Учебное пособие-2022. Учебное пособие Саяногорск сфу 2007
 Скачать 2.5 Mb.
|
|
шпунты (17 и 19), понур (13), а также дренажные устройства (21, 24, 25). Понур – водонепроницаемая плита (или слой водонепроницаемого грунта), уложенная по дну перед плотиной. Понур (13) в данном случае представляет собой железобетонную водонепроницаемую плиту, прианке- ренную к плотине. Он служит не только противофильтрационным устройст- вом, но и повышает устойчивость плотины на сдвиг, так как при сдвиге пло- тины необходимо сдвинуть не только ее, но и прианкеренный к ней понур, пригруженный гидростатическим давлением верхнего бьефа. Крепление дна за водобоем называется рисбермой (10). Рис.3.5. Конструктивные элементы водосбросной плотины на нескальном основании 1 – верховой участок фундаментной плиты; 2 – низовой участок фундаментной плиты 3 – промежуточный бык; 4 – паз рабочего затвора; 5 – паз ремонтного затвора; 6 – водослив; 7 – гребень водослива; 8 – водобой; 9 – гасители энергии; 10 – рисберма 11 – переходное деформируемое крепление; 12 – предохранительный ковш; 13 – анкерный понур; 14 – гибкий участок анкерного понура; 15 - пригрузка понура; 16 – крепление пригрузки; 17 – понурный шпунт; 18 - надшпунтовая балка; 19 – верховой подплотинный шпунт; 20 – горизонтальный дренаж понура; 21 – горизонтальный дренаж фундаментной плиты; 22 – горизонтальный дренаж водобоя и рисбермы; 23 – обратный фильтр; 24 – вертикальный дренаж снования; 25 – дренажная галерея; 26 – дренажные колодцы Если плотина глухая, то вода в нижний бьеф поступает через специ- альные водосбросные сооружения, построенные отдельно от плотины или совмещенные с русловым зданием ГЭС, а также через водоподводящие со- оружения – турбинные водоводы, деривационные каналы и туннели. 54 3.4. Здания гидроэлектростанций как водоподпорные сооружения На низко- и средненапорных гидростанциях (напоры не выше 40-50 м) здание гидростанции часто входит в состав напорного фронта. Такие гидро- станции называют русловыми, так как здание ГЭС располагается либо в русле, либо на затопляемой водохранилищем пойме. Здания ГЭС представляют собой весьма сложные строительные конст- рукции, отличающиеся большим разнообразием. В качестве примера на рис 3.6 показан схематичный разрез вдоль потока по оси агрегата руслового зда- ния ГЭС. Здание ГЭС принято делить на две части – подводную часть и надвод- ную (как правило, машинный зал). Несущей, водоподпорной конструкцией (собственно гидротехническим сооружением), как правило, является массив- ная подводная часть. Иногда (при средних напорах) в состав водоподпорной конструкции входит и массивная верховая стена машинного зала. Именно та- кой вариант показан на рис. 3.6: верховая стена машинного зала воспринима- ет гидростатическое давление верхнего бьефа. Рис. 3.6. Схематический поперечный разрез по русловой ГЭС Подводную часть здания ГЭС можно условно разбить на три участка: верховой участок (в нем осуществляется подвод воды к турбине через спи- ральную камеру), следующая часть – это центральный участок с турбинной камерой и расположенной в ней турбиной (над ней в машинном зале – гене- ратор) и низовая часть (по ней осуществляется отвод воды от турбины через отсасывающую трубу). 55 На многих отечественных равнинных гидроузлах (например, волжских) в русловых зданиях ГЭС предусмотрены дополнительные водосбросы, со- вмещающиеся со зданиями ГЭС. Такие водосбросные отверстия проходят чаще всего между и над турбинными трактами гидроагрегатов, в мире они получили название русские водосбросы. На высоконапорных ГЭС здание электростанции располагается, как правило, за плотиной и не является водоподпорным сооружением, то же от- носится и к подземным зданиям ГЭС. 3.5. Судоходные шлюзы К водоподпорным сооружениям относится наиболее распространенный тип судопропускного сооружения – судоходный шлюз. Устройство одно- камерного однониточного судоходного шлюза схематично показано на рис. 3.7. Основными конструктивными элементами шлюза являются камера шлюза и его головы, в которых располагаются шлюзовые ворота. Камера шлюза представляет собой железобетонное «корыто» (6), торцевые стенки которого выполнены в виде ворот (3) (створных или опускных). При шлюзовании судно через верхний подходной канал (1) входит в камеру. Верховые ворота (3) закрываются, и камера опорожняется через во- допроводные устройства (5) нижней головы. Когда уровень воды в камере сравняется с УНБ, в нижней голове (8) открываются ворота и судно выходит из камеры шлюза. На высоконапорных гидроузлах применяются многокамерные (много- ступенчатые) шлюзы, состоящие из цепочки камер, разделенных промежу- точными головами. На реках с интенсивным судоходством предусматрива- ются двухниточные шлюзы. Питание водой шлюзов может быть головным (водопроводные устройства в головах шлюза), как на рис. 3.7, так и продоль- ным (через отверстия, расположенные по всей длине камеры). Водопроводные устройства верхней (нижней) головы связывают верх- ний (нижний) бьеф с камерой шлюза и снабжены затворами. Перед наполне- нием (опорожнением) камеры шлюза ворота закрываются. При наполнении камеры водопроводные устройства верхней головы открыты, а нижней – закрыты, и вода поступает из верхнего бьефа в камеру шлюза. 56 Рис. 3.7. Схема однокамерного судоходного шлюза I-IV- положение судна; 1 – верхний подходной канал; 2 – шкафная часть; 3 – ворота; 4 – верхняя голова; 5 – водопроводные устройства; 6 – камера;7 – стена камеры; 8 – нижняя голова; 9 – нижний подходной канал; hк – глубина на короле; hо – осадка судна При опорожнении камеры водопроводные устройства нижней головы откры- ты, а верхней – закрыты, и вода уходит из камеры в нижний бьеф. 3.6. Компоновка гидроузлов Компоновка – это схема размещения и взаимная увязка между собой гидротехнических сооружений гидроузла. Компоновка сооружений гидроузла во многом определяется величиной напора на него и выбранным типом плотины, а также теми задачами, которые решает гидроузел. По величине напора гидроузлы делятся на: – низконапорные (Н до 10 м); – средненапорные (Н не выше 40 м); – высоконапорные (Н более 40 м). Одинаковых условий для возведения ГЭС нет. Поэтому практически все гидроэлектростанции являются уникальными сооружениями. Тем не ме- нее, можно выделить три наиболее распространенных компоновки гидротех- нических сооружений гидроэлектростанций. 57 3.6.1. Приплотинные гидроэлектростанции Приплотинные компоновки характерны для средне- и высоконапор- ных ГЭС, расположенных на крупных реках. Большинство крупных гидроуз- лов мира приплотинные, в том числе крупнейшие в мире ГЭС «Три ущелья» и Итайпу, крупнейшие ГЭС Сибири – Братская, Усть-Илимская, Краснояр- ская, Саяно-Шушенская. Здание приплотинной ГЭС располагается в нижнем бьефе, непосредст- венно за плотиной. Водопроводящими сооружениями являются турбинные трубопроводы, проходящие в теле плотины (Мамаканская, Братская, Усть- Илимская, Токтогульская ГЭС), либо смонтированные на низовой грани пло- тины (Красноярская, Саяно-Шушенская, Чиркейская ГЭС). Водосбросные сооружения – либо поверхностные, глубинные и донные водосбросы в теле плотин, либо туннельные или открытые береговые водосбросы в обход пло- тин. Рис. 3.8. Приплотинный гидроузел На рис. 3.8 изображен типичный приплотинный гидроузел. В его со- став входят: здание ГЭС (1); гравитационная плотина, состоящая из четырех участков – двух глухих береговых (3), станционного (4) и водосбросного (5); водосбросная плотина разделена быками на четыре пролета; каждый пролет перекрывается своим отдельным затвором. водонепроницаемую плиту, при- анкеренную к плотине. Он служит не только противофильтрационным уст- ройством, но и повышает устойчивость плотины на сдвиг, так как при сдвиге плотины необходимо сдвинуть не только ее, но и прианкеренный к ней по- 58 нур, пригруженный гидростатическим давлением верхнего бьефа. Крепление дна за водобоем называется рисбермой (10). На низовой грани станционного участка плотины расположены тур- бинные водоводы (2), подводящие воду к турбинам, установленным в под- водной части здания ГЭС. В состав гидроузла, рис. 4.1, входит также насос- ная станция (6) для забора воды на орошение и водоснабжение и водоводы (7), предназначенные для подачи забираемой воды к потребителю. 3.6.2. Русловые гидроузлы Русловые гидроузлы характерны для низко- и средненапорных ГЭС, расположенных на мягких (нескальных основаниях). При русловой компо- новке здание ГЭС является водоподпорным сооружением и входит в состав напорного фронта. В его состав входят: здание ГЭС; плотина, состоящая из двух участков, глухой из грунтовых материалов и бетонной водосбросной. В состав гидроузла в качестве водоподпорного сооружения входит также судоходный шлюз. Русловая компоновка характерна для крупных Волжских гидроузлов. Примером русловой ГЭС является и Майнская ГЭС. 3.6.3. Компоновка деривационных гидроэлектростанций В деривационных гидроузлах расход в основном образуется за счет за- бора части (или всего) стока из верхового створа реки и переброски его в ни- зовой створ с помощью деривационных каналов (открытая деривация) или тоннелей (водоводов) – закрытая деривация, а напор создается за счет разни- цы уровней между верховым створом и нижним бьефом после ГЭС. Перед водозабором деривационного гидроузла обычно возводится плотина относи- тельно небольшой высоты, создающая часть напора перед деривацией. Дери- вация (лат.) – отвод, отклонение. В составе гидроузла имеется также быстроток в низовой части подво- дящего деривационного канала, оборудованный сегментным затвором. При открытом затворе быстроток позволяет опоражнивать подводящий канал, минуя здание ГЭС, и служит дополнительным водосбросом при высоких па- водках и половодьях, на быстротоке гасится часть энергии воды. Для высокогорий характерны гидроузлы с тоннельной деривацией и зачастую с подземным расположением здания ГЭС. 59 4. ГИДРОТУРБИННАЯ И ГИДРОМЕХАНИЧЕСКАЯ ЧАСТИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ 4.1. Гидравлические турбины и насосы 4.1.1. Использование энергии в гидравлических турбинах Гидравлической турбиной (гидротурбиной) называют двигатель, пре- образующий механическую энергию воды в энергию вращения твёрдого тела (рабочего колеса гидротурбины). Использование энергии потока в наклонном русле является древнейшим способом утилизации водной энергии, уходя- щим, как уже отмечалось, ко времени зарождения цивилизации. Вначале ис- пользовалась лишь кинетическая энергия потока, то есть на реках не было никак подпорных сооружений. Колесо, снабженное плоскими лопастями, опускалось в текущую воду, и лопасти, подхватываемые течением, заставля- ли колесо вращаться. Схема работы такого простейшего гидродвигателя – водоподливное колесо – представлена на схеме (рис. 4.1,а). Рис. 4.1. Схема работы: а) водоподливного и б) водоналивного колеса 1 – наклонное русло реки (а), лоток, подводящий воду (б); 2 – лопасти колеса; 3 – вал колеса 60 Промышленное применение гидроэнергии в России началось в 60-х го- дах ХVIII века, когда знаменитый русский гидротехник К.Д. Фролов создал на Алтае подземный каскад из водяных колес, приводивших в движение гор- норудные механизмы и насосы (рис. 4.1,б). Весь путь воды в этой установке составлял 1051 м. Кроме водоподливного с глубокой древности применялось и водона- ливное колесо. Если в предыдущем примере сила тяжести воды, текущей по наклоненному руслу, использовалась для создания скорости в потоке v, то здесь она (тяжесть воды) непосредственно приводит колесо во вращение, пе- ремещая и непрерывно заполняя лотки колеса, то есть это колесо использует энергию положения потока. Если бы удавалось заполнять и опорожнять весь объём лотка в самом верхнем и нижнем положениях, то работа и мощность такого колеса равня- лась бы работе и мощности потока. Практически этого сделать нельзя, так как вода не сразу заполняет лоток и начинает выливаться из него, не дойдя до нижней точки, то есть используемая энергия оказывается меньше. Водяные колеса, как гидродвигатели, использующие кинетическую энергию потока по схеме 4.1,а и энергию положения по схеме 4.1,б, из-за не- возможности применения их для получения значительных мощностей рас- пространения не получили. Развитие пошло по пути поиска более совершен- ных преобразователей водной энергии, где используется напор потока, полу- чивших название – турбины. В зависимости от того, какая часть из слагаемых энергии реализуется в конструкции, турбины разделяются на два класса – активные и реактив- ные. Турбины, использующие только кинетическую энергию потока, рабо- чие органы которых работают без избыточного давления, открыто, называют активными. Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энер- гию давления, процесс преобразования энергии в которых происходит в замкнутых установках, называют реактивными. В них процесс преобразо- вания энергии происходит при давлении на входе, превышающем атмосфер- ное давление. При этом частично используется и скоростной напор. Сами термины – «активного» и «реактивного» действия – являются, как это следует из их определения, в большой мере условными. Осуществить чисто реактивное действие практически невозможно, так как поток, подходя к рабочему колесу, уже обладает кинетической энергией. Однако эти назва- ния турбин стали традиционными и используются в практике специалистами во всём мире. Подвод воды в турбинах выполняется напорными водоводами. Одна из широко применяемых схем турбинной установки изображена на рис. 4.2. 61 Подобные схемы позволяют значительно лучше, чем в открытых рус- лах, использовать энергию потока в широком диапазоне мощностей и напо- ров. Турбинная установка состоит из водоприёмника (6), оборудованного сороудерживающей решёткой (7). Турбинный водовод (6) имеет перед вхо- дом пазы для установки ремонтных затворов. Для защиты турбины в случае отказа направляющего аппарата имеются специальные пазы, где установлены быстропадающие затворы (8) (аварийные), которые опускаются от дейст- вия автоматических устройств, контролирующих недопустимое повышение частоты вращения агрегата. Быстропадающий затвор приводится в действие гидроподъёмником (9). Для ремонта всего гидромеханического оборудования водоприёмников предусмотрены специальные козловые краны. Подвод воды от турбинных водоводов к рабочему колесу осуществля- ется через спиральную камеру (3), имеющую в плане форму “улитки” (тора переменного сечения). У входа в турбинный водовод, где наибольшие расхо- ды воды, площадь сечения спиральной камеры наибольшая. Со стороны турбины в спиральной камере имеется вырез цилиндриче- ской формы – вход из спиральной камеры в камеру рабочего колеса. Вырез разделен на несколько пролетов колоннами статора, который удерживает массу вращающихся частей агрегата верхней части спиральной камеры и частично вес железобетонного массива над камерой. По окружности, перед входом в камеру рабочего колеса расположен направляющий аппарат в виде вертикально расположенных лопаток, способных поворачиваться вокруг вер- тикальной оси (типа жалюзи) вплоть до полного закрытия межлопаточного пространства. Лопатки при их повороте обеспечивают изменение расхода во- ды (мощности) через турбину и оптимальное обтекание лопастей рабочего колеса, что повышает КПД турбины. При необходимости, закрывая лопатки направляющего аппарата, производят остановку турбины. Лопатки направ- ляющего аппарата приводятся в движение сервомоторами. Отвод воды от турбины происходит через отсасывающую трубу (4), где гасится почти вся остающаяся энергия потока. Отсасывающая труба имеет на выходе пазы, в которые опускается ремонтный затвор. Параметры турбин являются: напор (Н), расход (Q), мощность (N). Обозначим уровень воды УВБ через zв, а УНБ через zн. Вода из верх- него бьефа через водозабор (водоприёмник) по напорному подводящему тур- бинному водоводу и спиральную камеру подводится к рабочему колесу тур- бины под давлением рв со скоростью vв. На рабочем колесе поток теряет большую часть своей энергии и отводится через камеру рабочего колеса и отсасывающую трубу в нижний бьеф под давлением рн со скоростью vн. 62 Рис. 4.2. Схема турбинной установки 1 - машинный зал; 2 - гидрогенератор; 3 – спиральная камера; 4 – отсасывающая труба; 5 – турбинный водовод; 6 – водоприемник; 7 – сороудерживающая решетка; 8 – затвор; 9 – подъемное устройство затвора; 10 – линия электропередачи (переход) Напор установки составит: Нуст. = zB - Zн. Напор турбины Н (м) (рабочий напор) меньше Нуст из-за потерь на- пора в подводящем тракте. Он определяется при проектировании турбинной установки и выражает энергию, которой располагает турбина. Турбины про- ектируются для работы в определённых условиях и рассчитываются на опре- делённый диапазон изменения рабочего напора от Нмин. до Нмакс., при этом величина расчётного напора лежит в средней части диапазона. Так, для тур- бин Саяно-Шушенской ГЭС Нмин. – 176 м; Нрасч. – 194 м; Нмакс. – 220 м. Расход турбины Q (мз/с) определяется также при проектировании ГЭС. 63 Мощность турбины N (кВт) при заданных (расчетных) значениях H и Q называют номинальной. Минимальная мощность соответствует Нмин. Частота вращения в установившемся режиме n (об/мин) и диаметр ра- бочего колеса DI (м) являются параметрами, определяемыми для выбора тур- бин. Для турбин, работающих в России и во многих других странах, частота вращения, называемая синхронной, должна удовлетворять условиям получе- ния трехфазного тока частотой 50 Гц (герц). Рабочее колесо, его конструкция и размеры неразрывно связаны со всеми узлами турбины, с параметрами проектируемого агрегата и ГЭС в це- лом. В проточной части – это главное звено, определяющее КПД и надёж- ность агрегата. 4.1.2. Активные турбины В классе активных турбин наиболее распространенной системой явля- ются ковшовые (турбины Пельтона, рис. 4.3). Рис. 4.3. Ковшовая турбина Пельтона В ковшовой турбине вода из верхнего бьефа (1) подводится трубопро- водом (2) к рабочему колесу (4) через сходящийся насадок – сопло (3). На выходе из сопла струя воды приобретает высокую скорость |