СОВМЕЩЕННЫЕ И ВОДОСЛИВНЫЕ ГЭС
ЗДАНИЯ СОВМЕЩЕННОГО ТИПА
Совмещенные здания ГЭС воспринимают напор и строятся на мягких, полускальыых и скальных породах. Верхним пределом напоров для них, как правило, является Н — 30—35 м. Водопропускные галереи, размещаемые в нижней массивной части здания ГЭС, делают напорными или безнапорными [22-1]. Предназначаются галереи для пропуска значительной доли паводковых расходов/что в определенных случаях обеспечивает возможность получения эффекта эжекции, т. е. восстановления напора [21-3, 22-2].
В каждом агрегатном блоке предусматривают устройство 1, 2 или 3 водосбросных галерей для пропуска значительных расходов воды (рис. 22-1).
По гидравлическому режиму и размещению различают три варианта: I) напорные галереи берут начало под водоприемной частью здания станции/огибают колено отсасывающей трубы и выводятся над выходным диффузором последней; II) напорные или безнапорные галереи берут начало вверху, проходят между генератором и спиральной камерой турбины, а далее выводятся над диффкзором отсасывающей трубы; Ш ) напорные донные или заглубленные галереи, большей частью постоянного сечения, берут начало внизу под турбинной камерой, огибают вертикальный диффузор отсасывающей трубы и далее выводятся аналогично предыдущим вариантам.
В нашей стране наиболее распространен вариант I. Он обладает значительными преимуществами, в частности, возможностью использования галерей для пропуска строительных расходов. Число галерей в агрегатном блоке может быть различным: одна на Чебоксарской н Нижне-Камской ГЭС, две на Волжских ГЭС имени В. И. Ленина и XXII съезда КПСС, три на Новосибирской и Каховской ГЭС (рис. 22-1). Увеличение габаритов блока в этом варианте невелико: /Зб-г=(3,04— 3,23) Db.
При устройстве одной галереи угол охвата сннралы-юй камеры сро = 210° и галерея в плане занимает половину ВоЛ, ось которого на Чебоксарской и Нижне-Камской ГЭС смещена по отношению к осп агрегата (на 0,117 Вс,л). Большие размеры водосбросных галерей позволяют пропускать через них расходы, превышающие в 2—3 раза расход турбин. Удельные расходы в НБ достигают при этом почти 60 м2/с, что намного больше, чем на других совмещенных ГЭС. Это потребовало устройства значительного по длине крепления НБ с ковшом в конце. Некоторый недостаток такой схемы (рис. 22-1, а) в том, что поток воды, пропускаемый с большой скоростью через галерею, выходиттолько на половине ширины отсасывающей трубы и нарушает равномерность выходных скоростей в ней.
На крупнейших в мире Волжских ГЭС совмещенного типа в каждом агрегатном блоке по две симметричные .галереи, что позволяет делатьодинаковые армокаркасы, опалубку и т. п. Однако в целях более полной ликвидации эксцентриситета между осями блока и агрегата приходится принимать сро=135°, а это примерно на 1 % ухудшает КПД агрегата и является основным недостатком. Расходы галерей превы-шают расходы турбин на ГЭС имени В. И. Ленина в 1,56 и имени XXII съезда КПСС—в 1,16 раза, а удельные расходы.в НБ составляют, соответственно, 49,5 и 43,5 м2/с.
На всех рассмотренных ГЭС основанием служат мягкие грунты, поэтому разрезка здания ГЭС поперечными швами делается не в каждом блоке, а посекционно (в секции два агрегата). В отличие от этого на скальных основаниях швами отрезается каждый агрегатный блок.
С тремя галереями в блоке построены Новосибирская ГЭС — на скальном и Каховская ГЭС — на мягком основании. Три галереи хорошо сочетаются с ср0 = 192—225°. Экцентриситет между осями блока и агрегата на Новосибирской ГЭС, например, составляет 0,084 ВбЛ, а отношение расхода галерей к расходу турбины равно 1,5 и удельный расход в НБ равен 38 м2/с.
Однако устройство трех галерей, из которых лишь две симметричны, вызывает необходимость изготовления неодинаковой опалубки, армо- каркасов и т. д. Все же временные трудности строительного периода, пожалуй, менее существенны, чем постоянная потеря КПД, а поэтому, если не имеется каких-либо препятствий, следует отдавать предпочтение трем галереям (либо делать одну).
Вариант II в нашей стране осуществлен на Иркутской и Дубоссарской ГЭС с двумя напорными галереями при ср0=192°, а за рубежом на ГЭС Кембс и Отмарсхейм во Франции с безнапорными галереями при ф0 = 225°. Устройство галерей на последних двух ГЭС вызвало увеличение Дбл ДО (4,16—4,23) Dy, а на отечественных ГЭС, соответственно до (3,33 3,57).
Чрезмерное увеличение расхода воды в галерее по отношению к турбинному, ни Дубоссарской ГЭС привело к неблагоприятному гидравлическому--режиму в нижнем бьефе. Большим недостатком II варианта является нсвозтжцо.сть. использования галерей для пропуска строительных расходов, в связи с чем этот вариант не получил распространения.
Вариант III отличается от предыдущих близкими площадями сечений галерей по, их длине. Примером может служить Саратовская ГЭС на которой в каждом агрегатном блоке сделано по две напорные галереи 8,6x12,0 м при ср0=135° (рис. 22-2). Устройство таких больших галерей привело к тому, что Ц = 4,37 D. Целесообразность такого увеличения Вбл должна подтверждаться технико-экономическими расчетами, поскольку из практики проектирования известно, что каждый метр длины совмещенного здания станции примерно на 20 % дороже, чем на водосливной плотине.
Для здания Саратовской ГЭС совмещенного типа характерно очень широкое прйменение сборного железобетона (до 40 % общего объема), с массой отдельных элементов конструкций до 185 т. Здание станции имеет пониженный малогабаритный машинный зал и обслуживается при монтаже агрегатов снаружи установленными козловыми кранами, т. е. относится одновременно к полуоткрытому типу.
В зданиях Уч-Курганской, Ходжикентской и Головной ГЭС, построенных в Средней Азии, сделаны донные водопропускные галереи, обеспечивающие промыв насосов. Каждая из этих ГЭС имеет свои особенности. Например, на Головной ГЭС донные галереи сделаны между отсасывающими трубами, что привело к увеличению /Цл до 4 D\. На Уч-Курганской ГЭС, хотя водосбросные галереи и выведены над отса-сывающей трубой, Кол = 4,5 Dy, что значительно превышает обычные размеры. Аналогичную компоновку имеет Ходжикентская ГЭС.
Особое место среди зданий станций совмещенного типа занимает здание Асуанской ГЭС, поскольку на ней 75 м в 2—3 раза превышает напоры, характерные для этого типа. Проект Асуанской ГЭС был выполнен советскими инженерами и отличается рядом оригинальных решений (рис. 22-3). Здание станции, находясь в конце напорных штолен, напоминает деривационные ГЭС, однако разветвление этих штолен на турбинный водовод, подводящий воду к бетонной спиральной камере, и напорные галереи делают компоновку и конструкцию здания весьма специфичной. Машинный зал Асуанской ГЭС обслуживается полукоз- ловым краном, что позволило ускорить ввод агрегатов в эксплуатацию (см. § 21-5). Сегментные затворы, установленные в конце водосбросных галерей, и ремонтные заграждения обслуживаются козловым краном. Особенностью является устройство бетонной спиральной камеры таврового сечения с углом охвата сро = 285° при таком высоком напоре.
На совмещенных ГЭС сокращается фронт бетонных сооружений за счет уменьшения длины водосливной плотины или отказа от ее строительства. Совмещенные ГЭС имеют следующие преимущества:
а) уменьшается объем бетона но гидроузлу;
б) в определенных условиях можно отказаться от сооружения перемычек второй очереди, а перемычки первой очереди меньше стесняют русло реки, облегчая условия судоходства в строительный период;
в) при достаточно заглубленных отверстиях водосбросных галерей их успешно используют для пропуска строительных расходов, что су- Гцественно облегчает условия возведения сооружений методом «гребенки»;
г) для восстановления напоров при пропуске паводковых расхрдов может быть использован эффект эжекцыи, тем больший, чем меньше зарегулирован водоток (кроме ГЭС, подобных А.суаиской).
Общая экономия затрат по гидроузлу составляет обычно до 10 %, а при полном отказе от строительства водосливной плотины—15% и более [22-1].
Основные недостатки зданий ГЭС совмещенного типа: необходимость в мощном креплении НБ при мягких грунтах, большая изрезан- ность нижней массивной части здания сданный, вызванная устройством водосбросных галерей, а также наличие большого числа более тонких элементов здания, что может потребовать увеличения процента армирования. Однако на Новосибирской ГЭС, например,, он не вышел за пределы обычного. В некоторой степени усложняются условия эксплуатации за счет затворов водосбросных галерей и обслуживающих их механизмов. Но высказывавшиеся опасения о.возможности появления усиленной вибрации зданий совмещенных ГЭС натурными исследованиями не подтвердились [22-2].
ЗДАНИЯ ВОДОСЛИВНОГО ТИПА
В зданиях водосливного типа пропуск паводковых расходов осуществляется над агрегатами через поверхностные водосливные отверстия, устроенные на усиленном верхнем перекрытии машинного зала. Перелив может производиться по всей длине машинного зала или на части длины, а при малых паводковых расходах ограничиваются устройством одного — двух водосбросов-лотков. Отличительной особенностью ГЭС водосливного типа является значительный диапазон напоров, при которых они строятся. Различают три вида зданий водосливного типа:
1. Низконапорные здания ГЭС водосливного типа с горизонтальными прямоточными агрегатами. В нашей стране была разработана и осуществлена конструкция водосливных зданий, оборудованных горизонтальными капсульными агрегатами с D = 5,5—(КО м при напорах до 15 м. К числу этих первых установок, пуск которых был в 1965 г., относятся Череповецкая и Киевская ГЭС. Далее была построена Каневская ГЭС с агрегатами мощностью 20 МВт (рис. 22-4). В перспективе возможно применение больших агрегатов с ?>i = 7,5 м мощностью 45—-50 МВт, аналогичных двум опытным машинам, установленным на Саратовской ГЭС.
Особенностью проточной части капсульных агрегатов является переход к конической турбинной камере, что примерно на 20 % сокращает ширину агрегатного блока до BQ1x— (2,3—2,5) Dx. Прямоосная отсасывающая труба увеличивает пропускную способность турбин на 20—25 % и улучшает КПД на 2—3 %. Одновременно значительно уменьшается заглубление здания в основание.
Над малогабаритным машинным залом размещаются прямолинейные водосливные отверстия с широким порогом, для которых коэффициент расхода составляет 0,36—0,38. При значительной высоте переливающегося слоя удельные расходы в НБ достигают 60—65 м2/с. В верхнем перекрытии машинного зала делают люки со съемными крышками для монтажа и демонтажа агрегатов.
Переход от обычного к водосливному типу здания может обеспечить получение экономии в целом по гидроузлу 15—20 % и более. Преимуществом является также возможность получения эффекта эжекции [21-3, 22-2].
Основным недостатком водосливных ГЭС с капсульными агрегатами являются трудности эксплуатации малогабаритного машинного зала с люками и съемными крышками в верхнем перекрытии, а также помещения внутри капсулы, где. находится генератор. Тепловыделения генератора требуют устройства надежной вентиляции во избежание появления конденсата на внутренней поверхности капсулы, омываемой снаружи холодной водой.
2. Средненапорные здаиия водосливных ГЭС с вертикальными агрегатами построены в СССР при напорах от 15 до 35—40 м [22-1]. Первой в 1954 г. была введена в эксплуатацию Камская ГЭС мощностью 504 МВт в 24 агрегатах при Н= 16—21м.
В верхнем перекрытии малогабаритного машинного зала предусмотрены люки со съемными крышками, которые обычно приварены. Над люками размещены поверхностные водосливы с широким порогом. Через эти люки при снятых крышках козловыми кранами, перемещающимися сверху на быках, производится монтаж и демонтаж агрегатов.
Аналогичную компоновку имеет Кайраккумская ГЭС мощностью 126 МВт в шести агрегатах.
Соответственным образом подобранная отметка носка водослива может обеспечить получение эффекта эжекции. Исключение в этом отношении, как видно из рис. 22-5, составляет Плявиньская ГЭС.
3. Высоконапорные водосливные установки охватывают более широкий диапазон напоров примерно от 50 до 200 м. В частности, напорный .. водосброс, переходящий в открытый водослив, устроен на Токто- гульской ГЭС при =180 м. Первые сравнительно крупные ГЭС такого типа были построены в 1945—1952 гг. во Франции, где здания станций размещаются, как правило, за арочно-гравитационными плотинами и имеют криволинейную форму в плане. Сравнительно небольшие паводковые расходы пропускаются через один — два водосливных лотка, устроенных на крыше здания ГЭС (рис. 22-6). Иногда для интенсивного гашения энергии потоков воды предусматривается соударение этих потоков, сходящих с лотков-трамплинов (см. рис. 22-12). При значительных паводковых расходах перелив воды осуществляется по всей или большей части длины крыши здания ГЭС.