ГЛАВА 20
ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ЗДАНИЙ СТАНЦИЙ
Здание станции является сложным сооружением, в котором размещается комплекс оборудования и многочисленных хозяйств. Разнообразие типов и конструкций зданий позволяет лишь условно выделить их основные части. Нижняя часть здания, в которой размещаются проточный тракт агрегата (турбинная камера, отсасывающая труба, а в русловых зданиях и водоприемная часть), гидромашинное оборудование и ряд вспомогательных систем, может быть названа агрегатной частью (иногда подводной частью). Верхняя часть здания (включая верхнее строение), в которой размещаются машинный зал с гидрогенераторами, подъемно-транспортное и другое оборудование, обычно называется надагрегатной частью) (иногда верхним строением). Особой частью здания является монтажная площадка, отличающаяся по конструкции от агрегатных блоков.
Агрегатная часть здания воспринимает гидростатические, гидродинамические нагрузки, усилия от оборудования и расположенных выше конструкций и передает их на основание. В зависимости от типа здания и типа установленной в нем гидромашины агрегатная часть может иметь различную конструкцию. На размеры и конструкцию агрегатной части здания большое влияние оказывают также геологические условия. Агрегатная часть здания обычно отличается значительной массивностью. Так, агрегатная часть здания Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС, расположенная на нескальном основании (см. рис. 16.3), имеет мощную фундаментную плиту, распределяющую нагрузку на основание.
Длина здания станции может достигать нескольких сотен метров, и при наличии в основании нескальных грунтов неизбежны неравномерные осадки сооружения. В связи с этим, а также с возможностью возникновения в здании больших температурных напряжений устраивают поперечные температурные и осадочные швы, разрезающие здание вертикальными плоскостями на отдельные секции. В каждой такой секции можно расположить от одного до четырех агрегатов. Блок монтажной площадки обычно также отделяется от остальной части здания осадочным швом. Здание Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС (см. рис. 16.5) разрезано на секции длиной по 60 м, в каждую из которых входят два агрегатных блока шириной по 30,0 м (3,23 D1) с поворотно-лопастными турбинами (D1=9,3 м, 115 МВт).
В агрегатной части здания станции находятся также системы масляного хозяйства, технического водоснабжения, осушения проточной части агрегатов, дренажа здания и пр. Эти системы располагаются обычно в помещениях над диффузорами отсасывающих труб и между агрегатами. Часть вспомогательного оборудования и систем размещается в нижней зоне блока монтажной площадки.
В зданиях станций, расположенных на скальных грунтах, агрегатная часть существенно облегчается. На высоконапорных станциях с применением металлических спиральных камер облегчаются также и железобетонные конструкции агрегатной части здания.
Так, здание Нурекской ГЭС (см. рис. 17.6) расположено на прочном скальном основании, в связи с чем по сравнению со зданием Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС (рис. 16.3) у него значительно меньше толщина фундаментной плиты.
Напор верхнего бьефа воспринимается металлическими спиральными камерами и их железобетонной обделкой, что позволило облегчить бетонную часть здания.
При применении ковшовых турбин агрегатная часть здания значительно упрощается, так как в ней отсутствуют турбинные камеры и сложные по форме отсасывающие трубы.
Блок монтажной площадки по нагрузкам и размерам существенно отличается от остальной части здания. В зданиях, возводимых на нескальных грунтах, монтажная площадка по производственным условиям имеет одинаковые с агрегатными блоками размеры подводной части. Поскольку крановое оборудование является общим, верхнее строение в зоне монтажной площадки также имеет одинаковые размеры и конструкцию с агрегатными блоками.
На Нурекской ГЭС (см. рис. 17.6) секция монтажной площадки, рассчитанная на одновременную сборку двух агрегатов, имеет длину 63,65 м.
В надагрегатной части здания располагаются гидрогенераторы, силовые трансформаторы, крановое оборудование машинного зала, водоприемных устройств и ремонтного заграждения отсасывающих труб, различное вспомогательное оборудование.
Для защиты от атмосферных осадков и низких температур надводная часть здания защищается верхним строением, которое может быть различного типа.
АГРЕГАТНАЯ ЧАСТЬ ЗДАНИЙ СТАНЦИЙ
На рис. 20.1 приведены характерные схемы агрегатной части зданий различного типа с вертикальными и горизонтальными агрегатами.
Высотное расположение агрегатной части здания определяется отметкой оси рабочего колеса турбины, которая находится из формулы
где На — высота отсасывания по эксплуатационной характеристике гидромашин с учетом проходящего через них расхода (подробнее см. гл. 11).
При этом необходимо учитывать возможность размыва русла реки в нижнем бьефе и связанного с этим постепенного понижения уровня нижнего бьефа.
При выборе размеров отсасывающей трубы руководствуются рекомендациями заводов—изготовителей гидромашин [70]. Отклонения от рекомендуемых размеров могут быть вызваны желанием расположить фундаментную плиту станции на коренных породах, в связи с чем высота отсасывающей трубы может быть увеличена [23]. Известно, что увеличение высоты трубы сопровождается повышением КПД агрегата, но также может привести к повышению стоимости строительства. Поэтому требуется экономическое обоснование целесообразности повышения высоты отсасывающей трубы.
Длина диффузора отсасывающей трубы должна быть не менее рекомендуемой заводом-изготовителем. Она может быть увеличена в связи с условиями компоновки здания станции. Удлинение диффузора также сопровождается повышением энергетических характеристик агрегата.
Уменьшение высоты отсасывающих труб и длины диффузора может быть допущено только с согласия завода-изготовителя и должно быть экономически обосновано.
Из всех элементов проточной части агрегата наибольшие размеры по ширине имеет турбинная камера. Поэтому ширина агрегатного блока обычно определяется шириной турбинной камеры и бычка между смежными агрегатами. Анализ большого числа запроектированных и построенных станций показывает, что ширина агрегатного блока обычно составляет (3,45-2,9), постепенно уменьшаясь по мере увеличения диаметра рабочего колеса гидромашины D1. Однако имеются случаи, когда и при больших диаметрах рабочего колеса ширина блока достигает (3,5-4,0) что обычно вызывается какими-либо отклонениями в форме проточной части агрегатов или конструкций здания станции.
Водоприемная часть агрегата руслового здания станции непосредственно примыкает к турбинной камере, поэтому ширину водоприемника с бычком почти всегда принимают равной ширине агрегатного блока.
На схеме I (рис. 20.1) изображена агрегатная часть низконапорного руслового здания станции на нескальном основании. При расположении здания станции на скальном основании (схема II) подошва здания принимает более сложную форму, следуя за очертанием проточной части. Толщина плиты в. этом случае значительно меньше — 1 — 2 м.
Рис. 20.1. Схемы агрегатной части зданий:
1 — отсасывающая труба; 2 — разделительный бычок между агрегатными блоками;; 3 — гидрогенератор; 4 — машинный зал; 5 — пути крана для маневрирования ремонтными затворами; 6 — напорные водосбросы; 7 — отводящая камера; 8 — капсула гидрогенератора
На рис. 20.2 приведены графики, позволяющие ориентировочно определить ширину агрегатного блока русловых зданий несовмещенного типа при применении турбинных камер с углами охвата β=180ч-192°. Некоторое уменьшение ширины блока может быть получено увеличением отношения высоты турбинной камеры к ее ширине h/b, а для металлических камер — применением эллиптических форм поперечного сечения [43].
В зданиях станций совмещенного типа (рис. 20.1, схема VIII) размещение водосбросов не должно приводить к увеличению ширины блока агрегата. Увеличение ширины допускается лишь в случае, если оно снижает суммарные затраты на строительство здания станции и водосливной плотины. Для обеспечения равномерного режима в нижнем бьефе при работе водосбросов иногда уменьшают угол охвата β турбинных камер до 135 — 160°, что позволяет расположить агрегат по оси блока.
Отсасывающая труба в этом случае также симметрична. Как показали исследования, это не ухудшает ее энергетических показателей.
Размещение в пределах агрегатной части здания станций водосбросных сооружений приводит к усложнению ее конструкции: появляется большое число тонкостенных элементов, усложняются пазовые конструкции и увеличивается их число. При этом также возрастают гидродинамические нагрузки, действующие на здание станции.
Рис. 20.2. Графики для ориентировочного определения ширины агрегатного блока В здания станции:
а — русловые несовмещенные здания; б — приплотинные здания и здания деривационных станций; на нескальном основании; ---------------------на скальном основании
В зданиях станций среднего и высокого напора (рис. 20.1, схема III) применяются, как правило, металлические турбинные камеры кругового сечения. При средних напорах размеры турбинной камеры определяют размеры агрегатного блока. В этом случае агрегат располагается несимметрично относительно оси блока.
С увеличением напора и уменьшением расходов размеры спиральной камеры и отсасывающей трубы существенно уменьшаются. В этом случае расстояние между осями смежных агрегатов и размеры агрегатной части здания в значительной степени зависят от размеров гидрогенератора и расположения вспомогательного оборудования.
Металлическая турбинная камера круглого сечения имеет угол охвата β=345ο-:-350°.
Ширина агрегатного блока приплотинных зданий и зданий деривационных станций, на которых установлены вертикальные радиально-осевые (или диагональные) гидромашины, всегда определяется размерами турбинной камеры и составляет не менее (4,0-4,1). Некоторое дополнительное уменьшение ширины блока может быть достигнуто применением спиральных камер, имеющих ромбовидное или овальное (равнопрочное) сечение. Однако изготовление таких камер более сложно.
Длина изогнутой отсасывающей трубы обычно не превышает (3,5 — 4,0)D1 однако в некоторых случаях (см. рис. 17.3) может достигать (8-10).
При применении вертикальных конических отсасывающих труб, что имеет место на высоконапорных деривационных станциях с агрегатами малой или средней мощности (рис. 20.1, схема IV), а также раструбных труб, которые могут применяться при любых напорах и типах турбин, для отвода воды устраивается отводящий канал прямоугольного сечения с напорным или безнапорным режимом работы. Принято считать, что при раструбных трубах ширина блока должна быть не менее 0,4D, однако, как показали исследования, она может быть значительно сокращена без ухудшения энергетических показателей агрегата. Так, для поворотно-лопастной турбины средней быстроходности с раструбной отсасывающей трубой ширина агрегатного блока может быть уменьшена до (2,7-2,8)D1 без снижения КПД и мощности турбин, а при снижении КПД лишь на 0,1 — 0,15% —даже до 2,6.
Для уменьшения нагрузок, действующих на раструб, устраивается несколько опорных бычков, передающих нагрузку на фундаментную плиту, которые, однако, ухудшают энергетические показатели турбины за счет дополнительных потерь.
Агрегатная часть зданий ГЭС, в которых установлены активные турбины (рис. 20.1, схема V) существенно отличается от всех рассмотренных ранее вариантов: отсутствуют турбинные камеры и отсасывающие трубы. Имеются напорный распределительный трубопровод (коллектор), заканчивающийся соплами, и безнапорная отводящая камера, которая располагается таким образом, чтобы сохранить безнапорный режим при всех колебаниях уровня воды в нижнем бьефе. На рис. 20.1 (схемы VI и VII) показаны агрегатные части здания с капсульными агрегатами, которые используются при относительно малых напорах.
В отсасывающей трубе устанавливаются ремонтные затворы, используемые при откачке воды из проточной части агрегата.
Рис. 20.3. Возможные варианты расположения ремонтных затворов:
1 — паз затворохранилища; 2 — железобетонная балка-пробка для закрытия отверстия в перекрытии диффузора отсасывающей трубы; 3 — затвор напорных водосбросов; 4 — эстакада для размещения мостового перехода; 5 — кран для маневрирования ремонтными затворами
В совмещенных зданиях станций затворы напорных водосбросов также располагаются со стороны нижнего бьефа (схема III). Маневрирование затворами осуществляется при помощи специальных кранов или лебедок, перемещающихся вдоль фронта здания (схемы I, II и III). При достаточном возвышении площадки со стороны нижнего бьефа над максимальным уровнем воды лебедка устанавливается под ней и перемещается по специальным балкам через прорези в бычках (схема 2). Установка в сжатом сечении отсасывающих труб быстродействующих затворов, снабженных гидроподъемниками, несмотря на несколько меньшую их стоимость по сравнению с установкой аварийно-ремонтных затворов в ВБ не нашла распространения из-за значительного давления, возникающего в отсасывающей трубе при их опускании, и больших динамических нагрузок на гидромашины.
При значительной длине отводящего диффузора отсасывающей трубы в целях сокращения длины бычков пазы ремонтного заграждения могут устраиваться в средней части диффузора. Однако для обеспечения нормального гидравлического режима при работе агрегата они должны перекрываться специальной съемной балкой, которая убирается перед опусканием затвора ремонтного заграждения (схема V).
Хранение затворов ремонтных заграждений осуществляется в специальных хранилищах, располагаемых в блоке монтажной площадки или в пазах, параллельных основным пазам заграждения (схема IV). При большом числе агрегатов хранение ремонтных затворов возможно в верхней части основных пазов на специальных упорах.
