第四节 水轮机层和发电机层

第四节 水轮机层和发电机层 水轮机层和发电机层占据了厂房的大部分空间，它们的结构型式和尺寸主要取决于电流系统及电气控制设备的布置。同时布置在这两层中的还有机械控制设备。高水头水电站的各种机电设备中，发电机尺寸相对较大，因此发电机层的尺寸对主厂房的平面尺寸常起控制作用。 一、发电机的类型及励磁方式 大中型水电站一般均采用立式（竖轴）水轮发电机组。发电机的类型及励磁方式会影响到厂房的布置。 根据推力轴承设置的位置，竖轴水轮发电机可分为悬式和伞式两种。悬式水轮发电机的推力轴承位于上机架上，整个水轮发电机组的转动部分是悬挂着的。它的优点是推力轴承损耗较小，装配方便，运行较稳定；缺点是上机架尺寸大，机组较高，消耗钢材多。转速在150r/min以上的水轮发电机一般为悬式。伞式水轮发电机的推力轴承设在下机架上，推力轴承好似伞把支撑着机组的转动部分。它的优点是上机架轻便，可降低机组高度（及厂房高度），节省钢材，检修发电机时可不拆除推力轴承，从而缩短检修时间；缺点是推力轴承直径较大，易磨损，设计制造较复杂。有时还把推力轴承设于水轮机顶盖支架上，称为低支承伞式水轮发电机。转速150 r/min以下的大容量机组常为伞式。 目前水轮发电机的励磁方式主要有直流电机励磁及可控硅整流励磁两种。前一种情况下，发电机的励磁电流来自于同轴连接在发电机上方（指竖轴机组）的直流电机，即励磁机。后一种情况下，发电机输出电流的一部分经可控硅整流、降压后送回发电机作为励磁电流。从励磁系统的组成上看，采用可控硅励磁后，可省去励磁机，有利于降低厂房高度，但要增加几块励磁盘及励磁变压器。 二、发电机支承结构 发电机支承结构通常称为机座或机墩，其作用是将发电机支承在预定的位置上，并给机组的运行、维护、安装、检修创造有利条件。机组作用在机座上的力主要有垂直荷载（转动及非转动部分的重量、水推力等）及扭矩（正常及短路扭矩）。机座必须有足够的强度和刚度保证弹性稳定，动力作用下振幅小，自振频率高（以免与机组共振)。常见的机座有以下几种。 (1)圆筒式机座。这种机座广泛应用于中型机组，见图16-10。它的内部为圆形的水轮机井，外部呈圆形或八角形，圆筒壁厚在1.5 m以上。水轮机井下部的内径决定于水轮机顶盖处各种设备的布置、安装、维护、检修条件及结构传力条件。为了使机座荷载的一部分经水轮机座环传至下部块体结构，该内径要略小于座环的外径，一般取转轮直径的1.3～1.4倍左右。水轮机井下部常设一段钢板里衬，由水轮机厂家制造。 水轮机井上部的内径与形状主要取决于发电机的结构。安装机组时，水轮机转轮、顶盖、发电机下支架、转子等依次吊入，所以水轮机井上部直径必须大于转轮外径（最好能大于顶盖的外径，以便整体吊装）而小于下支架的直径。采用伞式发电机（推力轴承设在下支架处）时，尽量减小下支架的跨度对结构有利，因此常令水轮机井上部内径仅比水轮机转轮直径大0.5～0.7 m。 圆筒式机座的优点是受压及受扭性能均较好，刚性大，一般为少筋混凝土，用钢较省。其缺点是水轮机井内狭小，水轮机的安装、检修、维护较为不便。 (2)框架式机座。对于中小型机组，可将发电机安置在由环形梁（圈梁）和4～6根立柱组成的框架式结构上，荷载通过立柱传给下部块体结构（因此也称为立柱式机座）。框架式机座水轮机井尺寸的决定与圆筒式机座原则上相同。这种机座的优点是混凝土方量少，水轮机顶盖处比较宽敞，设备的布置、安装、维护、检修比较方便；缺点是受扭和抗振的性能比圆筒式差，刚性也较小。 图16-3～图16-8给出了这种机座的例子。该机座由圈梁及4根粗壮的立柱组成，水轮机井内径3.70 m，为转轮直径的1.48倍，比发电机转子直径小0.88 m，比发电机下支架直径小0. 4 m。发电机型号为TS520/182-24，容量为42500kW，计算及模型试验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明，该立柱式机座的强度可以保证，但刚度偏小，因而振动的最大振幅偏大。 (3）块体机座。装置大型机组的厂房，发电机层以下除留有水轮机井及必要的通道以外，全部为块体混凝土，机组直接支承在块体混凝土上，如图11-2所示。这种机座的强度及刚度很大，但混凝土方量大。 (4)平行墙式机座。这也是一种适用于大型机组的机座，由两平行承重钢筋混凝土墙 及其间的两横梁组成，机组支承于平行墙及其间的横梁上。当发电机荷载大时，横梁的梁深可达数米。两平行墙之净距大于水轮机顶盖，平行墙跨过蜗壳，将荷载传至下部块体结构，墙厚可达数米，见图16-12。这种机座的优点是水轮机顶盖处宽敞，工作方便，而且可以在不拆除发电机的情况下，将水轮机转轮从平行墙之间吊出。 (5)钢机座。采用钢结构支承发电机并将荷载传至水轮机顶盖、座环或蜗壳上。这种机座的优点是发电机与水轮机直接配套，结构紧凑，安装方便迅速，减少了复杂的钢筋混凝土工程；但耗钢材多，我国尚未采用过。 三、发电机的布置方式 按发电机与发电机层楼板的相互位置，发电机在主厂房内的布置方式可分为上机架埋入式、定子埋入式和定子外露式三种。 单机容量l00MW以上的大型机组常采用上机架埋入式布置，即发电机定子及上机架全部埋设在发电机层楼板之下，发电机层只留下励磁机。这样虽要增加一些厂房高度，但发电机层显得宽敞，检修场地大，利于各种控制和辅助设备的布置，因而有可能减小厂房的宽度；发电机层与水轮机层之间高度大，常增设夹层布置发电机引出线及电气设备。 单机容量数万千瓦的发电机组采用定子埋入式布置较多，其上机架出露（或部分出露）在发电机层楼板上，虽占据了一些位置，但便于检修悬式发电机组的推力轴承、观察发电机上导轴承油位和测量机架摆度。 只有开敞式通风的小型发电机才采用定子外露式布置。由于发电机完全出露在发电机层楼板以上，发电机层很拥挤，发电机的引出线布置不便。 四、发电机层楼板高程的确定 根据上一节所述的原则，可以定出水轮机层地面高程▽ ，（图16-11）。在此高程上加上水轮机井进入孔高度(2 m左右）和进入孔顶部的深梁(1 m左右），得出发电机定子的安装高程（即机座顶面高程）▽ ，主机组的轴长也随之确定了。若发电机采用定子外露式布置，此即发电机层楼板高程；否则，再加上发电机定子高度，并按上机架埋入程度再加上一部分或全部上机架高度，得出发电机层楼板高程▽ 。 确定发电机层楼板高程中，除考虑机组布置方式的影响外，还要考虑下列因素：(1)套用现成机组时，发电机与水轮机之间的间距是给定的。 (2)发电机层楼板最好高于下游尾水位，以便于对外交通及开窗采光通风。当下游洪水位过高时，可考虑低于下游最高水位，但高于较常见的下游水位。图16-10所示厂房就因为下游尾水位较高而抬高了发电机层楼板高程，并因之增设了出线层。 (3)水轮机层的高度不得小于3.5～4.0 m；若增设出线层，其高度也不宜小于3.5m。(4)发电机层楼板最好与装配场同高（详见本章第五节）。 图16-3所示厂房，水轮机安装高程定为113.70 m后，根据套用现成机组的尺寸，发电机安装高程定为118.895 m，发电机层楼板高程定为122.55 m。机组采用定子埋入式布置，发电机上机架也部分埋设在发电机层楼板下，以便加高水轮机层以及副厂房出线层的高度，便于布置电流系统。 图16-12 美国包德水电站的平行墙式机座 图16-13 湖南镇水电站电气主接线图 五、电流系统及电气控制设备的布置 水电站的主要电气设备组成及其连接方式常表示在电气主结线图中。图16-13即为湖南镇水电站（图16-3)的主结线图。由图可见，该电站采用扩大单元结线，四台42500 kW机组用两台 三相三卷变压器结成两个扩大单元。110 kV高压侧采用旁路母线，220 kV高压侧采用双母线，发电机电压为10.5 kV。 厂用电由两个扩大单元母线用SK-500干式变压器供给，坝区及近区用电由#3、#4机组的扩大单元母线上接出，经 近区变压器供给。 发电机引出线常布置在发电机层楼板下面，即水轮机层上部（图16-3)或专设的出线层内（图16-10）。要求引出线短，没有干扰，母线道干燥，通风散热条件好。以图16-7为例，每台发电机均向下游出线，引出线固定在发电机层楼板下（即水轮机层天花板上），并以铁丝网加以围护。引出线穿墙进入副厂房中的出线层，经断路器 并成发电机电压母线，然后沿出线层及母线廊道通至主变压器，升高电压后分别接到110 kV及220 kV开关站。厂用电来自发电机电压母线，经布置在出线层内的断路器 及两台厂用变压器供给。厂用配电室设在125.40 m高程的副厂房内，见图16-5。该图中还表示了布置在装配场墙外的近区用电系统的断路器、近区变压器及配电室。 机旁盘等需经常监视操作的设备一般布置在发电机层，以便值班人员工作。若有位置，励磁盘也可布置于此。由图l7-6可见，每台机上游侧都布置了五块机旁盘（及一块电调盘），＃1、#2机采用直流励磁机励磁，布置了三块励磁盘；＃3、＃4机采用可控硅励磁调节器，布置了五块励磁盘，并在水轮机层（图16-7)布置了SK-500励磁干式变压器。 其他电气设备一般布置在以中央控制室为核心的副厂房内。中央控制室是全厂监视、控制的中心，要求宽敞、明亮、干燥、安静、气温适宜，以利各种仪表正常工作，并给值班人员创造良好的工作环境。中央控制室最好靠近发电机层，与主厂房联系方便，处理故障迅速。它最好又位于主厂房与高压开关站之间。中央控制室的下层要设一层电缆层，全厂各处的各种表计、继电器、控制操作设备都通过电缆经电缆层接入中央控制室的表盘。中央控制室附近常布置继电保护等控制和辅助设备。以湖南镇水电站为例，由图16-4和图16-5可见中央控制室位于装配场下游侧副厂房内，与主机间之间设有伸缩缝，以减小机组振动的影响。由中央控制室穿过继电保护室即可到达主厂房的走廊平台，俯视发电机层；下一层楼即可到达机组旁，因此该位置还是适宜的。与中央控制室在同一层的还有各种电气设备用房，如继电保护室、自动远动室、厂用配电室、直流盘室、蓄电池室、载波机室等。而下一层为贯通的电缆层，便于敷设各种电缆。 六、机械控制设备的布置 水电站厂房内的机械控制设备主要包括水轮机的调速器、减压阀、蝴蝶阀和尾水闸门的操作设备。 混流式水轮机组的（单调）机械液压调速器由操作柜、油压装置及接力器（或称作用筒）组成。接力器可以是环形接力器或推拉接力器。环形接力器直接固定在水轮机顶盖上，推拉接力器一般布置在蜗壳断面较小的上游侧，固定在机座的孔洞中（见图16-10）。油压装置供应一定压力的操作用油，以压力油管及回油管与操作柜相连接。操作柜是调速器的核心，它以油管与接力器连接并控制油的流向，使接力器动作打开或关小导叶，以满足运行要求。接力器的动作又以回复连杆（或钢丝绳）反馈给操作柜。由此可见，油压装置应尽可能靠近操作柜，而操作柜应尽可能接近接力器，以缩短油管并便于安排回复装置。此外，操作柜应尽可能靠近机旁盘，以便运行人员能同时看见操作柜与机旁盘上的各种仪表，在开停机及试验时进行手动操作。 电气液压调速器灵敏度高、控制方便、调节性能优良，已得到广泛应用。它由电气柜、机械（液压）柜、油压装置及接力器组成。其布置原则与机械调速器相似，但电调机械柜取代了操作柜的位置，而增加的电气柜常与机旁盘排成一列。 微机调速器因其优良的调节性能、灵活的运行方式、便于人机对话等一系列优点开始在我国水电站上使用。除了电气柜的内部元件不同之外，它的组成以及在厂房内的布置方式与电气液压调速器相同。 图16-10所示厂房采用机械调速器。调速器和机旁盘都布置在主厂房上游侧。由于副厂房设在上游侧，发电机必须向上游出线，加之蝴蝶阀设在主厂房之外，主厂房上游侧宽度很小，十分拥挤，维护检修不便，但仍不失为一种典型的布置方式。 图16-3所示厂房采用DT-100型电气液压调速器，接力器为环形，采用钢丝绳回复装置。HYZ-2.5型油压装置及电调机械柜设在机组上游侧，电气柜与机旁盘排成一列，靠墙布置。这种布置完全符合前述原则。该厂房中，副厂房在下游，发电机引出线及电气设备布置在厂房下游侧，机械设备及油气水管道布置在上游侧，互不干扰。 减压阀的动作必须与导叶关闭相呼应，因而也受调速器控制，且常兼由水轮机接力器操作，如图16-12所示。此时，接力器不一定布置在机座的上游侧，而应与减压阀的布置统筹考虑。 蝴蝶阀的操作油可以取自调速器的油压装置，如它的容量不够，也可单设油压装置。图16-7中所示设在水轮机层的HYZ-4.0油压装置就是操作蝴蝶阀之用。蝴蝶阀可在中央控制室操作，也可就地利用控制柜操作。尾水闸门一般就地操作。