Гидроэлектростанции и основы использования водной энергии

СОСТАВ И КОМПОНОВКА ОСНОВНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГЭС

Состав и компоновка сооруже­ний ГЭС определяется схемой концентрации напора. Как указывалось в § 3.4, существует две основные схемы концентрации напора: плотинная и деривационная. Гидроэлектростанции, сооруженные по плотинной схеме, делятся в свою очередь на два типа: русловые и приплети иные. Деривацион­ные ГЭС также делятся на два ти­па: с безнапорной дерива­цией и напорной.

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здание ГЭС. При напоре до 25—30 м здание станции 3 размещается в одном створе с плотиной и воспринимает напор. Такие гидроэлектростанции называются русловыми. На рис. 10.1,а изображена в плане схема размещения основных сооружений такой ГЭС.

При комплексном использова­нии водотока в состав гидроузла, кроме плотины 2 и здания ГЭС, включаются сооружения, предназначенные для удовлетворения спе­цифических нужд каждого участни­ка комплекса (шлюз для транспор­та, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения, рыбо­ходы и т. д.).

При напоре, превышающем 25— 30 м, здание ГЭС размещается за; плотиной в нижнем бьефе и не вос­принимает напор (рис. 10.1,6). Та­кие ГЭС носят название приплотинных. При комплексном назна­чении гидроузла в него так же, как и в предыдущем случае, включают­ся сооружения неэнергетических участников комплекса. Поскольку в этой схеме здание ГЭС не воспри­нимает напор, то для подачи воды к турбинам ГЭС необходимы водо­приемники 4 и турбинные трубопро­воды 6, как это показано на рис. 10.1,6, где эти сооружения со­вмещены с плотиной. Вообще, компоновка гидроузлов с приплотинными ГЭС в значительной степени за­висит от типа плотины и создаваемого ею напора. куда вода по.турбинным трубопро­водам 5 поступает к турбинам, рас­положенным в здании ГЭС 6, и да­лее в отводящий канал 7 и реку.

В том случае, когда местность сильно пересеченная и для безна­порной деривации нет благоприят­ных условий, устраивается напор­ная в виде туннеля или трубопро­вода (рис. 10.3). Как в том, так и в другом случае поперечное сечение водовода полностью заполнено во­дой.

Головной узел в этом случае также включает в качестве основ­ных сооружений плотину / с водо­сбросом 2 и водоприемник 3. Одна­ко плотина здесь более высокая, а водоприемник глубинный; что по­зволяет забирать воду при больших колебаниях уровня воды в водохра­нилище.

Станционный, узел в отличие от ГЭС с безнапорной деривацией со­держит.уравнительный резервуар 6, основное назначение которого — борьба с возможными гидравличе­скими ударами при нестационарных режимах в турбинных трубопро­водах 7.

ПЛОТИНЫ И ЗАТВОРЫ ГЭС

Плотины, перегораживая рус­ла реки, предназначены для созда­ния водохранилища и тем самым являются главнейшим сооружени­ем гидроузла для создания напора и регулирования стока.

Все плотины делятся, на две основные группы, отличающиеся друг от друга используемым мате­риалом: плотины бетонные и же­лезобетонные и плотины грунтовые (земляные, каменно-набросные и каменно-земляные).

Бетонные и железобетонные пло­тины по конструктивным признакам делятся на гравитационные, арочные и контрфорсные. Отличительным признаком гравитационных плотин является их мас­сивность (рис. 10.4). Большая мас­са их и силы сцепления (трения) по основанию позволяют воздвигать такого рода плотины на любых грунтах. Считается, что при высоте до 30—40 м гравитационная плоти­на может быть сооружена на слабом основании (песок, глина), а на скальном основании высота ее мо­жет достигать 300 м.

По возможности пропуска воды такие плотины могут быть глухи­ми (рис. 10.4,а), т. е. не допускаю­щими перелива воды через свой гребень, и водосливными (рис. 10.4,6). Последние выполня­ются с поверхностными (водослив­ными) или заглубленными (донны­ми) отверстиями для пропуска во­ды. Плотины русловых ГЭС состоят обычно из глухой и водосливной ча­сти. Высокие плотины в узких ущельях часто строятся глухими. В этом случае сброс излишней воды осуществляется в обход плотины по поверхностному или туннельному водосбросу. В теле бетонных плотин обычно устраиваются продольные галереи (патерны), предназначенные для контроля фильтрации воды через тело плотины.

Арочные плотины представляют собой свод, очерченный в плане r виде дуги, упирающейся своими концами в скальные берега, кото­рые и воспринимают основную часть давления воды на плотину со сторо­ны верхнего бьефа (рис 105). Вы­сота таких плотин может достигать более 300 м, однако бетона в ней будет меньше, чем в равноценной по высоте гравитационной. Как разно­видности такие плотины могут быть одноарочными и многоарочпыми, а также арочно-гравитационными. Во всех этих случаях плотины мо­гут содержать специальные водо­сбросы

Контрфорсные плотины выпол­няются в виде железобетонных ре­бер (контрфорсов) на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные пли­ты 1, воспринимающие давление во­ды (рис 10.6). Контрфорсы 2 скрепляются между собой балками жест­кости 3, образуя по фронту отдель­ные пролеты. При соответствующей конструкции гребня с низовой сто­роны контрфорсные плотины могут быть водосливными Высота совре­менных крупных контрфорсных пло­тин превышает 100 м (Зейскал ГЭС--115 м).

Земляные плотины бывают насыпными и намывными. Пер­вые устраиваются путем отсыпки в виде горизонтальных слоев не­большой толщины с последующим уплотнением укаткой пли трамбова­нием с увлажнением уплотняемого грунта Намывные земляные плоти­ны строятся методами гидроме­ханизации, сводящемся к подаче размытого в карьере разжиженного грунта к месту укладки насосами по трубопроводам или самотеком по трубам пли лоткам.

Верховой откос плотины для за­щиты от воздействия волн и льда укрепляется в пределах изменения уровня воды бетонными плитами или камнем (рис. 107,а)

Низовой откос со стороны ниж­него бьефа укрепляется дерном и снабжается в некоторых случаях горизонтальной площадкой, назы­ваемой бермой, которая служит для защиты откоса от смыва грунта водой.

Если земляная плотина сооружа­ется из сильно водопроницаемых грунтов (например, крупного пес­ка), то для уменьшения фильтрации устраиваются преграды в виде экра­на 3, ядра 5, а иногда и понура 4 (рис 107, б, в). Эти преграды устраиваются из маловодопроницае­мого грунта, например глины

Для пропуска через тело плоти­ны фильтрующей воды и задержа­ния при этом выноса мелких частиц грунта на всех земляных плотинах со стороны нижнего бьефа устраива­ются так называемые дренаж­ные призмы 6.

Величина заложения откосов m-ctgα принимается в зависимо­сти от свойств грунта и высоты плотины в пределах, указанных для примера на рис. 10.7,а.

Нередки случаи сооружения зем­ляных плотин из разных по своим водопроницаемым, свойствам грун­тов. В этом случае, чем лучше грунт, тем ближе со стороны верхне­го бьефа он располагается (рис. 10.7,г).

Земляные плотины имеют очень широкое распространение. Их строят, как правило, глухими. Высо­та их достигается 100 м и более.

Каменно-набросные плотины со­оружаются путем наброски в русло реки с некоторой высоты камня раз­личных размеров. По мере роста плотины каменная наброска уплот­няется струей воды под давлением, а также специальными катками и вибраторами.

Водонепроницаемость таких пло­тин достигается путем устройства экрана 3 из железобетона со сторо­ны верхового откоса (рис. 10.7, д), укладываемого на специальную подэкрановую каменную кладку 7.

Каменно-набросные плотины со­оружаются, как правило, глухими. Высота их достигает 300 м.

В каменно-земляных плотинах большая часть их тела выполнена из каменных материалов, а противофильтрационное устройство - из маловодопроницаемого грунта. Вы­сота их достигает 300 м и более (Нурекская ГЭС).

Затворы. Для сброса возможных из­лишков воды в водохранилищах и пропус­ка ее в нижний бьеф в специальных целях, а также для пропуска льда, наносов и пло­тов плотины и другие сооружения ГЭС снабжаются соответствующими затворами. Специальные затворы устанавливаются также в турбинных трубопроводах.

В зависимости от рода перекрываемых отверстий затворы сооружений ГЭС делят­ся на поверхностные, закрывающие водосливные и водоприемные отверстия, куда вода поступает из верхних слоев во­дохранилища, и глубинные, служащие для закрытия глубинных отверстий, распо­ложенных ниже уровня воды верхнего бьефа.

Из поверхностных затворов следует отмстить прежде всего плоские щиты и шандоры. Первые являются основны­ми затворами, вторые используются при ре­монте оборудования и сооружений. Плос­кий затвор помещается в пазах быков или устоев и передвигается в вертикальном направлении (рис 10 8,а). Воспринимаемое им давление воды передается быкам или устоям. Затворы обычно выполняются ме­таллическими. Различают затворы скользя­щие, колесные и катковые. Последние два изготовляются для облегчения подъемных усилий. Предусматриваются специальные уплотняющие устройства для предотвраще­ния фильтрации воды через зазоры между затвором и неподвижными частями соору­жений

Шандоры представляют собой деревян­ные или металлические балки, укладывае­мые в пазах друг на друга в виде стенки (рис 10.8, б) Подобные щиты и шандоры устанавливаются также на входе в напорные трубопроводы турбин и па выходе из отсасывающей трубы.

Сегментные затворы пред­ставляют собой изогнутый по дуге круга щит, могущий целиком вращаться вокруг некоторой оси, на который насажены ноги, поддерживающие полотнище затвора (рис 10.8,в). Ноги шарнирно закреплены в быках или устоях, воспринимающих дав­ление воды. При маневрировании затворы вращаются вокруг горизонтальной оси рас положения шарниров.

По сравнению с плоским щитом сег­ментный затвор обладает рядом преиму­ществ при равных размерах и массе. Глав­нейшие из них следующие значительно меньшее подъемное усилие, лучшая работа в зимних условиях (отсутствие обмерзаю­щих колес), меньшая высота быков, воз­можность автоматического действия. Одна­ко имеются и недостатки необходимость большей длины устоев, невозможность пе­реустановки затвора из одного отверстия в другое.

Вальцовые или цилиндриче­ские затворы представляет собой по­лый металлический цилиндр, перекрываю­щий водосливное отверстие и поднимаемые вверх путем перекатывания его по зуб­чатым рейкам, расположенным в нишах быков или устоев (рис 108,г). Для увели­чения высоты затвора его цилиндр снаб­жается специальным нижним, а иногда и верхним щитками.

Вальцовые затворы обладают большой жесткостью, поэтому получили широкое распространение па плотинах с тяжелыми условиями зимней службы (навал льда). Затворы могут перекрывать пролеты ши­риной до 45—50 м и высотой до 9 м. К не­достаткам их следует отнести значитель­ную массу и стоимость, а также значи­тельные размеры быков.

Секторные затворы имеют по­перечное сечение в виде сектора покрыто­го водонепроницаемой обшивкой устанав­ливаемой обычно по трем плоскостям (рис 10.8 д) Под затвором в теле плотины устраивается ниша, в которую опускается затвор при

необходимости сброса излишней воды. Затвор вращается на оси, закреп­ленной в пороге плотины. Управление им обычно гидравлическое. Затворы удобны для сброса льда и плавающих тел с малыми потерями воды, могут перекрывать про­леты шириной до 60 м и высотой до 10 м.

Водосбросные глубинные отверстия плотин перекрываются глубинными затво­рами, которые могут быть плоскими, сег­ментными, цилиндрическими, дисковыми и т. д. Первые два типа аналогичны опи­санным выше (рис. 10.9,а, в).

Задвижки (рис. 10.9,6) имеют не­большие габариты и действуют от гидрав­лического или электрического привода. Конструктивно они представляют собой ли­тые диски прямоугольной или круглой формы, которые перекрывают галереи или трубопроводы. Эти диски при открытии от­верстия вдвигаются внутрь специального кожуха. Задвижки применяются в основ­ном как рабочие затворы на напоры до 400 м. Их диаметр зависит от используемо­го напора и может достигать нескольких метров.

Цилиндрические затворы. Конструктивно затворы представляют со­бой полые цилиндры, перемещающиеся по вертикали (рис. 10.9,г). Своей боковой по­верхностью или днищем они закрывают от­верстия башенных водоприемников. Из-за своей громоздкости они не получили за­метного распространения, хотя и имеют хо­рошие эксплуатационные качества. Они используются для напоров, не превышаю­щих 100 м.

Дисковые затворы состоят из цилиндрического корпуса, в котором на горизонтальной или вертикальной оси вра­щается диск (рис. 10.9,д). Дисковые за­творы надежны в эксплуатации, являются наиболее распространенными, изготовляют­ся диаметром до 8,5 м и устанавливаются на напорных трубопроводах при напоре до 250—300 м (при небольших диаметрах до 600 м). Управление затвором осуществляется, как правило, с помощью гидрав­лического привода, приводимого в действие сервомоторами.

Достоинством затворов являются хо­рошие маневренные качества и сравнитель­но низкая стоимость. Недостатком — сложность создания хороших уплотнений и сравнительно большая потеря напора.

Игольчатые затворы состоят из корпуса и обтекателя, внутри которого перемешается плунжер (игла), закрываю­щий и открывающий отверстие в корпусе (рис. 10.9,е). Затворы имеют малые потери напора и применяются при диаметрах тру­бопровода до 6,5 м и напорах до 800 м. Устанавливают их главным образом с ни­зовой стороны водоспуска. К недостаткам относят высокую стоимость, сложность кон­струкции и изготовления.

ЗДАНИЯ ГЭС.

Конструкцию и компоновку зда­ния ГЭС определяют природные условия, схема концентрации напо­ра, напор, тип и параметры гидро­агрегатов (турбина и генератор, со­единенные общим валом) и транс­форматоров, вспомогательного обо­рудования. Габариты здания опре­деляются размерами агрегатных блоков, и в частности, длина его - количеством агрегатных блоков и размером монтажной площадки. В свою очередь габариты блока зави­сят от мощности (напора и расхо­да воды) турбины, и ширина его определяется размером спиральной камеры. Обычно на гидроэлектро­станциях устанавливается не менее двух-трех одинаковых агрегатов.

Тип и конструкция здания долж­ны быть экономически и технически всесторонне обоснованы и в то же время должны обеспечивать надеж­ную работу оборудования и удобные условия эксплуатации. Предъ­являемые в этом плане требования к зданиям иногда противоречат друг другу. Так, например, чрезмерная экономия при строительстве снижает надежность и удобство экс­плуатации, особенно в части прове­дения профилактических осмотров и ремонтов, что неизбежно влечет за собой увеличение эксплуатационных издержек.

В соответствии со схемами кон­центрации напора здание ГЭС при­нято делить на три типа:

здания русловой ГЭС, т. е. здания, воспринимающие напор (рис. 10.10);

здания приплотинной ГЭС, т. е. размещенные за плотиной и невос­принимающие напора (рис. 10.11);

здание деривационной ГЭС (рис. 10.12).

По способу сброса воды из верх­него бьефа в нижний здания русло­вых ГЭС делятся па два типа:

1) несовмещенные с водо­сбросами (см. рис. 10.1,в), в ко­торых сбросы излишков воды из верхнего бьефа осуществляются че­рез водосливные отверстия плотины или другие устройства, находящиеся вне здания ГЭС (см. рис. 10.11).

2) совмещенные с водо­сбросами, которые обычно распо­лагаются в массивной (подводной) части здания (см. рис. 10.10), хотя применяются и другие конструктив­ные решения.

По типу подъемного оборудова­ний здания ГЭС строятся:

закрытыми — с внутренним расположением подъемного обору­дования — мостового крана (см. рис. 10.10—10.12);

полуоткрытыми — основное подъемное оборудование (порталь­ный кран) размещается над машин­ным залом (генераторное помеще­ние). Генераторный зал — низкое помещение со съемными крышками над генератором (рис. 10.13,а);

открытыми—машинный зал отсутствует, а генераторы укрыты колпаками (рис. 10.13,6). Подъем­ным оборудованием здесь является также портальный кран.

По расположению относительно земной поверхности:

наземное — корпус здания расположен на земной поверхности;

подземное — корпус здания расположен ниже земной поверхно­сти. Такие здания устраиваются при деривационной схеме концентрации напора, когда деривация выполняет­ся в виде туннеля.

В зависимости от положения оси агрегата различают здание с верти­кальными и горизонтальными агре­гатами, последние в настоящее вре­мя применяются главным образом на гидроэлектростанциях с напором 10—15 м.

Общим элементом для всех ти­пов зданий ГЭС является прежде всего монтажная площадка, которая размещается обычно в кон­це здания у берега и обслуживается теми же кранами, что в машинный зал. На уровне пола монтажной площадки делается подъездный путь для доставки оборудования в ма­шинный зал. Габариты площадки определяются условиями доставки, раскладки по ней одного гидроагре­гата при его ремонте в период эксплуатации. При большом числе агрегатов иногда делается две мон­тажные площадки

В здании ГЭС размещается ряд вспомогательных помещений, в чис­ле которых оперативно-производст­венные; производственные, админи­стративно-хозяйственные, бытовые.

К оперативно-производственным помещениям относят помещения электрических распределительных устройств генераторного напряже­ния, собственных нужд переменного и постоянного тока, поста (пульта) управления и др.

В здании ГЭС размещается так­же большое количество различных вспомогательных устройств. В со­став этих устройств входят: техни­ческое водоснабжение и пожароту­шение генераторов; осушение спи­ральных камер и отсасывающих труб; масляное хозяйство; пневма­тическое хозяйство; дренажные устройства; контрольно-измеритель­ная аппаратура и т.д.

В зависимости от мощности ГЭС, числа агрегатов определяется со­став и площадь помещений подсоб­но-вспомогательного назначения (ремонтно-механические мастерские, лаборатории и различного рода службы)

В нижней части здания ГЭС размещаются спиральные камеры турбин, статоры, направляющие ап­параты и рабочие колеса турбин; отсасывающие трубы, турбинные шахты п турбинный этаж, а также галереи различного назначения, по­мещения для вспомогательного обо­рудования, насосы для откачки во­ды и т. д.