Розділ 2. Гідроенергетичні ресурси, їх використання. Принципові схеми, параметри, режими роботи ГЕС і ГАЕС

Водоприймачі являють собою головну частину проточного тракту ГЕС і призначені для прийому води в нього з водоймища, водотоку, напірного басейну, а також повинні забезпечити захист проточного тракту турбіни від попадання плаваючих тіл, великого сміття, льоду, шуги, донних наносів, припинення надходження води при ремонтних роботах і аваріях. Контури вхідних отворів і проточної частини водоприймачів повинні забезпечити сприятливий гідравлічний режим на вході, допустимі швидкості на ґратах і мінімальні втрати напору. Допустимі швидкості на ґратах, що залежать від їх заглиблення й засміченості водотоку, звичайно приймаються рівними 0,8–1,2 м/с. Водоприймачі обладнуються сміттєзатримуючими гратами, ремонтними, аварійноремонтними затворами й підйомними механізмами (козловим краном, гідропідйомниками та ін.). Водоприймачі поділяються на напірні й безнапірні (мал. 4.23).

Напірні водоприймачі застосовуються при значних змінах рівнів у верхньому б'єфі й при всіх схемах ГЕС. Їх приймальні отвори заглиблюються під РМО на необхідну глибину, що виключає утворення воронок. Їх вхідна проточна частина звичайно виконується у формі розтруба для забезпечення плавного сполучення з напірним трубопроводом.

Безнапірні водоприймачі застосовуються при незначних змінах рівнів у верхньому б'єфі в основному в дериваційних ГЕС із низьконапірними головними вузлами.

Напірні водоприймачі пригребельних і дериваційних ГЕС можна розділити на наступні три типи:

Гребельні водоприймачі розміщуються в бетонних греблях (гравітаційних, аркових, контрфорсних), у тілі гребель або примикають до їх напірної грані. Для забезпечення плавного входу, зменшення висоти сміттєутримуючих ґрат на вході між бичками виконується забральна балка.

У більшості випадків на водоприймачах влаштовуються знімні грати, що очищуються спеціальними механізмами (наприклад грейфером, підвішеним на крані). При великих глибинах спрацювання водоймищ у ряді випадків виконуються стаціонарні грати, які не очищуються.

Берегові водоприймачі, які застосовуються в основному в гідровузлах із греблями з місцевих матеріалів, арочними, виконуються у вигляді залізобетонної конструкції, яка примикає до берегового схилу.

У таких водоприймачах, як і в гребельних, в єдиній конструкції розміщуються ґрати, ремонтні й аварійно-ремонтні затвори (мал. 4.24). При несприятливих топографічних і геологічних умовах схилу берегові водоприймачі виконуються із шахтами, де розміщуються затвори, а на береговому схилі влаштовується вхідна конфузорна ділянка з похилими гратами. В якості аварійно-ремонтних можуть застосовуватися як плоскі, так і сегментні затвори (мал. 4.25). У суворих кліматичних умовах над водоприймачем можуть зводитися закриті приміщення, де розміщується устаткування.

а

б

Мал. 4.23. Типи водоприймачів: а – напірний; б – безнапірний; 1 – сміттєзатримуючі грати; 2 – забральна стінка; 3 і 4 – пази ремонтного й аварійноремонтного затворів; 5 – проміжна стінка; 6 – гідропідйомник; 7 – аераційна труба; 8 – обвідна труба (байпас); 9 – козловий кран; 10 – промивна галерея

Мал. 4.24. Береговий водоприймач: 1 – забральна стінка; 2 – грати; 3 – сполучений паз ґрат і ремонтного затвора; 4 – паз грейфера; 5 – аварійноремонтний затвор; 6 – гідропідйомник; 7 – аераційна труба; 8 – обвідна труба

 Мал. 4.25. Береговий водоприймач із шахтою: 1 – ґрати; 2 – канатний механізм для підйому сегментного затвора; 3 – ремонтний затвор; 4 – гратоочисна машина; 5 – роздільна стінка; 6 – дериваційний тунель

Баштові водоприймачі застосовуються в тих же умовах, що й берегові, у вигляді окремої залізобетонної баштової конструкції з водоприймальними отворами, розташованими по всьому або частині периметра. Баштові водоприймачі можуть мати циліндричну або прямокутну форму (мал. 4.26).

Безнапірні водоприймачі можна розділити на наступні два типи: Поверхневі водоприймачі різних конструкцій (із глухим порогом та ін.) не забезпечують захист дериваційного тракту від попадання донних наносів. При великій кількості донних наносів у потоці широко застосовуються водоприймачі з донними промивними галереями, розташованими в порозі (мал. 4.27). При заборі води таким водоприймачем нижні шари потоку, насичені донними наносами, потрапляючи в промивні галереї, скидаються в нижній б'єф головного гідровузла, а верхні шари надходять у дериваційний тракт. Осідаючи перед порогом водоприймача, наноси періодично промиваються через змивочні отвори греблі й донні галереї.

Мал. 4.26. Баштовий водоприймач: 1 – сміттєзатримуючі ґрати; 2 – паз ремонтного затвора; 3 – паз аварійноремонтного затвора; 4 – напірний водовід; 5 – гідропідйомник

Донні ґратчасті водоприймачі застосовуються на гірських ріках з різкими коливаннями рівнів і великою кількістю наносів. У порозі греблі виконується водозабірна галерея, перекрита зверху ґратами. З галереї вода попадає в промивну камеру, потім відстійник, після якого очищена від наносів вода надходить у дериваційний канал (мал. 4.28). Донні наноси із промивної камери промиваються при відкритті верхових й низових затворів.

Відстійники включаються до складу головних гідровузлів на гірських ріках, що несуть велику кількість змулених наносів (більше 0,2–0,5 кг/м3), які, осідаючи у водоводах, знижують їх пропускну здатність, стирають металеві облицювання водоводів, робочі колеса й інші елементи гідротурбін.

У відстійниках, що являють собою безнапірну споруду зі значно збільшеними розмірами, різко вповільнюється швидкість води,

 завдяки чому змулені наноси осаджуються. Відстійники (мал. 4.29) різняться:

• за принципом роботи камери – періодичної й безперервної дії;

• по кількості камер – на однокамерні й багатокамерні;

• по способу видалення осілих наносів – з гідравлічним промивом, механічним й гідромеханічним очищенням (за допомогою землесосів), комбінованою системою очищення.

Мал. 4.27. Поверхневий водоприймач із донними промивними галереями: 1 – водоприймач; 2 – поріг водоприймача; 3 – затвори промивних отворів греблі; 4 – донні промивні галереї; 5 – верховий стояк; 6 – сміттєзатримуючі грати; 7 і 8 – затвори водоприймача; 9 – затвори промивних галерей; 10 – понур; 11 – водоскидна гребля; 12 – дериваційний канал

 Мал. 4.28. Безнапірний донний ґратчастий водоприймач: 1 – водоскидна гребля; 2 – донна водозабірна галерея, перекрита ґратами; 3 – промивна камера; 4 і 5 – затвори промивної камери; 6 – шугоскид; 7 – водоприймач для забору води із промивної камери; 8 – відстійник; 9 – дериваційний канал

а

б

Мал. 4.29. Типи відстійників: а – періодичної дії із промивом наносів, багатокамерний; б – безперервної дії із промивом наносів, однокамерний; 1 – вхідний поріг; 2 – вихідний поріг; 3 – камера; 4 – мертвий обсяг; 5 – промивна галерея; 6 – збірно-промивна галерея; 7 – ґрати; 8 і 9 – затвори на вхідному й вихідному порогах

У відстійниках з камерами періодичної дії, коли обсяг наносів, що випали, досягне розрахункового, камери відключаються від деривації й осілі наноси видаляються. Такі відстійники звичайно виконуються багатокамерними з відключенням по черзі камер у міру їх заповнення наносами. У відстійниках з камерами безперервної дії видалення наносів проходить без відключення камер.

Дериваційні водоводи виконуються безнапірними й напірними. Безнапірні водоводи застосовуються при незначних змінах рівня верхнього б'єфа й сприятливих топографічних і геологічних умовах по трасі (відносно рівній, слабопересіченій місцевості), що дозволяють їх виконувати на відмітках, близьких до рівнів верхнього б'єфа. Безнапірні водоводи забезпечують підведення води до напірного басейну, з якого вода подається в турбінні напірні водоводи. Напірні водоводи застосовуються при значних коливаннях рівня верхнього б'єфа й розташовуються нижче мінімального рівня водоймища.

При безнапірній деривації широко використовуються дериваційні канали, які можуть мати значну довжину (наприклад на Перепадній ГЕС на р.Вахш 10,4 км) і швидкості бігу води від 0,7 м/с при витраті 350 м3/с (Нижнетуломська ГЕС) до 2,2 м/с при витраті 760 м3/с (Нарвська ГЕС). Поперечний переріз каналу в більшості випадків приймається трапецоїдальним. У каналах влаштовується кріплення у вигляді облицювання (бетонного, асфальтобетонного та ін.) дна й укосів, що дозволяє скоротити фільтраційні втрати, а також знизити шорсткість і відповідно зменшити втрати напору в ньому.

Дериваційні тунелі можуть мати значну довжину (безнапірний тунель Езмінської ГЕС – 7,8 км, напірний тунель Храмської ГЕС-2 у Грузії – 12,8 км). Швидкість води в напірних тунелях звичайно не перевищує 7 м/с. Форма поперечного перерізу тунелів вибирається залежно від гідравлічного режиму, інженерно-геологічних умов траси й способу проходки. Як правило, напірні тунелі, а в багатьох випадках і безнапірні мають перетин кругового контуру, що забезпечує найкращі гідравлічні умови, сприятливі умови статичної роботи оздоблення, істотні переваги при проходці, особливо при використанні прохідницьких комплексів.

а

б

в

Мал. 4.30. Оздоблення дериваційних тунелів: а – монолітне залізобетонне; б – двошарове монолітне залізобетонне; в – збірне залізобетонне; 1 – шпари для укріпної цементації; 2 – труби для заповнювальної цементації; 3 і 4 – кругова та розподільча арматури; 5 – монолітний бетон; 6 – торкрет; 7 – засипання гравієм; 8 – дренаж; 9 – цементний розчин; 10 – збірні залізобетонні блоки

У більшості випадків дериваційні тунелі виконуються з оздобленням, яке повинне сприйняти зовнішній тиск ґрунтових вод і гірський тиск, внутрішній тиск води, забезпечити водонепроникність, знизити шорсткість і відповідно втрати напору. Залежно від інженерно-геологічних умов, гідравлічного режиму, способу проходки застосовуються різні види оздоблень (мал. 4.30).

Несучі оздоблення виконуються з бетону й залізобетону із заповнювальною цементацією (із заповненням цементним розчином зазорів між оздобленням і поверхнею виробки) і укріпною цементацією скельної породи навколо тунелю для додання їй монолітності й водонепроникності. Товщина монолітного бетонного і залізобетонного оздоблення повинна бути не менше 20 см. У високонапірних тунелях застосовується сталезалізобетонне оздоблення із внутрішнім металевим облицюванням. Несучі оздоблення в певних умовах можуть виконуватися у вигляді облицювання з набризк-бетону (торкрету) з металевою сіткою та анкерами з товщиною оздоблення не менше 10 см.

У міцних слабкотріщинуватих і маловодопроникливих скельних породах і особливо при проходці тунелів з використанням прохідницьких комплексів стінки тунелів можуть залишатися необлицьованими.

Напірні водоводи можуть виконуватися відкритими у вигляді металевих трубопроводів (мал. 4.31), сталезалізобетонних із внутрішнім металевим облицюванням і залізобетонних трубопроводів.

Траси і поздовжній профіль трубопроводів при будь-якому режимі роботи агрегатів ГЕС повинні забезпечити внутрішній тиск не нижче атмосферного. Сталезалізобетонні й залізобетонні трубопроводи можуть укладатися в траншеях і засипатися ґрунтом.

Відкриті металеві трубопроводи встановлюються на опори: анкерні, які забезпечують нерухоме закріплення трубопроводу на переломах траси й на прямих ділянках на відстані 150–400 м і сприймають від нього осьові й радіальні навантаження, і проміжні, щоб він міг спиратися на них в прогонах між анкерними опорами. Трубопроводи виконуються нерозрізними, а при значних змінах температури повітря або води, коли в тілі трубопроводу виникають значні поздовжні деформації, – розрізними. У місці розрізу встановлюється температурний компенсатор, що дозволяє оболонці трубопроводу вільно переміщуватися при температурних деформаціях (див. мал. 4.31). У випадку аварії з розривом металевого трубопроводу повинні бути передбачені пристрої для відводу води й недопущення затоплення будинку ГЕС.

Мал. 4.31. Схема відкритого металевого трубопроводу: 1 – трубопровід; 2 – анкерна опора; 3 – проміжна опора; 4 – компенсатор

а	Мал. 4.32. Трубопроводи, розташовані в основі гребель із ґрунтових матеріалів: а – залізобетонні трубопроводи; б – металеві трубопроводи, прокладені в залізобетонній галереї; 1 – монолітний залізобетон; 2 – ребра; 3 – галерея; 4 – металевий трубопровід
б

Відкриті сталезалізобетонні й залізобетонні трубопроводи можуть виконуватися аналогічно металевим або укладатися безпосередньо на скельну основу без опор.

Трубопроводи, що проходять в основі гребель із грунтових матеріалів (мал. 4.32), можуть виконуватися залізобетонними у вигляді окремих труб, закладених у скельну основу, або у вигляді багатоочкових секцій, відділених одна від одної температурно-осадовими швами з ущільненнями. Металеві трубопроводи при будь-яких основах, а залізобетонні трубопроводи при м'яких основах у більшості випадків вільно встановлюються в залізобетонних галереях, влаштованих в основі гребель.

Станційні водоводи пригребельних ГЕС із бетонними греблями (гравітаційними, контрфорсними, арочними) звичайно розташовуються в тілі або на низових гранях гребель (див. мал. 4.4), рідше на верховій грані, а із греблями із грунтових матеріалів – в основному у вигляді тунелів.

На дериваційних ГЕС станційні водоводи, так само як і дереваційні напірні водоводи, виконуються у вигляді напірних трубопроводів або тунелів.

Металеві напірні трубопроводи застосовуються при напорах до 2000 м, а сталезалізобетонні – при напорах до 800 м.

Станційні трубопроводи можна розділити на три групи:

• закладені трубопроводи включають сталеві облицювання в бетонному масиві гребель, сталезалізобетонні трубопроводи на їх низових гранях (див. мал. 4.4–4.7), сталеві облицювання із залізобетонним оздобленням шахт і тунелів (див. мал. 4.9);

• відкриті трубопроводи, які виконуються в більшості випадках на опорах;

• засипані трубопроводи, які виконуються в траншеях і засипаються грунтом.

Зрівнювальні резервуари в напірних системах ГЕС призначені для захисту підвідних та відвідних напірних водоводів від впливу гідравлічного удару при несталих режимах роботи ГЕС і особливо при аварійному скиданні навантаження ГЕС, що призводить до різкого збільшення (зниження) внутрішнього тиску в напірних водоводах, а також для зменшення максимального гідродинамічного тиску в напірних водоводах і поліпшення умов регулювання гідроагрегатів.

Гідравлічний удар виникає при несталих режимах роботи ГЕС, коли один або кілька показників, що характеризують її роботу, таких як витрата, потужність, частота обертання гідроагрегата й ін., змінюються в часі.

Несталі режими пов'язані з регулюванням турбін, перехідними процесами при пуску й зупинці агрегату, регулюванні потужності, аварійному скиданні навантажень.

Зрівнювальні резервуари підрозділяються на верхові, які виконуються на підвідних водоводах, і низові – на відвідних водоводах. Звичайно верхові зрівнювальні резервуари виконують у місці перелому траси напірних водоводів, що дозволяє зменшити їх висоту (мал. 4.33).

Величина гідравлічного удару (підвищення або зниження тиску) залежить від відношення довжини напірного водовода до його діаметра, швидкості зміни витрати води (швидкості закриття напрямного апарата гідротурбіни), напору ГЕС.

Приблизно критерієм для визначення необхідності виконання верхового зрівнювального резервуара може служити постійна інерції напірних водоводів Tw, яка виражається в секундах. Так, при значенні Tw<3–6 з урахуванням конкретних умов роботи ГЕС можна відмовитися від влаштування верхового зрівняльного резервуара.

Низові зрівнювальні резервуари виконують з урахуванням конкретних умов роботи при довжині відвідних водоводів більше 70–100 м і швидкій зміні витрат для недопущення розриву суцільності потоку.

Принципова схема роботи зрівнювальних резервуарів наведена на мал. 4.34. При режимі, що встановився, рівень води в зрівнювальному резервуарі характеризується Zпоч і відповідає витраті Qпоч. При порушенні режиму, що встановився, у напірних водоводах внаслідок зміни витрат гідротурбін відбувається зміна рівня в зрівнювальному резервуарі. При зменшенні витрати Qкін < Qпоч рівень води у верховому зрівнювальному резервуарі, піднімаючись, досягає максимального положення (Zмакс), відповідно досягає максимального значення тиск у напірному водоводі. При наявності гідравлічних опорів у напірному водоводі коливання загасають і згодом встановлюється рівень (Zкін), що відповідає новому режиму, що встановився, при витраті Qкін. При цьому одночасно з коливаннями рівнів у верховому зрівнювальному резервуарі відбувається аналогічне коливання рівнів у низовому зрівнювальному резервуарі, але зі зворотним знаком, досягаючи мінімального положення (Zмін). При збільшенні витрати гідротурбін Qкін > Qпоч має місце зворотний процес зі зниженням рівня у верховому зрівнювальному резервуарі й підйомом у низовому зрівнювальному резервуарі.

Мал. 4.33. Схема розміщення зрівнювальних резервуарів: 1 – водоприймач; 2 – верховий зрівнювальний резервуар; 3 – дериваційний тунель підвідний; 4 – дериваційний відвідний тунель; 5 – турбінний водовід; 6 – будинок ГЕС; 7 – низовий зрівнювальний резервуар; 8 – аераційний тунель

Основні типи зрівнювальних резервуарів наведені на мал. 4.35. При циліндричному зрівнювальному резервуарі, що являє собою вертикальну або похилу шахту, у напірному водоводі при режимі, що встановився, на ділянці сполучення з резервуаром губиться швидкісний напір і збільшуються втрати напору, що є його недоліком. При циліндричному резервуарі з додатковим опором шахта з'єднується з напірним водоводом патрубком з меншим перетином (іноді з установкою діафрагми), що дозволяє уникнути додаткових втрат напору на ділянці сполучення при усталеному русі, однак призводить до зниження ефективності роботи зрівнювального резервуару у зв'язку з «проскакуванням» гідравлічного удару й відповідно підвищенням тиску в напірному водоводі. Мал. 4.34. Принципова схема роботи зрівнювального резервуара: 1 – коливання рівнів при зменшенні витрати; 2 – коливання рівнів при збільшенні витрати

а

б

в

г

д

Мал. 4.35. Основні типи зрівнювальних резервуарів: а – циліндричний; б – циліндричний з додатковим опором; в – камерний; г – пневматичний; д – напівпневматичний

У камерному резервуарі, що являє собою шахту, з'єднану з верхньою й нижньою горизонтальними камерами (рідше з однією), при зменшенні витрати відбувається заповнення водою верхньої камери верхового зрівнювального резервуару, а при зменшенні витрати – спорожнювання нижньої камери, у низовому зрівнювальному резервуарі – навпаки.

У пневматичному резервуарі із замкнутою порожниною над поверхнею води при перехідних процесах повітря стискується або розширюється, чим досягається зменшення діапазону коливань рівня, а в напівпневматичному, який з'єднується з атмосферою, змінюється тиск повітря й відповідно збільшується діапазон коливань рівня.

Водоприймач Нурекської ГЕС