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