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燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析1
燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析1 摘要:國內(nèi)水利水電工程建設目前正處于前所未有的蓬勃發(fā)展時期,許多低水頭徑流式水電站建設逐步在我國的江河上興建,其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦,機組過流量大、單位轉(zhuǎn)速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及經(jīng)濟指標好等優(yōu).點成為目前比較普遍的一種開發(fā)型式。然而,由于燈泡貫流式水電站廠房獨特的布置型式,致使應力分布有不同于常規(guī)水電站廠房的特點,特別是在高地震烈度區(qū)修建的燈泡貫流式水電站。因此,本項目的研究分析具有十分重要的現(xiàn)實意義。
關鍵詞:燈泡貫流式水電站 靜 動力計算分析 有限元
1 緒論
1.1燈泡貫流式水電站的概述
水能資源是既能再生、又不污染環(huán)境的優(yōu)質(zhì)能源。根據(jù)普查,我國水能資源居世界第一位,其理論蘊藏量為6.8億KW,可供開發(fā)的水力資源達3.78億KW。根據(jù)我國當前的能源結(jié)構(gòu),面對石油、煤炭能源供應緊缺的現(xiàn)實,水能資源在我國能源的組成中占有越來越重要的地位。
新中國成立以來,我國水電建設事業(yè)取得了飛躍發(fā)展,特別是改革開放以來,隨著廣蓄、天生橋(高壩)、小浪底、二灘、三峽等一批世界級水電站的建設,中國已逐步進入世界水電建設前列。但是由于我國特殊的地理和氣候條件,水資源總量雖然豐富,但分布又不平衡,水力資源主要集中在西南、西北地區(qū),而華東、中南等沿海地區(qū),水力資源比較緊缺,僅占全國水力資源總量的10%,可開發(fā)的中、高水頭水力資源在目前已剩下不多,為滿足這一地區(qū)工農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的需要,開發(fā)利用低水頭水力資源勢在必行。這種低水頭水電站由于靠近負荷小心,年發(fā)電利用小時較高,而且大壩較低,土建工程量小,施工技術簡單,施工場地開闊,交通運輸方便,因而可以加速建設速度,工期較短,3~4年第一臺機組即可投產(chǎn)發(fā)電,同時,低水頭電站還具有淹沒損失小,水力資源利用充分等優(yōu)點。
但是,與高水頭水電站相比,低水頭水電站的出力由于水頭較低,而主要靠增大引用流量作功。因而在同樣出力下,水輪機的尺寸和重量相應增加,機組單價提高,電站建設造價增大。為此,必須尋求優(yōu)化途徑,而建設燈泡貫流式水電站正是一條捷徑[1,2,3]。
燈泡貫流式水電站是指采用燈泡貫流式水輪發(fā)電機組、開發(fā)低水頭水力資源而建設的水電站。這種水電站的樞紐布置、廠房結(jié)構(gòu)設計、動能經(jīng)濟計算、裝機規(guī)模與機型選擇計算等與常規(guī)電站相比,有不同的要求和特點[3]。它與中、高水頭水電站、低水頭軸流式水電站相比,在投資、電站布置和運行多方面具有比較明顯的優(yōu)越性[1,2,4]。
(1)流道型式好、尺寸小
由于燈泡貫流式機組取消了平面上180°拐彎的蝸殼和立面上90°的肘形尾水管,而采用直軸式引水室─其進口斷面為矩形,在接近燈泡體的范圍內(nèi)逐漸過渡為圓環(huán)斷面以及直錐尾水管—由圓斷面漸變?yōu)榫匦螖嗝�。由于流道平直對稱,避免了水流拐彎后形成流速分布不均而致使水流流態(tài)變壞的影響,水力損失小。這種直錐擴大型尾水管能量恢復系數(shù)高達0.9(而常規(guī)彎肘形尾水管能量恢復系數(shù)在0.75以內(nèi))。同時,由于取消了蝸殼與彎肘形尾水管,使燈泡機組流道尺寸減小。在轉(zhuǎn)輪直徑D1相同時,機組段水力尺寸僅相當于軸流式機組地2/3左右,因而土建工程量與建設投資減少較多。
(2)廠房土建工程量小
在同樣條件下,燈泡貫流式機組水電站廠房工程量比軸流式機組少,理論上主要有三方面原因:
①基礎開挖深度的減小。由于燈泡貫流式機組省掉了蝸殼及高大的軸彎式尾水管等復雜的結(jié)構(gòu)形式,使尾水管底板至尾水位之間的高度降低,即廠房基礎開挖深度減小,使廠房的土建工程量減少。
②廠房長度的減少。燈泡貫流式機組沒有呈旋轉(zhuǎn)狀的蝸殼,流道采用喇叭口形進水口、錐形導流機構(gòu)以及直錐尾水管,整個流道為一條順暢的通道,使其機組的間距大大縮小,與軸流式機組相比可縮窄30%左右,這樣整個廠房的長度也將大為縮短。機組的結(jié)構(gòu)緊湊,有利于工程的布置,特別是廠房布置在長度上受限時,將更為明顯。
③廠房高度的降低。在一般情況下,由于燈泡貫流式機組的發(fā)電機放在燈泡體內(nèi),機組水平放置,流道呈直管形,沒有高大的軸彎式尾水管,這些決定了其廠房高度應比軸流機組水電站廠房有較明顯的降低,廠房的混凝土和鋼材量顯著減少。
(3)運行性能好、管理方便、適應范圍大
首先,燈泡貫流式水電站運行經(jīng)濟好。這種水電站機組的運行效率高,加權平均效率比軸流轉(zhuǎn)漿式機組高4%左右,即年發(fā)電量可增加4%左右,這是燈泡貫流式水電站的最大優(yōu)勢。
其次,燈泡貫流式電站與軸流式機組電站相比,電站的維護更為方便。例如,必須大規(guī)模拆卸發(fā)電機和水輪機之后才能對軸流機組的轉(zhuǎn)輪和導葉進行大修,而燈泡貫流機組則不必。另外,對燈泡貫流式機組內(nèi)的風扇、軸承、泵及其他部件均能通過水輪機或發(fā)電機豎井進行更換。這些無疑為燈泡貫流式水電站的運行帶來了很大的方便。
另外,燈泡貫流式水電站對水頭的適應范圍大[1,2],可在4~25m水頭段可靠而又高效地運行。國內(nèi)首次研制的白垢燈泡貫流式水電站曾在水頭僅1.3m工況下正常運行,可以充分利用汛期水能。另外,國外燈泡貫流式水電站已在30m水頭左右運行,更提高了其水頭運用范圍。
(4)機組消耗材料量小。燈泡貫流式機組流道平順,過流量大,其單位過流量比軸流機組大20%以上,即在同一轉(zhuǎn)輪和相同水頭下,出力可提高20%以上。反之,在出力相同的條件下,貫流機組的轉(zhuǎn)輪直徑可小13%,也就是轉(zhuǎn)輪直徑可小1~2級(以0.5m為一級)。同容量的機組相比,燈泡貫流式機組比軸流機組重量減輕20%~27%,單位千瓦的耗金屬量少,例如黑龍江二道溝水電站貫流機組和軸流機組分別為23kg/kw,29kg/kW(僅包括水輪機和發(fā)電機重量),廣東省白垢水電站分別為65kg/kW,81kg/kW。
在燈泡貫流式機組應用較早的國家,如法國、奧地利等,同容量的機組,燈泡貫流式機組價格便宜10%~15%。而我國由于生產(chǎn)燈泡貫流式機組較晚,限于技術等方面的原因,制造同容量的機組,雖重量可適當減輕,但價格卻要貴些,隨著技術的改進,這種局面會逐漸改變。
1.2國內(nèi)外燈泡貫流式水電站的發(fā)展概況[1,2,5~17]
1.2.1燈泡貫流式水電站的發(fā)展簡史
燈泡貫流式水電站是隨著燈泡貫流式水輪發(fā)電機組的研制發(fā)展而發(fā)展的。為了克服全貫流式機組密封技術困難的問題,1933年,瑞士愛舍維司斯公司提出了將發(fā)電機密閉于一個容器中且前置于水輪機前流道的全新設計方案,并于同年正式獲得專利。首臺燈泡貫流式機組于1936年安裝在波蘭的諾斯汀(Rostin)電站并成功投產(chǎn)。該水電站機組容量為195KW,水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為1.95m,發(fā)電水頭3.7m。因這種發(fā)電機外形類似于白熾燈泡的形狀而被稱為燈泡貫流式機組。
由于燈泡貫流式水輪機在結(jié)構(gòu)和技術性能等許多方面均優(yōu)于全貫流式機組,20世紀50~60年代因西方能源危機轉(zhuǎn)而進入重視開發(fā)低水頭電站的時期,這類機組便顯示了強大的生命力。1966年由法國奈爾皮克(Neyrpic)公司制造的機組,安裝在法國羅納河的皮埃爾.貝尼特電站上,單機出力為20MW,轉(zhuǎn)輪直徑為6.25m,水頭為8m,標志著燈泡貫流式機組技術已成熟。
到了70年代,低水頭水力資源的開發(fā)在一些國家形成高潮,大型燈泡貫流式機組也相繼問世,燈泡貫流式水電站建設也達到了成熟發(fā)展的新階段。
80年代,燈泡貫流式水電站建設又有了新的發(fā)展。日本建設的只見水電站成為當時世界上單機裝機容量最大的燈泡貫流式水電站,于1989年8月開始投入運行,電站設計水頭20.7m,發(fā)電機轉(zhuǎn)輪直徑6.7m,出力達65.8MW
目前全世界建設的燈泡貫流式水電站已有幾千座,總裝機容量已超過6000MW。已運行的燈泡貫流式水電站中裝機容量最大的為美國石島電站,共8臺機組,總裝機為432MW,單機出力54MW,轉(zhuǎn)輪直徑7.4m,水頭12.1m。單機容量最大的為日本只見水電站,裝機容量達65MW,水輪機直徑6.7m,最大水頭20m。水輪機轉(zhuǎn)輪直徑最大的為美國悉尼墨累電站,達8.2m。
1.2.2世界各國燈泡貫流式水電站的發(fā)展
中國[18~30]
在我國,燈泡貫流式水電站建設起步比較晚,我國對燈泡貫流式機組的研制從60年代開始。1965年,我國建成國內(nèi)第一座燈泡貫流式水電站—浙江蔣堂水電站,該水電站單機裝機容量40kW。
80年代,我國建成了廣東白垢燈泡貫流式水電站,該水電站總裝機容量20MW,水輪機轉(zhuǎn)輪直徑5.5m,最大水頭10m,成為當時國內(nèi)最大的燈泡貫流式水電站。1983年在湖南又建成了馬跡塘燈泡貫流式水電站。該水電站總裝機容量54MW。
進入90年代,隨著國內(nèi)外燈泡貫流式機組研制技術的不斷成熟,我國燈泡貫流式水電站建設進入了蓬勃發(fā)展時期。此時,我國相繼建成了、南津液(60MW)馬騮灘(46.5MW)、都平(30MW)、江口(44MW)、百龍灘(192MW)等中、小型燈泡貫流式水電站。據(jù)不完全統(tǒng)計,“八五”、“九五”期間開發(fā)的20m以下水頭、單站裝機25MW以上的電站容量達到2890MW左右。
目前,國內(nèi)已建和在建的燈泡貫流式水電站見表1。其中,已投入運行的燈泡貫流式水電站中,單機裝機容量最大的是青海尼那水電站,水輪機額定功率為40MW,最大水頭18m,額定水頭14.5m,最小水頭6m,已與2003年5月投產(chǎn)發(fā)電。
2003年12月,廣西長洲水利樞紐工程正式啟動,該工程共安裝15臺燈泡式貫流發(fā)電機組,是我國最大的一座貫流式水電站,總裝機容量621.3MW,總投資60億元,建成后年發(fā)電量30.91億千瓦時。2007年底第一臺機組發(fā)電,2009年底全部機組發(fā)電。大壩長3.35公里,是世界上最長的混凝土閘壩。該樞紐的最大優(yōu)勢是枯水期的發(fā)電量比豐水期發(fā)電量大,占年總發(fā)電量的62%。
2004年11月,我國首座廠頂溢流式水電站—炳靈燈泡貫流式水電站在甘肅開工,該水電站設計總裝機240MW,保證出力88.3MW,將安裝5臺目前國內(nèi)最大的單機容量為48兆瓦的燈泡貫流式機組,多年平均發(fā)電量9.74億度。
&nb 燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析1sp; 表1 國內(nèi)已建和在建大、中型燈泡貫流式水電站參數(shù)
電站
名稱
省(區(qū))
單機容量
(MW)
裝機臺數(shù)
(臺)
最高水頭
(m)
額定水頭
(m)
投產(chǎn)
時間
馬跡堂
湖南
18.0
3
6.55
6.3
1983
南津液
湖南
20
3
17.8
14.5
1991
馬回
四川
23
2
13
11.4
1991
渭沱
四川
15
2
11
8.5
1992
京南
廣西
34.5
2
14.5
11.0
1997
百龍灘
廣西
32.7
16.4
9.7
1996
高灘
湖南
19
3
12.5
8.5
1997
白垢
廣東
10
2
10
6.2
1984
都平
廣東
15
2
11
7.4
1992
安居
四川
15
2
9.85
8.0
1981
馬騮灘
廣西
15.5
3
11.5
7.5
1991
石面坦
湖南
9.6
3
9.96
7.95
1992
界牌
江西
10
2
7
5.2
1996
永興
湖南
12.5
2
9.93
6.7
1994
慈利
湖南
10
2
7.5
5.5
1995
白石窯
廣東
18
4
10.64
7.8
1998
孟洲壩
廣東
11.4
4
10.50
6.0
1997
王甫州
湖北
27
4
12.00
7.52
在建
謨武
福建
15.5
2
7.63
1995
江口
廣東
22
2
12.1
7.3
1998
下池
河北
5
2
10.4
5.8
1994
榮桓
湖南
2.5
4
5.5
4.3
1992
高砂
福建
12.5
4
11.5
10.0
1996
流炭壩
四川
6
2
9.65
6.7
1993
玉溪
浙江
20
2
10.8
1997
大浦
廣西
30
3
15.6
10.5
在建
凌津灘
燈泡貫流式水電站廠房三維靜動力分析1 湖南
30
8
13.2
8.5
1998
近尾州
湖南
21
3
6.8
在建
瀟湘
湖南
13.4
4
7.35
6.0
在建
沙縣
福建
16
3
8.8
在建
大源渡
湖南
30
4
7.2
1998
貴港
廣西
30
4
13.3
8.5
1999
飛來峽
廣東
35.5
4
15.0
9.3
1999
斑竹
福建
15
2
10.0
7.4
1997
洪江
湖南
45
5
27.3
20.0
在建
貢川
福建
21.5
2
9.5
在建
尼那
青海
40
4
18.0
14.5
在建
紅巖子
四川
30
3
13.3
8.5
在建
長州
廣西
40
15
15.35
9.5
在建
蜀河
陜西
45
6
22.3
16
在建
紫蘭壩
四川
34
3
19.9
15.4
在建
未來,燈泡貫流式水電站將成為我國低水頭水力資源開發(fā)的主要型式。特別是在珠江流域、黃河上游龍羊峽至青銅峽河段,經(jīng)重新規(guī)劃布局候,共有13座低水頭電站尚待開發(fā)。這些水電站的水頭均在25m以內(nèi),按規(guī)劃將設計60多臺大型燈泡貫流式機組(單機容量多在30~40之間),總裝機容量超過2230MW,其規(guī)模堪與奧地利多瑙河、法國羅納河梯級開發(fā)程度比美。
法國
法國四十年代開始研制和生產(chǎn)燈泡貫流式水輪機,發(fā)展較快。
法國主要是在維斯杜拉河和羅納河上開發(fā)燈泡貫流式水電站。其中,已建的燈泡貫流式水電站有卡斯特、康拜拉克、阿爾桑塔、包蒙、圣馬塔、朗斯、澤永斯壇等水電站。其中,羅納河梯級開發(fā)中,除一座70m高的熱尼西亞電站外,其余都是低水頭水電站,累計21個電站總落差330m,總裝機容量3075MW。
奧地利
奧地利位于歐洲中部,是一個能源構(gòu)成以水電為主的國家。奧地利的燈泡貫流式水電站的建設有較高的水平和規(guī)模。
目前,已建的燈泡貫流式水電站有奧騰斯海姆(179 MW)、阿布溫登阿斯騰(168 MW)、梅爾克(187 MW)、阿爾騰沃爾特(335 MW)、格蘭斯壇(293 MW)、海恩堡(360 MW)。這些水電站的發(fā)電水頭一般都在20m以下。
日本
1968年, 日本才開始制造第一臺燈泡貫流式機組,直徑為4.1米,出力為5520千瓦,此機組被裝配到印度坎大克水電站上.之后,日本的燈泡貫流式水電站飛速發(fā)展,1976年建設的赤尾燈泡貫流式水電站單機裝機容量達34MW,標志著此時日本燈泡貫流式水電站建設技術已達到了世界先進水平。在此期間,日本相繼建成了石井(1176千瓦)、黒井第二(2194千瓦)、山鄉(xiāng)(40.6 MW)等燈泡貫流式水電站。
1989年,日本建成世界上單機容量最大的燈泡貫流式水電站—只見水電站,該水電站單擊容量65 MW,水輪機直徑6.7m,最大水頭20m。
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