4.4. Особенности сооружений ГАЭС

Все основные типы ГЭС и их сооружения применяются на ГАЭС. При этом в состав сооружений ГАЭС дополнительно входит нижний водоем, имеющий необходимую полезную емкость.

ГАЭС с плотинной схемой (с русловыми и приплотинными зданиями), при которых плотины на реках образуют верхний и нижний водоемы, характерны для ГЭС–ГАЭС, так как используют приток воды в верхний водоем. ГАЭС Трумен (США) с русловым зданием имеет мощность 160 МВт при напоре 24 м. В последнее время рассматривается эффективность строительства низконапорных ГЭС–ГАЭС с использованием обратимых капсульных агрегатов. Исследования с работой капсульных агрегатов в насосном режиме были проведены на Киевской ГЭС (см. рис. 4.17).

Деривационные ГАЭС получили самое широкое распространение. Во многих случаях в качестве низового водоема используются естественные водоемы (озера, морские заливы), существующие или создаваемые водохранилища. Так, для Киевской ГАЭС используется Киевское водохранилище, для Кайшядорской ГАЭС (Литва) – Каунасское водохранилище, для строящейся Днестровской ГАЭС – специально созданное водохранилище на р. Днестр, то же на Загорской ГАЭС.Рис. 4.48. Дамба верхового водохранилища Днестровской ГАЭС: 1 – упорная призма из камня; 2 – железобетонная плита по фильтрующему слою из щебня и песка; 3 – экран из суглинка; 4 – насыпь из песка; 5 – насыпь из разнородного грунта; 6 – трубчатый дренаж

Рис. 4.50. Водоприемник и напорные трубопроводы Киевской ГАЭС

Рис. 4.49. Схема противофильтрационных и дренажных мероприятий верхнего водоема Днестровской ГАЭС: 1 – экран из суглинка; 2 – дренажная штольня; 3 – приплотинный трубчатый дренаж; 4 – сброс из дренажей

Верховые водоемы ГАЭС выполняются на высоких отметках в ряде случаев путем ограждения территории дамбами (рис. 4.48). При этом параметры верхового водоема определяются необходимым полезным объемом, глубиной сработки воды, рельефом местности и геологическими условиями. Для предотвращения фильтрации из верхового водоема, оползневых явлений на береговых склонах обычно по дну водоема и откосам ограждающих дамб выполняют непроницаемый экран из естественных грунтов (глин, суглинков) или искусственных материалов (асфальтобитумных покрытий, полимерных пленок, бетона и др.) и систему дренажей в зоне водоема и на склонах (рис. 4.49).

Рис. 4.52. Поперечный разрез по сооружениям Днестровской ГАЭС: 1 – полуподземное здание ГАЭС с размещением каждого агрегата в шахте (колодце); 2 – водоприемник; 3 – напорный туннель; 4 – ОРУ; 5 – низовой водоем

Рис. 4.51. Общий вид сооружений Загорской ГАЭС

Подвод воды от водоприемника к зданию ГАЭС осуществляется, как и на ГЭС, напорными водоводами: металлическими – Киевская ГАЭС (рис. 4.50) или сталежелезобетонными – Загорская (рис. 4.51) и Кайшядорская ГАЭС; напорными туннелями (строящиеся Ташлыкская и Днестровская ГАЭС. На рис. 4.52 дан разрез по трассе туннелей Днестровской ГАЭС.

ГАЭС с подземными бассейнами пока не получили практического применения. В их составе в качестве нижнего водоема предусматривается использовать расположенные глубоко под землей искусственные подземные выработки в скальных породах. Напор на таких ГАЭС может составить 1000 м и более.

Рис. 4.53. Поперечный разрез по зданию ГАЭС Ладингтон (США): 1 – двигатель-генератор; 2 – обратимая гидромашина; 3 – камера компенсаторов трубопровода; 4 – трансформатор; 5 – паз ремонтного затвора; 6 – паз решетки; 7 – кран

Эффективность ГАЭС зависит от совокупности основных факторов, включая природные условия (в первую очередь топогеологические условия площадки, определяющие напор, мощность, длину водоводов, сейсмичность и др.); возможность использования существующих водохранилищ; размещение в центре нагрузок энергосистемы; типы и параметры электростанций энергосистемы; наличие ЛЭП для выдачи мощности; параметры оборудования; к.п.д. цикла аккумулирования. Увеличение напора в целом является положительным фактором, позволяя уменьшить объем водоемов, габариты здания ГАЭС, однако может привести к удлинению водоводов. ГАЭС строят как при высоких, так и средних напорах. Так, ГАЭС Гранд Мезон (Франция) мощностью 1,8 млн. кВт имеет напор 905 м, а ГАЭС Ладингтон (США) мощностью 2,06 млн. кВт – 107,7 м (рис. 4.53).

Как правило, современные ГАЭС стремятся разместить ближе к центру нагрузок энергосистемы, во многих случаях рядом с мощными ТЭС и АЭС так, что ГАЭС становятся их спутниками. Например, Ташлыкская ГАЭС расположена рядом с Южно-Украинской АЭС.

На ГАЭС верхний и нижний водоемы рассчитаны на размещение гидроаккумулирующей емкости. Кроме того, в одном из водоемов (обычно расположенном на реке) предусматривается емкость для компенсации потерь воды на испарение и фильтрацию из водоемов.

В здании ГАЭС с помощью гидросилового, электрического, механического и вспомогательного оборудования, систем управления электрическая энергия, забираемой из сети, преобразуется в механическую энергию воды, аккумулируемую в верхнем водоеме, а затем происходит обратное преобразование механической энергии воды в электрическую энергию, выдаваемую в энергосистему потребителям.

Здания ГАЭС выполняются аналогично зданиям ГЭС русловыми, приплотинными, береговыми, открытыми, подземными и полуподземными, но имеют отличительные особенности, связанные с составом и типом основного гидросилового оборудования, которое может выполняться по двухмашинной, трехмашинной и четырехмашинной схемам.

Здания ГАЭС с обратимыми гидроагрегатами, состоящими из насос-турбины и двигателя-генератора (двухмашинная схема), получили наиболее широкое применение. В таких зданиях для обеспечения работы в насосном режиме требуется увеличение отрицательной высоты всасывания Н S насос-турбины, т.е. большее заглубление рабочего колеса под уровень нижнего бьефа, что при открытом расположении здания приводит к необходимости дополнительного его заглубления в основание и увеличению высоты, но практически не влияет на конструкцию подземного здания.

Рис. 4.54. Поперечный разрез по зданию ГАЭС при трехмашинной схеме с ковшевыми турбинами: 1 – машинный зал; 2 – помещение трансформаторов; 3 – мостовой кран; 4 – отводящий лоток от турбин; 5 – подводящий к насосам водовод; 6 – многоступенчатые насосы; 7 – ковшовая турбина; 8 – двигатель-генератор; 9 – помещение шаровых затворов; 10 – шаровые затворы

Кайшядорская (Круонисская) ГАЭС (Литва)

На рис. 4.53 приведен поперечный разрез по зданию ГАЭС Ладингтон (США), на рис. 4.52 – по Днестровской ГАЭС.

Здания ГАЭС с трехмашинными агрегатами, состоящими из насоса, турбины и двигателя-генератора, обычно применяются при напорах более 300 м с использованием ковшевых и радиально-осевых турбин. В таких зданиях насосы всегда размещаются ниже турбин, благодаря чему обеспечивается большая отрицательная высота всасывания насосов.

На рис. 4.54 приведен поперечный разрез по подземному зданию с ковшевыми турбинами, рабочие колеса которых расположены выше максимального уровня воды в безнапорном отводящем туннеле. Ниже ковшевых турбин расположены многоступенчатые насосы и помещение для их обслуживания.

Здания ГАЭС с четырехмашинными агрегатами, состоящими из насоса, турбины, двигателя и генератора, применяются крайне редко при высоких напорах, что связано с увеличением габаритов здания, соответственно объемов работ и стоимости.

Строительство Загорской ГАЭС-2 (вид на полки напорных водоводов с котлована здания ГАЭС-2), Россия

Строительство Загорской ГАЭС-2 ведется на реке Кунья в Сергиево-Посадском районе Московской области вблизи действующей Загорской ГАЭС. Проектная мощность Загорской ГАЭС-2 – 840 МВт. Первую очередь Загорской ГАЭС-2 (420 МВт) планируют ввести в эксплуатацию в 2012г., полностью строительство предполагается завершить в 2014 г.