Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 3.3. Годичное регулирование стока комплексным водохранилищем

для ирригации и энергетики

В оросительный период (май-сентябрь) расходы воды, поступающие в

нижний бьеф, будут в первые два года на 500 м

/с, а в последний, крайне

маловодный год, на 400 м

/с меньше зарегулированных расходов,

показанных на рис. 3.3. Учитываются также потери на испарения. По этим

уменьшенным расходам определяются уровень нижнего бьефа, напор и

мощность ГЭС. Расходы воды сверх Q

= 2000 м

/с сбрасываются вхолостую

через плотину. Отъем воды из нижнего бьефа на орошение не уменьшает

мощность и выработку энергии ГЭС. В остальные месяцы (октябрь-апрель)

из верхнего бьефа и нижнего бьефов могут потребоваться сравнительно

небольшие расходы воды для промывки орошаемых земель. При этом отъем

воды из верхнего бьефа будет уменьшать расход,

мощность и выработку

энергии ГЭС. По этим расходам определяются уровни нижнего бьефа,

напоры и мощность ГЭС.

3.4 Многолетнее регулирование стока по интегральной кривой

При многолетнем регулировании часть стока многоводных лет

запасается в водохранилище, откуда эта вода расходуется в маловодные

годы. Одновременно производится годичное регулирование, которое

позволяет выравнивать сток внутри года.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

На рис. 3.4 представлена интегральная кривая стока 1 за 10 лет.

Средний расход за эти годы Q

= 810 м

/c.

Для обеспечения постоянного среднего расхода Q

= 810 м

/ с

потребовался бы объем водохранилища V = 42⋅10

. Этот объем можно

определить, проведя к интегральной кривой в точках д и е соответственно

крайнюю верхнюю и крайнюю нижнюю касательные, имеющие направление,

параллельное направлению линии расхода Q

Расстояние по вертикали между касательными (см. рис.3.4) определяет

необходимый для этой цели объем водохранилища V = 42⋅10

, который в

2.2 раза больше объема среднегодового стока.

Если объем водохранилища будет меньше, например V = 19⋅10

, то

можно обеспечить в маловодный период расход Q

< Q

. Построив нижнюю

контрольную линию 3, отстоящую от интегральной кривой на расстояние,

равное объему водохранилища V = 19⋅10

, проведем общую касательную

ВГ к контрольной линии и к интегральной кривой. Направление этой

касательной 2 определяет расход брутто Q

= 690 м

/с, который может быть

зарегулирован в маловодные годы.

В годы с большей водностью зарегулированный расход будет

определяться принятой схемой регулирования.

Рассмотрим идеальную схему регулирования на выравнивание расхода

воды (см. рис.3.4). Из начала координат проведем касательную к нижней

контрольной линии. В момент t

, определяемой точкой касания а,

водохранилище заполнено до НПУ. Далее будем проводить касательные к

контрольной линии и интегральной кривой так, чтобы в каждом периоде

получить максимальный зарегулированный расход. Такой прием иногда

образно называют построением по правилу “ натянутой нити”. Направление

каждого прямолинейного участка ломаной линии дабвг дает значение

зарегулированного расхода, которое определяется

по лучевому масштабу.

Минимальный расход брутто 690 м

/с в идеальной схеме получается для

маловодного периода. В остальное время расходы воды значительно больше -

от 910 до 1340 м

/с.

Если пропускная способность турбин станции не меньше

максимального зарегулированного расхода Q

> 1340 м

/с, то гидростанция

может использовать весь сток за вычетом объема воды, необходимого для

шлюзования, и потерь на испарение, фильтрацию и т.п.

При меньшей емкости водохранилища, а также при меньшей

пропускной способности турбин окажутся неизбежными сбросы воды.

Рис. 3.4. Схема многолетнего регулирования стока на выравнивание расходов воды

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

4. ВИДЫ ГИДРОУЗЛОВ

4.1 Общие положения.

Гидроузлом считают комплекс взаимосвязанных

гидротехнических сооружений. В плотинной схеме использования водных

ресурсов сооружают так называемые речные гидроузлы. В деривационной

схеме имеются два гидроузла - головной (речной) и станционный, и

деривация. Различают энергетические и комплексные

речные гидроузлы. Основными сооружениями энергетического гидроузла

являются плотина, здание ГЭС и водосброс.

В состав комплексного

гидроузла, предназначенного для

использования водотока для нужд нескольких водопользователей, входит

плотина, водосброс и так называемые отраслевые сооружения - здание ГЭС,

судоходный шлюз, водозаборы для орошения, водоснабжения и др.

При экономической целесообразности в состав сооружений

энергетического и комплексного гидроузлов включаются сооружения для

пропуска проходных рыб из нижнего в верхний бьеф - рыбоходы,

рыбоподъемники.

Выбор

створа, типов сооружений и компоновки гидроузла

взаимосвязаны. Створ и компоновка гидроузла определяются местными

природными условиями - топографическими, геологическими,

гидрологическими, климатом.

Створ гидроузла целесообразно размещать ниже крупных притоков для

получения большей выработки энергии и выше крупных городов, чтобы

избежать их затопления и подтопления. Важными факторами являются также

экологические условия.

Если на основе

всестороннего анализа створ гидроузла намечается

ниже крупного населенного пункта или важного объекта, то необходимо

тщательно обосновать защиту их от затопления путем сооружения дамб и

дренажных устройств на подтопляемой территории с отводом

профильтровавшейся воды в нижний бьеф. Отказ от постройки защитных

дамб и перенос из зоны затопления строений должны быть обоснованы по

экологическим, экономическим, социальным и техническим условиям. Так,

посредством технико-экономических расчетов выбирают район створа.

Окончательно створ фиксирует на местности специально создаваемая

компетентная комиссия.

Компоновка гидроузла неразрывно связана с выбором типа

сооружений, решением принципиальных вопросов производства работ. Так,

тип плотины - бетонная или грунтовая - радикально меняет состав и

расположение сооружений. Строительство в

одну очередь с временным

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

отводом реки в искусственное русло или путем возведения плотины по

частям, очередями, также меняет компоновку и тип сооружений.

Компоновку гидроузлов целесообразно рассмотреть применительно к

каждому из основных трех типов гидроузлов - русловой, приплотинной и

деривационной ГЭС.

4.2 Компоновка русловых ГЭС

Русловые ГЭС обычно строят на равнинных реках, имеющих

небольшой уклон свободной поверхности

воды. Многоводная равнинная река

обычно судоходна. Поэтому в состав сооружений гидроузла включается

судоходный шлюз. В случае экономической и экологической

целесообразности в состав сооружений гидроузла включаются

рыбопропускные сооружения.

Небольшой напор и достаточная ширина реки позволяют разместить

здание ГЭС, водосбросные сооружения, бетонную и земляную плотины в

одну линию - так называемый напорный фронт сооружений

В основании сооружений, как правило, залегают нескальные грунты

(пески, глины). Поэтому глухие участки плотины возводят преимущественно

из местных грунтовых материалов.

Бетонные сооружения размещают на прочных и менее податливых

грунтах основания.

В зависимости от местных условий применяются русловая или

пойменная компоновка сооружений. При русловой компоновке здание ГЭС и

водосливная бетонная плотина

располагаются в русле реки. При пойменной

компоновке здание ГЭС и водосливная плотина размещаются на пойме реки.

Русловая компоновка основных сооружений

Бетонные сооружения ГЭС наиболее трудоемки в строительстве и

сложны в эксплуатации. Их следует располагать у того берега, с которого

проще начать строительство - вблизи дороги . Это дает выигрыш в сроках

возведения

гидроузла особенно, если рядом находятся населенные пункты.

Эксплуатационному персоналу тоже удобнее, если здание ГЭС и

сопутствующие хозяйства не отделены рекой от поселка.

С этих точек зрения и шлюз удобно располагать на одном берегу со

зданием ГЭС и водосбросом.

Близость сооружений разного назначения друг к другу имеет как

положительное, так и отрицательное

значение. Положительно с точки зрения

строителей, а отрицательно - возникают трудности при эксплуатации рядом

расположенных сооружений. На рис.4.1 показано, что здание ГЭС

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 4.1. Низконапорный русловой комплексный гидроузел

1 – здание ГЭС с монтажной площадкой; 2 – открытое распредустройство;

3 – подъездной путь; 4 – водосливная плотина; 5 – водобой и рисберма с ковшом;

6 – направляющий пирс; 7 – сопрягающий устой; 8 – грунтовая плотина; 9 – судоходный

шлюз; 10 – подходные каналы с причалами; 11 – рыбоподъемник; 12 – рыбозаградитель;

13 – защитная дамба с дренажем; 14, 15 – перемычки 1-й и 2-й очереди

расположено у правого, слегка вогнутого берега. Близость к берегу облегчает

связь с расположенным на берегу распределительным устройством и

другими хозяйствами, транспорт оборудования (турбины, генераторы,

трансформаторы, мостовые краны) при монтаже и ремонте. К берегу здание

ГЭС примыкает своей монтажной площадкой.

Водосброс типа бетонной водосливной плотины расположен

ближе к глубокой части русла реки

: так можно экономичнее решить вопросы

сопряжения мощного сбросного потока с нижним бьефом, предотвратить

размывы русла, подмывы сооружения. Обычно водослив располагают рядом

со зданием ГЭС, разрыв между ними нецелесообразен, заполнять его глухой

бетонной плотиной или грунтовой, требующей устоев с обеих сторон, не

экономично.

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

На контакте водослива и здания ГЭС в верхнем и нижнем бьефах

расположены сопрягающие устои. В верхнем бьефе устой

обеспечивает нормальный подход воды к водоприемникам турбин, так как

без устоя он мог бы стать “косым” при открытии ближайших пролетов

плотины, увеличились бы потери напора на решетках. С низовой стороны

устой разделяет участки

с разными скоростями воды, отметками и

конструкциями дна русла. За зданием ГЭС - относительно спокойное

течение воды, отдавшей свою энергию турбинам. За водосливной плотиной

происходит рассеяние энергии сбросного потока, намного превышающее

энергию воды прошедшей через турбины.

За водосливом в нижнем бьефе располагают водобой и

рисберму с концевым устройством - основные компоненты крепления

нижнего бьефа.

Водосливная плотина на противоположном от здания ГЭС конце

сопрягается с грунтовой плотиной с помощью устоя или непосредственно с

глухой бетонной плотиной.

На левом, выпуклом берегу грунтовую плотину прорезает

судоходный шлюз с подходными каналами. Плотина примыкает

либо к верхней голове шлюза, либо к нижней.

Шлюз с подходными каналами представляет собой

длинную прямую

линию, поскольку камера шлюза и причалы подходных каналов рассчитаны

на караваны судов. Ориентировка этой линии определяется только водно-

транспортными соображениями.

При сравнительно большом напоре гидроузла шлюз делают из

нескольких ступеней. При большом грузообороте проектируют несколько

ниток шлюзов.

Если в составе гидроузла имеется рыбоподъемник, его

располагают между зданием ГЭС

и водосливной плотиной. Рыба при ходе

вверх по течению на нерест привлекается в рыбоподъемник течением воды

через него. От здания ГЭС, откуда также течет вода, рыба отпугивается

эелектрорыбозаградителями. При ходе вниз рыба скатывается через

водосливную плотину.

При возведении гидроузла в две очереди в первую очередь строят за

перемычками здание ГЭС, как

наиболее трудоемкое сооружение, и

водосливную плотину. Расходы реки и суда пропускают через оставшуюся,

стесненную перемычками часть русла. Во вторую очередь строят грунтовую

плотину, при этом расход реки пропускают через специально недостроенную

водосливную плотину (“гребенку”, донные отверстия). Перед этим убирают

перемычки первой очереди. Когда грунтовая плотина готова и

водохранилище подготовлено к

наполнению, закрывают и бетонируют

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

временные (“строительные”) отверстия водосливной плотины, наполняют

верхний бьеф.

Строительство шлюза производят когда удобно - когда есть

строительные материалы, машины, персонал ибо оно не определяет срока

строительства гидроузла.

Пойменная компоновка гидроузла отличается от

русловой расположением здания ГЭС и водосброса на пойме, а не в русле.

Это требует строительства подводящего канала к водоприемникам турбин

временным донным отверстиям (гребенке) водосливной плотины и

соответственно отводящего канала от ГЭС и постоянных и временных

водосбросов (рис.4.2).

Рис. 4.2. Пойменная компоновка русловой ГЭС

1 – здание ГЭС совмещенного типа; 2 – распредустройство; 3 – подъездной путь;

4 – водосливная плотина; 5 – водобой и рисберма; 6 – подводящий канал; 7 – отводящий

канал; 8 – пирс; 9 – устой; 10 – грунтовая плотина;

11 – перемычки 2-й очереди строительства

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Пойменная компоновка гидроузла применяется:

а) при малой ширине русла;

б) для сокращения сроков строительства.

Грунтовая плотина при пойменном расположении бетонных

сооружений перекрывает все русло реки.

Этими особенностями исчерпываются отличия пойменной компоновки

от русловой в буквальном понимании.

4.3 Компоновка приплотинных ГЭС

Приплотинные гидроузлы крупных ГЭС обычно характерны

относительно неширокими створами и большим

напором (40 м и более) при

относительно большом уклоне свободной поверхности потока. Такая

ситуация свойственна предгорным и горным районам, где берега сложены

скальными породами, скала есть и в русле, но иногда перекрытая толстым

слоем аллювия.

Компоновку гидроузла определяет тип плотины - бетонная или

грунтовая.

При бетонной плотине независимо от ее типа

(гравитационная,

контрфорсная или арочная) компоновка проще, не так

многовариантна. Если ширина русла достаточна, строительство плотины

ведется в две очереди. Сначала строится на неполную высоту водосливная

плотина с временными донными отверстиями для пропуска строительных

расходов воды, потом - станционная плотина с водоприемниками и

турбинными водоводами и здание ГЭС (рис.4.3).

Водоприемники ГЭС со всем их

оборудованием

располагают в верхней части станционной плотины, под уровнем мертвого

объема. Иногда делают глубинный водоприемник.

Турбинные трубопроводы располагают либо в теле

станционной плотины, либо на ее низовой грани. Второй вариант

предпочтителен по условиям строительно- монтажных работ, позволяет

строить станционную плотину независимо от монтажа трубопроводов,

ставить плотину под напор независимо от

числа смонтированных

трубопроводов, ранее пускать в эксплуатацию первые агрегаты, достраивать

остальные трубопроводы по мере ввода последующих турбин в

эксплуатацию.

Здание приплотинной ГЭС располагают возможно

ближе к подножью бетонной плотины. Если берега (или один берег) в створе

плотины пологие, глухие концевые части плотины

получаются длинными в связи с чем их часто заменяют

грунтовыми

Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Рис. 4.3. Транспортно-энергетический гидроузел при бетонной плотине:

1 – здание ГЭС; 2 – распредустройство; 3 – подъездной путь; 4 – бетонная

гравитационная плотина; 5 – водослив с трамплином; 6 – размывы русла; 7 – грунтовый

концевой участок плотины; 8 – наклонный судоподъемник; 9 – поворотный круг;

10 – подходные каналы; 11, 12 – перемычки 1-й и 2-й очереди строительства

плотинами. Если русло реки недостаточно широкое, работы приходится

начинать со строительства искусственного временного

русла на берегу в виде канала, трубы или строительного туннеля в

береговом массиве.

Если русло реки настолько узкое, что в нем нельзя разместить и здание

ГЭС, и водосливную плотину, возможны следующие варианты: совмещение

здания ГЭС с водосбросом; возведение

водосброса на берегу; двухрядное

расположение агрегатов ГЭС; вынос здания ГЭС на берег реки (рис.4.4).

В последнем варианте здание ГЭС располагается вдоль берега, врезано

в него и связано с нижним бьефом коротким отводящим каналом.