Гидроэнергетика СССР - Низко- и средненапорные ГЭС - здания

Глава одиннадцатая
ЗДАНИЯ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
11.1. Низко- и средненапорные ГЭС

В низко- и средненапорных гидроэлектростанциях с напорами примерно до 50 м широкое развитие получили бетонные водосливные плотины, совмещенные с агрегатными блоками ГЭС. В таких компоновках здания ГЭС являются напорными сооружениями, используются для сброса паводков и эксплуатационных расходов водотока и в них кроме турбинных водоводов размещаются также эксплуатационные водосбросы.

Рис. 11.1. Здание Волжской ГЭС имени В. И. Ленина.
1 — сороудерживающее сооружение; 2 — металлический шпунт; 3 — донный водосброс; 4 — горизонтальный дренаж; 5 — рабочий затвор водосброса.

Рис. 11.2. Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС.
1 — водосбросные галереи; 2 — сороудерживающие сооружения; 3 — металлические шпунты; 4 — железобетонная плита понура; 5 — суглинок; 6 — песок; 7 — крепление понура железобетонными плитами; 8 — двухслойный дренаж.

Рис. 11.3. Здание Каховской ГЭС.
1 - фундаментная плита; 2 - металлический шпунт; 3 - донный водосброс; 4 - железобетонный мост.

Рис. 11.4. Здание Учкурганской ГЭС.
1 — паз аварийно-ремонтного затвора турбины; 2— ледозащитная стенка; 3 — сороудерживающая решетка; 4 — паз аварийно-ремонтного затвора водосброса.

Рис. 11.5. Здание Головной ГЭС.
1 — донный водосброс; 2 — поверхностный водозабор; 3 — ленточный дренаж из галечника; 4 —  водобой.

Могут быть выполнены следующие конструктивные решения совмещенных ГЭС:

1. с донными водосбросами ниже спиральной камеры над отсасывающими трубами — Новосибирская, Волжская имени В. И. Ленина и Волжская имени XXII съезда КПСС, Каховская (рис. 11.1—11.3), Тюя- Муюнская;
2. с донными водосбросными галереями и высоким водозабором турбинных водоводов — Учкурганская, Головная, Чебоксарская (рис. 11.4, 11.5);
3. с напорными водосбросными галереями выше спиральной камеры (между генератором и спиральной камерой) — Иркутская, Саратовская, Дубоссарская (рис. 11.6, 11.7);
4. водосливные с вертикальными агрегатами и наружным козловым краном - Камская, Кайраккумская (рис. 11.8);
5. водосливные с горизонтальными капсульными агрегатами и наружным козловым краном - Киевская, Каневская, Череповецкая (рис. 11.9);
6. водосливные с вертикальными агрегатами и внутренним мостовым краном - Павловская, Плявинская (рис. 11.10, 11.11);
7. бычковые - Ортачальская.

Рис. 11.6. Здание Иркутской ГЭС.
1 — ось железной дороги; 2 — ось автодороги; 3 — два мостовых крана; 4 — козловой кран; 5 — водосброс; 6 — аварийный затвор; 7 — ремонтный затвор водосброса; 8 — бетонный понур.

Совмещение здания ГЭС с водосбросными устройствами позволяет существенно сократить длину водосливных плотин, а в некоторых случаях и вовсе исключить их. Так, пропускная способность водосбросных галерей над спиральными камерами Иркутской, Павловской, Камской и Плявинской ГЭС оказалась достаточной для пропуска расчетного сбросного расхода через гидроузлы без устройства водосливной плотины. Длина водосливной плотины Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС была уменьшена на 1/3 за счет устройства донных водосбросных галерей, совмещенных со зданием ГЭС, при этом через здание может быть сброшено 50% наибольшего расчетного расхода весеннего половодья (30 000 м³/с). На Новосибирской ГЭС при наличии донных водосбросов достигнуто сокращение на 50% длины водосливной плотины. Уменьшение длины бетонных сооружений позволило в ряде случаев разместить их на ограниченной по протяженности площадке коренных пород в створе, уменьшить размеры котлованов, сократить затраты на водоотлив, транспортные коммуникации и др.
Большинство совмещенных ГЭС осуществлено с напорными водосбросами над отсасывающими трубами (Новосибирская, Волжские им. В. И. Ленина и XXII съезда КПСС, Каховская, Учкурганская, Чебоксарская, Головная). Опыт их эксплуатации показал, что при наличии донных водосбросов обеспечиваются благоприятные гидравлические режимы в водоприемниках и в нижнем бьефе и создаются условия для промыва наносов, отлагающихся перед водозаборными отверстиями турбин. В этих условиях компоновки с донными водосбросами над отсасывающими трубами и с поверхностными водозаборами для турбинных водоводов (Учкурганская ГЭС на Нарыне, Головная ГЭС на Вахше, Чебоксарская ГЭС на Волге и др.) эффективны на реках с большим количеством наносов.

Рис. 11.7. Здание Дубоссарской ГЗС.
1 — водосброс; 2 — дренаж; 3 — металлический шпунт; 4 — пониженный машинный зал; 5 — понур.

Рис. 11.8. Здание Кайраккумской ГЭС.
1 — металлический шпунт; 2 — понур; 3 — затвор поверхностного водосброса; 4 — наружный козловой кран.

Учкурганская ГЭС построена на Нарыне, которая характеризуется неравномерностью стока (во время весенне-летнего паводка по реке проходит 60—70% стока), значительным твердым стоком и тяжелым шутовым режимом. Основанием бетонных сооружений являются конгломераты. В каждом блоке гидроагрегата размещены по два донных водосброса с пропускной способностью по 350 м³/с. Галереи донных водосбросов оборудованы ремонтным затвором с верховой стороны и рабочим затвором с низовой. Водосбросы используются в качестве донных промывных галерей. Порог водоприемника расположен на высоких отметках, исключающих попадание наносов. После нескольких лет эксплуатации установлено хорошее состояние проточной части турбин, она была отшлифована, но не потерта наносами. Совмещенная ГЭС Головного гидроузла на Вахше имеет шесть донных водосбросных отверстий шириной по 4 м, высотой 5,5 м, рассчитанных на пропуск 2658 м/с.
Компоновки совмещенных ГЭС с водосбросными напорными галереями, расположенными между генератором и турбиной над спиральной камерой (Иркутская и Дубоссарская ГЭС), имеют эксплуатационные недостатки: отделение машинного зала от турбин водосбросными галереями усложняет эксплуатацию и затрудняет размещение в турбинных блоках оперативных и служебных помещений; несколько удлиняется вал генератора; водосбросы пропускают эксплуатационные расходы лишь при высоких уровнях воды в верхнем бьефе. 

Рис. 11.9. Здание Киевской ГЭС.
1 — металлический шпунт; 2 — капсульный агрегат; 3 — дренаж; 4 — наружный козловой кран

Рис. 11.10. Здание Павловской ГЭС.
1 — цементационная завеса; 2 — глубинный дренаж; 3 — ремонтный затвор нижнего бьефа; 4 — затвор водослива.

Кроме того, имела место фильтрация воды через стенки напорных водосбросных галерей в шахты турбин и подгенераторные помещения. В дальнейшем эти типы совмещенных ГЭС не применялись.
На некоторых находящихся в эксплуатации зданиях гидроэлектростанций поверхностные водосбросы размещены над машинными залами с вертикальными агрегатами (Павловская и Плявинская ГЭС). Плявинская ГЭС (рис. 11.11) возведена на суглинках и супесях с линзами внутриморенных песков. Здание ГЭС безбычковое, совмещенного типа с поверхностным водосбросом (10 пролетов по 14 м), имеет размеры в плане 64,7X213,5 м. Применение безбычкового типа водосливного здания гидроэлектростанции позволило уменьшить удельные расходы на сходе с водослива и расположить под водосливной плитой рядом с машинным залом главные трансформаторы и автодорожный переход. Железобетонные подкрановые балки пролетом 18 м выполнены с предварительным напряжением продольной арматуры и хомутов. Для перекрытий использованы несущие сборные железобетонные швеллерные и ребристые балки и армофермы с обетонированными поясами. Подземный контур решен устройством анкерного многослойного дренированного понура и регулируемого дренажа. 

Рис. 11.11. Здание Плявинской ГЭС.
1 — затвор водосброса; 2 — аварийно-ремонтное заграждение; 3 — решетки; 4 — паз ремонтного заграждения нижнего бьефа; 5 — трансформатор; 6 — автомагистраль.

Объем бетона и железобетона по зданию ГЭС составляет 279 тыс. м³. Содержание арматуры в здании ГЭС равно 93,5 кг/м³ бетона и в среднем по гидроузлу 60 кг/м³.
В период строительства водосливных гидроэлектростанций с вертикальными агрегатами и наружным эксплуатационным козловым краном (Камской, Кайраккумской ГЭС) горизонтальные капсульные агрегаты находились еще только в стадии разработки. Между тем по геологическим условиям в створе Камской ГЭС требовалось возможно меньше заглубить подошву сооружения из-за наличия в основании известковомергелистых пород, ниже которых на глубине 40 м располагаются гипсы и ангидриды. Это побудило принять малые диаметры турбин. Учитывая небольшие напоры (13—15 м) и стесненность расположенных под водосливом помещений для агрегатов, эксплуатационный козловой кран вынесли наружу; он обслуживает агрегаты через люки со съемной крышкой, расположенные на гребне водослива. Кайраккумская ГЭС (рис. 11.8) построена по аналогии с Камской из-за тождественности напоров и параметров агрегатов.
В настоящее время освоены и применяются горизонтальные капсульные агрегаты, при использовании которых упрощается проточная часть агрегата и вся строительная часть и уменьшается ширина агрегатного блока поперек течения. Эти агрегаты применены на Киевской, Каневской, Череповецкой гидроэлектростанциях. Пропуск паводков предусмотрен через водосливы над агрегатами. Заглубление агрегатов под горизонт нижнего бьефа позволяет осуществить водосливы с большой пропускной способностью. Особенностью компоновки зданий гидроэлектростанций с капсульными агрегатами большой мощности является крытая аванкамера, улучшающая гидравлические условия обтекания потоком капсулы, и бычок под агрегатами, обеспечивающий удобный подступ к агрегату снизу из турбинного помещения. При строительстве гидроузлов с капсульными агрегатами в зданиях ГЭС упрощается пропуск строительных расходов.
На Киевской ГЭС (рис. 11.9) мощностью 350 МВт с расчетным напором 7,7 м установлено 20 капсульных агрегатов с поворотнолопастными турбинами. Порог водослива образуется перекрытием над помещением выводов генераторов, съемной крышкой над агрегатами и перекрытием над помещением маслонапорных установок. Рабочий затвор водослива одновременно является аварийно-ремонтным затвором турбины. Сопоставление вариантов Каневской ГЭС с капсульными и обычными вертикальными агрегатами показало, что объем железобетона на 30% и строительная стоимость на 10 % меньше в варианте с капсульными агрегатами. Недостаток последних — малая инерция генераторов, что снижает регулирующие возможности станций с такими машинами. В настоящее время ведутся дальнейшие исследования, направленные на улучшение конструкций капсульных агрегатов.
Применение встроенных в водослив зданий ГЭС как с вертикальными, так и с горизонтальными агрегатами позволяет уменьшить объемы бетона в напорных сооружениях гидроузлов, сохраняя при этом благоприятные гидравлические режимы в нижнем бьефе при пропуске строительных и эксплуатационных расходов. Скорость воды в водосбросных отверстиях составляет 9—13 м/с.
В отдельных случаях по компоновочным и другим условиям здания низконапорных гидростанций выполняются несовмещенными, (здания Кременчугской, Днепродзержинской ГЭС и др.). Бетонные плотины Кременчугского и Днепродзержинского гидроузлов, располагаемые на скальных основаниях, имеют обжатые профили, и экономически было нецелесообразно увеличивать кубатуру плотины для расположения в ней агрегатных блоков (рис. 11.12).

Рис. 11.12. Здание Кременчугской ГЭС.

Обследованиями установлена в целом нормальная работа, но выявлены некоторые эксплуатационные недостатки низко- и средненапорных русловых и совмещенных ГЭС, среди которых можно назвать следующие:

1. отдельные местные кавитационные разрушения бетона (наблюдались кавитационные повреждения дна и потолка донных водосбросов здания ГЭС на Волжской ГЭС имени В. И. Ленина при пропуске паводка 1956—1957 гг. и на других объектах);
2. забрасывание воды под кромку водослива в зону передвижения козлового крана в нижнем бьефе и неудачное расположение переключательных пунктов 330 кВ в зоне аэрации потока (Плявинская ГЭС); брызгообразование в нижнем бьефе на некоторых ГЭС;
3. частичное засорение горизонтальных и вертикальных дренажей в основании плотины и конструкций в нижнем бьефе;
4. коррозия арматуры вследствие наличия электрических и магнитных полей, воздействующих на поровую воду;
5. размывы в нижнем бьефе преимущественно вследствие недостаточного гашения энергии потока (повреждения в 1955—1957 гг. и в 1969 г. в нижнем бьефе гибкой рисбермы Дубоссарской ГЭС, местный размыв в 1956—1979 гг. в нижнем бьефе Каховской ГЭС и др.).
6. короткая труба (Н—1,9D) Каховской ГЭС обусловила незначительное снижение к. и. д. турбины и усилила кавитацию лопастей рабочего колеса.

Следует отметить распространение за рубежом русловых гидроэлектростанций бычкового типа (в Югославии, Австрии, Франции, ФРГ), так как на реках, влекущих значительное количество наносов, при таком расположении ГЭС улучшается гидравлический режим в бьефах и уменьшаются потери напора в водоприемной части ГЭС. Экономично запроектирована ГЭС бычкового типа Уэллс (штат Колумбия в США) установленной мощностью 870 МВт и напором 30 м, в бычках плотины которой расположено 10 агрегатов, расчетный расход в паводок составляет 33 400 м³/с; объем бетонных работ по гидроузлу 450 тыс. м³. В большинстве бычковых ГЭС применяются общие козловые краны и устраиваются съемные крышки над генераторами. На Краснополянском гидроузле на р. Мзымте, сооруженном в 1946—1950 гг., в бычках водосливной плотины устроены водоприемные отверстия, через которые вода подается в отстойник, деривацию и к деривационному зданию ГЭС. На р. Куре сооружена небольшая бычковая русловая Ортачальская ГЭС с пониженным машинным залом. Большинство бычковых ГЭС сооружено с вертикальными агрегатами.
Серьезной проблемой для низконапорных ГЭС являются: очистка сороудерживающих решеток водоприемника гидроэлектростанции и борьба с потерями напора на решетках. Большинство сороудерживающих решеток на русловых ГЭС расположено в обжатой части водоприемника, что уменьшает их рабочую площадь и увеличивает потери напора на чистых решетках. Скорости перед решетками при этом составляют 0,8—1,2 м/с. Однако скорости больше 1,0 м/с нежелательны, так как затрудняют очистку решеток. Для уменьшения потерь напора на решетках существуют различные пути: увеличение их площади, применение для стержней специальных (каплеобразных) профилей обтекаемой формы, усовершенствование очистки от сора и др.
В настоящее время устраиваются специальные сороудерживающие сооружения — СУС (Волжские ГЭС имени В. И. Ленина и имени XXII съезда КПСС, Боткинская ГЭС), которые обеспечивают надежную защиту ГЭС от плавающих тел, сора и топляков, при этом решетки СУС очищаются без остановки гидроагрегатов ГЭС. Потери напора на решетках СУС значительно меньше, чем на турбинных решетках, установленных внутри водоприемника гидростанции. Так, потери напора на решетках Каховской ГЭС составляют 0,26 м, Камской ГЭС 0,3 м, Кайраккумской ГЭС 0,45 м, Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС 0,08 м.
Существенным недостатком некоторых отдельно стоящих сороудерживающих сооружений являются их большие размеры, обусловливающие повышение стоимости строительства. Указанный недостаток в значительной мере устранен на Боткинской ГЭС, на которой бычки СУС и бычки ГЭС объединены друг с другом, причем между объединенными бычками оставлены проемы длиной 6,5 м (рис. 11.13). В таком водоприемнике в период очистки решеток отверстия между бычками зашандориваются, а подвод воды к гидроагрегатам осуществляется с помощью бокового перетока воды через проемы в удлиненных бычках, что позволяет производить очистку решеток без остановки агрегатов ГЭС. В описанном выше «надвинутом» СУС увеличение объема бетона незначительно и оно экономически оправдывается снижением потерь напора на чистых решетках и повышением электрической отдачи ГЭС. Решетки Боткинской ГЭС удалены на расстояние 32,8 м от оси агрегатов, скорость воды на решетках составляет 0,8—0,9 м/с; для решеток Волжских ГЭС имени Ленина и имени XXII съезда КПСС эти параметры составляют соответственно 94,5 м и 1 м/с, 122 м и 0,91 м/с.

Рис. 11.13. Здание Воткинской ГЭС.
1 — прорези в бычках; 2 — пазы в бычкax; 3 — анкерный понур.

Выбор положения решеток определяется соображениями экономичности и эффективности очистки механическими средствами. Обычно более удобную для очистки наклонную решетку применяют, когда это не вызывает увеличения строительных объемов водоприемной части турбинного блока, определяемых гидравлическими и конструктивно-компоновочными требованиями, не связанными с решеткой.
В зданиях низконапорных гидроэлектростанций главные повышающие трансформаторы обычно устанавливаются у стен машинного зала со стороны нижнего бьефа над отсасывающими трубами, что обеспечивает экономичную надежную компоновку основного оборудования и упрощает работы по кровле корпуса.