Эксплуатация деривационных ГЭС

Н.Н. Ягодин
ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ ДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА    1955 ЛЕНИНГРАД
Книга включает в себя два раздела.
В первом разделе рассматриваются затруднения в наладке водного режима, вызывающие снижение выработки электроэнергии вследствие значительных потерь напора и расхода воды, и описываются мероприятия по борьбе с этими затруднениями. Наладка эксплуатационных режимов анализируется с точки зрения минимальных потерь воды.
Во втором разделе обобщается опыт наладки эксплуатационных режимов на действующих гидростанциях.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
БОРЬБА С ЗАТРУДНЕНИЯМИ В НАЛАДКЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМОВ
Глава I
ИСТОЧНИКИ ПОТЕРЬ НАПОРА

§ 1. Несовпадение проектных значений коэффициентов шероховатости с натурными

Натурные проверки коэффициентов шероховатости облицовок деривации говорят о случаях частого превышения их значений над принятыми в проекте.
Данные по сопоставлению проектных и полученных в натуре значений коэффициентов шероховатости, приведенных в книге С. Я. Вартазарова,  дополнены результатами наблюдений (табл. 1 и 2).
Таблица 1

7
Примечание. В №6 приведено среднее из пяти значений п; в № 7 — среднее из трех значений п.

В табл. 2 даны значения п для различных типов облицовки.
Таблица 2

Примечание. В № 5 приведены значения п для прямоугольного и трапецоидального железобетонных лотков; в № 6 — среднее из четырех значений п. В № 7 дано значение п, полученное для трех расходов воды, измеренное в земляном канале. Значения п для земляного канала отличаются друг от друга лишь в четвертых знаках. Участок измерений — прямой, длиной 1325 м; уклон дна канала — 0,00324; ширина по дну 12 м; откосы 1: 3; канал пропускает до 125 м³/сек; грунты песчано-гравелистые, планировка участка измерений произведена обычным и многочерпаковым экскаватором, бульдозером; поверхность откосов имеет на каждые 100 м³ — 4 впадины шириной 1 — 1,5 м, глубиной 10 — 20 см; значительная площадь откосов поросла травой. Определение п произведено через месяц после пуска воды в канал.         
Фактическое увеличение проектных потерь напора по деривации обычно имеет место из-за некачественного выполнения облицовки (выступы уплотнений швов, выступы плит облицовки, неплавные сопряжения облицовки откосов разных уклонов и т. д.). Можно отметить и такой, например, случай, что в железобетонном лотке деривации Майкопгэс осталась неубранной проволока для торкрета, на которой оседал сор.
Испытания пропускной способности напорного деривационного трубопровода длиной 8,7 км, диаметром 3,25 м на Ульбагэс показали, что фактические потери в нем превышают расчетные на 50%. 

Основной причиной больших потерь является плохое качество соединительных язычков и неравномерные осадки опор; вследствие этого торцы клепки выступают внутрь трубы. Вторая причина заключается в том, что, вследствие плохой защиты. водоприемника, наносы проникают в трубопровод и откладываются там на значительной части его поверхности.
Необходимо также отметить, что на строительствах не всегда, ведется надлежащий контроль за качественным выполнением работ (поверхности температурных швов, качество торкрета, качество заглаживания облицовки в напорных туннелях, работающих при больших скоростях, общее состояние облицовки и т. п.).
В случае извилистого в плане деривационного канала, в литературе имеются указания о необходимости увеличения общего для всего канала коэффициента шероховатости на 0,001—0,002. Несомненно, что на поворотах на величину потерь оказывают влияние радиус закругления, скорости и размеры поперечного сечения канала. При одном и том же значении скорости и радиуса закругления потери на повороте будут тем больше, чем меньше живое сечение канала, так как в этом случае относительное сжатие живого-, сечения будет больше, нежели в большом канале.
К выбору значений коэффициента шероховатости для каналов. незначительной площади живого сечения надо подходить с большой осторожностью. Поток воды в таких каналах весьма чувствителен к малейшим неровностям облицовки.
Коэффициент шероховатости каналов с течением времени может меняться. Так, на Загэс коэффициент шероховатости с 0,014 повысился до 0,017. На не затертом торкрете с течением времени может уменьшиться шероховатость, если в деривацию поступает вода значительной мутности (g > 1,5 кг/м³).

§ 2. Ошибки в подсчете местных потерь напора

Местным потерям напора в отдельных сооружениях и в их частях в проектах уделяется недостаточное внимание; выполняемые теоретические подсчеты дают заниженные значения.
Сопряжение участков деривации разного сечения в форме обратных крыльев и ныряющих стенок, вместо плавных сопряжений косыми плоскостями, вызывает излишние потери напора. Так, на Орджоникидзегэс крайне неудачное сопряжение, выполненное в виде двух сходящихся ныряющих стенок от ширины по дну 5 м в прямоугольном лотке до 2 м в трапецеидальном канале, приводит к значительным потерям напора; сужение потока вызывает подпор в лотке до 0,48 м при расходе 35 м³/сек (73% от расчетного). Сопряжение потока лотка с каналом носит бурный характер, с вальцами у откосов переходного участка и с веерообразным прыжком в начале канала.
Достаточно часто встречаются ошибки в подсчете по формуле- местных потерь (входы, выходы, расширения, особенно повороты потоков со значительными скоростями 1 м/сек).

Обычно ошибка состоит в том, что при определении средней скорости живое сечение потока приравнивается геометрическому сечению. Таким образом, при определении живого сечения игнорируется неизбежное сжатие потока при неплавных изменениях его размеров; при таком сжатии происходит образование вальцов, уменьшающих рабочее сечение потока.
При входе в безнапорный водовод длиной 90 м (Орджоникидзе-ГЭС) наблюдается резкий спад уровня на 0,56 м. Большие потери объясняются недостаточно плавным оформлением входа потока в трубу косыми плоскостями. Вход в водовод происходит на кривой малого радиуса с поверхностным прыжком, с отходом потока к одной стороне водовода и с образованием вальца у другой.
В качестве еще одного примера расхождения фактических и проектных потерь мы можем привести результаты гидравлических исследований подводящей и отводящей дериваций, выполненных ВНИИГ для одной деривационной ГЭС. В водоприемнике этой ГЭС не учтены потери за бычком при восстановлении скоростного напора; поэтому здесь фактические потери больше проектных на 0,10-0,14 м. В канале за туннелем занижены потери на 0,05—0,16 м; увеличение потерь напора объясняется повышенной шероховатостью и большими потерями на переходных участках. Переходные участки, имеющие прямые углы, не обеспечивают плавного сопряжения потока. В пределах напорного бассейна почти не наблюдается предусмотренное проектом восстановление скоростного напора от 0,32 м при минимальной и до 0,18 м при максимальной отметке уровня верхнего бьефа. Незначительное восстановление следует объяснить своеобразным влиянием на поток клинообразного быка, разделяющего пополам аванкамеру напорного бассейна. В результате всех приведенных причин уровень воды в напорном бассейне ниже проектного на 0,4—0,5 м, что дает увеличение потерь в деривационном тракте на 5%.
В отводящей деривации этой ГЭС не учтены потери напора на выходе из отсасывающих труб турбин в безнапорный коллектор, где неизбежен беспорядочный поток, хотя величина этих потерь существенна (около 0,3 м). Занижены: местные потери на переходном участке от отводящего туннеля к открытому каналу, потери напора на необлицованном участке канала (с валунами) и на выходе потока в озеро. Здесь имеет место неудачное сопряжение концевого участка канала, вследствие чего поток выходит в озеро с большими скоростями (внезапное расширение).
Суммарные фактические потери напора в отводящей деривации составляют 3—3,5 м в зависимости от уровня воды в озере и превышают проектные приблизительно на 20% (0,6 м). Таким образом, фактические потери напора по всей деривации (подводящей и отводящей) больше расчетных по абсолютной величине на 0,8 м, что составляет 1% потери от расчетного напора ГЭС.
Обращают на себя внимание недопустимые потери на головном регуляторе деривационного канала Загэс. Перепад уровня воды на регуляторе при расчетном расходе достигает 0,6 м, что составляет больше половины потерь по всему трехкилометровому каналу. Причины таких потерь заключаются в следующем. Регулятор сравнительно небольшой ширины (29 м) имеет четыре пролета по 5,75 м и забральную балку, опущенную в воду на 3 м. Подобная конструкция регулятора сильно стесняет поток. В то же время она совсем не вызывается нуждами эксплуатации, так как сор перехватывается грубой решеткой водоприемника, а подвижки ледового материала бывают крайне редко. Кроме того, саморегулирующийся канал не нуждается в регулировании расхода в голове. Забральную балку следовало бы убрать.
Ошибки в подсчете потерь напора приводят или к снижению расчетного расхода или к снижению расчетного напора турбин. В последнем случае для сохранения проектной отметки уровня в напорном бассейне, а также и величины расхода воды потребуется соответствующее повышение отметки нормального подпертого уровня в верхнем бьефе и отметок уровней в деривации. Однако это становится возможным обычно лишь после осуществления некоторых строительных мероприятий.

§ 3. Другие причины потерь напора

К источникам потерь напора необходимо также отнести оставляемые иногда строительствами остатки перемычек: например, остатки перемычки котлована здания ГЭС (Днепрогэс) вблизи выхода потока из отсасывающих труб, перемычка в устье отводящего канала Орджоникидзегэс и др.
Вследствие того что дно канала на Орджоникидзегэс не добрано до проектных отметок, уровень воды у отсасывающих труб турбин при расчетном расходе на 0,7 м выше проектного.
Имеет место уменьшение проектной величины напора у турбин Бурджаргэс из-за резкого повышения уровня воды в отводящем канале у отсасывающих труб; по данным испытаний, при расчетном расходе это уменьшение напора составляет 5, 1 %. Такие потери объясняются следующими причинами:
а)  отводящий канал ГЭС длиной 86 м, шириной по дну 12 м по обоим берегам не имел плавного сопряжения с быстротоком, отводящим воды ГЭС и Бурджарского тракта; плавное сопряжение потребовало бы значительных земляных работ по срезке выступа правого берега высотой 17,2 м; один этот выступ уменьшил сечение канала на участке входа в быстроток по сравнению с плавным сопряжением на 18%;
б)   отводящий канал имел обратный уклон;
в)   наличие в голове канала крутого поворота (60°) вызывало в потоке, выходящем из отсасывающих труб со скоростями порядка 5—6 м/сек, значительные потери напора из-за сильного сжатия потока и интенсивных водоворотов.

Заиление деривационного тракта, засорение его селевыми выносами или завал наносами водоприемника (Дзорагэс, Баксангэс и др.) способствуют уменьшению пропускной способности деривации. Интересно отметить, что одна кавказская гидростанция почти в течение двух лет вынуждена была работать в условиях столь значительного завала деривационного канала селевыми выносами, что крупный песок и гравий проникали в напорный бассейн. Затем дирекция станции получила разрешение на опорожнение деривации для очистки канала, несмотря на то, что ГЭС в течение этих двух лет не находилась в промышленной эксплуатации.
Загрязненность решеток, вызываемая, главным образом, несовершенством сороочистных средств, а иногда и неправильным расположением их, также приводит к потерям напора. На многих ГЗС потери от сора на решетках остаются и после паводка, при чистой воде, так как придонные секции решеток очищаются весьма трудно. Так, на одной из ГЭС постоянные дополнительные потери напора от сора в межень на решетках водоприемника при расчетном расходе составляли 0,17 м, а на турбинах — 0,22 м; на водоприемнике другой ГЗС — в пределах 0,07—0,10 м и т. д.