Общая энергетика

При больших напорах ГАЭС применяются компоновки с насосо-турбинными водоводами трубопроводами или штольнями. При благоприятных природных условиях непосредственно у верхнего бассейна устраивается водоприемник, который используется для подачи воды в водовод и далее к турбинам и приема воды в верхний бассейн при работе насосов. Если водоприемник удален от верхнего бассейна то приходится сооружать между ними канал или туннель.

На ГАЭС устанавливаются или насосы и турбины, или обратимые гидравлические машины (насосо-турбины), которые могут работать попеременно как насос и как турбина. Электрическая машина тоже может быть изготовленa как обратимая и работать попеременно двигателем и генератором. Механически сочлененные обратимые гидравлическая и этектрическая машины составляют обратимый гидроагрегат. Такие агрегаты устанавливаются при напорах до 650 м. Широко распространены трехмашинные агрегаты, когда на одном валу размещается обратимая электрическая машина, турбина и насос. Между турбиной и насосом ставят муфту, которая позволяет отключать насос при paботе турбины. На рис 2 - 11 представлен энергобаланс трехмашинного агрегата мощностью 100 МВт ГАЭС Вианден-1.

При соответствующем обосновании устанавливаются paздельные агрегаты: насосный (электрический двигатель и насос) и турбинный (гидротурбина и гидрогенератор). Такую схему иногда называют четырехмашинной (более подробно см гл 8 и 26)

Здание ГАЭС сооружается на поверхности земли или под землей Специфическую компоновку будут иметь ГАЭС с подземными нижними резервуарами, которые, как показывают предварительные расчеты, могут оказаться экономичными при напорах 800--1200 м и более.

Если имеется значительный приток воды к верхнему бассейну, то электростанция становится ГЭС --ГАЭС. При напорах до 35--45 м такие электростанции будут руслового типа, при Н более 45 м -- приплотинного или деривационного типа. Компоновка сооружений ГЭС -- ГАЭС аналогична ГЭС, а необходимость иметь верхний и нижний бассейны и возможность перекачки воды из нижнего бассейна в верхний присущи ГАЭС.

Насосное аккумулирование энергии особенно выгоню, когда напор насосов оказывается намного меньше напора турбин, как показано на рис 2-12. При благоприятных топографических и энергетических условиях может оказаться целесообразным использование НС в качестве ГАЭС. Для этого необходимо иметь верхний и нижний бассейны и оборудовать станцию обратимыми агрегатами. Такие гидроэнергетические установки будем называть НС-ГАЭС.

8.6 Схемы использования энергии приливов

Периодические повышения и понижения уровня моря при приливах и отливах определяются силами притяжения Земля -- Луна -- Солнце и центробежными силами. Приливы обычно происходят два раза в сутки, чередование максимума и минимума приливов происходит через 6 часов 12 минут. Время прилива каждые сутки смещается на 50 минут. Продолжительность полного цикла составляет 29,53 суток. Наибольшая величина прилива т. е. разность максимального уровня при приливе и минимального уровня при отливе в открытом океане составляет 2 м и значительно увеличивается у побережья, в проливах и узких заливах. Наибольшая в мире величина прилива (19,0 м) наблюдается в заливе Фанди на Канадском побережье Атлантического океана. В СССР на побережье Охотского моря величина прилива в различных пунктах побережья составляет от 2 до 14,0 м, на побережье Кольского полуострова от 4 до 10 м.

Простейшей является однобассейная схема использования энергии приливов (рис 2-13). При наличии удобного естественного залива или фиорда который может быть отделен от моря плотиной и зданием ПЭС, он используется в качестве бассейна, наполняемого в часы прилива и oпорожняемого в часы отлива. На ПЭС предусматривают холостой водосброс. Например часть плотины делается водосливной или для холостого сброса воды используется здание ПЭС. Тогда здание выполняется или водосливного типа с переливом воды через крышу здания или совмещенного типа с водосбросными отверстиями внутри здания.

В часы прилива уровень воды в море выше, чем в бассейне и при достаточном напоре ПЭС может вырабатывать электрическую энергию, пропуская через турбины воду из моря в бассейн. В часы отлива создается перепад уровней между бассейном и морем. При достаточных напорах ПЭС вырабатывает электрическую энергию, пропуская через турбину воду из бассейна в море. При малых напорах ПЭС простаивает, обычно четыре раза в сутки. Часы работы ПЭС определяются временем наступления приливов и отливов и каждый день соответственно смещаются на 50 минут.

На ПЭС устанавливаются обратимые агрегаты двустороннего действия, которые могут работать в турбинном и насосном режимах при движении воды из моря в бассейн и из бассейна на море. На ПЭС устанавливаются агрегаты капсульного типа (см гл 8) с горизонтальном валом.| На другом его конце располагается обратимая гидравлическая машина, которая может работать попеременно как турбина и как насос. На другом конце вала в металлической капсуле, обмываемой водой, размещается обратимая электрическая машина, которая может быть использована попеременно как генератор и как двигатель.

За время одного цикла отлива - прилива, т. е. в течение примерно половины суток можно выделить шесть периодов четыре рабочих и два простоя.

Агрегаты ПЭС включаются в работу в турбинном режиме при достаточно высоком экономически обоснованном напоре Вода проходит через турбины из бассейна в море и ПЭС вырабатывает электрическую энергию и отдает ее в сеть. ПЭС работает до тех пор, пока напор не понизится до напора Н холостого хода.

Для быстрейшего опорожнения бассейна производится холостой сброс воды через водосливную плотину или через водосбросные отверстия здания ПЭС. Посредством перекачки воды насосами уровень воды в бассейне понижают ниже уровня воды в море. При работе насосов ПЭС потребляет электрическую энергию.

3 Период ожидания, в течение которого происходит процесс повышения уровня воды в море Агрегаты ПЭС простаивают до тех пор, пока не будет достигнут экономически обоснованный напор, при котором выгодно включать турбины

Четвертый, пятый и шестой периоды отличаются от предыдущих тем, что вода будет проходить через турбины, затем через водослив и перекачивается насосами из моря в бассейны. Перекачка воды насосами происходит при низких напорах, а используется она при более высоких напорах. Такое насосное аккумулирование энергии оказывается весьма выгодным. Выработка электроэнергии на перекачиваемой воде превышает потребление энергии из сети для работы насосов. В результате за счет насосного аккумулирования отдача энергии ПЭС увеличивается на 5--8 %

Потребление электроэнергии в электрических системах обычно характеризуется наличием двух регулярных пиков нагрузки -- утреннего и вечернего, и двух снижений - ночью и в часы дневного обеденного периода.

Для приспособления отдачи энергии к режиму электропотребления наряду с сооружением ПЭС надо построить ГАЭС или ГЭС с водохранилищем.



Возможны и другие схемы использования энергии приливов. Если, например, использовать два соседних фиорда или разделить залив плотиной на два бассейна, то получим двухбассейную схему. Здание ПЭС с оборудованием размещается между бассейнами. Один бассейн можно соединить с морем при приливе, а второй при отливе. При этом между бассейнами будет разность уровней и ПЭС большую часть суток сможет иметь напор, достаточный для работы турбин. Такая схема менее экономична, чем однобассейновая.

ПЭС Ранс и Кислогубская ПЭС построены по однобассепповой схеме. План ПЭС Ранс показан на рис 2-14. На ПЭС установлено 24 капсульных агрегата. ПЭС работает при амплитудах прилива 3,3-- 13,5 м, при среднем значении 8,4 м. В составе сооружений ПЭС Ране имеется судоходный шлюз.

На рис. 2-15 представлен поперечный разрез здания Кислогубской ПЭС. При строительстве ПЭС был применен прогрессивный наплавной метод. В 100 км от Кислой Губы был изготовлен наплавной док -- блок для размещения в нем агрегата. Блок был доставлен на понтонах в Кислую Губу и установлен на подготовленное основание без устройства перемычек

В СССР проведена предварительная проектная работа по Лумбовской ПЭС на Кольском полуострове мощностью 320 МВт и годовой выработкой электроэнергии около 800 млн. кВт-ч. Изучаются возможности строительства на побережье Белого моря Мезенской ПЭС мощностью 6 млн. кВт, и на побережье Охотского моря Тугурской ПЭС -- 9 млн. кВт и Пенжинской ПЭС -- 35 млн. кВт.

9. Гидравлические турбины.

9.1 Классификация гидротурбин

Гидравлической турбиной называется двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса. Из основного закона механики жидкости -- закона Бернулли следует, что удельная энергия, т. е. энергия единицы массы, Я на входе в рабочее колесо составляет

(9.1)

на выходе из рабочего колеса

(9.2)

Обозначения всех входящих в формулы (91) и (9.2) величин приведены в § 3 2.

В зависимости от того, какие из трех членов уравнения Бернулли главным образом использованы в конструкции машины, различаются типы турбин.

Отданная водой рабочему колесу энергия равна разности энергий в потоке до и после рабочего колеса

(9.3)

Таким образом, вся энергия потока состоит из энергии положения Z₁-Z₂ энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию), а также кинетической энергии

Турбины, хотя бы частично использующие потенциальную энергию, называются реактивными. В таких турбинах

(9.4)

и, следовательно, процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе частично используется и кинетическая энергия потока.

Если в гидротурбинах используется только кинетическая энергия потока, то они называются активными.

В таких турбинах Z₁=Z₂, p₁=p₂ т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления. Для достижения высокого КПД в них почти весь напор преобразуется

в скорость.

Мощность турбины согласно уравнению (3.54) может быть выражена

(9.5)

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые - пропеллерные и поворотно - липастные, диагональные поворотно - лопастные и радиально -осевые турбины.

В класс активных турбин входят системы ковшовых, наклонно-струйных турбин и турбин, двойного действия. Последние две системы не имеют столь широкого распространения, как ковшовые.

Каждая система турбин содержит несколько типов., имеющих геометрически, подобные проточные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все турбины условно делятся на низко-, средне- и высоко-напорные. Низконапорными принято считать, турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25 ? Н ? 80 м и высоконапорными при Н > 80 м.

Турбины подразделяются на малые, средние и крупные.

К малым туpбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса D_i ? l,2 м при низких, напорах и D_i ? 0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним -- те турбины, у которых l,2 ? D_i ? 2,5 м при низких напорах и 0,5 м ? Di ? l,6 м при высоких, а мощность 1000 кВт<N?15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D₁ и N₁ больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

9.2 Активные гидротурбины

Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые. Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рис. 9.1. Вода из верхнего бьефа подводится трубопроводом к рабочему колесу, выполненному в виде диска, закрепленного на валу турбины, и вращающемуся в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши) (рис. 9.2). На ковшах, происходит преобразование гидравлической энергии, заключенной в струе, в механическую. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно один за другим при его вращении принимают струю.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется посредством сопла, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет, собой сходящийся насадок из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя воды. В сопле вся энергия воды, подведенная к нему по трубопроводу за вычетом потерь, обращается в кинетическую.

Игла, перемещаясь в сопле в продольном направлении, меняет его выходное сечение и тем самым диаметр выходящей струи. При изменении диаметра струи изменяется расход через сопло.

Игла в одном из крайних своих положений полностью закрывает сопло и останавливает турбину. Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал.

Для быстрого отвода струп от рабочего колеса, необходимого для предотвращения гидравлического удара, возникающего при медленном закрытии сопла иглой, применяется отклонитель, отбрасывающий воду в сторону. Перемещение иглы и отклонителя производится одновременно.

Таким образом, в ковшовых турбинах осуществляется регулирование расхода и мощности турбины.

Конструктивные формы ковшовых турбин довольно разнообразны и могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопл и рабочих колес на одном валу. Турбины используются в диапазоне напора 300--2000 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 200 МВт (ГЭС Мон-Се-пи, Франция).

9.3 Реактивные гидротурбины

К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые пропеллерные, поворотно-лопастные (включая двухперовую) и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рис. 9.3.

Для реактивных турбин характерны следующие основные признаки.

Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток поды отдает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная же -- потенциальная энергия, соответствующая разности давлений до и после колеса.



Избыточное давление p/pg по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т. е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет, кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока. Таким образом, действие потока на лопасти рабочего колеса складывается из реактивного воздействия, возникающего из-за увеличения относительной скорости, и активного давления, возникающего из-за изменения направления потока

Радиально-осевыетурбины (РО) (за рубежом их называют турбинами Френсиса) характерны тем, что вода при входе на рабочее колесо движется в радиальной плоскости, а после рабочего колеса -- в осевом направлении, и используются в довольно широком диапазоне напоров -- от 30--40 м до 500-- 550 м Талой большой диапазон обеспечивается конструктивными изменениями рабочего колеса и всей турбинной установки.



Рабочее колесо радиально-осевой турбины состоит из ряда лопастей 2 сложной пространственной формы, равномерно распределенных по окружностям ступицы 1 (верхний обод) и нижнего обода 3 (рис 93,а и 94) Все три части объединены между собой и представляют одну жесткую конструкцию Число лопастей может колебаться от 9 для низконапорных до 21 для высоконапорных турбин. За диаметр рабочего колеса принимается максимальный диаметр по входным кромкам лопастей D₁.

Лопасти рабочих колес крупных гидротурбин имеют в сечении по линии потока обтекаемую форму, что позволяет делать их значительной толщины для достижения необходимой прочности

С увеличением используемого напора форма рабочего колеса радиально-осевых турбин меняется, отношение выходного диаметра к входному D₂/D₁ уменьшается.

Так, для Красноярской ГЭС (Н^макс?101м) D₂/D₁ = 1,13, а для Ингурской ГЭС (Н^мак°? 410 м) D₂/D₁=0,68

Высоконапорные турбины оборудуются холостыми выпусками для отвода воды от рабочего колеса и уменьшения за этот счет гидравлического удара при сбросе нагрузки Caмая мощная турбина такого типа в СССР (650 МВт) установлена на Саяно-Шушенской ГЭС.



Пропеллерные турбины (Пр). Рабочее колесо такой турбины располагается в камере ниже направляющего аппарата Поэтому между направляющим аппаратом и рабочим колесом осуществляется нерабочий поворот потока На лопасти рабочего колеса поток поступает только в осевом направлении, из-за чего такие турбины называются осевыми.

Рабочее колесо (рис 9 3,6 и 9 5) состоит из втулки / с обтекателем 2 и рабочих лопастей 3 и, как видно из рисунков, отличается от колес радиально-осевых турбин отсутствием нижнего обода, меньшим числом лопастей и их формой (в данном случае она похожа па форму гребного винта или пропеллера).

Число лопастей зависит от напора и может колебаться от трех до восьми (растет с увеличением напора). Лопасти закреплены на втулке под постоянным углом ц=-10°;-5°; 0°; +5°; +10°; 15°; +20°, отсчитываемым от некоторого среднего положения (ц=0). Обычно на турбинах с диаметром рабочего колеса D_i ? l,6 м имеется возможность перестановки лопастей при останове турбины на тот или иной угол, если такая потребность возникнет во время эксплуатации.

Основным достоинством пропеллерных турбин является простота конструкции и сравнительно высокий КПД. Однако турбины имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что с изменением нагрузки резко изменяется и КПД, Зона высоких значений КПД наблюдается только в узком диапазоне изменения мощности. Этот недостаток существенно снижает эффективность пропеллерных турбин при использовании их в системах с дефицитом энергии. Однако это несущественно, если основным назначением ГЭС является работа в пиковой части графика нагрузки, т. е. при малом числе часов использования установленной мощности ГЭС, Иногда на крупных ГЭС пропеллерные турбины устанавливаются совместно с радиально-осевыми или поворотно-лопастными, которые имеют более растянутый диапазон максимального значения КПД.

Поворотно-лопастные турбины (ПЛ). По конструктивному выполнению поворотно-лопастные турбины (за рубежом их называют турбины Каплана) отличаются от пропеллерных только тем, что у них лопасти рабочего колеса в процессе работы могут поворачиваться вокруг своих осей, перпендикулярных оси вала (см. рис. 9.3,е).

Мощность, отдаваемая рабочим колесом такой турбины, и его КПД при постоянном напоре зависят как от открытия лопаток направляющего аппарата (см. § 9.4), так и от угла поворота лопастей по отношению к втулке. Изменяя угол установки лопастей при различных открытиях направляющего аппарата, а следовательно, при различной мощности, можно найти такое положение лопастей, при котором КПД турбины будет иметь наибольшее значение. Конструктивно поворотно-лопастные турбины выполняются таким образом, что лопасти рабочего колеса на ходу турбины могут автоматически поворачиваться на некоторый (оптимальный) угол ср (отсюда названиеповоротно лопастные) одновременно с изменением открытия направляющего аппарата. Такое двойное регулирование дает очень большие преимущества, так как обеспечивает автоматическое поддержание высокого значения КПД в широком диапазоне изменения мощности.

Поворотно-лопастные турбины используются в диапазоне напоров-от 3--5 до 35--45 м. В последнее время, стремясь использовать некоторые преимущества этих турбин перед радиально-осевыми предпринимаются небезуспешные попытки применять их на напоры до 70-- 75 м. Наиболее мощная поворотно-лопастная турбина (178 МВт) изготовлена в СССР и установлена па ГЭС Джердан на Дунае.

Двухперовая турбина. Увеличение числа лопастей рабочего колеса поворотно-лопастной турбины по мере повышения используемого напора приводит к возрастанию относительного диаметра втулки (d_вт/D₁) и последующему ухудшению энергетических качеств турбины. Для смягчения этого недостатка применяются спаренные (двухперовые) рабочие лопасти, имеющие общий фланец и общую цапфу (рис. 9.3,г; 9.6), что позволяет повысить пропускаемый турбиной расход. Двухперовые турбины не тлеют пока широкого распространения.

Диагональные турбины (Д). Появление этих турбин обусловлено теми же причинами, что и двухперовых, т. е. стремлением обеспечить возможность работы осевых турбин двойного регулирования в области напоров, используемых радиально-осевыми турбинами.

Отличие диагональных турбин от поворотно-лопастных заключается в конструкции рабочего колеса, которая представляет собой конусообразную втулку с расположенными на ней под некоторым углом к оси вращения колеса лопастями (число их доходит до 14), могущими поворачиваться вокруг своих осей (рис. 9.3,<Э). При этом втулка рабочего колеса, несмотря на свои относительно большие размеры по сравнению с втулкой у поворотно-лопастных турбин не создает стеснения потока. Благодаря этому за рабочим колесом нет участка с резким расширением сечения, как в осевых турбинах, что в 'сочетании с другими особенностями диагональных турбин обеспечило им более высокие энергетические и кавитационные (см. § 9.5) качества. Максимальное значение КПД диагональной турбины на 1,5--2,5% выше, чем осевой. Вместе с тем они сложнее по конструкции, чем осевые и радиально-осевые, а последним в ряде случаев уступают и по кавитационным Качествам.

Диагональные турбины не имеют широкого распространения в СССР, они установлены лишь на Бухтар-мниской и Зейской ГЭС мощностью 75 и 200 МВт соответственно. Однако, как показывают исследования, они могут оказаться весьма, эффективными в диапазоне напоров от 35--40 м до 150--200 м и особенно при больших колебаниях нагрузки.

Часть из рассмотренных здесь турбин может быть использована не только в вертикальном, но и в горизонтальном исполнении. Кроме того, турбины могут быть выполнены обратимыми (турбина-насос), что, в частности, важно для сооружаемых ГАЭС.

9.4 Основные элементы проточного тракта реактивных гидротурбин

Каждому типу гидротурбин присущи свои особенности в их проточном тракте. Рассмотрим только наиболее часто применяемые реактивные гидротурбины.

Основными элементами проточной части реактивных гидротурбин (рис. 9.7) кроме описанного ранее рабочего колеса, являются: турбинная (спиральная) камера 1, статор турбины 2, направляющий аппарат 3, камера с рабочим колесом 4, отсасывающая труба 5, камера рабочего колеса 6.

Вода из верхнего, бьефа низконапорных ГЭС поступает непосредственно к турбинной камере, предназначенной для подвода воды на рабочее колесо. В высоконапорных гидроэлектростанциях вода к турбинной камере направляется по трубопроводу.

Турбинные камеры. Различают открытые и спиральные турбинные камеры. Для малых турбин (0^1,6 м) и низких 'напоров (9--10 м) турбинные камеры выполняются открытыми. Для средних и крупных турбин -- спиральными. При Этом, если напор менее 40 м, спирали изготовляются бетонными таврового сечения (рис.. 9.8,а), при более высоких напорах -- металлическими (сварными или литыми) круглого сечения (рис. 9.8,6).

Площадь входного сечения спирали зависит от расхода и скорости потока. Для сохранения постоянной скорости воды в спирали сечение последней уменьшается по мере поступления воды в направляющий аппарат. Угол охвата спирали <р°_Мако отсчитывается от начального сечения до ее концевой части, называемой зубом -спирали: В бетонных спиральных камерах этот угол принимается не менее 180°, для стальных достигает 345--360°. Снижение угла ц°макс для низконапорных ГЭС приводит к уменьшению ширины подводящего водовода (размер В на рис. 9.8) и объема строительных работ.

Статор турбины служит для передачи нагрузки на фундамент ГЭС от вращающихся частей агрегата, осевого усилия воды и массива здания электростанции, расположенного над спиралью. Статор обычно состоит из отдельно поставленных колонн, связанных между собой при помощи верхнего и нижнего поясов. Число колонн по соображениям уменьшения сопротивлений потоку обычно выбирается вдвое меньше числа направляющих лопаток. Конструктивно колонны располагаются так, чтобы между выходной кромкой колонны и направляющей лопаткой оставался достаточный зазор. Размеры колонны в плане, их конфигурация и расположение целиком определяются геометрическими данными спирали, условиями обтекания, а также условиями прочности.

Направляющий аппарат служит для подвода воды к рабочему колесу, регулирования расхода в соответствии с развиваемой мощностью генератора, закрытия доступа воды к турбине при ее остановке и создания определенного направления (закрутки) потока.

Направляющий аппарат состоит из двух опорных колец и подвижных лопаток обтекаемой формы, размещенных между этими кольцами Лопатки с помощью регулирующего кольца 1 (рис. 9.9) могут одновременно поворачиваться вокруг собственных осей 5 на определенный угол, образуя одинаковые просветы а₀, называемые открытием направляющего аппарата.

Регулирующее кольцо поворачивается под воздействием специальных механизмов системы регулирования (сервомоторов), прикрепляемых тягой 4 Число подвижных лопаток зависит от размеров турбины, определяемых диаметром рабочего колеса, и колеблется от 12 до 32 (при Di>8,5 м)

Камера рабочего колеса представляет собой металлическое кольцо (см. рис. 9.5), в котором размещается рабочее колесо осевых турбин. К нижнем части камеры непосредственно примыкает отсасывающая труба.

Отсасывающая труба предназначена для отвода воды из рабочего колеса турбины и нижним бьеф и оказывает большое влияние, па энергетические показатели турбины.

При прямоосной отсасывающей трубе используемый турбиной напор определяется не разностью отметок между верхним и нижним бьефом, а разностью отметок между верхним бьефом и выходом из рабочего колеса. В этом случае напор, равный по величине высоте расположения рабочего колеса над уровнем нижнего бьефа, называемый высотой отсасывания и обозначаемый И_в (рис. 9.10) теряется.

При такой конструкции скорости в потоке воды на выходе из отсасывающей трубы значительно меньше, чем на входе в нее, а следовательно, потери кинетической энергии уменьшаются. Однако применение конических прямоосных отсасывающих труб для больших турбин приводит, к необходимости значительного заглубления подземной части здания ГЭС, что влечет за собой дополнительную затрату средств и увеличение объема работ. Поэтому такие трубы применяются для турбин с диаметром до 1,5--2 м. При больших диаметрах турбин используются изогнутые отсасывающие трубы (рис.. 9.11), состоящие из конически расходящегося патрубка 1, колена 2 и горизонтального раструба 3. Такие трубы дают возможность уменьшить заглубление здания ГЭС.

Основные габариты изогнутой отсасывающей трубы определяются для поворотно-лопастных турбин высотой h=(1,9ч2,3)D, и длиной L=(3,5ч4,5).D_i. Для раднально-асевых турбин эти размеры несколько выше. Вообще по энергетическим показателям всегда предпочтительнее более высокая труба, однако, как указывалось выше, с ростом h увеличивается объем работ и стоимость сооружения ГЭС.

9.5 Кавитация

Кавитация представляет собой физическое явление, возникающее в потоке при быстром течении жидкости, и оказывает влияние на энергетические и механические показатели турбин, ухудшая их с момента своего появления.

Известно, что чем меньше давление, оказываемое на жидкость, тем ниже температура ее кипения. Если быстро текущая вода встречает на своем пути какое-либо препятствие, то за ним появится область пониженного давления, и если давление в этой- области будет меньше упругости водяных паров, то вода там закипит и будут образовываться пузырьки пара. По мере дальнейшего продвижения пузырьков с потоком воды в зону более высокого давления пар в них конденсируется и образуются пустоты, а при объединении их -- крупные -каверны. Эти пустоты мгновенно заполняются водой и в центре их возникает гидравлический удар с давлением до нескольких тысяч атмосфер. Если пустоты смыкаются в потоке на металлической поверхности какой-либо детали или на бетоне, то последние начинают разрушаться.

Кроме того, в зоне пониженного давления начинают интенсивно выделяться из воды газы (воздух), которые, попадая в смыкающиеся пузырьки пара, сильно сжимаются, вследствие чего температура газов резко повышается. Кислород же (из воздуха) при высокой температуре, активно воздействуя на металл, способствует коррозии и дополнительному его разрушению.

У реактивных турбин кавитационному разрушению подвержены главным образом нижние (по потоку) поверхности лопастей рабочего колеса, его камера, а также другие части турбины, где образуется пониженное давление. У ковшовых турбин при кавитации разрушаются в первую очередь сопла.

При кавитации возникает характерный шум и вибрация машины (иногда удары). Кавитация снижает КПД, пропускную способность и мощность турбин. Все это является крайне нежелательным, а в ряде случаев недопустимым.

Разрушительное действие кавитации можно значительно уменьшить тщательной обработкой подверженных ей элементов турбины, а также применением для них особо стойких материалов (хроме-никелевые стали).

Особое значение имеет обеспечение бескавитационных условий работы реактивных турбин. Эти условия определяются, выбором соответствующего заданному напору типа и быстроходности турбины (см. § 9.6), а также высоты отсасывания H_s, определяемой расположение ем турбины относительно уровня нижнего бьефа.

Кавитация будет отсутствовать, если будет соблюдено следующее условие:

(9.6)

где В -- барометрическое давление, м вод. ст., которое определяется расположением турбины над уровнем моря по формуле В=10,33-V./900 (10,33- атмосферное давление на уровне моря, м вод. ст., а. V -- абсолютная отметка местоположения турбины над уровнем моря, м); а -- коэффициент кавитации, изменяющийся в зависимости от типа турбины и их нагрузки. Обычно о определяется при испытании модели турбины.

Практически считается, что кавитация будет отсутствовать, если

 (9.7)

где k -- поправочный коэффициент, вводимый при пересчете коэффициента с модели на натуру (k = 1,05ч1,1).

Высоту отсасывания H_s принято отсчитывать:

для вертикальных радиально-осевых турбин -- от нижней плоскости направляющего аппарата;

для горизонтальных радиально-осевых и поворотно-лопастных--'от наивысшей точки рабочего колеса;

для вертикальных пропеллерных и поворотно-лопастных турбин -- от оси разворота лопастей рабочего колеса.

Высота отсасывания принимается положительной, если плоскость отсчета ее находится выше уровня воды в нижнем бьефе (см. рис. 9.10), в противном случае, когда рабочее колесо турбины находится ниже уровня нижнего бьефа,-- отрицательной.

10. Гидроэлектростанции и основы использования водной энергии

10.1 Состав и компоновка основных сооружений ГЭС

Состав и компоновка сооружений ГЭС определяется схемой концентрации напора. Как указывалось в § 3.4, существует две основные схемы концентрации напора: плотинная и деривационная. Гидроэлектростанции, сооруженные по плотинной схеме, делятся в свою очередь на два типа: русловые и приплети иные. Деривационные ГЭС также делятся на два типа: с безнапорной деривацией и напорной.

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здание ГЭС. При напоре до 25--30 м здание станции 3 размещается в одном створе с плотиной и воспринимает напор. Такие гидроэлектростанции называются русловыми. На рис. 10.1,а изображена в плане схема размещения основных сооружений такой ГЭС.

При комплексном использовании водотока в состав гидроузла, кроме плотины 2 и здания ГЭС, включаются сооружения, предназначенные для удовлетворения специфических нужд каждого участника комплекса (шлюз для транспорта, водозаборные сооружения для ирригации и водоснабжения, рыбоходы и т. д.).

При напоре, превышающем 25-- 30 м, здание ГЭС размещается за; плотиной в нижнем бьефе и не воспринимает напор (рис. 10.1,6). Такие ГЭС носят название приплотинных. При комплексном назначении гидроузла в него так же, как и в предыдущем случае, включаются сооружения неэнергетических участников комплекса. Поскольку в этой схеме здание ГЭС не воспринимает напор, то для подачи воды к турбинам ГЭС необходимы водоприемники 4 и турбинные трубопроводы 6, как это показано на рис. 10.1,6, где эти сооружения совмещены с плотиной. Вообще, компоновка гидроузлов с приплотинными ГЭС в значительной степени зависит от типа плотины и создаваемого ею напора. куда вода по.турбинным трубопроводам 5 поступает к турбинам, расположенным в здании ГЭС 6, и далее в отводящий канал 7 и реку.

В том случае, когда местность сильно пересеченная и для безнапорной деривации нет благоприятных условий, устраивается напорная в виде туннеля или трубопровода (рис. 10.3). Как в том, так и в другом случае поперечное сечение водовода полностью заполнено водой.

Головной узел в этом случае также включает в качестве основных сооружений плотину / с водосбросом 2 и водоприемник 3. Однако плотина здесь более высокая, а водоприемник глубинный; что позволяет забирать воду при больших колебаниях уровня воды в водохранилище.

Станционный, узел в отличие от ГЭС с безнапорной деривацией содержит.уравнительный резервуар 6, основное назначение которого -- борьба с возможными гидравлическими ударами при нестационарных режимах в турбинных трубопроводах 7.

10.2 Плотины и затворы ГЭС

Плотины, перегораживая русла реки, предназначены для создания водохранилища и тем самым являются главнейшим сооружением гидроузла для создания напора и регулирования стока.

Все плотины делятся, на две основные группы, отличающиеся друг от друга используемым материалом: плотины бетонные и железобетонные и плотины грунтовые (земляные, каменно-набросные и каменно-земляные).

Бетонные и железобетонные плотины по конструктивным признакам делятся на гравитационные, арочные и контрфорсные. Отличительным признаком гравитационных плотин является их массивность (рис. 10.4). Большая масса их и силы сцепления (трения) по основанию позволяют воздвигать такого рода плотины на любых грунтах. Считается, что при высоте до 30--40 м гравитационная плотина может быть сооружена на слабом основании (песок, глина), а на скальном основании высота ее может достигать 300 м.

По возможности пропуска воды такие плотины могут быть глухими (рис. 10.4,а), т. е. не допускающими перелива воды через свой гребень, и водосливными (рис. 10.4,6). Последние выполняются с поверхностными (водосливными) или заглубленными (донными) отверстиями для пропуска воды. Плотины русловых ГЭС состоят обычно из глухой и водосливной части. Высокие плотины в узких ущельях часто строятся глухими. В этом случае сброс излишней воды осуществляется в обход плотины по поверхностному или туннельному водосбросу. В теле бетонных плотин обычно устраиваются продольные галереи (патерны), предназначенные для контроля фильтрации воды через тело плотины.



Арочные плотины представляют собой свод, очерченный в плане r виде дуги, упирающейся своими концами в скальные берега, которые и воспринимают основную часть давления воды на плотину со стороны верхнего бьефа (рис 105). Высота таких плотин может достигать более 300 м, однако бетона в ней будет меньше, чем в равноценной по высоте гравитационной. Как разновидности такие плотины могут быть одноарочными и многоарочпыми, а также арочно-гравитационными. Во всех этих случаях плотины могут содержать специальные водосбросы

Контрфорсные плотины выполняются в виде железобетонных ребер (контрфорсов) на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты 1, воспринимающие давление воды (рис 10.6). Контрфорсы 2 скрепляются между собой балками жесткости 3, образуя по фронту отдельные пролеты. При соответствующей конструкции гребня с низовой стороны контрфорсные плотины могут быть водосливными Высота современных крупных контрфорсных плотин превышает 100 м (Зейскал ГЭС--115 м).

Земляные плотины бывают насыпными и намывными. Первые устраиваются путем отсыпки в виде горизонтальных слоев небольшой толщины с последующим уплотнением укаткой пли трамбованием с увлажнением уплотняемого грунта Намывные земляные плотины строятся методами гидромеханизации, сводящемся к подаче размытого в карьере разжиженного грунта к месту укладки насосами по трубопроводам или самотеком по трубам пли лоткам.

Верховой откос плотины для защиты от воздействия волн и льда укрепляется в пределах изменения уровня воды бетонными плитами или камнем (рис. 107,а)

Низовой откос со стороны нижнего бьефа укрепляется дерном и снабжается в некоторых случаях горизонтальной площадкой, называемой бермой, которая служит для защиты откоса от смыва грунта водой.

Если земляная плотина сооружается из сильно водопроницаемых грунтов (например, крупного песка), то для уменьшения фильтрации устраиваются преграды в виде экрана 3, ядра 5, а иногда и понура 4 (рис 107, б, в). Эти преграды устраиваются из маловодопроницаемого грунта, например глины

Для пропуска через тело плотины фильтрующей воды и задержания при этом выноса мелких частиц грунта на всех земляных плотинах со стороны нижнего бьефа устраиваются так называемые дренажные призмы 6.

Величина заложения откосов m-ctgб принимается в зависимости от свойств грунта и высоты плотины в пределах, указанных для примера на рис. 10.7,а.

Нередки случаи сооружения земляных плотин из разных по своим водопроницаемым, свойствам грунтов. В этом случае, чем лучше грунт, тем ближе со стороны верхнего бьефа он располагается (рис. 10.7,г).

Земляные плотины имеют очень широкое распространение. Их строят, как правило, глухими. Высота их достигается 100 м и более.

Каменно-набросные плотины сооружаются путем наброски в русло реки с некоторой высоты камня различных размеров. По мере роста плотины каменная наброска уплотняется струей воды под давлением, а также специальными катками и вибраторами.

Водонепроницаемость таких плотин достигается путем устройства экрана 3 из железобетона со стороны верхового откоса (рис. 10.7, д), укладываемого на специальную подэкрановую каменную кладку 7.

Каменно-набросные плотины сооружаются, как правило, глухими. Высота их достигает 300 м.

В каменно-земляных плотинах большая часть их тела выполнена из каменных материалов, а противофильтрационное устройство - из маловодопроницаемого грунта. Высота их достигает 300 м и более (Нурекская ГЭС).

Затворы. Для сброса возможных излишков воды в водохранилищах и пропуска ее в нижний бьеф в специальных целях, а также для пропуска льда, наносов и плотов плотины и другие сооружения ГЭС снабжаются соответствующими затворами. Специальные затворы устанавливаются также в турбинных трубопроводах.

В зависимости от рода перекрываемых отверстий затворы сооружений ГЭС делятся на поверхностные, закрывающие водосливные и водоприемные отверстия, куда вода поступает из верхних слоев водохранилища, и глубинные, служащие для закрытия глубинных отверстий, расположенных ниже уровня воды верхнего бьефа.

Из поверхностных затворов следует отмстить прежде всего плоские щиты и шандоры. Первые являются основными затворами, вторые используются при ремонте оборудования и сооружений. Плоский затвор помещается в пазах быков или устоев и передвигается в вертикальном направлении (рис 10 8,а). Воспринимаемое им давление воды передается быкам или устоям. Затворы обычно выполняются металлическими. Различают затворы скользящие, колесные и катковые. Последние два изготовляются для облегчения подъемных усилий. Предусматриваются специальные уплотняющие устройства для предотвращения фильтрации воды через зазоры между затвором и неподвижными частями сооружений

Шандоры представляют собой деревянные или металлические балки, укладываемые в пазах друг на друга в виде стенки (рис 10.8, б) Подобные щиты и шандоры устанавливаются также на входе в напорные трубопроводы турбин и па выходе из отсасывающей трубы.

Сегментные затворы представляют собой изогнутый по дуге круга щит, могущий целиком вращаться вокруг некоторой оси, на который насажены ноги, поддерживающие полотнище затвора (рис 10.8,в). Ноги шарнирно закреплены в быках или устоях, воспринимающих давление воды. При маневрировании затворы вращаются вокруг горизонтальной оси рас положения шарниров.

По сравнению с плоским щитом сегментный затвор обладает рядом преимуществ при равных размерах и массе. Главнейшие из них следующие значительно меньшее подъемное усилие, лучшая работа в зимних условиях (отсутствие обмерзающих колес), меньшая высота быков, возможность автоматического действия. Однако имеются и недостатки необходимость большей длины устоев, невозможность переустановки затвора из одного отверстия в другое.

Вальцовые или цилиндрические затворы представляет собой полый металлический цилиндр, перекрывающий водосливное отверстие и поднимаемые вверх путем перекатывания его по зубчатым рейкам, расположенным в нишах быков или устоев (рис 108,г). Для увеличения высоты затвора его цилиндр снабжается специальным нижним, а иногда и верхним щитками.

Вальцовые затворы обладают большой жесткостью, поэтому получили широкое распространение па плотинах с тяжелыми условиями зимней службы (навал льда). Затворы могут перекрывать пролеты шириной до 45--50 м и высотой до 9 м. К недостаткам их следует отнести значительную массу и стоимость, а также значительные размеры быков.

Секторные затворы имеют поперечное сечение в виде сектора покрытого водонепроницаемой обшивкой устанавливаемой обычно по трем плоскостям (рис 10.8 д) Под затвором в теле плотины устраивается ниша, в которую опускается затвор при необходимости сброса излишней воды. Затвор вращается на оси, закрепленной в пороге плотины. Управление им обычно гидравлическое. Затворы удобны для сброса льда и плавающих тел с малыми потерями воды, могут перекрывать пролеты шириной до 60 м и высотой до 10 м.

Водосбросные глубинные отверстия плотин перекрываются глубинными затворами, которые могут быть плоскими, сегментными, цилиндрическими, дисковыми и т. д. Первые два типа аналогичны описанным выше (рис. 10.9,а, в).

Задвижки (рис. 10.9,6) имеют небольшие габариты и действуют от гидравлического или электрического привода. Конструктивно они представляют собой литые диски прямоугольной или круглой формы, которые перекрывают галереи или трубопроводы. Эти диски при открытии отверстия вдвигаются внутрь специального кожуха. Задвижки применяются в основном как рабочие затворы на напоры до 400 м. Их диаметр зависит от используемого напора и может достигать нескольких метров.

Цилиндрические затворы. Конструктивно затворы представляют собой полые цилиндры, перемещающиеся по вертикали (рис. 10.9,г). Своей боковой поверхностью или днищем они закрывают отверстия башенных водоприемников. Из-за своей громоздкости они не получили заметного распространения, хотя и имеют хорошие эксплуатационные качества. Они используются для напоров, не превышающих 100 м.

Дисковые затворы состоят из цилиндрического корпуса, в котором на горизонтальной или вертикальной оси вращается диск (рис. 10.9,д). Дисковые затворы надежны в эксплуатации, являются наиболее распространенными, изготовляются диаметром до 8,5 м и устанавливаются на напорных трубопроводах при напоре до 250--300 м (при небольших диаметрах до 600 м). Управление затвором осуществляется, как правило, с помощью гидравлического привода, приводимого в действие сервомоторами.

Достоинством затворов являются хорошие маневренные качества и сравнительно низкая стоимость. Недостатком -- сложность создания хороших уплотнений и сравнительно большая потеря напора.

Игольчатые затворы состоят из корпуса и обтекателя, внутри которого перемешается плунжер (игла), закрывающий и открывающий отверстие в корпусе (рис. 10.9,е). Затворы имеют малые потери напора и применяются при диаметрах трубопровода до 6,5 м и напорах до 800 м. Устанавливают их главным образом с низовой стороны водоспуска. К недостаткам относят высокую стоимость, сложность конструкции и изготовления.

10.3 Здания ГЭС

Конструкцию и компоновку здания ГЭС определяют природные условия, схема концентрации напора, напор, тип и параметры гидроагрегатов (турбина и генератор, соединенные общим валом) и трансформаторов, вспомогательного оборудования. Габариты здания определяются размерами агрегатных блоков, и в частности, длина его - количеством агрегатных блоков и размером монтажной площадки. В свою очередь габариты блока зависят от мощности (напора и расхода воды) турбины, и ширина его определяется размером спиральной камеры. Обычно на гидроэлектростанциях устанавливается не менее двух-трех одинаковых агрегатов.

Тип и конструкция здания должны быть экономически и технически всесторонне обоснованы и в то же время должны обеспечивать надежную работу оборудования и удобные условия эксплуатации. Предъявляемые в этом плане требования к зданиям иногда противоречат друг другу. Так, например, чрезмерная экономия при строительстве снижает надежность и удобство эксплуатации, особенно в части проведения профилактических осмотров и ремонтов, что неизбежно влечет за собой увеличение эксплуатационных издержек.

В соответствии со схемами концентрации напора здание ГЭС принято делить на три типа:

здания русловой ГЭС, т. е. здания, воспринимающие напор (рис. 10.10);

здания приплотинной ГЭС, т. е. размещенные за плотиной и невоспринимающие напора (рис. 10.11);

здание деривационной ГЭС (рис. 10.12).

По способу сброса воды из верхнего бьефа в нижний здания русловых ГЭС делятся па два типа:

1) несовмещенные с водосбросами (см. рис. 10.1,в), в которых сбросы излишков воды из верхнего бьефа осуществляются через водосливные отверстия плотины или другие устройства, находящиеся вне здания ГЭС (см. рис. 10.11).

2) совмещенные с водосбросами, которые обычно располагаются в массивной (подводной) части здания (см. рис. 10.10), хотя применяются и другие конструктивные решения.

По типу подъемного оборудований здания ГЭС строятся:

закрытыми -- с внутренним расположением подъемного оборудования -- мостового крана (см. рис. 10.10--10.12);

полуоткрытыми -- основное подъемное оборудование (портальный кран) размещается над машинным залом (генераторное помещение). Генераторный зал -- низкое помещение со съемными крышками над генератором (рис. 10.13,а);

открытыми--машинный зал отсутствует, а генераторы укрыты колпаками (рис. 10.13,6). Подъемным оборудованием здесь является также портальный кран.

По расположению относительно земной поверхности:

наземное -- корпус здания расположен на земной поверхности;

подземное -- корпус здания расположен ниже земной поверхности. Такие здания устраиваются при деривационной схеме концентрации напора, когда деривация выполняется в виде туннеля.

В зависимости от положения оси агрегата различают здание с вертикальными и горизонтальными агрегатами, последние в настоящее время применяются главным образом на гидроэлектростанциях с напором 10--15 м.

Общим элементом для всех типов зданий ГЭС является прежде всего монтажная площадка, которая размещается обычно в конце здания у берега и обслуживается теми же кранами, что в машинный зал. На уровне пола монтажной площадки делается подъездный путь для доставки оборудования в машинный зал. Габариты площадки определяются условиями доставки, раскладки по ней одного гидроагрегата при его ремонте в период эксплуатации. При большом числе агрегатов иногда делается две монтажные площадки

В здании ГЭС размещается ряд вспомогательных помещений, в числе которых оперативно-производственные; производственные, административно-хозяйственные, бытовые.

К оперативно-производственным помещениям относят помещения электрических распределительных устройств генераторного напряжения, собственных нужд переменного и постоянного тока, поста (пульта) управления и др.

В здании ГЭС размещается также большое количество различных вспомогательных устройств. В состав этих устройств входят: техническое водоснабжение и пожаротушение генераторов; осушение спиральных камер и отсасывающих труб; масляное хозяйство; пневматическое хозяйство; дренажные устройства; контрольно-измерительная аппаратура и т.д.

В зависимости от мощности ГЭС, числа агрегатов определяется состав и площадь помещений подсобно-вспомогательного назначения (ремонтно-механические мастерские, лаборатории и различного рода службы).



В нижней части здания ГЭС размещаются спиральные камеры турбин, статоры, направляющие аппараты и рабочие колеса турбин; отсасывающие трубы, турбинные шахты п турбинный этаж, а также галереи различного назначения, помещения для вспомогательного оборудования, насосы для откачки воды и т. д.

10.4 Водохранилище, нижний бьеф и их характеристики

Основным назначением водохранилищ гидроэлектростанций является трансформация естественного, обычно неравномерного, режима речного стока в режим, необходимый для отдельных отраслей народного хозяйства и, в частности, энергетики Кроме того, в некоторых случаях назначением водохранилищ является борьба с наводнением в нижнем бьефе во время половодий. В этих случаях определенное количество воды задерживается в водохранилище, благодаря чему расходы воды в нижнем бьефе становятся существенно меньшими естественных расходов половодий

Водохранилища создаются путем устройства на реках или других водотоках плотин, повышающих уровни воды и образующих необходимой емкости водоемы (рис 10 14) На этом рисунке цифрами обозначены горизонтали поверхности местности.

Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых техническими условиями, носит название нормального подпорного уровня (НПУ) Объем водохранилища при этом уровне носит название полного объема и обозначается V_полн.

Нижний предел или уровень мертвого объема (УМО) определяется условиями получения на ГЭС расчетных параметров. Соответствующий объем носит название мертвого V_мо.

Разность между полным и мертвым объемами составляет полезный объем водохранилища.

V_полезн=V_полн-V_мо

Этот объем используется для регулирования стока

При пропуске катастрофических половодий и паводков обычно допускается кратковременное повышение уровня воды в водохранилище до отметки, называемой форсированным подпорным уровнем (ФПУ).