Определение основных параметров гидроузла на горных реках, учет режима стока на горной реке. Компоновка деривационных ГЭС на горных реках. Основные узлы деривационной ГЭС

Строительство ГЭС на равнинных реках выводит из использования огромные территории плодородной земли, нарушает жизнь экосистемы реки. На горных реках гидроузлы удобны тем, что не связаны с затоплением больших территорий, но при этом имеется опасность из-за довольно высокой сейсмичности горных районов. Поэтому при выборе створа для строительства средненапорных и высоконапорных гидроузлов решающими факторами является топографические и геологические условия (включая фоновую сейсмичность). При этом пойма, расположение водосброса, ледовый и наносный режим не играют решающей роли при компоновке сооружений.

Высоконапорные гидроузлы наиболее совершенно могут регулировать речной сток, в частности могут обеспечить многолетнее регулирование. Они строятся для целей гидроэнергетики, для регулирования стока (борьба с наводнениями, ирригация) или для комплексных целей.

На средненапорных и высоконапорных гидроузлах на скальных основаниях применяется тип приплотинной ГЭС.

При значительных напорах, превышающих величину примерно 4-х диаметров реактивной турбины, нецелесообразно передавать на здание ГЭС гидростатическое давление воды. В этом случае строятся приплотинные ГЭС, при этом напорный фронт на всём протяжении перекрывается плотиной, а здание ГЭС размещается за плотиной. Наибольший напор приплотинной ГЭС может достигать 300 м. Компоновка сооружений узлов с приплотинной ГЭС зависит от ширины створа, типа плотины и напора. Здания приплотинных ГЭС располагаются в непосредственной близости от бетонных плотин, вода передается напорными водоводами. Здания ГЭС могут быть наземные, подземные, полуподземные, могут размещаться в теле бетонной плотины.

Компоновки различают обычные и в узких створах. Пример обычной – Красноярская ГЭС на р.Енисее (рис.5.1). Русло Енисея сложено из гранитов, ширина 750 м, высота 120 м. Плотина имеет высокий носок, отбрасывающий воду на 100 м от плотины, что предохраняет от подмыва. Здание ГЭС находится непосредственно за плотиной. Компоновка Красноярской ГЭС характерна для гидроузлов многоводных сибирских рек, протекающих в районе с резко континентальным климатом, тяжелыми условиями ледохода и имеющих крутые скальные берега.

Если фронт сооружений стеснен и не хватает места для размещения водосбросных сооружений в русле, а врезка бетонных сооружений оказывается слишком дорогой, применяется:

- криволинейное в плане расположение плотины и здания ГЭС (Саяно-Шушенская на Енисее);

Рис.5.1 Компоновка высоконапорного Красноярского гидроузла на р.Енисее (Н=101 м)

1 – здание ГЭС приплотинного типа; 2 – водосливная плотина; 3 – глухая бетонная плотина;
4 – наклонный судоподъемник; 5 – поворотный круг судоподъемника; 6 – ОРУ (открытые распределительные устройства)

Саяно-Шушенская ГЭС (рис.5.2) имеет напор 220 м. Узкий створ предполагает криволинейное в плане размещение арочной плотины и здания ГЭС. Для гашения энергии за плотиной расположен водобойный колодец. В состав гидравлической трассы между верхним и нижним бьефом ГЭС такого типа входят глубинный водоприёмник с мусорозадерживающей решёткой, турбинный водовод, спиральная камера, гидротурбина, отсасывающая труба. В качестве дополнительных, сооружений в состав узла могут входить судоходные сооружения и рыбоходы, а также дополнительный водосброс.

Рис.5.2. Саяно-Шушенский гидроузел

- двухрядное расположение агрегатов (Токтогульская на р.Нарын и Чиркейская на р.Сулак (рис.5.3);

Рис.5.3. Компоновка высоконапорного Чиркейского гидроузла на р.Сулак (Н=212 м)

1 – здание ГЭС с двухрядным расположением агрегатов; 2 – арочно-гравитационная плотина; 3 – водоприемник; 4 – отводящий туннель от эксплуатационного водосброса; 5 – туннель для пропуска строительных расходов

- вынос водосбросных сооружений на берег (туннельные и открытые водосбросы) на Сангтудинской ГЭС-1на р.Вахш. При расположении здания ГЭС вдоль русла реки подвод воды к турбинам и сброс из водохранилища осуществляется по напорным туннелям, прокладываемым в береговом склоне (Боулдер ГЭС, США (рис.5.4).

Рис.5.4. Боулдер (Гувер) ГЭС, США, Н=180 м.

- сооружение водосливной ГЭС с переливом воды через усиленное верхнее перекрытие здания (водосливная ГЭС Бор, Эгель, Шастон (Франция), Салимэ (Испания), Ивайловград (Болгария) и т.д.

Вид компоновки приплотинных ГЭС, соответствующий горным условиям, при сравнительно малых расходах реки, характерен для Нурекской ГЭС на р. Вахш (Средняя Азия), проектной мощностью 2700 Мвт с уникальной плотиной высотой 300 м (рис.5.5). Подвод воды к спиральным камерам турбин осуществляется туннелями, проложенными в береговом массиве. Здание ГЭС открытого типа располагается ниже плотины, вода подводится к турбинам по одному или нескольким напорным туннелям.

Рис.5.5. Нурекская ГЭС на р.Вахш. Н=307 м.

1- плотина, 2 – водоприемник ГЭС, 3 – напорные водоотводящие туннели; 4 – уравнительные резервуары, 5 – турбинные водоводы; 6 – здание ГЭС; 7 – открытое распределительное устройство;
8 – открытый водосброс с отводящим каналом, 9 – строительные туннели; 10 – верховая и низовая перемычки.

Учет режима стока на горной реке

Режим стока горных рек зависит от их питания, в основном горно-снегового и ледникового. Так как снеготаяние в горах имеет затяжной характер, это обуславливает растянутость половодья. В качестве примера приводится гидрограф р.Терек – п.Казбек. (рис.5.6).

	м^3/с

Рис.5.6. Гидрограф горной реки. р.Терек – п.Казбек

При значительных уклонах реки в горной местности перепад уровня обычно создается за счет деривации – открытой (в виде канала) или закрытой (в виде трубопровода) с пологими уклонами – подводящей воду к ГЭС, расположенной на некотором расстоянии ниже места забора воды. В этом случае обычно в месте водозабора создается плотина небольшой высоты, обеспечивающая лишь возможность поступления воды в деривацию и водохранилище получается незначительным. Для увеличения емкости водохранилища расположение плотины приурочивают обычно к сжатому створу долины, выше которого имеется обычно ее расширение. В ряде случаев регулирующее водохранилище сооружается выше места водозабора на гидростанцию на той же реке или ее притоках (верховые водохранилища).

Гидроэнергетическое оборудование допускает отметки верхнего бьефа и напора в определенных пределах, что позволяет срабатывать водохранилище в периоды маловодья и наполнять в периоды многоводья, регулируя расходы ГЭС. Так как при сработке водохранилища снижается напор на ГЭС, что вызывает потери мощности и энергии, оптимальная глубина сработки устанавливается в проекте на основании технико-экономических расчетов, в которых сопоставляется энергетический и экономический эффект от регулирования стока с потерями от снижения напора. Сработка верховых водохранилищ не лимитируется условиями работы ГЭС.

Часть емкости водохранилища, которая находится в пределах принятой сработки и может быть использована для регулирования стока, называется полезной емкостью.

Емкость, расположенная выше горизонта сработки – регулирующей емкостью.

Емкость, расположенная ниже горизонта сработки - мертвой емкостью.

При данном гидрологическом режиме регулирующая способность водохранилищаопределяется коэффициентом регулирования α, равным отношением минимального зарегулированного расхода Q _р к среднемноголетнему расходу Q _ср, т. е. а = Q _р/ Q _ср, и зависит от коэффициента емкости водохранилища β, равного отношению полезной емкости водохранилища V _полезн. к объему годового стока W β = V _полезн/ W.

Различают следующие виды регулирования: сезонное, заключающееся в пере­распределении стока из многоводных сезонов года в маловодные, и многолетнее, состоящее в перераспределении стока из многоводных лет в маловодные. Много­летнему регулированию должно обязательно сопутствовать сезонное.

От этих двух видов регулирования, имеющих назначением выравнивание нерав­номерного естественного стока, принципиально отличается суточное и недельное регулирование, которое заключается в перераспределении равномерного стока в соответствии с неравномерным потреблением воды на гидростанции в различные часы суток и в рабочие и выходные дни недели.

Тот или иной вид регулирования на горных реках осуществляется при следующих примерных величинах коэффициента емкости: суточное - <0,001, недельное – 0,005-0,01; сезонное – 0,09-0,25, многолетнее >0,25.

Емкость водохранилища, предназначенная для многолетнего перераспределения стока, называется многолетней составляющей емкости, ее относительное значение β _мн= V _мн/ W _г, где V _мн – многолетняя емкость водохранилища.

Сезонная составляющая предназначается для выравнивания внутрисезонной неравномерности β _с= V _с/ W _г. Полезный объем водохранилища многолетнего регулирования V _полез= V _мн+ V _с.

В относительных единицах β _полез= β _мн+ β _с.

Такое деление условно. Имеются методы, позволяющие вычислить полезную емкость без разделения на составляющие части. Однако на практике применяются методы раздельного определения многолетней и сезонной составляющей емкости водохранилища. Для определения многолетней составляющей используются методы:

- метод календарных рядов – основанный на использовании рядов наблюдений за стоком,

- методы теории вероятности и математической статистики.

В случае многолетнего регулирования сезонная составляющая лишь условно отделяется от многолетней. Крицкий и Менкель рекомендуют определять сезонную составляющую полезной емкости водохранилища по году, среднегодовой расход которого равен величине заданного гарантированного расхода по формуле

β = αt _м- m _мср+ m _мср

обозначения: β - сезонная емкость в долях среднегодового стока; t _м- длительность межени в долях года; m _мср средняя многолетняя доля межени в годовом стоке; К _рм-сток межени расчетной обеспеченности в долях от среднего стока межени,

Кроме указанных видов регулирования стока на гидроузлах, часто осуществляется регулирование максимального стока за счет временного повышения (форсировки) горизонта воды водохранилища над нормальным подпорным при про­пуске расчетного паводка с целью уменьшения размеров водосбросного сооруже­ния.

Деривационные гидроузлы

Деривация применяется для создания напора преимущественно при сравнительно больших уклонах реки. Напор деривационных ГЭС составляет от 20-40 до 2000 м и более. В горных условиях деривация становится глав­ным и наиболее выгодным способом создания напора. На равнинных реках применение деривации может оказаться целесообразным на участках с рез­кими изменениями продольного профиля реки: порожистые участки, водо­пады (Нарвская ГЭС на р. Нарве), а также в установках малой мощности. Вода их подпертого бьефа поступает в деривацию через водозаборное устрой­ство (водоприемник).

Вода в начале используемого участка реки отводится из речного русла водоводом, с уклоном, значительно меньшим, чем средний уклон реки на этом участке и со спрямлением изгибов и поворотов русла. Конец деривации подводят к месту расположения здания ГЭС. Отработанная вода либо возвращается в реку, либо подводится к следующей деривационной ГЭС. Деривационная схема концентрации напора в чистом виде (бесплотинный водозабор или с низкой водозаборной плотиной) на практике приводит к тому, что из реки забирается лишь небольшая часть её стока.

Если в начале деривации на реке сооружается более высокая плотина и создаётся водохранилище, то такая схема концентрации падения называется смешанной, т.к. используются оба принципа создания напора.

Состав основных сооружений здесь зна­чительно отличается от состава их в плотинной схеме. Плотина головного сооружения предназначена лишь для органи­зации отбора воды через водозаборные сооружения в деривацию. Деривация может быть безнапорной (в виде каналов или лотков) или напорной (в виде трубопроводов), а также смешанного типа.

Рис.5.7. Деривационная ГЭС с каналом

Рис.5.8. Деривационная ГЭС с напорным подводящим туннелем в горном массиве

1 – русло реки; 2 – плотина: 3 – водоприемник; 4 – напорный туннель; 5 – уравнительный резервуар; 6 – помещение затворов; 7 – турбинные трубопроводы; 8 – анкерная опора; 9 – здание ГЭС;
10 – ЛЭП.

Иногда, в зависимости от местных условий, здание ГЭС выгоднее располагать на некотором расстоянии от конца используемого участка реки вверх по течению(рис.5.9); деривация разделяется по отношению к зданию ГЭС на подводящую и отводящую.

Рис.5.9. Схема деривационных установок с подземным расположением машинного зала:

а) в начале туннеля; б) и в) в средней части туннеля; г – в конце туннеля.

1- подводящий напорный туннель; 2 – уравнительный резервуар; 3 – турбинные водоводы;
4 – машинный зал; 5 – безнапорный отводящий туннель; 6 – напорный отводящий туннель;
7 - воздухопровод

В ряде случаев с помощью деривации производится переброска стока реки в соседнюю реку, имеющую более низкие отметки русла. Характерным примером является Ингурская ГЭС, где сток р. Ингури перебрасывается туннелем в соседнюю р. Эрисцкали.

Сооружения деривационных ГЭС (а также с плотинно-деривационной схемой концентрации напора) по местоположению и назначению разделяются на следующие основные узлы.

-головной узел;

- деривация;

-станционный узел.

Головной узел

Головной узел (рис.5.10) объединяет сооружения, предназначенные для создания подпора в реке и направления потока в деривацию очистки воды от сора и наносов, а иногда от льда и шуги: плотину, водосбросные устройства, водоприемник (водозабор), отстойник, промывные и ледосбросные устройства. Такие сооружения, как отстойник, водосброс, шугосброс, могут размещаться, исходя из местных условий не только на головном узле, но и в различных местах трассы деривации.

Рис.5.10. Головной узел деривационной ГЭС с отстойником.

1 – плотина; 2- водозабор в деривацию ГЭС; 3 – донные промывные галереи; 4 – отстойник; 5 – промывные галереи; 6 – деривационный канал ГЭС; 7 – распределительные решетки

Компоновка головных узлов определяется типом и размерами плотины и водосбросных сооружений. Плотины возводятся, как правило, водосливные, с низкими порогами, оборудованные затворами или береговыми водосбросами.

Необходимость пропуска наносов, шуги и льда в нижний бьеф оказывает существенное влияние на расположение сооружений головного узла.

Расчетами устанавли­вается, какие по крупности и в каком количестве наносы могут быть пропущены в де­ривацию. Возможность попа­дания наносов в деривацию заставляет принимать ряд предупредительных мер. Одна из основных мер - пропуск возможно большего количе­ства донных наносов через плотину. Для этого наиболее подходит плотина с низким порогом, перекрываемая зат­ворами. Для пропуска дон­ных наносов затворы откры­вают полностью или припод­нимают частично. Лучшими будут затворы, под­нимающиеся кверху: пло­ские, сегментные и цилин­дрические.

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

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 3м, и при малых промывных расходах. На рис.5.10показана схема размещения отдельных сооружений головного узла ГЭС с безнапорной деривацией в виде деривационного канала.

Для установки с напорной деривацией типичны сравнительно высокие плотины и большие колебания уровня воды в водохранилище. Глубинный водоприемник напорной деривации, как правило, размещается в стороне от плотины.

Деривация

Деривационные водоводы и сооружения на их трассе (собственно деривация) осуществляют подвод воды к станционному узлу сооружений. Деривационные водоводы могут быть напорными - это туннели, трубопроводы или безнапорными - каналы, туннели, лотки. На трассе безнапорной деривации устраивают ливнеспуски, акведуки, дюкеры, боковые водосбросы, пороги для защиты от наносов, защитные устройства от камнепадов, селей и другие сооружения. На трассе деривации обычно в конце ее, могут устраиваться бассейны суточного регулирования.

Безнапорная деривация осуществляется при небольших колебаниях уровня воды в верхнем бьефе головного узла. Безнапорная открытая дери­вация применяется в предгорной относительно ровной местности, позволяю­щей построить на одном из берегов реки открытый канал. Трасса канала при его значительной длине обычно пересекает овраги, долины впадающих в ос­новную реку ручьев и речек, хребты горных выступов, близко подступающих к реке. Осуществление открытого канала на всем протяжении деривации приводит к его значительной извилистости для захода в глубокие впадины до­лин и обхода горных выступов. Для сокращения длины трассы приходится пересекать долины акведуками, а хребты — туннелями. Рационально вы­брать местоположение и размеры этих сооружений можно лишь после изу­чения различных вариантов проектов с учетом, как стоимости сооружений, так и потерь напора. Выбор берега, по которому будет проложена деривация, не всегда решается однозначно. Важную роль в выборе трассы играют геоло­гические условия, которые должны быть достаточно разведаны по всем воз­можным вариантам. При пересечении трассой канала поперечно направлен­ного горного хребта в нем прокладывается безнапорный туннель по кратчай­шему направлению. Например, на Гюмушской ГЭС безнапорная деривация длиной 20 км состоит из 12 км каналов и 8 км туннелей.

При больших колебаниях уровня воды в верхнем бьефе головного узла экономичной обычно оказывается напорная деривация. Напорная дерива­ция осуществляется преимущественно в виде напорного туннеля, имеющего иногда вставки открытого напорного трубопровода, если трасса туннеля пересекается какими-то глубокими долинами. Есть примеры осуществления напорной деривации трубопроводом на всем протяжении, когда напор в де­ривации сравнительно невелик и ее трасса может быть проложена открыто с небольшими отклонениями в плане и в профиле от кратчайшей прямоли­нейной трассы.

Различают два основных варианта трассировки напорной деривации:

1) вдоль речной долины, если таковая сравнительно прямолинейна и обла­дает большим падением;

2) по прямой, спрямляющей какую-либо большую излучину реки, и по кратчайшему расстоянию при переброске стока в соседнюю реку (ГЭС Ингури).

В первом случае трасса деривацион­ного туннеля может быть в плане - в соответствии с извилинами реки - слегка изломана для возможности разбивки туннеля на отдельные строи­тельные участки с помощью коротких боковых штолен от косогора долины. Во втором случае туннель пересекает горный массив вдали от речной долины и разбивка его на отдельные строительные участки возможна лишь с по­мощью шахт, обычно вертикальных.

Станционный узел сооружений

Станционный узел объединяет комплекс сооружений в конце деривационного тракта: напорный бассейн, аварийный водосброс, соро- и льдозащитные устройства - при безнапорной деривации, а при напорной - уравнительный резервуар. Независимо от типа деривации к станционному узлу относятся турбинные водоводы, здание ГЭС (собственно станция), распределительное устройство, отводящий водовод (канал, туннель).

Схемы станционных узлов и компоновки сооружений могут быть крайне разнообразными в зависимости от топографических и геологических условий, напоров и расходов воды. Обычно все сооружения станционного узла целе­сообразно располагать в месте наиболее сосредоточенного падения мест­ности, стремясь сократить длину турбинных трубопроводов. В случае эко­номической целесообразности здание ГЭС может размещаться в глубокой выемке, хотя это вызывает увеличение длины отводящей деривации.

На монтажную площадку здания ГЭС и на площадку ОРУ должны быть подведены подъездные пути: железнодорожные или автодорожные.

Бассейн суточного регулирования целесообразно располагать как можно ближе к напорному бассейну; иногда они конструктивно совмещаются.

При высоких напорах зда­ние ГЭС располагается иногда вдоль напорных трубопроводов рядом с ними, что в случае прорыва трубопровода должно обеспечить со­хранность самого здания станции.

Рис.5.11. Станционный узел деривационной ГЭС с безнапорной деривацией

1- здание водоприемника; 2 – турбинные водоводы, железобетонные; 3 – то же стальные открытые; 4 – температурные компенсаторы; 5 – анкерные опоры; 6 – турбинные трубопроводы, стальные, обетонированные и засыпанные щебнем; 7 – здание ГЭС; 8 – отводящий канал; 9 – аварийный отводящий канал

Отличительной особенностью станционного узла ГЭС с напорной дери­вацией обычно является наличие уравнительного резервуара. При не слиш­ком большой амплитуде колебаний уровней верхнего бьефа уравнительный резервуар делается в виде открыто стоящей башни у выходного конца тун­неля. Если потребная высота уравнительной башни превышает 30 м, она за­меняется вертикальной или наклонной шахтой, размещаемой в горном мас­сиве перед концом туннеля. На ГЭС Ингури высота вертикальной шахты со­ставляет 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, 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 станции выполняется подземным, что может дать не только экономическое, но и единственно приемлемое решение. При этом в состав станционного узла сооружений входит отводящая безнапорная или напорная деривация. В последнем случае на выходе из отсасывающей трубы может оказаться не­обходимым уравнительный резервуар. При подземном расположении машин­ного зала в зависимости от конкретных условий применяются компоновки с головным, промежуточным или концевым расположением машинного зала (рис.5.9).

Дата добавления: 2014-12-23