Эксплуатация деривационных ГЭС - Шуготранзит через турбины

§ 26. Пропуск шуги через турбины

Для иллюстрации условий и обстановки шуготранзита через  турбины приводим опыт шуготранзита на одной ГЭС, в организации и исследовании которого автор принимал участие. Кроме того, пропуск шуги через турбины на этой гидростанции великолепно оправдал себя в течение ряда зим с тяжелыми шугоходами (например, зимы 1948—49 г. и 1949—50 г.), когда шуга пропускалась исключительно через турбины и в обход их не сбрасывалась.
Так как метод транзита шуги через турбины обладает крупными эксплуатационными преимуществами, считаем полезным подробнее остановиться на них.
Описание сооружений. В состав сооружений головного узла входят водоприемник, водосброс и земляная плотина; напор на узле — 4,5 м; зимой длина подпертого участка не превышает 100 м.
Деривационный канал длиной 3 км имеет расчетный расход 45 м³/сек. Скорости и уклоны в канале значительны (от 0,0014 до 0,0027). Емкость деривации незначительна. Канал сопрягается с напорным бассейном прямоугольным бетонным лотком шириной 6,3 м, криволинейного в плане очертания с малым радиусом закругления.
Щитовое помещение напорного бассейна с боковым водосливом -имеет три напорные камеры. Общая длина помещения 12,6 м. Перед решетками расположены шандорные пазы, а за решетками — затворы. От щитового помещения отходят три нитки трубопровода диаметром 3,4 м. Каждый трубопровод питает радиально-осевую турбину на вертикальном валу. Максимальное открытие направляющего аппарата 18 см.
Характеристика гидрометеорологических факторов. Среднесуточные температуры воздуха в течение двух зим, в период которых выполнялись наблюдения по шуготранзиту, доходили до 22° мороза. Число суток с шугой равнялось 51 и 45. Продолжительность хода шуги в течение суток изменялась от 2 до 24 часов. Непрекращающиеся круглосуточные шугоходы в январе 1950 г. наблюдались в течение четырех суток. Как правило, днем ход шуги значительно ослабевал. Структура шуги обычно мелкозернистая, а в периоды снегопадов — перемешанная со снежурой. Расходы шуги в реке значительны и доходят до 25% от жидкого стока. Зимние расходы колебались от 12 до 15 м³/сек.
Гидравлическая картина на сооружениях. Необходимо отметить крайне благоприятную для пропуска шуги через турбину гидравлическую картину на деривационном тракте. Успевшая всплыть на поверхность на коротком 100-м подпорном участке в верхнем бьефе шуга вновь перемешивается благодаря большим скоростям в голове деривации. Только на сравнительно коротком (1,6 км) участке шуга плывет на поверхности, подвергаясь воздействию морозного воздуха. На последнем километре канала, где уклон больше критического и скорость в пределах 1,75—2 м/сек, шуга вновь перемешивается и плывет частью в приповерхностных, частью в глубинных слоях потока.
В силу указанной обстановки шуга подходит к напорному бассейну сильно размельченной и рассредоточенной по глубине. Поток у входа в напорный бассейн прижимается к правой стенке лотка. У этой стенки (при уровнях ниже нормального на 1,50— 1,75 м) скорости течения достигают 2,5 м. При этом поверхность потока у входа в напорный бассейн напоминает поверхностный прыжок с высотой волны до 0,5 м. В каждом входном пролете напорной камеры между его бычками наблюдаются воронки, увлекающие шугу к решеткам (всегда работала с полной нагрузкой одна турбина, обычно 2-я или 3-я от правого берега). Часть же шуги захватывалась большим круговым движением к середине бассейна, где ее скопления достигали толщины 2—3 м.
Скорости в частых решетках от 1,5 до 1,7 м/сек (при образовании перепадов скорости, естественно, выше). Просвет между стержнями 9,8 см. Скорости течения зимой в напорном трубопроводе 1,5—1,6 м/сек. В отводящем канале шуга на расстоянии 60 м от выходного сечения отсасывающей трубы турбины приобретает уже обычный вид шуговых льдин, заполняя при сильных шугоходах до 75% площади зеркала канала. Скорость течения здесь 1 м/сек, что гарантирует канал от зажоров.
Условия пропуска шуги через турбинную решетку. В начале зимы 1948—49 г. попытки пропуска шуги через частую решетку, при неготовности электрообогрева, приводили лишь к образованию на ней больших перепадов. Только с середины декабря 1948 г. после подключения обогрева неудачи прекратились и начался транзит шуги через решетки турбины.
Между ГЭС и диспетчером системы имелась договоренность о возможности кратковременных колебаний нагрузки до 0,5—1 мгвт в зимний период.
Порядок пропуска шуги через решетки зависит от интенсивности шугохода. Опытом эксплуатации найдены оптимальные уровни воды для пропуска шуги через решетки. При слабых шугоходах в канале в напорном бассейне, чтобы не увеличивать потерь напора, поддерживался нормальный подпорный уровень. При этом шуга аккумулировалась в бассейне и частично проходила через решетки. Момент окончания шугоаккумулирования в напорном бассейне фиксировался дежурным персоналом после достижения на решетке перепада величиной 0,5—0,7 м; об этом докладывалось дежурному инженеру. Последний, набирая нагрузку и снижая при этом уровень воды в бассейне, увеличивал скорости, благодаря чему бассейн быстро очищался от шуги. После этого вновь восстанавливался высокий уровень. 

Уровни воды, при которых шуга пропускалась в трубопровод, лежат в пределах отметок на 1,25—1,75 м ниже нормального подпорного уровня. При последней отметке превышение уровня воды над верхней кромкой входного оголовка напорного трубопровода составляет 1,85 м.
В периоды тяжелых шугоходов уровень в напорном бассейне держался непрерывно на предельно низких отметках. Зимой таких дней было четыре. В остальное время суммарная длительность работы в течение суток на шугопропускных уровнях колебалась от 0,5 до 3 часов. Продолжительность шугоаккумулирования измерялась примерно от 30 до 100 минут.
Необходимость иметь при интенсивных шугоходах низкие уровни объясняется тем обстоятельством, что при больших скоростях шуговые скопления распадаются и шуговой материал более равномерно распределяется по глубине. Все это, несомненно, облегчает проход шуги через решетки. Поэтому при интенсивных шугоходах, для обеспечения безостановочного движения шуги через решетки, должен быть создан режим максимально возможных скоростей по условиям предельного снижения уровня воды без засасывания воздуха в трубопровод.
При малых шугоходах величина перепада на решетках не превышала 20 см. При сильных шугоходах, в исключительных случаях, величина перепада доходила до 2,5 м. Большие перепады долго не держались. Уменьшение их достигалось быстрым снижением уровня воды до предельно низких отметок, при которых набившаяся шуга просасывалась через решетки. Если это не помогало, то переходили на другую турбину.
Один раз утром решетки были забиты несколькими подошедшими льдинами заберегов толщиной до 7 см и площадью каждая до 1 м². Одновременно двигалась и шуга, но в сравнительно небольшом количестве. В течение трех минут перепад на решетках возрос до 2, 1 м. Частичным сбросом нагрузки уровень в напорном бассейне был поднят и уменьшены скорости на решетках. Подходившая шуга ручными шуготасками сбрасывалась через водослив. Однако забереги не всплывали и оставались на глубоко погруженных решетках. Мгновенным сбросом нагрузки (до 0,75 мгвт) была создана обстановка гидравлического удара. На этот раз эффект был полный, и забереги были сброшены через боковой водослив.
Забивке решеток способствовали следующие факторы:
а) непрерывные длительные круглосуточные шугоходы (возможно, что для таких тяжелых условий мощность электрообогрева оказывалась недостаточной);
б) уплотнившаяся (благодаря вращательному движению воды в напорном бассейне) и смерзшаяся шуга;
в) сор, плывущий иногда с шугой.

Борьба с льдинами заберегов. Большие скорости и резкие колебания уровня на последнем километре канала, вследствие незначительной его емкости, затрудняют образование на деривации значительных заберегов. На конечном бетонном лотке, откосы которого попеременно то омываются, то осушаются, забереги имеют бесформенный вид ледяных, перемежающихся с шугой напластований. Надо отметить, что забереги, смерзшиеся с мощеными откосами канала и с бетоном лотка, при подъемах воды не отрывались. При нагревании солнечными лучами некоторые забереги отваливались.
Как правило, забереги появлялись в напорном бассейне в дневное время и поэтому, за редким исключением, без шуги. Борьба с льдинами заберегов, плывущими без шуги, не представляет трудностей. Дежурный инженер ГЭС, маневрируя нагрузкой, повышал уровень воды в напорном бассейне таким образом, чтобы на водосливной стенке получить напор, минимально необходимый для сброса льдин заберегов. Льдины заберегов к водосливу подтаскивались баграми или ручными шуготасками.
Если за зиму 1949—50 г. имелось 45 шуговых суток, то число суток со сбросом льдин заберегов составило 23. Часто забереги приходилось сбрасывать несколько раз в течение дня. Суммарное количество часов за день, в течение которых сливалась вода с заберегами через холостой водосброс, колебалось от 0,75 до 2 часов. Забереги удалялись при напоре на водосливе от 0,15 до 0,20 м, т. е. при сбросах воды от 1,3 до 2,0 м³/сек. Для удаления же заберегов вместе с шугой (в течение всей зимы) потребовалось лишь два часа работы водослива при напоре на нем до 0,4 м, т. е. при расходах воды до 4,75 м³/сек.

§ 27. Выводы из опыта шуготранзита через турбины

Шуготранзит через турбины может быть осуществлен при выполнении следующих условий:
а) беспрепятственный пропуск шуги в пределах деривационного тракта и напорного бассейна;
б)  сброс льдин заберегов в обход турбин;
в)  пропуск шуги через турбинные решетки;
г)  пропуск шуги через напорные трубопроводы и турбины;
д)  пропуск шуги через отводящий канал.
Изучение опыта эксплуатации показывает, что успешный пропуск шуги через решетки зависит прежде всего от скоростей воды в пределах деривационных сооружений гидростанций.
Для пропуска шуговых скоплений через решетки эти скопления должны быть размельчены и распределены более или менее равномерно в толще потока. Степень раздробления шуговых скоплений зависит от их прочности. Последняя же зависит от продолжительности воздействия на них морозного воздуха.
Степень воздействия мороза на шуговые скопления также зависит от скоростей воды. Чем меньше скорость в пределах деривационного канала и чем больше его длина, тем большая нужна скорость в самом конце канала для размельчения шуги. 

Наоборот, создавая сравнительно большие скорости в канале (особенно при небольшой его длине), на конечном участке достаточно будет сравнительно небольших скоростей. Поэтому на длинных деривационных каналах при сильных морозах и при скоростях, лишь немного превышающих 1 м/сек, шуговые скопления в напорных бассейнах будут мало отличаться от заберегов. Действительно, на Баксангэс в январе 1950 г. испытанный на этой станции метод пропуска шуги через турбины оказался недейственным при сильных морозах; смерзшиеся шуговые скопления не смогли пройти через турбинные решетки.
Таким образом, успех шуготранзита через турбинные решетки зависит, главным образом, от наличия на конечном участке деривации и в напорном бассейне значительных скоростей (v=1,5 м/сек). Возможность получения таких скоростей необходимо проанализировать в процессе проектирования ГЭС. В порядке же эксплуатационных мероприятий большие скорости могут быть получены при снижении уровня воды в напорном бассейне.
В условиях шуготранзита через турбины, для облегчения направления к решеткам шуговых скоплений с одновременным их раздроблением, вихри и небольшие воронки перед решетками становятся полезными. Такие воронки могут быть созданы искусственно.

В условиях рассматриваемой ГЭС следующие пять факторов способствовали транзиту шуги через турбины:

1. благоприятная гидравлика деривационного тракта;
2. затруднения в образовании заберегов;
3. незначительная емкость деривации, представляющая возможность быстро создавать необходимые скорости в конце деривации путем кратковременных и небольших колебаний нагрузки;
4. возможность путем колебаний нагрузки управлять скоростями в конце деривации в целях борьбы с забивкой решеток шугой;
5. наличие в напорном бассейне сброса, который может быть использован для удаления льдин заберегов, а в случае необходимости и для сброса зажорных шуговых масс.

В практике шуготранзита через турбины гидростанций зарегистрированы лишь единичные случаи обмерзания конструкций турбины внутриводным льдом. Вероятность этого явления несколько повышается при пропуске через турбину переохлажденной воды, а также для малонапорных ГЭС. Как известно, температура плавления льда понижается с увеличением давления; поэтому обмерзание предметов, опущенных в воду, затрудняется с увеличением напора воды.
Разумеется, что метод транзита шуги через турбины — самый экономичный для гидростанции, так как не требует вовсе воды для сброса шуги и рабочих для своего осуществления. Этот метод, если и сопряжен с некоторыми потерями напора, то лишь кратковременно, в период сильных шугоходов. В условиях рассматриваемой ГЭС при тяжелых шугоходах эти потери доходили до 5,5%.
Следует подчеркнуть, что шуготранзит через турбины легче всего может быть осуществлен и особенно выгоден для высоконапорных гидростанций, обычно имеющих малоемкие деривации с незначительными зимними расходами.
Наряду с крупными эксплуатационными преимуществами, метод транзита шуги через турбины может быть связан с некоторыми затруднениями. Наблюдались следующие затруднения в период транзита шуги: обмерзание щитовых пазов, забивка шугой воздушных каналов, водозабора технического водопровода и системы водяного охлаждения.
В табл. 11 приведено сопоставление потерь воды для разных методов очистки воды от содержащейся в ней шуги.

Таблица 11