灯泡贯流式水电站厂房三维静动力分析(一)
关键词：灯泡贯流式水电站 静 动力分析 有限元
1 绪论
1.1灯泡贯流式水电站的概述
水能资源是既能再生、又不污染环境的优质能源。根据普查，我国水能资源居世界第一位，其理论蕴藏量为6.8亿KW，可供开发的水力资源达3.78亿KW。根据我国当前的能源结构，面对石油、煤炭能源供应紧缺的现实，水能资源在我国能源的组成中占有越来越重要的地位。
新成立以来，我国水电建设事业取得了飞跃发展，特别是改革开放以来，随着广蓄、天生桥(高坝)、小浪底、二滩、三峡等一批世界级水电站的建设，中国已逐步进入世界水电建设前列。但是由于我国特殊的地理和气候条件，水资源总量虽然丰富，但分布又不平衡，水力资源主要集中在西南、西北地区，而华东、中南等沿海地区，水力资源比较紧缺，仅占全国水力资源总量的10%，可开发的中、高水头水力资源在目前已剩下不多，为满足这一地区工农业迅速发展的需要，开发利用低水头水力资源势在必行。这种低水头水电站由于靠近负荷小心，年发电利用小时较高，而且大坝较低，土建工程量小，施工技术简单，施工场地开阔，运输方便，因而可以加速建设速度，工期较短，3～4年第一台机组即可投产发电，同时，低水头电站还具有淹没损失小，水力资源利用充分等优点。
但是，与高水头水电站相比，低水头水电站的出力由于水头较低，而主要靠增大引用流量作功。因而在同样出力下，水轮机的尺寸和重量相应增加，机组单价提高，电站建设造价增大。为此，必须寻求优化途径，而建设灯泡贯流式水电站正是一条捷径[1,2,3]。
灯泡贯流式水电站是指采用灯泡贯流式水轮发电机组、开发低水头水力资源而建设的水电站。这种水电站的枢纽布置、厂房结构设计、动能经济计算、装机规模与机型选择计算等与常规电站相比，有不同的要求和特点[3]。它与中、高水头水电站、低水头轴流式水电站相比，在投资、电站布置和运行多方面具有比较明显的优越性[1,2,4]。
（1）流道型式好、尺寸小
由于灯泡贯流式机组取消了平面上180°拐弯的蜗壳和立面上90°的肘形尾水管，而采用直轴式引水室─其进口断面为矩形，在接近灯泡体的范围内逐渐过渡为圆环断面以及直锥尾水管—由圆断面渐变为矩形断面。由于流道平直对称，避免了水流拐弯后形成流速分布不均而致使水流流态变坏的影响，水力损失小。这种直锥扩大型尾水管能量恢复系数高达0.9（而常规弯肘形尾水管能量恢复系数在0.75以内）。同时，由于取消了蜗壳与弯肘形尾水管，使灯泡机组流道尺寸减小。在转轮直径D1相同时，机组段水力尺寸仅相当于轴流式机组地2/3左右，因而土建工程量与建设投资减少较多。
（2）厂房土建工程量小
在同样条件下，灯泡贯流式机组水电站厂房工程量比轴流式机组少，理论上主要有三方面原因：
①基础开挖深度的减小。由于灯泡贯流式机组省掉了蜗壳及高大的轴弯式尾水管等复杂的结构形式，使尾水管底板至尾水位之间的高度降低，即厂房基础开挖深度减小，使厂房的土建工程量减少。
②厂房长度的减少。灯泡贯流式机组没有呈旋转状的蜗壳，流道采用喇叭口形进水口、锥形导流机构以及直锥尾水管，整个流道为一条顺畅的通道，使其机组的间距大大缩小，与轴流式机组相比可缩窄30％左右，这样整个厂房的长度也将大为缩短。机组的结构紧凑，有利于工程的布置，特别是厂房布置在长度上受限时，将更为明显。
③厂房高度的降低。在一般情况下，由于灯泡贯流式机组的发电机放在灯泡体内，机组水平放置，流道呈直管形，没有高大的轴弯式尾水管，这些决定了其厂房高度应比轴流机组水电站厂房有较明显的降低，厂房的混凝土和钢材量显著减少。
（3）运行性能好、管理方便、适应范围大
首先，灯泡贯流式水电站运行经济好。这种水电站机组的运行效率高，加权平均效率比轴流转浆式机组高4%左右，即年发电量可增加4%左右，这是灯泡贯流式水电站的最大优势。
其次，灯泡贯流式电站与轴流式机组电站相比，电站的维护更为方便。例如，必须大规模拆卸发电机和水轮机之后才能对轴流机组的转轮和导叶进行大修，而灯泡贯流机组则不必。另外，对灯泡贯流式机组内的风扇、轴承、泵及其他部件均能通过水轮机或发电机竖井进行更换。这些无疑为灯泡贯流式水电站的运行带来了很大的方便。
另外，灯泡贯流式水电站对水头的适应范围大[1,2]，可在4～25m水头段可靠而又高效地运行。国内首次研制的白垢灯泡贯流式水电站曾在水头仅1.3m工况下正常运行，可以充分利用汛期水能。另外，国外灯泡贯流式水电站已在30m水头左右运行，更提高了其水头运用范围。
（4）机组消耗材料量小。灯泡贯流式机组流道平顺，过流量大，其单位过流量比轴流机组大20％以上，即在同一转轮和相同水头下，出力可提高20％以上。反之，在出力相同的条件下，贯流机组的转轮直径可小13％，也就是转轮直径可小1～2级(以0.5m为一级)。同容量的机组相比，灯泡贯流式机组比轴流机组重量减轻20％～27％，单位千瓦的耗金属量少，例如黑龙江二道沟水电站贯流机组和轴流机组分别为23kg／kw，29kg／kW(仅包括水轮机和发电机重量)，广东省白垢水电站分别为65kg／kW，81kg／kW。
在灯泡贯流式机组应用较早的国家，如法国、奥地利等，同容量的机组，灯泡贯流式机组价格便宜10％～15％。而我国由于生产灯泡贯流式机组较晚，限于技术等方面的原因，制造同容量的机组，虽重量可适当减轻，但价格却要贵些，随着技术的改进，这种局面会逐渐改变。
1.2国内外灯泡贯流式水电站的发展概况[1,2,5～17]
1.2.1灯泡贯流式水电站的发展简史
灯泡贯流式水电站是随着灯泡贯流式水轮发电机组的研制发展而发展的。为了克服全贯流式机组密封技术困难的问题，1933年，瑞士爱舍维司斯公司提出了将发电机密闭于一个容器中且前置于水轮机前流道的全新设计方案，并于同年正式获得专利。首台灯泡贯流式机组于1936年安装在波兰的诺斯汀(Rostin)电站并成功投产。该水电站机组容量为195KW，水轮机转轮直径为1.95m，发电水头3.7m。因这种发电机外形类似于白炽灯泡的形状而被称为灯泡贯流式机组。
由于灯泡贯流式水轮机在结构和技术性能等许多方面均优于全贯流式机组，20世纪50～60年代因西方能源危机转而进入重视开发低水头电站的时期，这类机组便显示了强大的生命力。1966年由法国奈尔皮克(Neyrpic)公司制造的机组，安装在法国罗纳河的皮埃尔.贝尼特电站上，单机出力为20MW，转轮直径为6.25m，水头为8m，标志着灯泡贯流式机组技术已成熟。
到了70年代，低水头水力资源的开发在一些国家形成高潮，大型灯泡贯流式机组也相继问世，灯泡贯流式水电站建设也达到了成熟发展的新阶段。
80年代，灯泡贯流式水电站建设又有了新的发展。日本建设的只见水电站成为当时世界上单机装机容量最大的灯泡贯流式水电站，于1989年8月开始投入运行，电站设计水头20.7m，发电机转轮直径6.7m，出力达65.8MW
目前全世界建设的灯泡贯流式水电站已有几千座，总装机容量已超过6000MW。已运行的灯泡贯流式水电站中装机容量最大的为美国石岛电站，共8台机组，总装机为432MW，单机出力54MW，转轮直径7.4m，水头12.1m。单机容量最大的为日本只见水电站，装机容量达65MW，水轮机直径6.7m，最大水头20m。水轮机转轮直径最大的为美国悉尼墨累电站，达8.2m。
1.2.2世界各国灯泡贯流式水电站的发展
中国[18～30]
在我国，灯泡贯流式水电站建设起步比较晚，我国对灯泡贯流式机组的研制从60年代开始。1965年，我国建成国内第一座灯泡贯流式水电站—浙江蒋堂水电站，该水电站单机装机容量40kW。
80年代，我国建成了广东白垢灯泡贯流式水电站，该水电站总装机容量20MW，水轮机转轮直径5.5m，最大水头10m，成为当时国内最大的灯泡贯流式水电站。1983年在湖南又建成了马迹塘灯泡贯流式水电站。该水电站总装机容量54MW。
进入90年代，随着国内外灯泡贯流式机组研制技术的不断成熟，我国灯泡贯流式水电站建设进入了蓬勃发展时期。此时，我国相继建成了、南津液（60MW）马骝滩（46.5MW）、都平（30MW）、江口（44MW）、百龙滩（192MW）等中、小型灯泡贯流式水电站。据不完全统计，“八五”、“九五”期间开发的20m以下水头、单站装机25MW以上的电站容量达到2890MW左右。
目前，国内已建和在建的灯泡贯流式水电站见表1。其中，已投入运行的灯泡贯流式水电站中，单机装机容量最大的是青海尼那水电站，水轮机额定功率为40MW，最大水头18m，额定水头14.5m，最小水头6m，已与2003年5月投产发电。
2003年12月，广西长洲水利枢纽工程正式启动，该工程共安装15台灯泡式贯流发电机组，是我国最大的一座贯流式水电站，总装机容量621.3MW，总投资60亿元，建成后年发电量30.91亿千瓦时。2007年底第一台机组发电，2009年底全部机组发电。大坝长3.35公里，是世界上最长的混凝土闸坝。该枢纽的最大优势是枯水期的发电量比丰水期发电量大，占年总发电量的62％。
2004年11月，我国首座厂顶溢流式水电站—炳灵灯泡贯流式水电站在甘肃开工，该水电站设计总装机240MW，保证出力88.3MW，将安装5台目前国内最大的单机容量为48兆瓦的灯泡贯流式机组，多年平均发电量9.74亿度。
表1 国内已建和在建大、中型灯泡贯流式水电站参数
电站 名称 | 省（区） | 单机容量 （MW） | 装机台数 (台) | 最高水头 （m） | 额定水头 （m） | 投产 时间 |
马迹堂 | 湖南 | 18.0 | 3 | 6.55 | 6.3 | 1983 |
南津液 | 湖南 | 20 | 3 | 17.8 | 14.5 | 1991 |
马回 | 四川 | 23 | 2 | 13 | 11.4 | 1991 |
渭沱 | 四川 | 15 | 2 | 11 | 8.5 | 1992 |
京南 | 广西 | 34.5 | 2 | 14.5 | 11.0 | 1997 |
百龙滩 | 广西 | 32.7 | 16.4 | 9.7 |
| 1996 |
高滩 | 湖南 | 19 | 3 | 12.5 | 8.5 | 1997 |
白垢 | 广东 | 10 | 2 | 10 | 6.2 | 1984 |
都平 | 广东 | 15 | 2 | 11 | 7.4 | 1992 |
安居 | 四川 | 15 | 2 | 9.85 | 8.0 | 1981 |
马骝滩 | 广西 | 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 |
永兴 | 湖南 | 12.5 | 2 | 9.93 | 6.7 | 1994 |
慈利 | 湖南 | 10 | 2 | 7.5 | 5.5 | 1995 |
白石窑 | 广东 | 18 | 4 | 10.64 | 7.8 | 1998 |
孟洲坝 | 广东 | 11.4 | 4 | 10.50 | 6.0 | 1997 |
王甫州 | 湖北 | 27 | 4 | 12.00 | 7.52 | 在建 |
谟武 | 福建 | 15.5 | 2 |
| 7.63 | 1995 |
江口 | 广东 | 22 | 2 | 12.1 | 7.3 | 1998 |
下池 | 河北 | 5 | 2 | 10.4 | 5.8 | 1994 |
荣桓 | 湖南 | 2.5 | 4 | 5.5 | 4.3 | 1992 |
高砂 | 福建 | 12.5 | 4 | 11.5 | 10.0 | 1996 |
流炭坝 | 四川 | 6 | 2 | 9.65 | 6.7 | 1993 |
玉溪 | 浙江 | 20 | 2 |
| 10.8 | 1997 |
大浦 | 广西 | 30 | 3 | 15.6 | 10.5 | 在建 |
凌津滩 | 湖南 | 30 | 8 | 13.2 | 8.5 | 1998 |
近尾州 | 湖南 | 21 | 3 |
| 6.8 | 在建 |
潇湘 | 湖南 | 13.4 | 4 | 7.35 | 6.0 | 在建 |
沙县 | 福建 | 16 | 3 |
| 8.8 | 在建 |
大源渡 | 湖南 | 30 | 4 |
| 7.2 | 1998 |
贵港 | 广西 | 30 | 4 | 13.3 | 8.5 | 1999 |
飞来峡 | 广东 | 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 |
贡川 | 福建 | 21.5 | 2 |
| 9.5 | 在建 |
尼那 | 青海 | 40 | 4 | 18.0 | 14.5 | 在建 |
红岩子 | 四川 | 30 | 3 | 13.3 | 8.5 | 在建 |
长州 | 广西 | 40 | 15 | 15.35 | 9.5 | 在建 |
蜀河 | 陕西 | 45 | 6 | 22.3 | 16 | 在建 |
紫兰坝 | 四川 | 34 | 3 | 19.9 | 15.4 | 在建 |
未来，灯泡贯流式水电站将成为我国低水头水力资源开发的主要型式。特别是在珠江流域、黄河上游龙羊峡至青铜峡河段，经重新规划布局候，共有13座低水头电站尚待开发。这些水电站的水头均在25m以内，按规划将设计60多台大型灯泡贯流式机组（单机容量多在30～40之间），总装机容量超过2230MW，其规模堪与奥地利多瑙河、法国罗纳河梯级开发程度比美。
法国
法国四十年代开始研制和生产灯泡贯流式水轮机，较快。
法国主要是在维斯杜拉河和罗纳河上开发灯泡贯流式水电站。其中，已建的灯泡贯流式水电站有卡斯特、康拜拉克、阿尔桑塔、包蒙、圣马塔、朗斯、泽永斯坛等水电站。其中，罗纳河梯级开发中，除一座70m高的热尼西亚电站外，其余都是低水头水电站，累计21个电站总落差330m，总装机容量3075MW。
奥地利
奥地利位于欧洲中部，是一个能源构成以水电为主的国家。奥地利的灯泡贯流式水电站的建设有较高的水平和规模。
目前，已建的灯泡贯流式水电站有奥腾斯海姆（179 MW）、阿布温登阿斯腾（168 MW）、梅尔克（187 MW）、阿尔腾沃尔特（335 MW）、格兰斯坛（293 MW）、海恩堡（360 MW）。这些水电站的发电水头一般都在20m以下。
日本
1968年， 日本才开始制造第一台灯泡贯流式机组，直径为4.1米，出力为5520千瓦，此机组被装配到印度坎大克水电站上．之后，日本的灯泡贯流式水电站飞速发展，1976年建设的赤尾灯泡贯流式水电站单机装机容量达34MW，标志着此时日本灯泡贯流式水电站建设技术已达到了世界先进水平。在此期间，日本相继建成了石井（1176千瓦）、