压缩空气系统

压缩空气系统

空气有弹性，可压缩，是储存压能的良好介质，压缩空气可储备压能，压力稳定，并且使用方便，易于储存和输送，因此得到广泛应用。

一、水电站使用压缩空气的用户

1、油压装置压力油槽充气。油压装置压力油系统是水轮机调节系统机组控制系统液压阀的操作能源。低水头水电厂采用的液压系统，额定压力一般为25×105Pa，高水头水电厂采用的液压系统，额定压力一般为64×105Pa；

2、机组停机制动装置用气，额定压力为7×105Pa或6×105Pa；

3、机组作调相运行或可逆式机组泵工况启动时转轮室的充气压水，额定压力为7×105Pa、10×105Pa或74×105Pa。

4、检修维护时风动工具及吹扫用气，额定压力为7×105Pa或8×105Pa；

5、水导轴承检修密封围带充气，额定压力为7×105Pa；

6、蝴蝶阀围带充气，额定压力一般为7×105Pa。

7、变电站配电装置的操作及灭弧用气，空气断路器的工作压力为25×105Pa或40×105Pa；

8、寒冷地区的水工闸门，拦污栅等的防冻用气，工作压力为7×105Pa。

二、气系统的组成

压缩空气系统（简称气系统）由空压机及其附属设备、管道系统和测量控制元件组成。气系统的任务是随时满足用户对气量、气压、清洁和干燥的要求。

水电厂将水轮机调速系统的油压装置用气称为厂内高压气系统；机组刹车制动、调相充气压水、风动工具、吹扫和空气围带等用气称为厂内低压气系统；而空气断路器用气则称为厂外高压气系统；水工闸门、拦污栅、调压井等用气称厂外低压气系统。这些系统均实行自动控制。

1、空气压缩机

空气压缩机按工作原理可为速度型和容积型两大类。速度型压缩机在高速轮叶的作用下，获得巨大的动能，随后在扩压器中急剧降速，使气体的动能转变为势能（压力能），容积型压缩机靠在汽缸内作往复运动的活塞使容积缩小而提高气体压力。

压缩机按结构形式的不同，分类如下：

2、压缩空气装置的附属设备

压缩空气装置的主要附属设备有：空气过滤器、储气罐油水分离器、冷却器等。

空气过滤器用来过滤大气中所含的尘埃。因为尘埃进入汽缸后，由于汽缸中压缩空气所产生的高温的影响，会与汽缸的润滑油混合而炭化并在汽缸内壁活塞和阀板上形成积碳，结果会使气阀关不严密，活塞环在活塞上失去弹性，积碳还会沉积在活塞杆上，所以必须有空气过滤器来清除空气中的混合杂质。

储气罐可作为压力调节器，用来缓和压缩机由于断续动作而产生的压力波动。储气罐可作为气能的储存器，当设备耗气量大时放出气能。储气罐内气体温度下降，以及运动的改变而将水分和油珠加以分离和汇集。

油水分离器的功能是分离压缩空气中所含的油份水分使压缩空气得到初步净化，以减少污染，腐蚀管道及用户设备。油水分离器的原理，通过改变进入油水分离器中压缩空气的气流方向和速度，以及气流的惯性，分离出密度较大的油滴和水滴。

冷却器的作用是冷却压缩后的高温气体。一般有风冷式冷却器和水冷式冷却器。

三、机组机械制动及机械制动用气

1、机组机械制动

水轮发电机组在运转时具有很大的动能E，E = Jω2/2，式中J为机组转动部分的转动惯量，ω为机组转动的角速度。当机组与系统解列，机组采用自动制动，其作用在主轴上的制动总力矩为发电机转子对空气的摩擦力矩、推力轴承和导轴承的摩擦力矩，以及水轮机转轮对空气或水的摩擦力矩之和。制动总力矩的一般公式可用机组角速度ω的函数M=f（ω）表示，当机组转速高时，制动力矩大，机组转速下降速度快，当机组转速低时，制动力矩小，机组转速下降速度慢，即低速运转时间长，因此机组在自由制动情况下，停机过程长达10~30min。对于大型低比速的水轮机组自由停机时间更长。

有些老电厂，由于气蚀等原因，水轮机导叶经过多年的修补处理，导叶关闭不严漏水时，在机组主轴上就作用着与阻力矩相抵消的转动力矩，这时机组将不能停机。

并且长期在低速状态下转动，会引起推力轴承及导轴承润滑条件的恶化。另外不利于可逆式机组的工况之间的相互转换。所以在机组解列时必须投入制动装置。

2、机组机械制动装置系统

机械制动用气工作压力允许范围在（5~7）×105Pa强制机组停止运转。目前制动系统有两种方式：一种是机组顶起转子装置与机组制动装置采用同一设备布置在发电机风洞内，机组在解列需要制动时，千斤顶用气操作，强制机组停转，气源一般取自低压气系统。若机组长时间不运转或检修推力轴承时，千斤顶用油操作，顶起转子方便检修或推力轴承形成油膜，另一种是机组顶起转子装置与机组制动装置分开的方式，转子顶起装置用油压操作，其动力源布置在发电机风洞内，机组制动装置用气压操作，其动力为气源布置在发电机顶部。气源一般取自高压气系统减压到（5-7）×105Pa，发电机转子顶起高度一般为8到12mm。

3、机械制动的操作

水轮发电机组机械制动投入的操作方式有两种，即自动操作和手动操作。

1）自动操作

水轮发电机组在解列时，有些大型机组当转速降至额定转速的50%时，自动投入电气制动，随着转速的下降，电气制动的制动力矩越来越小，当机组转速降到5%的额定转速时自动投入机械制动，机组转速至零，其他辅助设备都停运时，退出电气/机械制动，机组进入备用状态。国内中、小型机组只设有机械制动，机组解列后，当转速降至额定转速的35%时，自动投入机械制动，经过一定时限后，制动装置自动退出。

2）手动操作

水轮发电机组在停机过程中，机械制动装置失灵或机组检修时，手动投入机械制动。

4、制动方式

1）自由制动：机组运转时的动能全部消耗在克服自由制动力矩上，即机组的推力轴承和导轴承的摩擦力矩、发电机转子对空气的摩擦力矩与水轮机转轮对水或空气的摩擦力矩。采用这种方式机组停机时间较长，达30分钟至1个小时。

2）强迫制动；有风闸制动、水力制动与电气制动等。

立式水轮发电机组一般采用风闸即制动闸进行制动。当机组转速下降到额定转速的35%时，用低压气顶起设置在发电机转子下面的制动闸板，对转子进行机械制动。若机组设置有开、停机液压减载装置，即在开停机时起动高压油泵，将高压油注入推力轴瓦间隙中，使轴瓦在低转速时也有一定厚度的油膜，而不会在干摩擦或半干摩擦状态下运行。因此，在机组转速下降到10%额定转速时再加闸制动。

冲击式机组采用水力制动，即机组停机时，打开专用的制动喷嘴，将水流射到水

斗的背面进行制动。

所谓电气制动，即停机时通过专设的开关将与系统解列的发电机接入制动用的三相短路电阻上实现电气制动。这种制动方式无闸瓦磨损和发电机内部污染等，但控制比较复杂，当发电机绕组内部短路时不能用，所以仍然需要设置机械制动作为备用。

四、机组调相及泵工况启动压水用气

1、机组调相和泵运行

为了提高电力系统的功率因素和保持电压水平，需要设置调相机向系统输出或吸收无功功率，以补偿系统的无功的不足或剩余。

水轮发电机组作为调相运行有许多优点：

1）比装设专门的同期调相机经济、不需要一次投资；

2）运行工况切换灵活方便，由调相机转为发电机只需要10~20s，易于承担电力系统事故备用容量。

水轮发电机作调相运行时一般采用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气中旋转。其目的是减少阻力，即减少能耗，同时机组的振动也相应减轻。

利用水轮发电机组作调相机运行，有益于系统的稳定，也可以减少一次投资，促进经济的发展。

随着电力工业的发展，人民生活的改善，电力网络日趋增大，电力系统的峰谷差日益严重，提高核（火）电站利用率和减少系统能耗，以及供电质量和安全可靠问题愈趋重要。抽水蓄能电站也就成为时代的不然产物，在系统功率不足时发出电能，在系统功率剩余时，吸收系统多余的电能用来抽水，调节系统稳定运行。

可逆式机组作为抽水工况运行时，其启动过程一般采用降低起动和拖动机拖动的方式。为了减少降压起动时机组对系统的冲击力和拖动启动时拖动机的容量，同样需要采用压缩空气强制压低转轮室水位，使转轮在空气里被拖动旋转，直到机组与系统并网后再排出转轮室的空气，打开导叶抽水。

2、给气压水过程及其影响因素

1）给气压水过程

机组作为调相运行，可分为两种方式，一种是常规机组，只有一种旋转方向的调相方式即发电方向调相；另一种是可逆式机组，有两种不同旋转方向的调相方式，即发电方向调相和水泵方向调相。机组作为发电方向调相运行时，其启动过程是先发电与系统并网，然后再给气压尾水转至调相工况运行，即旋转状态给气压水，水泵方向调相则是机组先给气压尾水，然后由拖动机组至同步转速，与系统并网进入调相工况，即静态给气压水。

2）压水过程的影响因素

a、给气管道和给气压的影响

给气流量可按下式确定：

q1 = kf(P1+Pa) (L/s)

式中：f—给气管截面积，P1—储气罐压力，Pa—大气压，k—与气体绝热系数、重力加速度，外界气体压力和比容有关的系数。

从上式中可以看出，给气管的面积，以及给气压的大小直接影响给气量的大小，即影响给气压水的效果。

b、储气罐容积的影响给气压水时，短时间内由储气罐供给大量压缩空气，起始给气量q1并不决定于储气罐的容积。但当给气量小于转轮携气量极限时，储气罐的大小就影响到给气量的气压，从而影响给气压水的效果。

c、给气位置的影响

水轮机组可从三个不同的位置往转轮室给气：

顶盖边缘。空气从导叶和转轮叶片之间进入转轮室，这种方式恰好在转轮室的角上，水流速度最小，压水效果比较好，但这种方式开设进气孔比较困难。

从顶盖上给气。空气从转轮上冠的减压孔进入转轮室，该处的水流速度不太大，压水效果也就好。

从尾水管进口的管壁给气。

d、导叶漏水量及转速都会影响尾水压水。

五、压油装置给气

1、油压装置给气的目的

油压装置的压油槽是一种自力式蓄能器，是水轮机调节系统和机组控制系统的能源，在改变导水机构开度和转轮浆叶开度时用来推动接力器活塞，以及管路上的电磁液压阀的操作，压油槽中的容积有三分之一是透平油，三分之二是压缩空气，由高压气和油共同保证和维持调节系统的工作压力。

在水轮机调节过程中，压缩空气一部分溶解于油中，另一部分从不严密处漏失，为了维持压油罐的压力，压油罐就必须根据油罐的油位自动补气。

2、油压装置供气方式

压入压油槽中的空气必须是清洁的、干燥的，以避免压油槽中有湿气凝结，从而锈蚀配压阀和接力器。

油压装置供气方式有一级压力供气和二级压力供气两种。

1）一级压力供气

空压机排气压力和储气罐的气压与压油槽的额定油压接近相等或稍大，不经减压装置直接供给压油槽。

2）二级压力供气

空压机排气压力和储气罐的气压一般是压油槽额定压力的1.5~2.0倍，压缩机空气自高压储气罐经减压后供给压油槽。

压油槽补气方式一般有两种，一种是根据压油槽的油位自动补气，另一种是当自动回路故障或机组检修后手动补气。

六、气体的基本状态参数

气体的状态一般用压力、温度和比容三个基本状态参数描述。

压力即气体单位面积上所承受的力，有表压力P b、绝对压力P和真空度P B，各种压力间的关系见图2-1，即：

在大气压力以上的任一压力

图2-1 各种压力间的关系

P b = P-P a（2-1）

P B = P a-P （2-2）

或P= P b-P a

式中P a—大气压。

气体在某种状态下的压力、温度、比容三者之间的数学表达式称为气体状态方程。理想气体指气体分子间没有吸引力，分子本身不占有空间的气体。实际上，理想气体是不存在的，但是，对于压力不太高和温度不太低的气体，可以利用理想气体状态方程来进行热力计算。

理想气体的状态方程为：

PU/T = R 或PV/T = GR （2-3）

式中：P—气体的压力（Pa）；

U—比容（m2/N）；

V—GN气体的容积（m3）；

T—气体的温度（K）；

R—气体常数（J/（N·K））。

温度表示物体的受热程度，常用摄氏温度计量；比容为单位重量气体所占的容积，比容的倒数就是重度，即单位容积气体的重量；气体常数R，指1N气体，在一定压力下，温度升高1K时所作膨胀功的数值，对某一种气体而言，R是一个与压力和温度无关的定值。

在空压机内，随着活塞的移动，汽缸内气体的状态不断发生变化。为了研究问题的方便，一般是按吸气、压缩和排气的理论循环过程来研究空压机的实际工作过程。