Заиров Х.И. Гидроэлектростанции. Часть 1
Подождите немного. Документ загружается.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
71
Рис. 5.3. Компоновка глубинного водоприемника деривационного туннеля
а – портальный; б – шахтный;
1 – подходная выемка; 2 – сорозадерживающая решетка; 3 – затворы основной и
ремонтный; 4 – начало деривационного туннеля; 5 – воздухоотвод;
6 – сухая шахта затвора
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
72
водоприемник приспособлен для большой глубины сработки
водохранилища, имеет расширенный для размещения решеток вход (портал)
и шахту для управления затворами в начале трассы туннеля.
При сравнительно небольших расходах воды экономически выгодным
оказывается деривационный напорный трубопровод.
Отводящая деривация с этим выбором не связана, может оставаться
безнапорной в виде канала или лотка.
При больших
расходах воды и больших колебаниях уровня воды в
водохранилище головного узла применяют напорный
деревационный туннель, если рельеф местности и инженерно-
геологическия условия благоприятствуют такому решению.
5.3 Компоновки станционного узла
Компоновки эти зависят от напора и выбранного положения здания
ГЭС - наземное или подземное. Если деривация осуществлена в виде канала,
то здание наземной
низконапорной ГЭС, размещаемое в конце напорного
бассейна, будет воспринимать напор, также как здание низконапорной
русловой гидроэлектростанции. Располагать здание станции нужно там, где
по мере понижения отметок территории удорожание подводящего канала и
напорного бассейна сравнивается с удешевлением отводящего канала и
здания ГЭС.
Если в состав ГЭС любого напора входит бассейн суточного
регулирования (БСР), то выбор места для станционного узла
определяет удобство расположения именно этого сооружения. БСР
располагают вблизи напорного бассейна и соединяют с ним. От длинного
подводящего канала их иногда отделяют регулятором, поддерживающим
постоянный уровень и скорость воды в деривации, несмотря на колебания
уровня в БСР (рис.5.4).
В случае деривации в виде
каналов в составе гидротехнических
сооружений станционного узла любого напора должны быть устройства
для борьбы со льдом и шугой - шуголедосброс.
Ему во избежание зажоров и заторов надо обеспечить по возможности
прямую трассу, жертвуя даже плавностью подхода воды к зданию ГЭС,
В процессе компоновки станционного узла надо учитывать удобство
расположения: трансформаторов, распределительных
устройств,
связывающих их и отходящие к потребителю высоковольтные линии и т.п.
Компоновка станционного узла среднего и
высокого напоров зависит от типа деривации. Если деривация в
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
73
Рис. 5.4. Компоновка станционного узла ГЭС с деривационным каналом и
бассейном суточного регулирования:
1 – деривационный канал; 2 – напорный бассейн; 3 – бассейн суточного регулирования;
4 – регулятор режима канала; 5 – регулятор БСР; 6 – турбинные трубопроводы;
7 – здание ГЭС; 8 – отводящий канал; 9 – распредустройство; 10 – шуголедосброс
виде канала, то замыкает подводящий канал и воспринимает давление воды
здание напорного бассейна, из которого берут начало турбинные
трубопроводы. Здание ГЭС по возможности сдвигают в береговой склон,
чтобы уменьшить длину трубопроводов и укоротить подводящую деривацию
за счет удлинения отводящей.
Если подводящая деривация - напорный туннель, в компоновке
станционного узла следует обеспечить
удобство и экономичность
расположения уравнительного резервуара в конце туннеля. Предпочтительно,
чтобы он был высечен в скале, а не возведен в виде башни (рис.5.5)
5.4 Уравнительные резервуары
Назначение и условия применения -
уравнительные резервуары предохраняют подводящие и отводящие
напорные деривационные водоводы от воздействия гидравлического удара,
уменьшают максимальное давление в турбинных трубопроводах и улучшают
условия регулирования турбин при быстрых изменениях нагрузки ГЭС.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
74
Рис. 5.5. Компоновка станционного узла ГЭС с деривационным туннелем:
1 – деривационный напорный туннель; 2, 3 – верхняя камера (штольня) уравнительного
резервуара; 4, 5 – высший и низший неустановившиеся уровни; 6 – галерея затворов;
7 – турбинные водоводы (шахты); 8 – полуподземное здание ГЭС; 9 – галерея затворов
отсасывающих труб; 10 – отводящий канал
При установке уравнительного резервуара (УР) в конце напорной
деривации (туннеля) в нем происходит отражение волн гидравлического
удара, в результате чего при соответствующем сопряжении резервуаров с
туннелем исключается проникновение туда волн гидравлического удара и
ограничивается повышение давления в турбинном трубопроводе.
Необходимость установки УР определяется (в предварительных
расчетах) инертностью водной массы в
напорных водоподводящих
сооружениях ГЭС по зависимости:
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
75
[]
∑∑ ∑
++=
ототскскввв
VlVlVl
gH
1
T ,
где Т
В
- постоянная инерции водной массы, сек.;
Н - расчетный напор ГЭС, м.;
l
В
, l
ck
, l
от
- соответственно длины напорного водовода, спиральной
камеры, отсасывающей трубы, м.;
V
B
, V
ck
, V
от
- соответственно максимальные скорости воды на
отдельных участках водовода.
Физический смысл Т
В
- это время разгона воды, при котором расход
воды возрастает от нуля до Q
max
под действием напора Н
стат
(без учета
гидравлических потерь). На предварительных этапах проектирования можно
считать, что УР на подводящей деривации мощной ГЭС необходим, если Т
В
> 3 ÷ 5 с. или Σ lv > 30 ÷50 Н. Для ГЭС средней мощности, находящейся в
тех же условиях, УР устанавливается при Т
В
> 5 ÷6 с. или Σ lv >50 ÷60 Н.
Для ГЭС с длинным напорным водоводом и Т
В
> 10 ÷12 с. или Σ lv > 100
÷120 Н сооружение УР необходимо. К примеру, постоянная инерции Т
В
в
подводящей деривации с УР Ингурской ГЭС равна 31 с., Ирганайской ГЭС
- 16,3с.
На напорной отводящей деривации УР предназначен для уменьшения
вакуума под рабочим колесом турбины при сбросе нагрузки. Даже при
относительно небольшой длине водовода (l > 70 ÷100 м.) может
потребоваться сооружение низового УР, который размещается в начале
отводящей напорной деривации непосредственно
за отсасывающими
трубами турбин.
Типы УР на подводящей напорной
деривации:
1. Уравнительный резервуар (рис.5.6 тип 1) с цилиндрической
вертикальной или наклонной шахтой или башней постоянного сечения. Эта
конструкция отличается простотой и является наиболее надежной для работы
регулятора турбин. Применяется этот тип резервуара при малых напорах.
2. Расширяющийся к верху УР (рис.5.6 тип 2)
может применяться в тех
случаях, когда имеется необходимость уменьшить подъем уровня в нем при
сбросе нагрузки на ГЭС малых и средних напоров.
3. УР с дополнительным сопротивлением (демпфирующий резервуар,
рис.5.6, тип 3) уменьшает подъем уровня при сбросе нагрузки и понижение
уровня при увеличении нагрузки. Применяется он в установках среднего
напора.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
76
4. Двухкамерный УР (рис.5.6, тип 4) состоит из верхней и нижней камер,
соединенных между собой вертикальной или наклонной шахтой
сравнительно небольшого сечения. В этом резервуаре при сбросе нагрузки
ГЭС происходит быстрый подъем уровня воды в шахте; при заполнении
верхней камеры повышение уровня замедляется. При увеличении нагрузки
уровень воды в шахте понижается и
в работу вступает нижняя камера. Этот
тип резервуара применяется при больших напорах на ГЭС.
Рис. 5.6. Типы уравнительных резервуаров на подводящей деривации:
1 – напорная подводящая деривация; 2 – верховой уравнительный резервуар;
3 – деривация после резервуара; 4 – помещение для затворов; 5 – турбинный трубопровод;
6 – турбина; 7 – сопротивление; 8 – верхняя камера; 9 – нижняя камера;
10 – соединительная шахта; 11 – стояк в верхней камере; 12 – водослив; 13 – сливные
отверстия; 14 – наружный цилиндр; 15 – внутренний цилиндр – стояк;
16 – отверстие для впуска и выпуска воздуха
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
77
5. Двухкамерный УР с водосливом, обычно кольцевого очертания,
который устраивается для уменьшения размеров верхней камеры (рис.5.6,
тип 5). При сбросе нагрузки ГЭС уровень воды в шахте быстро достигает
гребня водослива и верхняя камера заполняется. Объем верхней камеры с
водосливом обычно меньше объема камеры без него. Выпуск воды из верней
камеры производится через
отверстия в стенках стояка. УР с водосливом
является наилучшим при высоких напорах; при больших колебаниях
верхнего бьефа и больших длинах водоводов он обеспечивает относительное
постоянство напора за время переходного процесса, чем облегчает условия
регулирования турбин.
6 и 7. Дифференциальный УР состоит из наружной цилиндрической
камеры и находящегося внутри нее внутреннего стояка, соединенного
с
напорным водоводом. Внутренний цилиндр имеет в своих стенках на уровне
дна внешнего цилиндра водопропускные отверстия и открытый верхний
конец в виде водослива, через который вода переливается в наружную
камеру при подъеме уровня во внутреннем цилиндре (рис.5.6, тип 6). При
сбросе нагрузки резервуар этого работает как резервуар с водосливом, а при
возрастании
нагрузки - как с дополнительным сопротивлением. Иногда в
верхней части стояка (рис.5.6, тип 7) располагают диафрагму, создающую
сопротивление. Дифференциальный резервуар обычно сооружают на
поверхности земли в виде отдельно стоящей башенной конструкции.
8. Пневматический УР (рис.5.6, тип 8) состоит из закрытой
воздухонепроницаемой камеры, внутри которой над поверхностью воды
имеет место избыточное (сверх атмосферного) давление р
. При сбросе
нагрузки происходит сжатие воздуха в этом резервуаре, что ограничивает
высоту подъема в нем уровня воды. Воздух может увлекаться движущейся
водой, поэтому необходимо периодически подкачивать его в резервуар.
9. Полупневматический УР (рис.5.6,тип 9) представляет собой
закрытую камеру, сообщающуюся с атмосферой через аэрационную шахту
небольшого сечения, которая создает сопротивление для потока
воздуха,
вытесняемого из резервуара или засасываемого в него. Сжатие объема
воздуха над уровнем воды способствует быстрому затуханию колебаний
уровня в резервуаре. Полупневматический резервуар эффективно гасит
колебания уровня.
10. УР с частичным сбросом воды устраивается для сокращения
высотных размеров резервуаров типов 1-7 и снижает их стоимости. Однако
это влечет за собой не только
потерю электроэнергии на ГЭС, но и
дополнительные затраты на сооружение водосброса (рис.5.6, тип 10).
Уравнительные резервуары на отводящей
деривации - основным их назначением является предотвращение
разрыва сплошности потока под рабочим колесом турбины.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
78
Устройство УР на отводящей деривации имеет ряд особенностей.
Низовой резервуар в благоприятных случаях можно располагать не над
туннелем, как это принято для подводящей деривации, а в стороне от трассы
отводящего туннеля, размещая соединительный водовод между туннелем и
резервуаром горизонтально или наклонно.
При сравнительно больших колебаниях уровня НБ рекомендуется
устраивать резервуар в
виде длинной камеры с увеличенным по высоте
сечением отводящего туннеля (рис. 5.7, тип 11). Для уменьшения амплитуд
колебания уровня воды при неустановившихся режимах в такие резервуары
могут встраиваться горизонтальные диафрагмы с отверстиями на начальном
и концевом участках в зависимости от длины камеры (рис.5.7, тип 12).
Площадь отверстий в диафрагме УР определяется исходя из
получения
допустимого вакуума под рабочим колесом турбины при расчетном сбросе
нагрузки.
Рис. 5.7. Уравнительные резервуары на отводящей деривации
1 – турбинный водовод; 2 – турбина; 3 – напорная отводящая деривация;
4 – уравнительный резервуар; 5 – диафрагма
Из представленных на рис.5.6 резервуаров на отводящей деривации в
зависимости от топографии и геологии могут найти применение разные
типы уравнительных резервуаров, особенно типы 8 - 10.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
79
Устойчивость колебаний при изменяющихся
режимах работы ГЭС
Изменение нагрузки ГЭС вызывает колебания водных масс в напорной
деривации и уравнительном резервуаре. При сбросе всей нагрузки ГЭС
движение воды в турбинном трубопроводе прекращается, а в напорной
деривации по инерции некоторое время движение продолжается. Вода,
поступающая в УР, вызывает повышение в нем уровня, поэтому
скорость
течения воды в деривации замедляется. Когда уровень воды в УР
сравнивается с уровнем в водоеме (водохранилище), движение в деривации
по инерции продолжается еще некоторое время. Это наполнение УР
происходит до некоторого наивысшего уровня, при котором движение в
напорной деривации прекращается. После этого вода начинает двигаться в
обратном направлении - от
УР к водоприемнику и уровень в резервуаре
понижается. Возникшие таким образом колебания в системе “деривация -
УР” затухают вследствие потерь энергии на трение. В результате в УР
устанавливается гидростатический уровень (рис. 5.8).
Рис. 5.8. Схема колебаний уровня в уравнительном резервуаре
При увеличении нагрузки расход, потребляемый турбинами,
увеличивается, уровень воды в резервуаре понижается, скорость воды в
напорной деривации возрастает и в итоге в резервуаре возникают колебания
Z =f(t), представленные на рис.5.8.
Однако для нормальной работы ГЭС необходимо, чтобы
неустановившиеся процессы в любом звене системы затухали и стремились
перейти в установившиеся.
Определение условий, обеспечивающих
затухание неустановившегося
процесса при эксплуатации ГЭС представляет собой задачу об устойчивости
работы электростанций.
Лекции по дисциплине “Гидроэлектростанции”
Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет
80
Устойчивость работы изолированной ГЭС при малых начальных
возмущениях обеспечивается при выполнении следующих 2 условий.
Первое условие устойчивости
F > F
КР
= L Q
2
/ 2g f ( H
Б
- ∆h
O
- ∆h
TO
),
где F - площадь поперечного сечения УР,
Н - статический напор ГЭС,
L - длина напорного туннеля до УР,
f - площадь поперечного сечения туннеля.
Второе условие устойчивости
∆h
O
+ ∆h
TO
< H
Б
/ 3, т.е. потери напора в напорной деривации (∆h
O
)
и в турбинном трубопроводе (∆h
TO
) должны быть меньше 1/3 статического
напора ГЭС.