荷锁定带固定负荷或切换到手动运行。

(2).离线诊断功能。工控微机调速器如STD总线控制机,生产厂家就已经设计了功能模块的诊断程序,以供生产时检验和维护修理时使用。

(3).容错控制功能。目前我国微机调速器的容错设计主要采用冗余技术,它包含静态冗余、动态冗余和混合冗余几种结构。

1).静态冗余中应用最广泛的是三模冗余表决结构。即用三个相同的功能模块执行同一处理任务,在输出点进行表决。其特点是不依赖于故障诊断,不用切换电路,也没有延时,但要一个硬核电路承担表决功能。

2).动态冗余是在故障诊断的基础上进行的。一旦检测出故障,故障模块即被切除,并用备用模块进行结构重组和系统恢复,以达到消除故障的目的。这样就大大提高了平均故障间隔时间的指标。我国生产的双微机调速器主要就是采用动态冗余技术。采用可修复的双模

冗余系统的微机调速器可靠性更高。

可修复的双模冗余系统是指在运行时,可对被切除的计算机进行维护和检修。

(4).计算机辅助实验功能(CAT)。微机调速器在调试和试验时,试验信号的发送、试验数据的记录、曲线绘制、数据处理、结果的分析均用计算机来实现,这一功能就是计算机辅助试验功能。目前我国生产的微机调速器大多有这一功能。

该功能一般有两种形式:

1).计算机辅助试验的功能由微机调速器中的微机及其专门的软件实现。如南自生产的ST—721A型微机调速器中就有辅助试验软件。

2).计算机辅助试验的功能由另一台微机及配套的相应软件实现,即CAT装置是该微机调速器的独立配套装置,没有通用性。它通过RS—232串行通信口与该微机调速器交换信息实现辅助试验功能。如长江所生产的WDT系列双微机调速器就配备了这种专用的CAT装置。

(5).事故记录功能。

(6).与上位机的通信功能。

二、微机调速器的主要技术指标

目前我国还未对水轮机微机调速器制定专门的技术标准。微机调速器的主要技术指标仍然沿用GB/T9652.1—1997《水轮机调速器与油压装置技术条件》及GB/T9652.2--1997《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》。

微机调速器的主要技术指标如下:

(1).微机调速器的静态特性要求

1).微机调速器静态特性曲线应近似一条直线。

2).测至主接力器的转速死区不超过下表的规定值。

3).转桨式水轮机调速器,其轮(桨)叶随动系统的不准确度不大于1.5%,数字协联曲线与理论协联曲线偏差不大于设计规定值。

4).对于大中型微机调速器,电气装置温度漂移折算成转速相对值,分别不得超过0.01%和0.02%。

5).微机调速器的综合漂移量折算成转速相对值,对于大中型微机调速器,分别不得超过0.3%和0.6%.

(2).微机调速器控制的调速系统动态特性要求

1).自动空载运行时,机组转速摆动值对大型微机调速器不超过±0.15%,中小型微机调速器不超过±0.25%.

2).甩100%额定负荷后,在转速变化过程中,超过稳定转速3%额定转速值以上的波峰不超过两次;从接力器第一次向开启方向移动起,到机组转速摆动值不超过±0.5%为止所经历的时间不大于40S。

3).甩25%负荷时,接力器不动时间不大于0.2S。

(3).微机调速器的功能、调节参数和部件还应满足以下要求:

1).微机调速器的调节参数应设置在规定范围内,比例增益最小值不大于0.5,最大值

-1-1不小于20;积分增益最小值不大于0.05S,最大值不小于10S;微分增益最小值为“0”,

最大值不小于5S。

2).永态转差系数能从“0”到最大值范围内整定,最大值不小于8%。

3).开度限制机构(包括电开限)应可在0—100%的范围内调整,设置了开限机构的调速器还应装设远距离控制装置。其全行程的动作时间应符合设计规定。

4).按水头自动调整协联关系和启动开度的微机调速器,水头信号应能跟随实际水头的变化。

5).大型微机调速器应设置人工失灵区,其最大值不小于额定转速的1%。

6).当测速装置的输入信号或水头信号消失时,应能使机组保持所带的负荷,同时不得影响机组的正常停机和事故停机。

7).对大型微机调速器和重要水电站的中型微机调速器应选用工控机调速器。并应具备故障诊断和容错功能。

8).电气装置在工作电源切换时或双微机的主、备用机切换时,水轮机接力器的开度变化不得超过其全行程的±1%.

(4).微机调速器还应能承受来自电源的干扰和周围环境的辐射电磁场干扰,同时设备本身的电磁干扰应减小到最低程度。

电快速瞬变干扰试验电压不小于产品标准规定值,施加干扰时,电气装置的功能和动作应正确无误,接力器不能有异常动作。

三、微机调速器系统的基本结构

目前我国生产的微机调速器其系统结构大致可以分为三类

1.微机调节器加电液随动系统结构

这种微机调速器油微机调节器或微机控制器加电液随动系统两部分组成。其基本结构如下图。

在目前我国已投入的微机调速器中,主要就是这种微机调速器。它的微机调节器完成对机组频率和系统频率的测量并对频差进行比例、积分和微分运算,同时完成信号综合、故障诊断、参数测量和显示以及与上位机的通信等任务。电液随动系统作为大功率执行器,主接力器的位移随动于调节器的输出信号。

这种调速器的转速死区等于永态转差系数bP乘以电液随动系统的不准确度。

ix=bP*ia.

由于电液随动系统便于进行动态校正,开环增益较大,要使随动系统不准确度ia<0.5%

很容易,所以这种调速器的转速死区都很小。

2.具有中间接力器的调速器系统结构

这类微机调速器由微机调节器(微机控制器)、电气伺服装置(由电液伺服阀和中间接力器组成)及机械液压随动系统组成,其基本系统结构如下图。

这种微机调速器与上一种微机调速器的不同点在于电气伺服装置仅将微机调节器输出的模拟电压信号成比例的转换成机械位移信号。

它的优点是无条件、无扰动的进行工况切换。电气伺服装置和机械液压随动系统可分别独立进行检修、维护工作。

3.用电机控制的微机调速器系统结构

这种微机调速器是我国调节工程技术人员为了解决调速器的抗油污能力而把电液伺服阀取消采用全电气伺服装置的一种微机调速器,是我国的独创技术。

这种调速器具有抗油污能力强、可靠性高、机构简单、维护使用方便等优点,已经成为当前的主流产品。

第三节、微机调节器工作原理

一、微机调节器的基本数学理论

我国的微机调速器大多采用可修复的双模冗余系统,即双机系统。两机硬件、软件配置完全一样。

微机调节器的原理是数字式调节器对离散信号进行计算,当采样周期T很小时,可将如下微分方程离散化:

式(3—1)

将上式化为位置式算式:

式(3—2)

式中:Yk—第k次采样时的输出量;Xk--第k次采样时的输入信号;△Xk--第k次与k-1次的增量,T—采样周期。

第k-1次采样可写成:

式(3—3)

式(3—2)减式(3—3)得到增量式算式:

因为:

式(3—4)

式(3—5)

将(3—5)代入(3—4)得到另一增量式为:

式(3—6)

式中:

;;

TI—积分时间常数;TD—微分时间常数;T—采样周期。

因为一般计算机控制系统采用稳定的采样周期T,所以在确定了KP、KI、KD后,根据前后三次测量即可由式(3—6)求出调节器输出的增量。

调节器当前的输出即为前一次输出加本次的增量。

式(3—7)

在水轮机微机调节器中,必须设置两种调节规律:

1. 并入系统前的PID调节规律。

2. 并入系统后的有差调节。

考虑负荷调整,加进功率给定和前馈控制,除此以外,为了增强PID调节器的抗干扰能力,必须加进实际微分环节的分量,为此,水轮机微机调节器的差分方程应在PID差分方程的基础上作相应调整。公式(3—8)如下:

式中:--使理想微分成为实际微分的附加分量,

TD—微分时间常数;T—采样周期;PGK—功率给定。

二、调节器各单元的工作原理

1.测频单元工作原理(原理图如下)

从发电机出口电压互感器引来的交流电压信号,经降压滤波后到整形电路整形为方波,经二分频后,每个方波的高电平时间就是频率信号的周期,再经与时钟相与后送入可编程定

时计数器计数,CPU从可编程定时计数器读取一个周期的值后计算机组的频率值。

可编程定时计数器有3个独立的16位计数器,将计数器1的输出OUT1经反相后接入计数器2的CLK2,以实现两个计数器的级联,组成32位计数器,计数时钟频率为 =1MHZ,机组频率fj= /计算值,可测得的最低频率为fmin=0.000233HZ.

2.开关量输入原理

开关量输入原理图如右图。从操作回路来的开关量信号,如

开停机信号、手自动增减负荷等信号。为了防止开关抖动和干

扰的影响,首先进行光电隔离,经反相器后输至输入缓冲器。

当某个开关量的接点闭合时,光电隔离输出低电平,经反相后

得到高电平输至输入缓冲器,CPU执行输入指令即可得到这些开

关量的状态,并执行相应的操作。

3.故障检测电路原理

水电站一般常用主阀有蝴蝶阀和球阀以及闸阀。

主阀的作用:

3. 为机组检修提供安全的工作条件。

4. 停机时减少机组的漏水量和缩短机组重新启动的时间。

5. 防止机组飞逸事故扩大。


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