水轮机安全设计

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1、四水轮机简介水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前 100 年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。水轮机的分类水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮 受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过

2、程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。冲 击 式 水 轮 机冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式) 和斜击式两类。斜击式水 轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。 理论分析证明，当 水 斗 节 圆 处 的 圆 周 速 度 约 为 射 流 速 度 的 一 半 时 ， 效 率 最 高 。 这 种 水 轮 机 在 负 荷发 生 变 化 时 ， 转 轮 的 进 水 速 度 方 向 不 变 ， 加 之 这 类 水 轮 机 都 用 于 高 水 头 电 站 ， 水 头 变 化相 对 较 小 ， 速 度 变 化 不 大 ， 因 而 效 率 受 负

3、 荷 变 化 的 影 响 较 小 ， 效 率 曲 线 比 较 平 缓 ， 最高 效 率 超 过 91%。反击式水轮机反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。 各种类型的反击式水

4、轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在 40 米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于 40 米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。 在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。 反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大

5、流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。 轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。 轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。一般安装高度在 3-50m。 ，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。 轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在 1920 年发明的，故又称卡普兰水轮机。一般安装高度在 3-80m。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最

6、高效率有的已超过 94%。典型例子就是葛洲坝的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为 320 米的低水头小型河床电站。 这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。 灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。其中又可以细分为贯流式和半贯流式。世界上最大的灯泡式水轮机(转桨式半贯流)装在美国的罗克岛第二电站，水头 12.1 米，转速为 85.7 转/分，转轮直径为 7.4 米，单机功率为 54 兆瓦，于 1978

7、年投入运行。 混流式水轮机是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于 1849 年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，运行稳定，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过 95%。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为 5700 米，但采用最多的是 40300 米。混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效

8、率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。典型例子是我国的刘家峡。 斜流式水轮机是瑞士工程师德里亚于 1956 年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于 40120 米水头。 由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。基本概念

9、和发展史水轮机是一种将水能转换为机械能的动力机械。在大多数情况下，将这种机械能通过发电机转换为电能，因此水轮机是为水能利用和发电服务的。 水是人类在生活和生产中能依赖的最重要的自然资源之一，我们的祖先很早以前就和洪水开展了斗争并学会了利用水能。公园前二千多年的大禹治水，至今还为人们所称颂。公元 37 年中国人发明了用水轮带动的鼓风设备-水排，公元 260-270 年中国人创造了水碾，公元 220-300 年间发明了用水轮带动的水磨，这些水力机械结构简单，制造容易。缺点是笨重、出力小、效率低。真正大规模地对水力资源合理开发和利用，是在近代工业发展和有关发电、航运等技术发展以后。 水利资源的综合开

10、发和利用，是指通过修建水利枢纽工程来进行对河流水力资源在防洪、灌溉、航运、发电以及水产等发明的综合利用。 我国的水电发展设备事业也是在新中国成立以后才有了蓬勃发展，1975 年我国还只能自行设计制造 7.5 万千瓦的新安江水电站，到现在我国已能自行设计制造单机容量 70 万千瓦的混流式水轮机发电机组及单机容量 17 万千瓦的轴流转桨式水轮发电机组。现在，我国的水力设备的设计、制造水平已达到世界先进水平。我国设计、制造的水力发电设备远销到美国、加拿大、菲律宾、土耳其、南斯拉夫、越南等国，受到了这些国家的欢迎。五水轮机常见事故、危险源分析在水电安全管理工作中，机械设备安全管理占有极其重要地位，是安

11、全管理的重要组成部分近年来，随着水利水电施工的不断发展和要求，机械化程度越来越高，机械的种类、数量在不断增加，设备安全管理力度也应增大。特别是工程施工中，机械伤人事故时有发生。机械事故也屡见不鲜，给企业和员工的财产造成巨大损失。由于水轮机发电机组的结构比较复杂，有机械部分、电气部分以及油、气、水系统，它受系统和用户运行方式的影响，还受天气等自然条件影响。容易发生故障或者不正常运行状态。某一次故障可能是一种偶然情况，但对整个机组运行来说又是一种必然事件。运行人员应从思想、技术、组织等各个方面做好充分准备。（1）运行人员平时应加强理论学习，尽可能掌握管辖设备的工作原理和运行性能。（2）运行人员应熟

12、悉各设备安装为止，各切换开关、切换片位置。（3）运行班组应针对各种主要故障制定事故处理预案并落实到人。3（4）运行现场应准备必要的安全防护用具及应急工具。（5）运行人员应由临危不乱沉着应对的心理素质。水轮机常见事故、危险源分析1 机组过速机组带负荷运行中突然甩负荷时，由于导叶不能瞬时关闭，在导叶关闭的过程中水轮机的转速就可能增高 20%40%，甚至更高。当机组转速升高至某一定值（其整定值由机组的转动惯量而定，一般整定为 140%额定转速）以上，则机组出现过速事故。由于转速的升高，机组转动部分离心力急剧增大，引起机组摆度与振动显著增大，甚至造成转动部分与固定部分的碰撞。所以应防止机组过速。为了防

13、止机组发生过速事故，目前多数电站是设置过速限制器、事故电磁阀或事故油泵，并装设水轮机主阀或快速闸门。这些装置都通过机组事故保护回路自动控制。机组发生过速时的现象有（1）机组噪音明显增大。（2）发电机的负荷表指示为零，电压表指示升高（过电压保护可能动作） 。 （3） “水力机械事故”光字牌亮，过速保护动作，出现事故停机现象。（4）过速限制器动作，水轮机主阀（或快速闸门）全开位置红灯熄灭（即正在关闭过程）若过速保护采用事故油泵，则事故油泵起动泵油，关闭导水叶。2 机组的轴承事故2.1 巴氏合金轴承的温度升高一般机组的推力、上导、下导等轴承和水轮机导轴承都采用巴氏合金轴承，故利用稀油进行润滑和冷却。

14、当它们中的任一轴承温度升高至事故温度时，则轴承温度过高事故保护动作，进行紧急停机，以免烧坏轴瓦。当轴承温度高于整定值时，机旁盘“水力机械事故”光字牌亮，轴承温度过高信号继电器掉牌，事故轴承的膨胀型温度计的黑针与红针重合或超过红针。在此以前，可能已出现过轴承温度升高的故障信号；或者可能出现过冷却水中断及冷却水压力降低、轴承油位降低等信号。当发生以上现象时，首先应对测量仪表的指示进行校核与分析。例如将膨胀型温度计与电阻型温度计两者的读数进行核对，将轴承温度与轴承油温进行比较鉴别。并察看轴承油面和冷却水。若证明轴承温度并未升高，确属保护误动作，则可复归事故停机回路，启动机组空转，待进一步检查落实无问

15、题后，便可并网发电。当确认轴承温度过高时，就必须查明实际原因，进行正确处理。2.2 水导轴承的润滑水中断橡胶瓦水导轴承系用水进行润滑，这类轴承俗称水轴承。当水轴承润滑水中断时，其现象与上述油轴承相似，只是多显示一个“轴承润滑水中断”信号。润滑水中断的原因与后果：由于水质不洁或有杂物，致使取水滤网或过滤器堵塞，造成水压降低；或自动供水阀门因某种原因误关；当用水泵供水时，由于机械或电气原因造成水泵供水中断。这些都会引起润滑水中断事故。当润滑水中断或水量减少时，会使轴领与轴瓦间润滑、冷却条件变坏，甚至发生干磨擦，导致轴承烧毁，此时水轮机失去了径向支承，造成振动和摆度急剧增大，有时会发生窜水现象，从而

16、影响机组的正常运行。2.3 发电机温度过高由发电机过负荷超过允许的时间范围；三相电流严重的不平衡；通风冷却系统故障；定子绕组局部短路或接地；定子铁心绝缘损坏，形成涡流损耗增大。等原因。造成定子绕组和定子铁心局部过热；电流表指示超限；过负荷保护动作；发电机温度超限发信号等。设计措施：发电机超负荷运行，则迅速减少负荷；如定子三相电流不对称，则查明原因迅速消除；冷却水中断，应迅速停机；部分冷却器堵塞，应维持在低负荷运行，迅速排除故障。2.4 发电机着火由于定子绕组匝间或相间短路；发电机长时间超负荷，温升超过允许值；雷击或过电压引起绝缘损坏；转动部分有部件损坏，刮伤定子绕组，引起短路；电容电流过大或时间过长；并列误操作等原因造成。可采取如下措施：紧急停机；打开发电机消防用水阀门进行灭火；灭水过程中应关闭发电机冷、热风口，保持风洞密封，严禁用泡沫灭火器或砂子、石灰进行灭火3 发电机的异常运行发电机在运行过程中，由于外界的影响和自身的原因，发电机的参数将发生变化，并可能超出正常运行允许的范围。短时间超过参数规定运