加拿大ATLIN水電站新型沖擊式水輪機(jī)介紹

【摘要】本文詳細(xì)介紹了加拿大ATLIN水電站選型及新型沖擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特征。

【關(guān)鍵詞】新型沖擊式水輪機(jī)；噴嘴裝配；機(jī)座負(fù)壓破壞裝置

1、加拿大ATLIN水電站概況

ATLIN水電站位于加拿大BC省ATLIN鎮(zhèn)附近，利用SURPRISE湖水發(fā)電，提供ATLIN鎮(zhèn)居民生活和工業(yè)用電。ATLIN鎮(zhèn)位于ATLIN湖畔，常住人口約300人，為印第安人聚集區(qū)。水電站總裝機(jī)容量1×2000kW，孤網(wǎng)運(yùn)行，電站為無(wú)人值守，全自動(dòng)遙控操作。ATLIN鎮(zhèn)以前依靠柴油發(fā)電機(jī)組為居民供電。

電站基本參數(shù)：設(shè)計(jì)水頭91.31m；設(shè)計(jì)流量2.62m3/s；裝機(jī)容量 1×2000kW

2、機(jī)組選型

ATLIN水電站具有無(wú)水庫(kù)、長(zhǎng)引水管道（4030米）、孤網(wǎng)運(yùn)行等特點(diǎn)。孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí)機(jī)組的負(fù)荷出現(xiàn)大的變化時(shí)會(huì)使得電網(wǎng)頻率出現(xiàn)大的波動(dòng)，為保證電能質(zhì)量，要求機(jī)組必須在短時(shí)間內(nèi)將電網(wǎng)的頻率波動(dòng)控制在規(guī)定范圍。因此要求機(jī)組具有更高的靈敏度、更小的遲緩率和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

引水式水電站中常見(jiàn)機(jī)型包括混流式、沖擊式、軸流式三種機(jī)型。軸流式機(jī)組常用于40～60m水頭以下的電站，顯然該電站不宜采用軸流式水輪機(jī)。故我們?cè)诖藘H對(duì)混流式、沖擊式兩種機(jī)型進(jìn)行比較。

沖擊式水輪機(jī)相對(duì)于混流式水輪機(jī)而言具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）沖擊式水輪機(jī)具有更加良好的調(diào)節(jié)性能。

沖擊式水輪機(jī)可利用偏流器快速折流和噴針慢關(guān)的特點(diǎn)，使其調(diào)節(jié)靈敏度高，且具有更小的遲緩率和更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。尤其對(duì)于有長(zhǎng)引水管道的電站而言，良好的調(diào)節(jié)性能可以更好地控制壓力上升和速率上升，既節(jié)省了電站投資，又能使電站運(yùn)行更安全可靠。

2）沖擊式水輪機(jī)運(yùn)行范圍寬，低負(fù)荷情況下不僅有較高的效率而且還能穩(wěn)定運(yùn)行。

在水電站發(fā)生大的負(fù)荷變動(dòng)時(shí)，多噴嘴水斗式水輪機(jī)能通過(guò)改變噴嘴的運(yùn)行數(shù)量，使水輪機(jī)能適應(yīng)較小的流量并始終保持在高效率區(qū)運(yùn)行。而混流式水輪機(jī)的效率會(huì)隨著負(fù)荷的降低而迅速下降，可能還將伴隨著出現(xiàn)如汽蝕嚴(yán)重、壓力脈動(dòng)增大和機(jī)組振動(dòng)等問(wèn)題。

3）沖擊式水輪機(jī)的安裝高程不受汽蝕影響，各部件都位于電站尾水位之上，電站開(kāi)挖量小，維護(hù)檢修方便。

4）沖擊式水輪機(jī)的平均效率較混流式水輪機(jī)高。

雖然混流式水輪機(jī)在額定出力時(shí)效率較高（對(duì)于臥式小直徑混流式水輪機(jī)而言，由于流道不相似，其額定出力時(shí)的效率不一定高于沖擊式水輪機(jī)），但通過(guò)機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)平均效率的比較，沖擊式水輪機(jī)平均效率更高（見(jiàn)附圖1）。

混流式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速較水斗式水輪機(jī)高，水輪機(jī)直徑小、轉(zhuǎn)速高，這可使機(jī)組及廠房尺寸縮小而降低造價(jià)，但在該電站這一優(yōu)點(diǎn)不太顯具，考慮到該站的實(shí)際運(yùn)行情況（要求調(diào)節(jié)性能好，運(yùn)行范圍寬），通過(guò)以上對(duì)比我們最終確定選用沖擊式水輪機(jī)。

為適應(yīng)ATLIN水電站水頭低、流量大（對(duì)沖擊式而言）和盡量滿足業(yè)主利用小流量發(fā)電的要求，我們采用兩臺(tái)水機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的組合形式，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)組成兩支點(diǎn)水輪發(fā)電機(jī)組。

3、ATLIN水電站沖擊式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

加拿大ATLIN水電站的水輪發(fā)電機(jī)組由水輪發(fā)電機(jī)及兩臺(tái)沖擊式水輪機(jī)組成。即兩臺(tái)相同型號(hào)的沖擊式水輪機(jī)分別布置在發(fā)電機(jī)軸的兩端（見(jiàn)附圖2）。每臺(tái)水輪機(jī)均由噴嘴裝配、轉(zhuǎn)動(dòng)部份、機(jī)座裝配、控制部分等主要部件組成。

3.1新的噴嘴裝配

噴嘴裝配采用我公司實(shí)用新型專(zhuān)利“新型內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴裝配”專(zhuān)利號(hào)“201120106414.4”。

新型內(nèi)拆式水力自關(guān)閉噴嘴裝配為直流式內(nèi)控型，具有水力效率高、調(diào)節(jié)靈敏、密封性能好、運(yùn)行安全等一系列優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的噴嘴裝配的噴針是通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)（回復(fù)臂、回復(fù)軸、協(xié)聯(lián)器等）將它的位移量反饋給調(diào)速器。這種機(jī)械結(jié)構(gòu)，死區(qū)大、靈敏度差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝、維護(hù)困難，且調(diào)速器必須安裝在某一固定位置。新型噴嘴裝配利用直線位移傳感器安裝在噴嘴裝配內(nèi)部，將噴針的位移量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，直接反饋到調(diào)速器的微電腦；直線位移傳感器精度高，能達(dá)到微米（μm）級(jí)，提高了噴針的調(diào)節(jié)靈敏度；取消了復(fù)雜的機(jī)械反饋裝置，簡(jiǎn)化了同調(diào)速器的連接（只需要一根電纜和兩根油管）。

3.2新的轉(zhuǎn)動(dòng)部份

轉(zhuǎn)輪和電機(jī)主軸的連接采用預(yù)應(yīng)力螺釘、端面摩擦來(lái)傳遞扭矩，不再使用鍵連接。其優(yōu)點(diǎn)在于減少了零件，同時(shí)使轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機(jī)主軸的加工難度大大降低，裝配簡(jiǎn)易，方便轉(zhuǎn)輪的互換。

3.3新的機(jī)座裝配

機(jī)座裝配采用了我公司的以下專(zhuān)利：

1）專(zhuān)利號(hào)“201120049810.8”，“臥軸雙噴沖擊式水輪機(jī)機(jī)座”；

2）專(zhuān)利號(hào)“201120049807.6”，“沖擊式水輪機(jī)機(jī)座負(fù)壓破壞裝置”；

該機(jī)座裝配簡(jiǎn)化為由機(jī)蓋、機(jī)座兩件組成；減少加工面使安裝更為簡(jiǎn)便。機(jī)座內(nèi)設(shè)有“負(fù)壓破壞裝置”，能夠避免機(jī)座出水面的水幕形成，保證外部空氣能順利進(jìn)入機(jī)殼內(nèi)，避免機(jī)座內(nèi)因負(fù)壓水位上升，妨礙轉(zhuǎn)輪做功。

3.4新的控制部分

新的控制部分簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)連接，采用位移傳感器等電子元件，減少了桿件。

4、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用多項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利的新型沖擊式水輪機(jī)極大地提升了機(jī)組的使用性能，運(yùn)行更為安全可靠，安裝、維護(hù)、檢修更為方便，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、重量減輕、加工方便，給使用和生產(chǎn)都帶來(lái)較大地經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐證明，加拿大ATLIN水電站2008年11月開(kāi)始安裝，2009年3月成功投產(chǎn)發(fā)電，至今運(yùn)行良好，深得用戶(hù)好評(píng)，被加方譽(yù)為是他們見(jiàn)過(guò)的中國(guó)制造的最好的沖擊式水輪機(jī)。

加拿大ATLIN水電站臥軸雙轉(zhuǎn)輪四噴嘴沖擊式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造成功，使沖擊式水輪機(jī)規(guī)格品種更加錦上添花，為水電產(chǎn)品增添了新的生力軍。為用戶(hù)提供了可供選擇的新的良好機(jī)型。