Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

КОМПОНОВКА СООРУЖЕНИЙ ДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС

ГОЛОВНОЙ УЗЕЛ

Компоновка головных узлов определяется типом и размерами плотины и водосбросных сооружений. Плотины возводятся, как правило, водосливные, с низкими порогами, оборудованные затворами, перекрывающими русло горных рек часто по всей ширине. Есть примеры с береговыми водосбросами (быстротоки или перепады) .


Необходимость пропуска насосов, шуги и льда в НБ оказывает существенное влияние на характер и расположение сооружений головного узла. Возможност ь попадания насосов в деривацию заставляет принимать ряд предупредительных мер.

Одна из основных мер — пропуск возможно большого количества донных насосов через плотину.

В этом случае лучшим типом является плотина с низким порогом, перекрываемая затворами. Для пропуска донных насосов затворы открывают полностью или приподнимают частично. Лучшими будут поэтому затворы, поднимающиеся кверху: плоские, сегментные и цилиндрические. Удобны плоские сдвоеиные затворы, позволяющие поднимать для пропуска насосов только нижшою секцию затвора.

Особое значение имеет правильное расположение и устройство водозаборных сооружений. Входное сечение водозабора должно иметь порог, возвышающийся не менее чем на 1—-2 м над дном реки. Этот порог задерживает донные наносы, не позволяя им проникнуть в деривацию. Достигается это рациональным расположением порога и промывных отверстий плотины.

На рис. 12-11 показана схема размещения отдельных сооружений головного узла ГЭС с безнапорной деривацией в виде деривационного канала.

Для установок с напорной деривацией типичны сравнительно высокие плотины и большие колебания уровня воды в водохранилище. Глубинный водоприемник напорной деривации размещается преимущественно в стороне от плотины. Деривация обычно осуществляется в виде канала или туннеля (см. гл. 13 и 14).

ВОДОПРИЕМНИКИ ДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС

Забор воды в деривацию осуществляется из реки или водохранилища в пределах головного узла сооружений. Для забора воды применяют водоприемники, к которым предъявляются особые требования в отношении бесперебойной подачи воды в деривацию ГЭС. Водоприемники оборудуются затворами для прекращения доступа воды из ВБ при аварии, ревизии или ремонте деривации. Водоприемники деривационных ГЭС выполняются поверхностными и глубинными.

Водоприемники должны обеспечивать плавный подвод воды к деривации с минимальными потерями напора. Для предотвращения проникновения плавающих предметов в деривацию на входе в водоприемник устраивают запань или делают забральные балки. Особое внимание надлежит обращать на мероприятия, исключающие проникновение донных наносов и сокращение поступления взвешенных наносов в деривацию.

1. Водоприемники деривационных каналов

Выбор местоположения водоприемников является ответственной задачей, особенно если они проектируются на реках с неустойчивым руслом.

На рис. 12-12 изображена часто применяемая схема поверхностного водоприемника с указанием основных его элементов. Русло реки перегораживается плотиной с низким флютбетом. Образуется небольшой подпор уровня воды в ВБ, который облегчает поступление расходов воды в деривацию.

Наиболее интенсивное движение наносов происходит во время паводка. Донные наносы, передвигающиеся вдоль реки, входят в зону подпора плотины. Образующиеся гряды наносов, непрерывно перемещаясь во время паводка вниз по течению, растут, что приводит к постепенному уменьшению скорости их перемещения. Мелкие частицы наносов движутся во взвешенном состоянии. Попадая в подпертый бьеф плотины, они начинают постепенно выпадать из потока изаилять подпертый участок реки. По мере заиления бьефа скорость течения возрастает, что может привести к поступлению наносов во взвешенном состоянии в деривацию.

Одним из наиболее эффективных мероприятий для уменьшения попадания наносов в водоприемники и удаления их в НБ является использование поперечной циркуляции в потоке, т. е. винтового движения с направлением поверхностных струй к берегу, на котором расположен водоприемник, и направлением придонных струй от этого берега (рис. 12-13). Естественная поперечная циркуляция возникает на изгибе русла и потока под воздействием центробежных сил и сил гидравлического сопротивления. Поверхностные струи отклоняются к вогнутому берегу, производят размыв его, а донные струи, поднимаясь к выпуклому берегу, теряют часть своей кинетической энергии и откладывают наносы на этом берегу. Поэтому водоприемник рекомендуется располагать на вогнутом берегу, причем место водозабора целесообразно избрать за серединой криволинейного участка.

Использование поперечной циркуляции для уменьшения попадания наносов в водоприемник возможно только при небольших глубинах в подпертом бьефе. Образование поперечной циркуляции на повороте потока использовано в Ферганском типе водозабора, осуществленном на нескольких головных узлах в Средней Азии и в водоприемнике с криволинейным каналом типа ВНИИГ. Последний тип водоприемника работает хорошо даже в условиях большого относительного водозабора. При бесплотинном водозаборе и отборе воды из канала находят иногда применение поверхностные направляющие понтоны, предложенные М. В. Потаповым, создающие также поперечную циркуляцию потока перед входом в водозабор.


Скорости течения при входе в водоприемник принимаются часто равными 1,5—2,0 м/с.

Известно, что при повороте части потока из реки в деривацию главная масса донных наносов отклоняется туда же и откладывается у входа в водоприемник. Если сооружения располагаются на прямолинейном участке реки, порог водоприемника следует направить под небольшим углом к плотине. При открытии ближайшего к порогу щитового пролета плотины вдоль берега образуется течение, хорошо промывающее наносы. Однако при этом будут плохо работать участки водоприемника, удаленные от плотины. Направление входа в канал выбирается под углом 20—30° к направлению течения воды в реке, причем подход должен быть плавным, чтобы избежать образования водоворотов (рис. 12-12). Располагать входное сечение перпендикулярно к реке не следует.

Эффективной мерой для борьбы с донными наносами оказывается устройство в пороге водоприемника донных хадерещ пропускающих наносы. В этом случае в канал пропускаются преимущественно верхние слои воды, свободные от донных наносов; нижние слои вместе с наносами проходят через отверстия в пороге водоприемника в донные галереи, выведенные в НБ плотины. Все же некоторое количество донных наносов будет попадать на порог водоприемника вследствие водоворотов, образующихся на входе.

Для эффективной работы промывных галерей полезно создавать прямой вход потока в галереи, сократить их длину и по возможности избегать их поворотов. Схема с донными галереями целесообразна при наличии достаточного напора, превышающего 3 м, и при малых промывных расходах.

На небольших горных реках, влекущих крупные галечные наносы, применяется галерейный решетчатый водозабор, называемый также тирольским. Он устраивается в пороге плотины в виде лотка, перекрытого металлической решеткой. Вода с крупными галечными наносами проходит поверх решетки, сквозь которую в лоток поступает лишь расход воды, отводимой в деривацию.

Вход в водоприемник защищается от плавающих бревен, льда и т. д. устройством забральной балки и грубой решетки. Забральная балка представляет собой железобетонную стенку, низ которой опущен под уровень воды. Целесообразно опускать забрало на 0,5—1 м ниже уровня воды при ледоходе. Забральная балка уменьшает высоту затвора и служит также опорой для сороудерживающей решетки. Иногда вместо забральной балки применяется плавучая запонь. Затворы водоприемника делаются плоскими или сегментными, иногда устанавливаются облегченные затворы — шаыдоры.

Водоприемники с глубинными водозаборами

В напорный деривационный туннель вода поступает из ВБ обычно через водоприемник с глубинным водозабором. Для краткости его именуют глубинным водоприемником. Этот тип водоприемников имеет широкое распространение.

Глубинные водоприемники размещаются в ВБ или водохранилищах со значительными колебаниями уровней и малыми скоростями движения воды. Глубинные водоприемники должны обеспечивать подачу воды в соответствии с графиком нагрузки ГЭС при любых положениях уровней воды в бьефе. Следовательно, порог водоприемника располагают так, чтобы забор воды в туннель мог производиться при наинизшем уровне воды.

Местоположение глубинного водоприемника выбирается одновременно с назначением трассы туннеля. Форма и габариты водоприемника устанавливаются технико-экономическими расчетами при сопоставлении вариантов. При этом надлежит обеспечить плавный вход, отсутствие вихревых зон, засасывающих плавающие предметы. На реках, влекущих значительное количество наносов, необходимо устранять возможность заиливания. В ряде случаев целесообразно устройство промывных отверстий.

Для обоснования форм и габаритов водоприемников крупных ГЭС выполняют лабораторные исследования на моделях. Обычно в составе глубинного водоприемника ГЭС предусматривается следующее гидро-механическое оборудование: сороудерживающие решетки и ремонтные заграждения. Очень редко выдвигается требование постановки затворов аварийного назначения.

В зависимости от местоположения глубинные водоприемники деривационных ГЭС разделяются на два типа: береговые и башенные. Береговые водоприемники, как следует из названия, располагаются непосредственно у берегового откоса ВБ. На рис. 12-14 показана схема первый по течению паз а во второй — плоский и бетонной констберегового приемника с засыпанной пазухой, устанавливается, соро-удерживающая решетка, затвор. Для манипулирования сороудержнвающей решеткой и ремонтным заграждением используется козловый кран. В отдельных случаях для экономии вместо двух рядов пазов устраивают один. При работе ГЭС в нем находится сороудерживающая решетка, которая вынимается перед постановкой ремонтного заграждения. При значительных колебаниях уровня воды в ВБ рассмотренный тип берегового водоприемника может оказаться дорогим из-за высокой стоимости работ по засыпке рукции.


На рис. 12-15 показана схема берегового водоприемника с наклонными решетками и затворами в голове туннеля. Между затворами и решетками получается участок значительной длины. Подход к затвору осуществляется но шахте.


Конструкция башенного водоприемника схематически изображена на рис. 12-16.

Выбор типа глубинного водоприемника производится на основе технико - экономического анализа.

ОТСТОЙНИКИ ДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС

Отстойники деривационных ГЭС предназначаются для осветления воды от взвешенных наносов, влекомых водотоком. Наибольшую опасность для проточной части турбины составляют крупные фракции наносов, образовавшиеся из твердых пород, транспортируемые горной рекой. В течение года содержание твердых частиц в потоке меняется. Максимальное количество их транспортируется рекой в паводок.

Из опыта эксплуатации деривационных ГЭС установлено, что размеры частиц диаметром более 1/4 мм пропускать через турбину не следует. Следовательно, фракции более 1/4 мм должны быть задержаны в отстойнике,

Взвешенные наносы целесообразно осаждать в отстойнике, расположенном в составе головного узла сооружений, т. е. сразу же за водоприемником. Длина, ширина и глубина отстойника выбирается на основегидравлических и технико-экономических расчетов.

Взвесенесущий поток, поступивший в отстойник, претерпевает существенные изменения. Поскольку площадь поперечного сечения потока в отстойнике велика, скорости движения частиц замедляются и взвесь выпадает на дно. Поток осветляется. Для осаждения твердых частиц диаметром более 1/4 мм скорости движения воды должны быть 0,1—0,3 м/с. В конце отстойника, где он сопрягается с каналом или безнапорным туннелем, получают воду, очищенную от наносов. По мере накопления отложившихся наносов их надлежит удалять из отстойника.

Предложено и возведено достаточно много модификаций отстойников. Если их классифицировать, то выделяют две группы отстойников: однокамерные и многокамерные. В зависимости от способа очистки отстойника от наносов различают отстойники гидравлического и механического действия. В первых осуществляется удаление наносов водой (промыв), а во вторых — механическими средствами, например экскаваторами. Наибольшее распространение получил гидравлический способ очистки. В свою очередь этот способ подразделяется на непрерывный промыв и периодический. Многокамерные отстойники устраиваются, как правило, с периодическим промывом. На период очистки одна из камер отключается и током воды с большими скоростями наносы удаляются в НБ.

ШУГОСБРОСЫ

При значительном шугообразовании в реке оказывается необходимым в составе головного узла устраивать шугосбросы. Если шуга или снежура может образовываться в деривационном канале, то шугосбросы размещают в пределах напорных бассейнов (см. гл. 15).

Шугосброс обычно выполняется в виде лотка, который располагается поперек или под углом к потоку для отъема верхнего слоя воды. Этот отъем части потока производится только при наличии шуги. В теплые периоды шугосброс не работает. ЕЕмеются различные типы и конструкции шугосбросов. Хорошо зарекомендовали себя шугосбросы с затворами автоматического действия. Шугосброс на напорном бассейне см. на рис. 15-5.

СТАНЦИОННЫЙ УЗЕЛ СООРУЖЕНИЙ

Схемы компоновки сооружений станционных узлов могут быть крайне разнообразными в зависимости от топографических и геологических условий, напоров и расходов воды. Обычно все сооружения станционного узла располагают в месте наиболее сосредоточенного и равномерного падения местности, стремясь сократить длину турбинных трубопроводов. При этом в случае экономической целесообразности здание ГЭС может размещаться в глубокой выемке, что влечет за собой увеличение длины отводящей деривации.

На монтажную площадку здания ГЭС и на площадку ОРУ должны быть заведены подъездные пути, которые могут быть железнодорожными или автодорожными для подачи оборудования автотранспортом — трейлерами.

Станционные узлы сооружений ГЭС с безнапорной деривацией (деривационный канал или безнапорный туннель) имеют напорный бассейн. На рис. 12-17 показаны план и продольный разрез сооружения деривационной ГЭС с напорным бассейном. Вблизи здания ГЭС располагается повышающая подстанция, обычно открытая. Если рельеф местности не разместить подстанцию на горизонтальной площадке, то ее располагают иногда ступенчато, на искусственно созданных уступах склона местности. При очень узких ущельях и крутом склоне ОРУ располагают на крыше здания ГЭС, специальном мосту или на другом берегу реки. Бассейн суточного регулирования целесообразно располагать как можно ближе к напорному бассейну; часто они конструктивно увязываются (Гюмушская ГЭС на р. Раздан, Эзминская ГЭС на р. Терек).

При низких напорах (до 30—35 м) и значительном турбинном расходе здание ГЭС может непосредственно примыкать к напорному бассейну, как это осуществлено, например, на Нарвской ГЭС. При высоких напорах здание ГЭС располагается иногда вдоль напорных трубопроводов рядом с ними, что в случае разрыва трубопровода должно обеспечить сохранность самого здания ГЭС.


Отличительной особенностью станционного узлаГЭС с напорной деривацией обычно является наличие уравнительного резервуара. При не слишком большой амплитуде колебаний уровней ВБ уравнительный резервуар делается в виде открыто стоящей башни у выходного конца туннеля. Если потребная высота уравнительной башни превышает 20 м, она заменяется вертикальной или наклонной шахтой, размещаемой в горном массиве перед концом туннеля. На ГЭС Ингури высота вертикальной шахты 140 м.

От уравнительного резервуара—шахты идет еще короткий участок напорного туннеля до выхода на дневную поверхность, где туннель разветвляется и переходит в турбинные трубопроводы. В их начале располагается помещение затворов (см. рис, 16-6.), позволяющих отключить любой турбинный трубопровод в случае аварии или для ремонта.

В определенных условиях, характеризуемых сложным рельефом местности (очень крутые склоны) или особым геологическим строением, здание ГЭС выполняется подземным, что дает не только экономичное, но и единственно приемлемое решение. В этом случае в состав станционного узла сооружений входит отводящая безнапорная или напорная деривация, при которой на выходе из отсасывающей трубы может оказаться необходимым уравнительный резервуар. При подземном расположении машинного зала в зависимости от конкретных условий применяется компоновка с головным (рис. 12-18, а), промежуточным (рис. 12-18,6) или концевым (рис. 12-18, в) расположением машинного зала.


Д.С.Щавелев, Гидроэнергетические установки (гидроэлектростанции, насосные станции и гидроаккумулирующие электростанции), Л., 1981

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики