Г Л А В А 27
ОТСТОЙНИКИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ОТСТОЙНИКОВ
Назначение отстойников. Реки, особенно горные, во время паводка перемещают значительное количество донных и взвешенных наносов. Крупные наносы, попадая в сооружения гидроэлектростанций, оседают в водоводах и уменьшают их пропускную способность. Взвешенные наносы истирают облицовки деривационных и станционных водоводов, а также рабочие элементы гидротурбин. Абразивный износ турбин приводит к значительному падению их КПД, а следовательно, к снижению мощности и выработки энергии гидроэлектростанции, к сокращению срока службы гидротурбинного оборудования.
С целью уменьшения ущерба, вызываемого наносами, при проектировании ГЭС предусматриваются меры по защите сооружений и оборудования от проникновения в них опасных фракций наносов.
Для плотинных схем гидроэлектростанций с большими водохранилищами каких- либо мер или сооружений по борьбе с наносами не требуется, так как опасные фракции наносов оседают в водохранилищах. В деривационных схемах ГЭС с низконапорными головными узлами защита от донных и придонных наносов осуществляется в водоприемниках (см. гл. 26), а очистка воды от опасных фракций взвешенных наносов производится в отстойниках.
Отстойник представляет собой безнапорное сооружение со значительно увеличенными размерами живого сечения по сравнению с деривацией. В отстойнике вода движется с небольшими скоростями, что приводит к осаждению в нем взвешенных фракций наносов. Осевшие наносы удаляются периодически по мере накопления или непрерывно.
Обоснование целесообразности строительства отстойника. Затраты на строительство отстойника являются весьма значительными и составляют иногда 20 — 25 % капиталовложений в сооружения ГЭС. Поэтому целесообразность строительства отстойника должна обосновываться технико-экономическими расчетами. Для этого затраты на устройство отстойника сопоставляют с затратами на очистку сооружений от наносов и на ремонт турбин, которые потребуются при отказе от строительства отстойника. Кроме того, должны быть учтены потери выработки энергии за счет снижения КПД турбин в результате их абразивно: го износа. При отсутствии отстойника основные детали турбин изготовляются из износостойких сталей и производится более частая периодическая замена изношенных элементов (ремонт) турбин. При большом содержании в потоке мелких фракций наносов изготовление турбин из износостойких сталей иногда рекомендуется даже при наличии отстойника.
Сооружение отстойника предусматривается при содержании в потоке наносов свыше 0,5 кг/м3 или при количестве опасных для турбин фракций свыше 0,2 кг/м3. Опасными считаются фракций с диаметрами частиц 0,25 мм и более для абразивных частиц (кварц) и свыше 0,4 мм для более мягких частиц. Однако опыт эксплуатации отстойников показал, что значительный абразивный износ гидротурбин наблюдается и при более мелких частицах (0,1 — 0,05 мм) при большом их количестве в потоке.
Отстойник располагается, как правило, в головном узле гидроэлектростанции. Его входной порог совмещается с водоприемником или располагается непосредственно за ним. При неблагоприятных топографических условиях он может размещаться на деривационном канале на некотором удалении от головного узла. В очень редких случаях отстойник совмещается с напорным бассейном ГЭС.
Принцип работы отстойника. Предположим, что в какой-то момент времени частица наносов находится в точке М сечения 1 — 1 отстойника (рис. 27.1). Под действием силы тяжести она опускается со скоростью w, равной скорости ее падения в неподвижной воде, называемой гидравлической крупностью. Одновременно частица движется вместе с потоком со средней горизонтальной скоростью
(27.1)
где Q — расход отстойника; сраб — число работающих камер; Вкам и h0 — соответственно ширина и рабочая (расчетная) глубина потока в рассматриваемом сечении камеры.
Результирующая (абсолютная) скорость ее. движения направлена под некоторым углом к горизонту. Таким образом, перемещаясь вдоль отстойника, частица одновременно опускается. Если бы горизонтальная скорость в отстойнике была постоянной по глубине, то траекторией движения частицы без учета турбулентности потока являлась бы прямая линия, направленная под некоторым утлом к горизонту. В действительности скорости у поверхности и дна меньше, чем в средней по высоте части потока. Поэтому осредненная траектория движения наносов близка по форме к штрих-пунктирной кривой, изображенной на рис. 27.1. С увеличением v (при том же значении w) траектория движения частицы становится более пологой, длина пути 1, необходимого для ее осаждения, увеличивается, и наоборот. Обратная картина наблюдается при изменении гидравлической крупности w (при постоянной величинеvи): чем больше w, т. е. чем крупнее частицы наносов, тем меньше длина пути l, на которой они опускаются с той же высоты на дно отстойника.
Турбулентность потока в отстойнике вызывает перемещения небольших объемов воды в произвольных направлениях (рис. 27.1). В результате этого в потоке появляются пульсационные составляющие скорости, направленные в разные стороны. Они изменяют направления и величины скоростей движения частиц наносов по сравнению с теми, которые были бы при отсутствии турбулентности. Поэтому действительные траектории движения наносов имеют не плавный, а зигзагообразный характер.
Наиболее неблагоприятными для осаждения наносов являются вертикальные пульсационные составляющие скоростей, направленные вверх.
Типы отстойников и их конструкции
Рис. 27.1. Основные конструктивные элементы отстойника:
1 — соединительный пли деривационный канал; 2 — распределительный канал; 3 — входной порог отстойника; 4 — камеры отстойник»; 5 — переходный участок; 6 — разделительные стенки; 7 — выходной порог; 8 — собирательный канал; 9 — деривационный канал; 10 — промывные галереи; 11 — промывной коллектор; 12 — промывной канал; 13 — затворы промывных галерей; 14, 15 — пазы затворов на входе в камеры и выходе из них; 16 — пазы ремонтного затвора
Распределение наносов в отстойнике. По глубине потока наносы распределяются, как правило, неравномерно. Наибольшее количество их содержится в нижних слоях, при этом средний размер частиц также увеличивается от поверхности потока ко дну отстойника. Таким образом, основная часть наносов, включающая фракции с большими значениями гидравлической крупности, находится в нижних и средних слоях потока. Это уменьшает высоту необходимого вертикального перемещения, а следовательно, и длину пути осаждения основной массы наносов, поступающих в отстойник.
По длине отстойника количество взвешенных наносов в потоке, а следовательно, и его мутность уменьшаются. В выходной, нижней части отстойника во взвешенном состоянии находятся те наносы, которые не выпали в пределах отстойника. Их количество в потоке обычно характеризуется транспортирующей способностью потока. Эти оставшиеся, невыпавшие наносы, пройдя через отстойник, попадают в расположенные ниже водоводы, а затем в турбины. При проектировании отстойника количество выносимых за пределы отстойника наносов, в том числе и фракций, опасных для турбин, устанавливается расчетам.
Рис. 27.2. Схемы отстойников ГЭС:
а — периодического действия, многокамерный, с периодическим промывом осевших насосов; б — непрерывного действия, однокамерный с непрерывным гидравлическим промывом оседающих наносов; в —поперечный разрез по двухкамерному отстойнику непрерывного действия; г — поперечный разрез по отстойнику с широкими камерами; д — то же по отстойнику с непрерывным промывом наносов через продольные сборно-промывные галереи со щелевой формой донных отверстий; е — поперечный разрез по однокамерному отстойнику с непрерывным удалением наносов землесосами; ж — с периодической комбинированной системой удаления наносов; 1 — входной порог; 2 — выходной порог; 3 — камера; 4 — мертвый объем; 5 — промывная галерея; 6 — сборно-промывная галерея; 7 — решетка; 8 — землесосы; 9 — лоток; 10 — грязевой лоток; 11, 12 — затворы на входном и выходном порогах; 13 — работающие камеры; 14 — сборный колодец; 15 — насос
Непрерывный гидравлический промыв отстойников с камерами непрерывного действия нашел наиболее широкое применение. На рис. 27.2,б,в изображены схемы отстойников данного типа. Конструкция отстойника с камерами непрерывного действия и гидравлическим способом удаления наносов приведена на рис. 27.4.
В средней части дна камеры вдоль отстойника устраивается сборно-промывная галерея небольшого сечения, которая сверху перекрывается специальной (рис. 27.4) горизонтальной решеткой. В галерее устанавливается напорное движение с постепенно увеличивающимся промывным расходом вдоль нее. Наносы поступают через просветы донной решетки в сборно-промывную галерею и через промывную галерею, расположенную в выходном пороге, отводятся в русло реки.
Увеличение ширины камер отстойника (рис. 27.2,г) приводит к уменьшению его стоимости благодаря сокращению числа раздельных стенок, а в некоторых случаях и затворов. Однако в таких конструкциях труднее обеспечить равномерное распределение скоростей по ширине камеры.
Иногда на дне отстойников устраивают двусторонние скаты, под которыми размещают сборно-промывные галереи (рис. 27.2,б). Наносы вместе с промывным расходом через продольные щелевые отверстия поступают в галереи и отводятся в реку. Существенным недостатком подобных конструкций является опасность полного завала сборно-промывных галерей наносами в маловодные периоды года, когда отстойник промывается лишь периодически.
Кроме описанных выше имеются и другие конструкции отстойников, например с вертикальными промывными шахтами или с донными промывными отверстиями. В отстойниках с непрерывным гидравлическим промывом камер удаление наносов осуществляется без опорожнения камер и они могут применяться при сравнительно небольшом напоре на головном узле ГЭС.
Гидромеханическое удаление наносов из отстойника непрерывного действия с помощью землесосов насосного типа, установленных на подвижной ферме, изображено на рис. 27.2,е. Могут применяться также землесосы сифонного типа и плавающие земснаряды. Такие отстойники имеют ряд существенных достоинств.
