【水电站油气系统及进水阀】 水电站泄水阀

情景8 水电站油、气系统及进水阀

8.1 水电站油系统

8.1.1 水电站用油的种类和作用

水电站机电设备在运行中，如调速器操作，机组及辅助设备润滑，电气设备绝缘和消弧等，都需要各种性能的油品。由于设备的工作条件和要求不同，使用油的种类和作用也不同。水电站用油通常分为润滑油和绝缘油两大类。

1. 润滑油

常用的润滑油有以下几种：

（1）透平油（又称汽轮机油）。它的粘度适中，可在机组的运动件与约束件之间的间隙中形成油膜，以油膜的液体摩擦代替了固体之间的干摩擦，从而降低了摩擦系数；同时由于油的流动性，还可将摩擦产生的热量以对流的方式携带出来，与空气或冷却水进行热量交换。可见，透平油在机组轴承的运行中同时起到润滑和散热两种作用。调速器和其它液压操作设备的用油也是透平油，它在这些设备中还有着传递能量的功用。

（2）机械油（俗称机油）。粘度较大，供电动机、水泵、机修设备和起重机等润滑用。

（3）压缩机油。除供活塞式空气压缩机润滑外，还承担活塞与气缸壁间的密封作用。它能在温度t ≤180℃的高温下正常工作。

（4）润滑脂（俗称黄油）。供滚动轴承及机组中具有相对运动部件之间的润滑。也对机组部件起防锈作用。

2. 绝缘油

绝缘油主要用于水电站电气设备中，油的绝缘性能远比空气好并可吸收和传递电气设备运行时产生的大量热量；绝缘油还可将断路器（也称油开关）断开负载时产生的电弧熄灭，故绝缘油的作用为散热、绝缘和消弧。

绝缘油主要有以下两类：

（1）变压器油。用于变压器及电流、电压互感器，起到绝缘和散热作用。

（2）开关油。用于断路器，有绝缘和消弧作用。

以上述各类油中，以透平油和变压器油用量最大，为水电站的主要用油。

8.1.2 油的基本性质

水电站用油要起到前述作用，保证设备正常运行，其基本性质至关重要。现将润滑油和绝缘油最重要的性质及性能指标介绍如下。

1. 物理性质

（1）粘度。液体质点受外力作用而相对移动时，在液体分子之间产生阻力的大小称为粘度。粘度是流体抵抗变形的性质，也是粘稠的程度。一般油品的粘度是随着工作温度上升而降低，工作温度下降而增高，而且会随着使用时间的延长而略有增高。油的粘度分动力粘度和运动粘度，常用运动粘度。动力粘度是液体中面积1cm 2，相距1cm 的两层液体，发生速度为1cm/s的相对移动时所受阻力的大小。运动粘度是液体动力粘度与其密度之比，常用υ表示，单位为m 2/s。

油的粘度是油的重要特性之一，也是选择油品的一项重要指标。对于透平油系统，粘度大时，易于保持液体摩擦状态，但会加大液体阻力，增加摩擦损失，也不利于散热；粘度小时则相反；同时为便于运行管理，机组润滑用油与调速系统等操作用油宜选用同一牌号透平油，选用不同牌号油时应进行技术经济比较论证。对于绝缘油则要求较小的粘度，因为流动性好可以增强散热效果并有利于消弧。

（2）闪点。当油被加热至某一温度时，油的蒸气和空气混合后，遇火呈现蓝色火焰并瞬间自行熄灭（闪光）时的最低温度，称为闪点。若闪光时间长达5秒以上时，此温度即为油的燃点。闪点反映了油在高温下的稳定性。闪点的高低取决于油中含有沸点低、易挥发的碳氢化合物的数量。闪点低，油品易燃烧或爆炸。因此，闪点又是表示油品蒸发倾向和储运、使用的安全指标。

（3）凝固点。当油温下降，油品失去流动性而变为塑性状态时的最高温度称为凝固点。在测试中，将储油的试管倾斜45°角，经过一分钟，试管内油面不发生明显变形，即认为油凝固了。油凝固后不能在管道及设备中流动，会使润滑油的油膜破坏。对于绝缘油，既降低散热和灭弧作用，又增大断路器操作阻力，故在寒冷地区应选用凝固点较低的油。

（4）灰分与机械杂质。油品燃烧后所剩下的无机矿物质占原来油重的百分比，称为灰分。在油中以悬浮状态而存在的各种固体物质，如灰尘、金属屑、纤维物及结晶盐等，称为机械杂质。灰分与机械杂质均会破坏油的润滑性能和绝缘性能。

（5）抗乳化性。油与水蒸汽形成乳浊液后静置，达到完全分层所需的时间，称为抗乳化性（以分钟计）。它是透平油的专用指标。润滑油乳化后，粘度增高，泡沫加多，使机械杂质不易沉淀，析出的水分还会破坏油膜，影响润滑效果，加速部件磨损，同时也会加速油的氧化。

（6）透明度。清洁油是淡黄色透明液体。用透明度可以简易判断新油及运行油的清洁或被污染程度。

（7）水分。油中含有水分会助长有机酸的腐蚀能力和加速油的劣化，使油的绝缘强度降低，加速绝缘纤维的老化等。当油中含有水量超过0.01%~0.02%时，油的绝缘强度则降低到最小值（1.0KV ）。故新油中不允许含有水分。

2. 化学性质

（1）酸值。油中游离有机酸的含量，称为油的酸值，以酸价表示。酸价是中和1克油中的酸性物质所需氢氧化钾的毫克数。酸值是控制油品精制深度及运行油品劣化程度的重要指标之一。酸能腐蚀金属和纤维（油中含有水分时，腐蚀性更强）。含酸的油与设备的金属表面接触后，会形成一种皂化物，它在循环式润滑油系统中，妨碍油在管道中的正常流动并降低油的润滑性能。新透平油和新绝缘油的酸值都不能超过0.05mgKOH/g；运行中的绝缘油不超过0.1mgKOH/g；运行中的透平油不超过0.2mgKOH/g。

（2）抗氧化安定性。油在运行过程中（高温下）抵抗氧化的能力，称为抗氧化安定性。油温愈高，愈容易氧化。油被氧化后会生成含有有机酸和其他物质的胶状沉淀物，从而使油管堵塞，酸值提高，引起腐蚀和润滑性能变坏。油的新标准中，要求设备运行1000h 后油的酸值不得大于2.0mgKOH/g。目前，我国某些水电站采用在油中添加抗氧化剂的办法，根据使用情况看来，这是一项提高油品抗氧化安定性、延长使用时间的有效措施。

（3）水溶性酸、碱。油中若含有水溶性酸、碱，会使金属部件产生强烈腐蚀，并加快油的劣化。因此，水电站要求使用的油为中性油，不允许含有水溶性酸、碱。

3. 电气性质

（1）介质损耗因数。油在电场作用下，要消耗部分电能并转换成热能，单位时间内消耗的电能称为介质损失，并以介质损耗因数tg δ来衡量。电压和电流间相角与90º的差值，称为介质损失角δ。tg δ的大小，是绝缘油电气性能中的一个重要指标。其值越大时，不仅功率损失大，其绝缘性能也越差。tg δ可以很灵敏地显示出油的污染程度，故介质损失角δ是检验绝缘油干燥、精制程度及老化程度的重要指标。

（2）绝缘强度。绝缘强度是评定绝缘油电气性能的主要指标之一，以在标准电极下的击穿电压表示。绝缘油的绝缘强度是保证设备安全运行的重要条件。油的击穿电压受很多因素影响，但决定性的因素是含水量。当水和固体杂质存在时，油的绝缘强度将严重下降。

水电站习惯上把新买回的油称为新油；不含水分和机械杂质、符合运行标准的油称为运行油；有某一指标不符合运行标准的油称为污油。

无论新油或运行油，对其性能都有严格的要求。运行中的透平油质量标准见表8-2所列；运行中的变压器油质量标准见表8-3所列。

8.1.3 油的牌号

在GB11120-89《透平油（汽轮机油）》中，国产透平油有32#、46#、68#和100#四种牌号，牌号的数值表示油在40℃时的运动粘度。目前，中小型水电站常用的国产透平油牌号有32#和46#两种，且通常选择防锈型的。

GB2536-90《绝缘油（变压器油）》中，国产绝缘油中变压器油有10#、25#及45#三种牌号，开关油有45#，牌号的数值表示油的凝固摄氏温度值（负值）。绝缘油一般选用25#绝缘油；在月平均最低气温不低于-10℃的地区，如无25#绝缘油时，可选用10#绝缘油；当月平均最低气温低于-25℃的地区，宜选用45#绝缘油。

8.1.4 油的净化

油在使用和储存过程中，因渗进水分、光线的照射、温度变化等因素的影响，会出现酸值增高，沉淀物增加，机械杂质增多等情况，改变了油的性质，从而不能保证设备的安全可靠运行。这种使油的性能恶化的现象称为油的劣化。

当油不符合质量标准时，应根据劣化程度采用不同措施加以净化处理。在水电站中常用的净化处理措施包括澄清、压力过滤和真空净化等。

1. 澄清

使油长时间在储油设备中静置，比重较大的水和机械杂质便会沉淀到底部，然后将其排出。虽然澄清并不能除去全部水分和杂质，但因此方法简单、廉价，对油质没有伤害而被广泛采用。

2. 压力过滤

把加压的油通过具有能够吸收水分和阻拦机械杂质的过滤层称为压力过滤。用特制且经过干燥的过滤纸做为过滤介质，将油加压并过滤的设备称为压力滤油机。压力滤油机的组成及工作原理如图8-1所示。滤油时，油泵将污油罐中的污油加压后进入滤油器，滤油器中的过滤纸不仅将油中的水分吸附下来，同时其纤维状毛细孔将油中的机械杂质滤了出

来。滤后的油再排回清油罐。当滤纸的纤维吸饱水分或表面布满杂质后就应更换。

滤油过程中，每隔一段时间应取油样化验检查，合格后方能使用。压力过滤的质量较高，但生产率较低，且过滤纸耗损较大。压

力滤油机普遍用于透平油的净化。

3. 真空净化

真空净化是利用油和水的汽化温度不

同，在真空罐内将水分和气体减压蒸发，从

而将油中的水分及气体分离出来，达到除水

脱气的目的。

真空净油机的工作原理，如图8-2所示。

污油经压力滤油机加压过滤后通过加热器送

至真空罐内的喷嘴喷成雾状；当真空罐上油

位计达到1/2油位时，用另一台压力滤油机

或油泵将罐内的油抽回储油罐。如此不断循

环，并控制进入真空罐的油压为0.2～

0.3MPa ，同时调节出油，使进出油量平衡。 经过一段时间，待加热器出油温度达到50～70℃时，开启真空泵（最好采用油浸式真空泵），逐渐提高罐内真空度。由于油与水的汽化温度不同，而汽化温度又与压力有关，当

少而绝缘强度要求较高的绝缘油的净化处理。

4、离心分离

离心分离是利用水分和机械杂质的比重较油大的特点，在离心力作用下，将水与机械杂质分离出去。但因其性能不易掌握、不好调整、不能自动排污，特别是当油中水分较少时分离效果不好，故不推荐选用。

8.1.5 油系统的组成

在水电站中，用油量最大的是透平油和绝缘油这两类。用管网将这两类油的用油设备、油泵、储油罐、油处理设备、油化验设备和监测控制元件等连接起来组成系统，叫做油系统。油系统设置是否合理不仅直接影响到油和用油设备是否可靠、经济地运行，也对运行、管理和检修有着重要的意义。水电站的油系统，由于透平油、绝缘油是两种不同性质、不同用途的油，不能混合，为了便于运行管理，按两个独立系统分别设置。其它油品，如压缩机油、润滑脂等用量不大，可定时加注，因此不单独设置油系统。

1. 油系统的任务

为保证设备安全、经济运行，油系统必须完成下列任务：

（1）接受新油。采用自流或压力输送的方式将新油送入储油罐。

（2）储备净油。水电厂油库一般设置两个运行油罐，每个运行油罐的容积为总容积的一半；也可按一台机组的最大用油部件充油量的110％来确定。油库中随时都应储备一定的合格备用油，以供发生事故需要更换污油和正常运行中补充损耗之用。

（3）给设备充油或添油。在设备大修后或新安装机组运行前，给设备充净油；向运行设备添油，以补充设备在运行中油的损耗。大中型水电站多采用重力加油的方式，小型水电站多采用直接加油的方式。

（4）从设备中排出污油。机组设备检修时，通过油泵或自流的方式，从设备中排出污油并送到油库的污油罐中。

（5）油的净化处理。将污油罐中的污油通过压力过滤或真空净化等净化处理后，再送回净油罐。

（6）油的监督、维护和取样化验。包括分析、鉴定新油是否符合标准；定期对运行油进行取样化验；对油系统进行检查、修理和清洗。

（7）废油的收集与处理。

2. 油系统的组成

油系统通常由以下几部分组成：

（1）储油罐。储存临时的废油或从机组设备中排出的污油以及一定的净油，通常一个油系统设置的储油罐不应少于两个，包括净油罐和污油罐。储油罐的容积应相等。

（2）油处理设备。设有净油设备及输送设备，如压力滤油机、油过滤器及油泵等。

（3）油化验设备。在油化验室中，设有油化验仪器、设备及药物等。

（4）油吸附设备。用于变压器的硅胶吸附器等。

（5）管网。将油系统设备与用户连接起来的管道系统。

（6）测量及监测控制元件。用以检测和控制用油设备的运行情况；监测元件有温度信号器、压力控制器、油位信号器和油混水信号器等。

8.1.6 油系统图

表明油系统的基本组成、连接情况和运行方式的平面展开示意图，称为油系统图。油

系统图是技术施工设计的依据，也是电站管理及运行人员管理、操作和维护的依据。对油系统图的基本要求是：系统的连接明了，管道和阀门尽量精简，全部操作简单明确、程序清楚，不易导致误操作。为检查油系统拟订是否合理和说明运行操作方式，在油系统设计中，还制定出油系统操作程序表，列出主要工作项目的操作程序，如表8-1所示。

8.1.7 油系统的监督和运行维护

为了保证机组设备安全、稳定地长时间连续运行，就应保证油的工作性能稳定。在油运行中，应尽量减少油被污染的机会，采取相应的技术措施，使油能够长期连续稳定运行。

油系统的监督和维护是对新油进行分析化验，鉴定是否符合国家标准；对运行油进行定期取样观察其变化情况，判断运行设备是否安全；新油、运行油、污油进入油罐时，都要有化验记录。水电站运行中油的质量标准，见表8-2及表8-3。

表8-2 运行中的透平油质量标准

说明：上表中，对闪点、水分两项指标做了修正；而颗粒度、气泡沫试验和空气释放值三项指标是新增加的；颗粒度的标准参考国际标准。

1. 减缓油劣化的措施

为延长油的使用寿命，应加强对运行油的维护工作并至少应采取一种下述防劣化措施：

（1）添加对甲酚（T501）抗氧化剂。

（2）新油、再生油中T501含量应不低于0.3%～0.5%；运行中透平油不低于0.15%。

（3）当油中T501含量低于0.15%时，应进行补加；补加油的PH 值不应低于5.0。

（4）安装连续再生装置，吸附剂的用量应为油的1%～2%。

（5）漏气、漏水的机组，应添加“I746”防锈剂，添加量为油的0.02%～0.03%。

（6）其它减缓油劣化的措施：①储油罐、变压器应设置空气干燥器；各部轴承的冷却水管都应通过耐压和渗漏试验，不允许有水分渗出。②各部轴承和油罐供油、排油时油管应伸入油面以下，以防止油流与空气混杂产生大量泡沫。③保证在正常温度范围内储油和用油，避免因油温过高加快油的劣化。④在机组轴承与基础间设置绝缘垫，以防止产生轴

电流加快油的劣化。⑤用油、储油设备和输油管道要采用正确的清洗方法。⑥污油、废油应按牌号分别收集，不能混集在同一油罐中。

表8-3 运行中变压器油的质量标准（摘要）

注：1) 把产品注人100mL 量筒中, 在20士5℃下目测，如有争议时，按GB 511测定机械杂质含量为无。

2) 氧化安定性为保证项目，每年至少测定一次。

3) 击穿电压为保证项目，每年至少测定一次。用户使用前必须进行过滤并重新测定。

4) 测定击穿电压允许用定性滤纸过滤。

2. 油质监测

油系统监测是对油质、油温和油位的监测，如有质量指标不符合要求，应及时采取相应的技术措施，防止和减缓油的劣化，以保证设备长时期稳定、可靠运行。

对运行油的质量监测，从直观检查、简单测试，直到定期取样化验，都属于监测工作范围。运行中的油，应加强技术管理，建立必要的技术档案。对水电站透平油系统设备每年至少进行一次表8-2中的第1、2、4、6、9项检验。机组运行正常时，可以适当延长检验周期，但发现油中混入水分（油呈浑浊）时，应增加检验次数，并及时采取处理措施。对于300MW 以上容量的水轮机，增加颗粒度测定。对于一些小型水电站没有化验设备时，运行人员可通过油的颜色和一些简单测试方法鉴别油质的变化：当外观目测发现运行油比新油的颜色更褐更黑，或还有机械颗粒出现时，这说明该油已经劣化；取用油设备油箱底部放出的油样进行燃烧，如有“啪啪”声，说明油中含有水分；或若发现设备在油中运行

的部件有锈蚀现象，或者油呈乳白色混浊现象，都说明油中有水分，并已经劣化。在对运行设备的过滤器作定期检查和清洗时，若发现滤油器很快被堵塞，则说明油中的机械杂质较多；比较新油和运行油的颜色与机械颗粒，也可判定油质劣化与污染程度。

各设备的油过滤器滤网孔尺寸，可参考经验数据选取：推力轴承及导轴承50～150μm ；调速器、电液转换器5～10 μm 。

表8-2中液相锈蚀是指透平油中混入水分后会使以钢铁为材质的设备发生锈蚀。锈蚀物混杂在油中则会使某些精度很高、间隙极小的部件（如调速器中的引导阀、电液转换器中的控制套等）卡阻造成运行事故。

3. 油位监视

在用油设备和油库的储油罐上，都设有油位计或设有油位信号器，用以观察或自动监测油位。设备在静止状态时，其各部油位都应在标定的刻度范围内。运行设备的油位若发生异常变化，如冷却水管爆裂或渗漏，会使油箱油位上升较快；而大量的漏油或甩油，又会使油位下降较快。这种情况下应立即停机检查、及时处理。

4. 油温监测

通常在运行设备的油槽内设有温度计或温度信号器，运行人员在工作中应按规程规定，按时监视和记录各种用油设备的油温。一般规定透平油油温不得高于45～50℃，绝缘油的油温不得高于65℃。油温高低还反映了设备的工作是否正常。例如，当机组过负荷、冷却水中断、油位过低或油质劣化等都会使轴承内的油膜破坏，油温迅速升高；而当冷却水过大或冷却水渗入油中时，油温可能会降低。因此．运行中若发现油温有异常变化，均应及时进行全面的检查和及时处理。

5. 油系统的清洗维护

为保证设备的安全运行，应定期对油系统的各设备及管道进行清洗。用油设备及其管道的清洗维护工作往往结合机组的定期检修或事故检修进行；而储油、 净油设备及其管道往往结合油的净化及储油罐的更替进行。

清洗工作的主要内容是洗掉油的劣化物——油泥、水分和机械杂质等。清洗时，各设备及油管应拆开，分段、分件清洗。清洗溶液除煤油、轻柴油或汽油外，多采用各种金属清洗剂（如85l 金属清洗剂）。清洗工作的标准：用面粉团检查用油设备的油箱及油箱中的各部件（如冷却器、轴瓦等），应干燥无杂质；用白布拉过各管道，白布亦应洁净干燥。清洗合格后，透平油各设备内壁应涂耐油漆，变压器等绝缘油设备内壁应涂耐油耐酸漆。然后，油系统各设备与管道均应密封以待充油。

8.2 水电站气系统

8.2.1 压缩空气的用途

空气具有极好的弹性（即可压缩性），是储存压力能的良好介质，同时压缩空气使用方便、安全可靠，易于储送，因此，在水电站中得到了广泛应用。主要用途如下：

（1）供液压操作的油压装置压力油罐用气：额定工作压力一般为2.5MPa ，大型机组选用4Mpa 或6Mpa 。目前国内调速器最高油压已达16Mpa ；

（2）机组停机过程中的制动用气：额定压力0.7MPa ；

（3）水轮发电机组调相运行时转轮室压水用气：额定压力0.7MPa ；

（4）机组、设备在安装、检修中的风动工具及设备吹扫清污用气：额定压力0.7MPa ；

（5）水轮机主轴检修围带密封充气、发电机封闭母线微正压用气：额定压力0.7MPa ；

（6）蝴蝶阀止水围带充气：工作压力应比阀门承受的水压力高（0.2～0.4）Mpa ；

（7）灯泡贯流式机组发电机舱密闭增压散热用气：一般为0.7MPa ；

（8）前池或压力管道进口拦污栅处防冻吹冰用气：额定压力0.7MPa ；

（9）大中型机组水轮机强迫补气：一般为0.7MPa ；

（10）气动配电装置中的空气断路器及气动隔离开关操作和灭弧用气：工作压力一般为2～2.5 MPa。但为了设备空气干燥的需求，压缩空气的额定压力应为工作压力的3～4倍，甚至更高。

根据电站用气设备实际所需用气压力不同，工作性质及要求不同，将水电站的压缩空气系统进行分类：①厂内高压气系统，≥2.5Mpa ；②厂内低压气系统，0.7Mpa ；③厂外高压气系统，2～4Mpa ；④厂外低压气系统，0.7Mpa 。当然，也有将水电站组成的压缩空气系统以压力不同分为高、中、低压气系统的。

8.2.2 压缩空气系统的任务和组成

水电站压缩空气系统的任务，就是及时、可靠地供给用气设备所需的气量，同时满足用气设备对气压、清洁和干燥的要求。

压缩空气系统由四个部分组成：

（1） 空气压缩装置。包括空气压缩机、电动机、储气罐和气水分离器。

（2） 供气管网。由干管、支管和管件组成。管网将气源和用气设备联系起来，输送和分配压缩空气。

（3） 测量和控制元件。包括各种类型的自动化元件，如压力继电器、温度信号器、电磁空气阀等。其主要作用是监测、控制，保证压缩空气系统的正常运行。

（4） 用气设备。如油压装置的压力油罐、制动闸、风动工具等。

8.2.3 压缩空气的产生

压缩空气的产生，主要是以电动机为动力，带动空气压缩机将自由空气进行压缩而得。

1. 空气压缩机的类型

根据各气系统对用气压力和用气量要求的不同，空气压缩机有着多种型式。按作用原理可分为：往复式、离心式、回转式等。水电站多采用往复活塞式空气压缩机，简称活塞式空压机，按其排气量和工作压力不同可进一步分类。

（1）按排气量分：①微型，排气量V

（2）按工作压力分：①低压，工作压力0.2～1 MPa；②中压，工作压力1～10 MPa；③高压，工作压力10～100 MPa。

2. 活塞式空压机的工作过程

当空气质量一定时，它的压力、容积和温度之间是存在如下关系：

pV 常数 （8-1） T

式中：p 为绝对压力，MPa ；V 为容积，m 3；T 为绝对温度，K （0℃=273K）。

在温度不变或改变不多的情况下，减小空气的体积势必会提高其压力，这就是空气的可压缩性。利用空气的这一特性，活塞式空压机就是通过活塞在汽缸内往复运动，减小空气体积，使气体压力提高。如图8-4所示，活塞式空气压缩机的结构由气缸2、活塞4、曲轴11、连杆10、机架1、气缸盖6及进气阀7和排气阀8等组成。机架是铸造的箱件，用以支承和安装其它部件；机架的底部是润滑油箱12，内存空压机润滑油，利用油泵或靠曲轴、连杆在转动中使油飞溅去润滑各运动件。气缸是个圆筒形部件，顶端用气缸盖封闭而形成一定的工作容积；活塞被曲轴、连杆带动在气缸内往复移动，不断改变缸内空气的体积从而产生压缩空气。气缸内壁平整而光滑，活塞上装设了若干活塞环（分油环和密封环）与之紧密配合以保证密封。空气经过设在气缸盖上的进、排气阀吸入或排出。进、排气阀是带有弹簧的盘形阀门，在压力差的作用下单向导通。为了散热、冷却，气缸及气缸盖可作成带水腔的夹层结构，让水从夹层中流过（水冷式）；也可在气缸、气缸盖外壁上设若干散热片，运转时靠风来冷却（风冷式），如图8-4所示。活塞式空压机的曲轴每旋转一周，活塞就往复移动一次完成一个工作循环，每个循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。

（1）吸气过程。活塞由A 移向B ，气缸容积不断加大，缸内空气体积膨胀而使压力降低，当外界压力与缸内压力之差大于弹簧阻力时，进气阀7开启。随着活塞的继续移动，空气被吸入气缸内。

（2）压缩过程。活塞达到极限位置B 后将转而向A 移动，此时进气阀7已关闭而排气阀8尚未开启，活塞移动使气缸内容积减少，缸内空气被压缩使压力上升。

（3）排气过程。活塞移到C 及以后，缸内空气压力超过弹簧和排气管压力的阻碍，将排气阀8顶开，活塞由C 向A 的移动将使缸内已被压缩的空气向排气管排出。

这样周而复始地运转，空压机就不断吸入并压缩空气。空压机排气压力与吸气压力之比，称为空压机的压缩比，它表示空气压力提高的程度。空气只经过一个气缸，被压缩一

次的空压机叫单级压缩空压机。单级空压机的压缩比存在极限，一般不大于5。这是因为空气在被压缩时温度大大上升，而且压缩比越大，温度上升越高。但是，空压机的润滑油只能在180℃以下正常工作，这就限制了空压机的压缩比不能太高。因此，单级空压机不可能产生较高压力的压缩空气。

为了获得高压力的压缩空气，可采用多级压缩空压机。用两个或更多的气缸串联起来，逐级对空气进行压缩，在级与级之间加装中间冷却器来控制温度。如图8-5所示就是两级压缩的空压机的基本组成情况。两级气缸串联工作，第一级的排出的气经中间冷却器3用水冷却到接近于大气温度后进入第二级，作二次压缩。多级压缩空压机的全压缩比是各级压缩比的乘积。实际运行的空压机，级数一般不超过3级。

3. 活塞式空压机的工作参数

空压机的基本工作参数，包括排气压力、排气量、转速、功率和效率等。

（1）排气压力p r （MPa ）。是空压机在额定工况下排出压缩空气的压力值。

（2）排气量Q r （m 3/min；L/min）。是指空压机在单位时间内排出的空气容积值，其值等于单位时间通过空压机的自由空气的容积值。

（3）转速n r （r/min）。空压机的额定转数值。

（4）轴功率P r （kW ）。空压机在额定工况时应保证的轴功率。

（5）效率η（%）。空压机理论功率与轴功率之比，一般在40～70%。

上述参数中，排气压力p r 和排气量Q r 是选择空压机型号的依据；转速n r 和功率P r 用以选配电动机，决定传动方式和传动比的依据；效率是空压机对能量的有效利用程度。

4. 空压机的规定工况

空压机的规定工况有：

（1）吸气压力：0.1MPa （绝对压力）；

（2）吸气温度：20℃；

（3）水冷空压机冷却水进水温度：15℃；

（4）水冷空压机冷却水进水量：m 3/min（按产品技术文件规定）；

（5）风冷空压机冷却空气温度：℃（为吸气温度20℃时相应所处的环境温度）；

（6）排气压力和转速：MPa 、 r/min（按产品技术文件规定）；

5. 活塞式空压机的型号

活塞式空压机的型号是用汉语拼音字母和阿拉伯数字共同表示的，其含义如下：

说明：往复活塞式空压机的结构代号是根据空压机汽缸中心线相互位置的排列，用汉语拼音字母表示，常见有下列几种型式：L 型—汽缸中心线相互为90º呈立卧结合的L 型排列；V 型—汽缸中心线呈V 型排列；W 型—三条汽缸中心线呈W 型排列；Z

型—汽缸

中心线为立式（与水平面垂直）排列；P 型—汽缸中心线为卧式排列；M 型—空压机的曲柄轴对称平衡式。

例：V-0.65/7型号表示为：往复活塞型空压机，二级风冷移动式，汽缸中心线呈V 型

6. 压缩空气的冷却

尽管空压机采取了一定的冷却措施，但排气温度仍然很高，不能直接供给用气设备使用，必须对压缩空气作进一步的冷却处理。

压缩空气的冷却方式有两种：①自然冷却，让压缩空气

在管道和储气罐中停留，逐渐散热降至接近环境温度，多用

于小型水电站。②水强制冷却，冷却器设置在空压机到储气

管的管道上，可以有多种结构型式，如图8-6所示为蛇形管

式的冷却器，压缩空气流经蛇形管时，被管外的冷却水冷却

而降低温度。冷却器中心部分的结构用于汇集高温气体冷却

时分离出来的水分和油分。冷却器在运行中应定期打开底部

的排污阀排污。

7. 压缩空气的除湿和干燥

空气总是含有水蒸汽和细小灰尘的，但水蒸汽在空气中

的含量却存在极限值，每1m 3空气中所能够容纳的水蒸汽的

克数，称为空气的湿容量。空气的湿容量是随温度而变化的，

温度下降时湿容量明显减少，见表8-4。在一定的温度下，如果空气中的水蒸汽过多，超过湿容量的部分就会凝结成水滴，灰尘也就附着在水滴上。含有水蒸汽的空气被空压机压缩后，体积被压缩，温度升高，于是湿

容量加大，水蒸汽仍以气态存在。但出

空压机后，温度降低，湿容量很快减少，

因此，必然有部分水蒸汽凝结成水滴，

冷却后的压缩空气不仅有水滴，还会夹

带有油滴。这是空气在空压机中流动时，

冲击润滑油造成的。为使压缩空气干净、

干燥，须在供气管路上设置气水分离器

来清除。气水分离器应设置在冷却器后

面。气水分离器也称为油水分离器，虽 表8-4 空气的湿容量与温度的关系

图8-6 蛇形管式冷却器 排列，排气量为0.65m 3/min，排气压力为7×10 5 Pa 。

有多种结构，但都是利用液体和气体的质量不同，让气流转弯或旋转，靠离心力的作用并利用油、水的粘性使液体甩附着在容器壁面上，由容器收集后排除。常用的气水分离器有隔板式和旋转式两类，结构如图8-7所示。压缩空气在进入后面的管道、储气罐后，随着温度的进一步降低，还会凝结出水滴来。另外，饱和状态的压缩空气导电率高，不能用于电气设备。对空气“干燥”要求严格的设备，清除水滴之后还应进一步降低空气中的水蒸汽的含量。使空气“干燥”的方法很多，有热力法、物理法及化学法等。比如让压缩空气流过硅胶一类的吸水剂；使压缩空气先冷却至较低的温度，排水后再升温使用等。但应用

(a) (b)

图8-7 气水分离器

(a)隔钣式；(b)旋转式

最多的是“降压干燥”法，即首先将空气压缩到工作压力

2～4倍的高压力，经过冷却、排水，储存在高压储气罐中。工作时通过减压阀使空气降压膨胀，在减压阀后设置气水分离器，分离出压缩空气在降压后所析出的水分和油分。再按工作压力向设备供气；也可在减压阀后设置工作压力储气罐。减压前处于饱和的空气，减压后容积加大2～4倍，每m 3内的水蒸汽的数量减少了，也就变成“干燥”空气了。降压干燥的过程伴随着空气温度下降，必然与外界发生热量交换，因而也称为“热力干燥法”。这种方法供气量大，使用方便，但所需设备较多，投资和运行费用较高，通常只在电气设备供气和防冻吹冰供气上采用，大

8. 压缩空气的储存

水电站大多数用气设备，都是要求瞬时或短时间内

使用大量的压缩空气，这就需要采用储气罐。储气罐能

够缓和活塞式空压机由于断续动作而产生的压力波动，

使压缩空气压力平稳，同时满足用气设备的气量要求。

另外，压缩空气进入储气罐，温度进一步降低，分离出

的水和油定时排除，使压缩空气更干净。

空压机的启停一般由储气罐上装置的压力信号器

或电接点压力表进行控制。压力电接点分别控制工作和

备用空压机的启动和停止。为了保证压缩空气系统的安

全，在储气罐上还装置了安全阀。当罐内压力超过工作

压力上限值时，安全阀自动开启，放掉部分压缩空气，限制罐内气压的升高。罐底部设有手动排污阀，定期开启排污。

储气罐属于压力容器，是非标准件，由专门的单位设计和制作，切不可无证自造。现

图8-8 储气罐结构图 型油压装置上也有采用。

已经有系列化的产品，且通常是钢板焊接结构。常见的结构型式如图8-8所示。

8.2.4 压缩空气系统图

压缩空气系统图是水电站的运行操作、维护管理的依据。

1. 高压压缩空气系统

油压装置作为调速器和液压阀门等的操作能源，是水电站高压压缩空气的主要用户。油压装置需在罐内储存60～70％容积的压缩空气以维持罐内压力平稳。运行时，油的消耗

所以气水分离器的排污用手动控制。空压机停机时开启排污，空压机启动后延时关闭。利用空压机启动初期的压缩空气进行吹扫管道壁上的残污。储气罐底部的排污阀定期手动开启，以排除在储气罐中空气进一步冷却所凝结出的水滴。中小型水电站向压力油罐的充气和补气均为手动操作。

油压装置用高压气系统，在设计时是根据电站规模、机组及油压装置型式等条件来拟订的。一般说来考虑了以下几点：

（1）立式机组及单机容量大于3000kW 的卧式机组电站，设置两台空压机，一台工作，一台备用，同时配置相应的储气罐。

（2）单机及总容量均较小的卧式机组电站，可以只设一台空压机、配一个储气罐。对

（3）中小型电站油压装置的充、补气一般采用手动操作，对自动化程度较高的大、中采用YT-600及以下的调速器，或目前采用高油压调速器的电站，一般可以不设油压装置。

型水电站则可用油位信号器和压力信号器来控制电磁阀，实现自动补气。

2. 低压压缩空气系统

（1）机组制动装置供气系统。水轮发电机组的转动惯量相当大，当机组停机并与电力系统解列，导叶全关之后，仍会长时间旋转，转速下降十分缓慢。长时间的低速转动会使轴承润滑条件恶化，尤其是推力轴承可能会发生干摩擦或半干摩擦而烧损。为保护轴承，须缩短机组的停机过程。通常在机组转速降至额定值的30%左右时投入制动闸，让机组很快静止下来。水轮发电机组的制动闸多用压缩空气作为强迫制动的能源来推动制动闸操作，悬式机组制动闸装在发电机下机架上，一般四个（及以上）制动闸并联工作；卧式机组制动闸装于飞轮两侧，通常两个制动闸并联工作。制动闸的工作压力为0.5～0.7MPa 。制动闸的结构如图8-10所示，制动供气系统图如图8-11所示。制动闸由气缸、活塞、闸板等组成。活塞顶部固接带有石棉橡胶板的制动闸板，当汽缸内通入压缩空气后，活塞在压缩空气作用下移出使闸板紧紧顶在发电机转子抗磨板上，形成很大的制动力矩，使转动部分很快停下来。转子静止后排出压缩空气。小机组的制动闸板活塞是被弹簧推回原位置，结构较大时，可采用压缩空气通入汽缸上部，将活塞压回原位置，如图8-16所示。立式机组的制动闸还在必要时作为油压千斤顶用来顶升转子。当机组长时间（72h 以上）停机，推力轴承的油膜可能被静压力破坏，再次启动前必须抬高转子，让油流入镜板与推力瓦之间重新建立起油膜。机组顶转子操作时向制动闸注入高压透平油，使转子上升6～12mm ，停留1～2分钟，再排油复归。顶转子的油压视机组转子重量和制动闸结构而定。对制动闸的

基本要求是不漏气、不漏油，动作灵活，制动后能够正确复归。综合起来，立式机组的制动闸有通入压缩空气制动和通入压力油顶转子两种工作状态。其供气（供油）系统如图8-11所示。高压三通阀6起切换油路的作用，平时与压缩空气管路联通，顶转子时切换为油路。制动操作是自动进行的，由转速继电器控制电磁空气阀4，当机组转速降至额定值的30％左右时通气制动，停机完毕后排气复归。电接点压力表5监测制动闸内的压力，作用于自动开机回路，必须在制动闸无压力时才允许机组起动。压力表2是用于运行人员随时监视制动供气压力。与电磁空气阀5并联有手动控制阀，作为自动控制出现故障或检修时的备用通路。顶转子操作都是手动进行，其排油管通向集油箱。

（2）调相压水充气系统。当电力系统无功

功率不足时，常让水轮发电机组转为调相运行。

作调相运行的机组导叶全关闭，发电机成同步

电动机状态运行，从系统吸收有功功率，向系

统输出无功功率。此时必须使水轮机转轮与水

脱离，否则会消耗过多能量。试验证明：水轮

机转轮在水中转动，功率消耗比在空气中转动

大5～10倍。由于反击型水轮机转轮常低于下

游水面，机组作调相运行时就必须向转轮室及图8-12调相运行（压水前）尾水管水流运动

尾水管充入压缩空气，压低尾水管内的水面。一般要求尾水管水面比转轮下沿低0.5～1.0倍的转轮直径D 1，而充气的压力应抵消下游与尾水管水面间的压力差，以保证转轮在空气中旋转。调相压水充气系统，如图8-13所示。机组转为调相运行时，电磁配压阀动作，开启液压操作阀压缩空气流入转轮室。流入的空气首先在顶盖以下形成气垫，再逐步压低水面，到规定的下限水位I 时，水位信号器动作，停止供气。已充入的空气在运行中会不断漏失，尾水管水面将再次上升，当水面升到上限水位Ⅱ时，水位信号器又发出命令开启电磁配压阀，补入所损耗的空气。这样，水位信号器及所控制的阀门将保证尾水管水面在规定范围内，机组调相运行得以正常运行。充气压水的效果受机组型式、结构，充气位置及转轮室内的水流运动、充气压力、流量等多种因素的影响。导叶关闭后转轮的转动会在尾水管内造成定向的水流运动，如图8-12所示，水的这种流动会挟带空气排向下游。在转轮室已出现气水分界面，特别是转轮脱水之后，水的回流运动会大大减弱，被它带走的空气也相应减少。因此，充气压水的关键是最初能否顺利形成气垫，即造成气水分界面。由于水的回流运动在不同部位挟带空气的能力不同，而且存在极限量，充气的位置和充气的流量就直接影响压水效果。混流式水轮机，从导叶与转轮之间的顶盖边沿充气损失量最少，但结构复杂，制造、安装困难。由顶盖中部经转轮减压孔充气，损失量稍多，但结构简单、便于操作，是最常用的方式。如果从尾水管上段充气，空气与由上而下的水流相遇，损失量最大。无论哪种位置充气，都必须保证有足够的充气量，否则充入的压缩空气全被水流

带走，就不能形成气水分界面。但是，需要的最小充气量受各种因素影响，目前尚不能精

确计算。设计时只能参照已建成电站的经验，从充气压力、管径、管长、流动阻力等方面考虑，保证有较大的充气量。

3. 止水围带用气

水轮机主轴的检修密封及蝴蝶阀的止水结构都常用空气围带，以空心的橡胶围带包围主轴或阀瓣。在需要密封时充入压缩空气使之膨胀，从而堵塞间隙防止漏水。止水围带结构简单，耗气很少且止水效果良好。中小型水轮机主轴的止水围带都由低压气系统供气，手动操作。蝴蝶阀止水围带，充气压力应高出压力管道水压力0.2～0.4MPa 。对低水头电站可由低压气系统供气，对高水头电站可由高压气系统经过减压阀供气。为了安全可靠，减压阀的前、后应设压力监视仪表。对自动操作的蝴蝶阀，止水围带的充、排气应设电磁空气阀及压力信号器自动控制，并与蝴蝶阀操作系统配合工作。其减压供气系统，如图8-14所示。

4. 风动工具及吹扫用气

对风铲、风动板手、风砂轮等风动工具，具有体积小、重量轻、使用方便，比电动工具安全等优点，同时还能自动吹走切削及污物，是水电站维护检修常用的工具。利用压缩空气进行设备及管道的吹扫、除尘，更是水电站必须的。风动工具及吹扫用气，工作压力一般为0.5～0.7MPa ，常在低压系统干管设置供气活接头，再用软管引至工作地点使用。

对于小型水电站，系统的构成根据电站的具体情况决定，低压压缩空气的上述用户，通常用统一的低压气系统为之供气。

低压压缩空气系统，通常采用自动操作方式，设置必要的自动化元件。这包括：在储气罐或供气干管上设压力信号器（常用电接点压力表），用以控制空压机的启动及停止，从而保证正常的供气压力； 在空压机出口设温度信号器，监视排气温度，超过允许温度时发出事故信号，必要时作用于空压机控制回路，使空压机停机；所有的储气罐都应配置安全阀和压力表。气水分离器的排污管可设电磁阀控制，并与空压机操作回路联动，空压

机停机时开阀排污；空压机起动后延时关闭（如延迟0.5～1min ）。制动用气的控制阀组布置在发电机旁边，设置电磁空气阀自动充、排气。阀前设压力表供运行人员监视供气压力不能过低（如不低于0.5MPa ）, 阀后设压力信号器监视制动闸是否无压。

5. 卧式机组低压压缩空气系统图

典型的卧式机组电站低压气系统，如图8-15所示。该电站设计水头42m ，装机容量4 ×1250=5000kW，采用HL220-WJ-71型水轮机，TSW143/61-10型发电机。使用低压压缩空气的设备有：制动闸、蝴蝶阀止水围带、风动工具及吹扫。由于采用YT-600型调速器，不设高压气系统，压力油罐由中间油罐（也称补气罐）自动补气。为保证供气可靠，选用了两台V-0.42/7型低压空压机，各经过测温筒，气水分离器及单向阀向储气罐供气。空压机由储气罐上的电接点压力表自动控制，一台工作，一台备用。制动用气由阀组控制，正常情况下电磁空气阀自动充、排气，事故情况下用手动阀门操作。蝴蝶阀止水围带的充、

6. 高、低压综合的气系统图

为提高压缩空气系统的运行经济性，使系统更灵活、更可靠，常将高、低压气系统互相联系起来，组成一个综合的压缩空气系统。这主要是两个方面的考虑：

（1）用低压空气向高压系统作预充气。活塞式空压机效率不高，而且压缩比越大效率越低，高压压缩空气在管内流动的压力损失也大于低压空气。因此，在运行中尽量利用低压空压机，减少高压空气的消耗是经济合理的。高压储气罐及高压用户的充气过程，可以分成两个阶段来完成；先用低压气系统供气，压力由零升至0.7MPa ；再改由高压空压

机供气，将压力继续提高到工作压力。前一阶段则称作预充气。由低压气系统向高压部分作预充气的管道，必须设置单向阀防止高压空气倒流。

（2）利用高压气系统作制动用气的备用气源。小型水电站高压压缩空气的用户不多，油压装置压力油罐充、补气的机会较少，但制动用气必须随时准备投入使用。为提高制动用气的可靠性，可以引高压气作制动装置的备用气源，并且在减压阀的前、后设压力表监视，或在减压阀后设安全阀防止意外。调相压水用气及其它低压用气，由于耗气量大，一般不由高压系统供气。

高、低压综合的压缩空气系统，如图8-16所示。该水电站装机容量为4×10000kW 、油压装置额定工作压力2. 5MPa、高压压缩空气系统的额定工作压力2.8 MPa。低压气系统的供气对象主要是机组制动，而吹扫用气和其他设备用气另设置储气罐，且作为制动供气的备用，两者连接的管路上设有单向阀，以保证其他设备不挪用制动供气。低压压缩空气系统的额定压力为0.7MPa 。在高压气系统建立压力时，先由低压压缩空气系统通过φ25mm 干管向高压压缩空气系统作预充气到0.7MPa 。这样，可以减少高压压缩空气系统建立气压的时间，也可提高压缩空气系统效率。

8.3 水轮机进水阀

8.3.1进水阀的作用与设置

1. 进水阀的作用

为满足机组运行和检修的需要，水轮机的引水系统中要设置一些闸门或阀门，如引水

管进口闸门、水轮机进水阀、尾水闸门等。在压力管道末端，水轮机蜗壳之前所设置的阀

门称为水轮机进水阀。进水阀只有全开及全关两种工作位置，不调节流量，其作用是：

（1）为机组检修提供安全工作条件。

（2）停机时可减少机组漏水量和缩短重新起动时间。

（3）防止机组飞逸事故扩大。

2. 设置进水阀的条件

水轮机进水阀在一些水电站起着上述的重要作用，但是，进水阀造价昂贵，而且增大

水电站的土建和安装工作量，因而在设置进水阀时，一般应符合下列条件：

（1）联合供水方式的电站，应在每台水轮机前设置进水阀。

（2）单元供水方式的电站（一台机组一根压力管道），当水头高于120m 或引水管道

较长时，为了保护机组和运行方便，可考虑在每台水轮机前设置进水阀。

（3）当最大水头低于120m 且引水管较短时，一般不设置进水阀，但应在引水管进水

口设置快速闸门。如需设置水轮机进水阀，应经过技术经济的论证。

3. 对进水阀的技术要求

进水阀是水电站引水系统上的重要设备，对进水阀的结构和技术性能有以下要求：

（1）进水阀应结构简单、尺寸小、重量轻，工作可靠且操作方便。

（2）机组正常停机或检修时，进水阀应能够可靠关闭。

（3）进水阀及其操作机构应有足够的强度、刚度，应能承受各种工况下的水压力。

（4）在阀门两侧压力差不大于最大静水压力的30%时，应能够正常开启。

（5）机组发生事故时能在动水中快速关闭。关闭时间应满足机组允许的飞逸时间及

承受最大水锤压力要求，一般不大于2min 。应注意，进水阀不允许在动水条件下开启。

（6）进水阀全开时对水流的阻力应尽量小，蝴蝶阀在全开时的阻力系数应小于0.2。

8.3.2进水阀的型式和结构

中、小型水电站常用的进水阀有蝴蝶阀、闸阀和球阀

等。在这些阀门中，以蝴蝶阀使用最广泛。

1. 蝴蝶阀

（1）蝴蝶阀的结构组成。蝴蝶阀由阀体、活门、密封

装置、操作机构及其附属部件等构成。圆筒形的阀体内安

装可绕轴转动的饼形活门，全关时活门四周与阀体接触，

切断水流通路；全开时活门与水流方向平行，水流从活门

两侧绕过，如图8-17所示。 （2）蝴蝶阀的型式。按装置方式不同，蝴蝶阀分为卧轴和立轴两种型式。两种型式蝴蝶

阀在水力性能上没有明显区别，运行情况均良好，性能主要由设计、制造情况决定。立轴蝴

蝶阀，操作机构位于阀体顶部，结构上比较紧凑而且占地面积小；操作机构的运行维护和检

修较方便，还便于防潮。但是，活门轴竖直布置，底部必须设推力轴承，使结构复杂，运行

中还容易被泥沙淤塞，需要定期清洗。卧轴蝴蝶阀不需要推力轴承，结构相应简单；操作机

构布置于阀体一侧或两侧，占地面积大，也不利于检修。卧轴式蝴蝶阀如图8-18所示。

(a) (b) (c)

图8-18卧轴蝴蝶阀 图8-19蝴蝶阀的活门

(a)菱形; (b)铁饼形； (c)双平板形

（

3

）蝴蝶阀的主要部件。①阀体与活门：阀体是蝴蝶阀的承重部件，呈圆筒形，水从

其中通过，阀体应有足够的强度、刚度。直径较小、水头不高的多用铸铁铸造，中型以上

的阀体为铸钢结构。活门安装在阀体内呈饼形，全开时它处于水流中心并与水流方向平行，

全关时它承受静水压力。活门除应有足够的强度、刚度外，还要求有良好的水力性能，以

减小全开时的水力损失，如图8-19所示为常见的几种活门剖面形状，其中图（a ）为菱形，

结构简单但水流阻力较大，适用于低水头；图（b ）为圆滑过渡的铁饼形，水流阻力较小，

适用于高水头。活门用铸铁或铸钢制造，常用空心框架结构。为保证强度、刚度，活门的

厚度随应用水头提高而增大，但可能形成较大的水力损失。为了减小水力损失并改善密封

性，出现图8-19（c ）所示的空心双平板活门。两块面扳互相平行，用若干顺水流方向的

筋板连接成整体。全开时两平板之间也通过水流，水力损失减小；全关时由于活门成箱形

结构．可承受较大的静水压力，而且密封性能好。活门在阀体内绕自身的轴转动，转轴大

多与活门直径重合。卧轴蝴蝶阀也有采用偏心结构的，使转轴上、下的活门表面积相差8%～

10％，活门一旦离开全开位置就会受到促使它关闭的水流力矩作用，这有利于在动水中迅

速关闭。②轴承：活门转轴由装在阀体上的轴承支持。卧轴蝴蝶阀有左、右两个导轴承，

立轴蝴蝶阀除上、下导轴承外，还有支承活门重量的推力轴承。轴承常用铸造锡青铜作轴

瓦，润滑脂润滑。③密封装置：活门密封装置有端部和圆周两处。轴端密封对直径较小的

蝴蝶阀常用青铜涨圈式结构；对直径较大者采用橡胶围带式结构。圆周密封也有两种结构，

图8-20所示的橡胶围带式用于直径较大的蝴蝶阀；而图8-21所示的压紧式密封结构用于

较小的蝴蝶阀。活门关闭后向围带充入比静水压力高0.1～0. 3MPa压缩空气，使围带膨胀

消除漏水间隙。④锁锭装置：为防止误操作和操作系统失控时活门被水流冲击而发生自动

作，蝴蝶阀配有锁锭装置，在活门全关或全开位置时都应投入锁锭，保持活门位置。

2. 闸阀

（1）闸阀的结构组成。闸阀由阀体、阀盖、闸板、操作机构及附属装置构成。闸阀关

闭时，闸板的四周与阀体接触，封闭水流通路。开启时，闸板沿阀体中的闸槽上升，直至

完全让出水流通道，全开时闸阀的水力损失较小。

图8-20橡胶围带圆周密封 图8-21压紧式圆周密封

1-围带嘴；2-阀体；3-压条；4-橡胶围带；5-活门 1-橡胶密封环；2-青铜密封环；3-不锈钢衬套

（2）闸阀的型式。闸阀按阀杆螺纹和螺母是否与水接触分为明杆式和暗杆式。明杆式

闸阀，如图8-22所示，其阀杆螺纹与螺母在阀盖以外不与水接触，工作条件较好。暗杆式

闸阀的阀杆螺纹与螺母装在阀盖以内，高度可以减小，但受水的浸泡，工作条件较差。

（3）闸阀的主要部件。①阀体与阀盖：阀体是闸阀的承重部件，呈圆筒形状，水流从

其中通过，阀体上部开有供闸板启、闭的孔口，内部留有相应的闸槽，全关时闸板四周与

闸槽接触以实现密封；阀盖安装在阀体上部，形成空腔以容纳升起的闸板。阀体与阀盖都

用铸造结构，阀盖顶部阀杆经过的孔内常设石棉盘根密封。②闸板：闸板按结构不同分为

楔式和平行式两类，如图8-23所示。楔式闸板呈上厚下薄的楔形，闸槽也加工成相同的 形状，关闭时靠操作力压紧而密封。 图8-23（a ）为楔式单闸板，结构简单，尺寸也小，

（a ） （b ） （c ） （d ）

图8-23闸板结构

图8-22明杆式电动闸阀

(a)楔式闸板；(b)楔式双闸板（明杆）； (c)楔式双闸板（暗杆）；(d)平行式双闸板

但配合精度要求高，检修也较难。图（b ）和（c

）为楔式双闸板，全关时操作力使两块闸

板分向两侧，挤压闸槽，因而密封性能好，但结构较复杂。而图（d ）所示为平行式双闸板，动作情况与楔式双闸板相近，但闸槽上下宽度一致，制造和检修更方便。闸板与闸槽接触的部位，通常设铜合金的密封条以改善止水效果。

3. 球阀

球阀是由阀体、活门以及附

属部件构成。其阀体由两个可拆

卸的半球构成，圆筒形的活门可

在阀体内作90º旋转，如图8-24

所示。全开时，活门的过水断面

与引水钢管直通，相当于一般管

道，几乎不增加水流阻力。全关

时，活门旋转90º后由活门外壁

截断水流，靠专门的球面密封结

构止水，密封性能良好。球阀也

有立轴和卧轴两种，但立轴球阀

因结构复杂，运行中易积沙和卡

阻等缺点，基本上被淘汰，故球

阀通常为卧轴装置型式。如图

8-24所示为卧轴对称分半式球

阀，活门与阀轴可做成一体，尺

寸小，重量轻，有利吊装。

4. 筒形阀

筒形阀是由圆筒形的阀门、

操作机构和控制机构三个基本部

分组成。与蝶阀和球阀不同，筒

形阀不是装在水轮机蜗壳前，而

是装置在固定导叶与活动导叶之

间，筒形阀的阀腔是由水轮机的顶盖、底环和座环的结合处组成，如图8-25所示。

图8-24 φ1.6m 球阀

筒形阀阀门实际上是一个圆筒，在水轮机固定导叶与活动导叶之间，设置一个环状阀槽，阀门落下切断水流；阀门开启时，阀门被提升到顶盖的空腔中。因此，筒形阀对水流不形成任何阻力，有良好的水力性能。但是，筒形阀一般不能像其他进水阀那样作检修阀门用，只能起事故阀门和停机后的止水作用。所以，它只能用在单管供水方式的水轮机前，这是圆筒阀的不足之处。筒形阀的密封如图8-26所示，阀门的上密封是由水轮机顶盖底部外缘处的环行橡皮板和压板组成；下密封是由设在水轮机底环外缘的环行橡皮条和压板组成。当阀门关闭后，上、下檐与密封条压紧，实际证明这种密封不但止水效果好，而且使用寿命也较长。上述各类进水阀中，球阀关闭最严密，水力损失最小，操作力也小，而且球阀活门的刚性比

蝴蝶阀好，所以在动水关闭时的振幅比蝴蝶阀小，但结构最复杂，体积笨重、造价高，通常

管径2~3m，水头在250m 以上的水电站。闸阀具有结构简单、维护方便，全开时水力损失小，全关后密封性能也好，而且不会因水流冲击自行开启，因而不需要锁锭装置。但是，闸阀为升降启闭，所需的操作力大，高度大、自重大，启闭时间较长，通常用于较高水头的小型机组，通流直径一般不大于1m 。蝴蝶阀外形尺寸小、重量轻、结构简单、造价低、操作方便，通流直径的范围较宽，大、中、小型机组均可应用，但是全开时水力损失大，全关时密封性能较差，因此用于较低水头（200～250m 以下）。筒形阀结构较特殊，使用比较少，仅用在一些大型机组上。

8.3.3 进水阀的附属部件

根据进水阀的结构和工作条件，为了保证进水阀的正常工作，进水阀还设置有旁通阀、空气阀等附属部件。

1. 旁通管与旁通阀

为消除进水阀开启时活门两侧的水压力差，使进水阀在静水中开启减少所需的操作力，

来，如图8-27所示。在进水阀开启前先打开旁通阀，使蜗壳充水，直至进水阀上下游压力平衡再开启活门。旁通管的断面积一般取进水阀过流面积的10%左右。经过旁通阀的流量，必须大于水轮机导叶的漏水量。旁通阀的操作方式，可以电动、液动或者手动操作．

2. 空气阀

为防止蝴蝶阀、球阀紧急关闭时阀后压力管道形成真空而遭到破坏，需要向阀后补入空气。同时，进水阀开启前阀后充水时又需要排出空气。为此在进水阀后的压力管道上设置空气阀。常用的空气阀，如图8-28所示。进水阀关闭时阀后水面下降，空气阀浮筒下沉，空气由通气孔流入阀后压力管道。反之，进水阀开启前，阀后充入压力水，空气经通气孔流出，直至水面上升使空气阀关闭为止。

3. 伸缩节

进水阀的上游（或下游）侧压力钢管上

设有伸缩节，既可补偿钢管的温度变形，又

方便进水阀的安装与检修。图8-29为伸缩节

的一般结构，伸缩节与进水阀用螺拴连接，

伸缩缝中装有3～4层石棉盘根或橡胶盘根，

用压环挤紧以防漏水。

4. 卸荷阀

卸荷阀是用来控制球阀止漏盖启闭的。

开启球阀时，必须先开启卸荷阀，以降低止

8.3.4进水阀的型号

据国家标准GB/T14478—1993规定，阀门型号由5个部分顺序组成，具体如下： 图8-29 伸缩节 1-进水阀； 2-伸缩节座；3-盘根 4-压环； 5-伸缩管 漏盖后端的水压。卸荷阀的排水宜排至下游，也可排至尾水管内。

阀门类型用汉语拼音字母表示；阀轴布置方式和操作机构都用一个汉语拼音字母表示，其规定代号见表8-5。

表8-5 阀门类型、阀轴布置方式和操作机构型式规定代号

8.3.5进水阀的操作方式和操作系统

1. 进水阀的操作方式

进水阀的操作方式，按动力不同分为手动操作、电动操作和液压操作三种方式。不论哪种型式和操作方式，在开启时都应满足三个基本条件：进水阀的上下两侧水压基本相等、密封装置退出工作位置、锁锭退出，才能将阀开启。机组正常运行关闭时应满足两个条件：水轮机导叶完全关闭、锁锭退出，进水阀才能进行关闭。当机组在运行中发生事故，进水阀在接到事故关机信号后，只需锁锭退出就可在水轮机导叶没有完全关闭的情况下进行动水关闭。当进水阀运转到全开或全关位置后，锁锭必须重新投入。

为保证进水阀操作的准确性，标准要求一般进水阀应设置下列信号装置：

（1）进水阀开启和关闭位置信号。

（2）直径1000mm 及以上的球形阀活塞式密封环的位置信号。

（3）锁锭投入和拔出的信号。

（4）空气围带压力信号。

直径很小的闸阀和蝴蝶阀，所需操作力小，可以用手动操作方式。一般中小型水电站的闸阀、蝴蝶阀多用电动操作方式。在电动操作机构上，同时也设有手动操作机构，必要时可用手动启、闭。直径较大的闸阀和蝴蝶阀，由于操作力很大，常用液压操作方式。球阀一般为液压操作。根据所需操作力的大小，其操作机构上的接力器有单个、双个对称接力器两种基本结构形式，大型机组的进水阀甚至用多个接力器操作。液压操作所用的压力油一般单设油压装置供应。当电站水头高于120～150m 时，也可取高压水作水压操作，但对水质有一定要求。

图8-30 电动蝴蝶阀 图8-31 液压操纵的闸阀

1-减速箱；2-电动机；3-螺杆；4-螺母；5-转臂；6-行程开关；7-手动操作手柄

2. 蝴蝶阀的电动操作系统

电动操作系统分为Q 型和Z 型两种。Q 型输出轴只能转动90º，适用于蝴蝶阀；Z 型输出轴可旋转若干圈，适用于闸阀。如图8-30所示为Q 型电动操作系统，行程开关6在活门全关及全开位置切断电动机电源，控制活门的转动角度；电动机2经减速器1带动螺杆3旋转，从而造成螺母4移动。转臂与活门轴固定连接，其滑槽中的滑块与螺母铰接，螺母的左、右移动即造成活门开启和关闭。

3. 蝴蝶阀液压操作系统

液压操作的闸阀，如图8-31所示。接力器安装在阀顶部，活塞直接带动闸板升、降。 蝴蝶阀液压操作机构如图8-32所示。图

8-32（a ）为导管式接力器结构。接力器油缸固定，压力油推动接力器活塞，活塞经曲柄

连杆带动转臂。图8-32（b ）为摇摆

式接力器结构，接力器油缸缸筒与地

基铰接，在操作过程中缸筒发生摇摆。

摇摆式接力器尺寸较小，常用于大中

型蝴蝶阀或球阀的操作。为适应油缸

的摆动，其高压油管常用一段软管连

接，如图8-32（b ）所示。

图8-33所示为蝴蝶阀液压操作

系统（全关位置）。除接力器外，旁通

阀和锁锭也是液压操作的，止水围带

的充、排气由电磁空气阀自动控制。

各元件的动作程序是：

（1）开启蝴蝶阀。首先发出蝴蝶 （a ） （b ） 图8-32 阀的液压操作机构 （a ）导管式接力器 ； （b ）摇摆式接力器 1-导管式接力器；2-阀体；3-控制箱

阀开启信号，电磁配压阀DP 1的开启线圈带电，使活塞上升。由此造成三个动作：①液动阀YF2活塞上方的油经DP 1排出，油压力使其活塞上升，压力油流进四通滑阀HF 4，为接力器的操作打开压力油源。②压力油经DP 1流入锁锭SD 11，形成的推力克服弹簧阻力而使锁锭拨出。③压力油流进液动配压阀YP 3，使其活塞下降。④旁通阀9的活塞上方与排油相通，下方接通压力油，因而上升打开，蝴蝶阀后的压力钢管及蜗壳开始充水。⑤在一定时间后阀后水压力与阀前的平衡，压力信号器YX 10接点接通，使电磁空气阀 DKF 8动作，蝴蝶阀止水围带排气、放松。待围带空气排完，压力信号器YX 7动作，使电磁配压阀DP 5的开启线圈带电，活塞上升，四通滑阀HF 4左端油腔连接排油管，右端油腔连接压力油，其活塞将向左移动。HF 4的活塞左移，使压力油流进接力器的上腔，而接力器下腔经HF 4排油。油压力将推动接力器下降，打开蝴蝶阀。活门开至全开位置时，行程开关DFD 13动作将蝴蝶阀开启继电器释放．使电磁配压阀DP 1复归。DP 1活塞重新降为图示位置，使锁锭SD 11投人，旁通阀9关闭，油阀YF 2关闭，切断压力油。四通滑阀HF 4保留活塞在左端的位置。

（2）关闭蝴碟阀。发出蝴蝶阀关闭信号，电磁配压阀DP 1开启线圈带电，使活塞升起。与前述过程一样引起阀YF 2接通四通滑阀油源，锁锭SD 11拨出；旁通阀9开启。关闭信号还使电磁配压阀DP 5的复归线圈带电，活塞下降。DP 5的动作使四通滑阀HF 4活塞移

向右端，压力油进入接力器关闭腔，使蝴蝶阀关闭。活门关至全关位置，行程开关DFD 12

图8-33蝴蝶阀液压操作系统

1、5-电磁配压阀；2-油阀；3-液动配压阀；4-四通滑阀；6-压力表；7、10-压力信号器；

8-电磁空气阀；9-旁通阀；11-锁锭；12、13-行程开关；14-节流阀

动作，将蝴蝶阀关闭继电器释放。同时使电磁空气阀DKF 8动作，止水围带充气压紧。随着关闭继电器释放，电磁配压阀DP 1复归，又使锁锭投人，旁通阀关闭，油阀关闭。

蝴蝶阀开、关时间的长短，由节流阀14的大小来进行整定。

复习思考题

8-1 水电站用油有哪些种类？各起什么作用？ 什么是油的粘度？粘度如何度量？ 8-3 什么是油的劣化？已轻度劣化的污油常用哪些净化方式？

8-4 油系统应该完成什么任务？其由哪些部分组成？运行维护包括哪些方面内容？ 8-6 水电站有哪些方面需要使用压缩空气？水电站中压缩空气如何分类？

8-7 压缩空气系统由哪些部分组成？各部分有何作用？

8-8 结合图8-4简述活塞式空压机的工作过程。

8-9 结合图8-6简述立式机组压缩空气系统的组成及工作原理。

8-10 什么是水轮机进水阀？它有哪些作用？

8-11 什么情况下设置进水阀？进水阀应满足哪些技术要求？

8-12 蝴蝶阀、闸阀和球阀的结构组成如何？各有什么特点？各应用于什么情况？ 8-13 进水阀的附属部件有哪些？各起什么作用？

8-14 结合图8-32简述电动蝴蝶阀操作的动作过程。 8-15 结合图8-35简述蝴蝶阀液压操作动作过程。