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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(shè)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(shè)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(jī)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(jì)指標(biāo)好等優(yōu).點(diǎn)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(dú)特的布置型式,致使應(yīng)力分布有不同于常規(guī)水電站廠房的特點(diǎn),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(shí)意義。
關(guān)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(yùn)藏量為6.8億KW,可供開發(fā)的水力資源達(dá)3.78億KW。根據(jù)我國當(dāng)前的能源結(jié)構(gòu),面對石油、煤炭能源供應(yīng)緊缺的現(xiàn)實(shí),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(shè)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(shè),中國已逐步進(jìn)入世界水電建設(shè)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(fù)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(shù)簡單,施工場地開闊,交通運(yùn)輸方便,因而可以加速建設(shè)速度,工期較短,3~4年第一臺機(jī)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(diǎn)。
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(jī)的尺寸和重量相應(yīng)增加,機(jī)組單價提高,電站建設(shè)造價增大。為此,必須尋求優(yōu)化途徑,而建設(shè)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(jī)組、開發(fā)低水頭水力資源而建設(shè)的水電站。這種水電站的樞紐布置、廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計、動能經(jīng)濟(jì)計算、裝機(jī)規(guī)模與機(jī)型選擇計算等與常規(guī)電站相比,有不同的要求和特點(diǎn)[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(yùn)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(jī)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(jìn)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(kuò)大型尾水管能量恢復(fù)系數(shù)高達(dá)0.9(而常規(guī)彎肘形尾水管能量恢復(fù)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(jī)組流道尺寸減小。在轉(zhuǎn)輪直徑D1相同時,機(jī)組段水力尺寸僅相當(dāng)于軸流式機(jī)組地2/3左右,因而土建工程量與建設(shè)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(jī)組水電站廠房工程量比軸流式機(jī)組少,理論上主要有三方面原因:
①基礎(chǔ)開挖深度的減小。由于燈泡貫流式機(jī)組省掉了蝸殼及高大的軸彎式尾水管等復(fù)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(chǔ)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(jī)組沒有呈旋轉(zhuǎn)狀的蝸殼,流道采用喇叭口形進(jìn)水口、錐形導(dǎo)流機(jī)構(gòu)以及直錐尾水管,整個流道為一條順暢的通道,使其機(jī)組的間距大大縮小,與軸流式機(jī)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(jī)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(jī)組的發(fā)電機(jī)放在燈泡體內(nèi),機(jī)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(yīng)比軸流機(jī)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(yùn)行性能好、管理方便、適應(yīng)范圍大
首先,燈泡貫流式水電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)好。這種水電站機(jī)組的運(yùn)行效率高,加權(quán)平均效率比軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)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(jī)組電站相比,電站的維護(hù)更為方便。例如,必須大規(guī)模拆卸發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)之后才能對軸流機(jī)組的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉進(jìn)行大修,而燈泡貫流機(jī)組則不必。另外,對燈泡貫流式機(jī)組內(nèi)的風(fēng)扇、軸承、泵及其他部件均能通過水輪機(jī)或發(fā)電機(jī)豎井進(jìn)行更換。這些無疑為燈泡貫流式水電站的運(yùn)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(yīng)范圍大[1,2],可在4~25m水頭段可靠而又高效地運(yùn)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(yùn)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(yùn)行,更提高了其水頭運(yùn)用范圍。
(4)機(jī)組消耗材料量小。燈泡貫流式機(jī)組流道平順,過流量大,其單位過流量比軸流機(jī)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(jī)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(jī)組相比,燈泡貫流式機(jī)組比軸流機(jī)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(jī)組和軸流機(jī)組分別為23kg/kw,29kg/kW(僅包括水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)重量),廣東省白垢水電站分別為65kg/kW,81kg/kW。
在燈泡貫流式機(jī)組應(yīng)用較早的國家,如法國、奧地利等,同容量的機(jī)組,燈泡貫流式機(jī)組價格便宜10%~15%。而我國由于生產(chǎn)燈泡貫流式機(jī)組較晚,限于技術(shù)等方面的原因,制造同容量的機(jī)組,雖重量可適當(dāng)減輕,但價格卻要貴些,隨著技術(shù)的改進(jìn),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(jī)組的研制發(fā)展而發(fā)展的。為了克服全貫流式機(jī)組密封技術(shù)困難的問題,1933年,瑞士愛舍維司斯公司提出了將發(fā)電機(jī)密閉于一個容器中且前置于水輪機(jī)前流道的全新設(shè)計方案,并于同年正式獲得專利。首臺燈泡貫流式機(jī)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(jī)組容量為195KW,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為1.95m,發(fā)電水頭3.7m。因這種發(fā)電機(jī)外形類似于白熾燈泡的形狀而被稱為燈泡貫流式機(jī)組。
由于燈泡貫流式水輪機(jī)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能等許多方面均優(yōu)于全貫流式機(jī)組,20世紀(jì)50~60年代因西方能源危機(jī)轉(zhuǎn)而進(jìn)入重視開發(fā)低水頭電站的時期,這類機(jī)組便顯示了強(qiáng)大的生命力。1966年由法國奈爾皮克(Neyrpic)公司制造的機(jī)組,安裝在法國羅納河的皮埃爾.貝尼特電站上,單機(jī)出力為20MW,轉(zhuǎn)輪直徑為6.25m,水頭為8m,標(biāo)志著燈泡貫流式機(jī)組技術(shù)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(jī)組也相繼問世,燈泡貫流式水電站建設(shè)也達(dá)到了成熟發(fā)展的新階段。
80年代,燈泡貫流式水電站建設(shè)又有了新的發(fā)展。日本建設(shè)的只見水電站成為當(dāng)時世界上單機(jī)裝機(jī)容量最大的燈泡貫流式水電站,于1989年8月開始投入運(yùn)行,電站設(shè)計水頭20.7m,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑6.7m,出力達(dá)65.8MW
目前全世界建設(shè)的燈泡貫流式水電站已有幾千座,總裝機(jī)容量已超過6000MW。已運(yùn)行的燈泡貫流式水電站中裝機(jī)容量最大的為美國石島電站,共8臺機(jī)組,總裝機(jī)為432MW,單機(jī)出力54MW,轉(zhuǎn)輪直徑7.4m,水頭12.1m。單機(jī)容量最大的為日本只見水電站,裝機(jī)容量達(dá)65MW,水輪機(jī)直徑6.7m,最大水頭20m。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑最大的為美國悉尼墨累電站,達(dá)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(shè)起步比較晚,我國對燈泡貫流式機(jī)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(jī)裝機(jī)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(jī)容量20MW,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑5.5m,最大水頭10m,成為當(dāng)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(jī)容量54MW。
進(jìn)入90年代,隨著國內(nèi)外燈泡貫流式機(jī)組研制技術(shù)的不斷成熟,我國燈泡貫流式水電站建設(shè)進(jìn)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(jī)25MW以上的電站容量達(dá)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(yùn)行的燈泡貫流式水電站中,單機(jī)裝機(jī)容量最大的是青海尼那水電站,水輪機(jī)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(jī)組,是我國最大的一座貫流式水電站,總裝機(jī)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(jī)組發(fā)電,2009年底全部機(jī)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(shè)計總裝機(jī)240MW,保證出力88.3MW,將安裝5臺目前國內(nèi)最大的單機(jī)容量為48兆瓦的燈泡貫流式機(jī)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(jī)容量
(MW)
裝機(jī)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?yàn)?br> 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(shè)計60多臺大型燈泡貫流式機(jī)組(單機(jī)容量多在30~40之間),總裝機(jī)容量超過2230MW,其規(guī)�？芭c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(jī),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(jī)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(shè)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(jī)組,直徑為4.1米,出力為5520千瓦,此機(jī)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(shè)的赤尾燈泡貫流式水電站單機(jī)裝機(jī)容量達(dá)34MW,標(biāo)志著此時日本燈泡貫流式水電站建設(shè)技術(shù)已達(dá)到了世界先進(jìn)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(jī)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(jī)直徑6.7m,最大水頭20m。
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