Эксплуатация деривационных ГЭС - Особенности ледового режима на гидроэлектростанциях с глубоким водоприемом и деривацией

ОСОБЕННОСТИ ЛЕДОВОГО РЕЖИМА НА ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ С ГЛУБОКИМ ВОДОПРИЕМОМ И ДЕРИВАЦИЕЙ

§ 28. Основные особенности ледового режима

Известно, что ледовые образования как в качественном, так и в количественном отношении зависят от температурного и скоростного режимов потока. Температурный режим глубоководных малопроточных водоемов своеобразен особенно на участках, примыкающих к гидротехническим узлам.
В водоемах зимой наблюдаются разные виды распределения теплоты по глубине. Резко отличное распределение температур по глубине имеет место в реках и бессточных озерах. В реке наблюдаются одинаковые температуры по вертикали (незначительные исключения обычно встречаются лишь в глубоких реках—плёсах). Полной противоположностью реке является бессточное озеро, имеющее на дне температуру наибольшей плотности воды, т. е. +4°, а на поверхности 0°. Промежуточное положение занимают проточные озера и значительные по своим размерам подпертые бьефы гидроузлов. Здесь степень неравномерности распределения температур по вертикали зависит от проточности бьефов в целом, а на отдельных участках зависит от степени их проточности. В равной степени это относится и к глубоким деривациям. Скорости течения в бьефах и деривациях зависят от их размеров, а также от величины зимних расходов в них.
Глубоководные бьефы, при малой проточности и при благоприятных условиях, могут быть в течение всей зимы аккумуляторами тепла для деривационных каналов.
Основными параметрами, влияющими на характер ледообразования на участках таких бьефов и деривационных трактов, являются количество тепла в глубинных слоях потока и интенсивность турбулентной теплопроводности, отепляющей поверхностные слои воды за счет глубинных.
Высказанные положения подтверждаются результатами наших наблюдений на Днепрогэсе и на других гидростанциях. Особенности теплового и ледового режимов в пределах гидротехнических узлов с глубоководными бьефами и глубокими деривациями еще мало освещены в литературе.

§ 29. Температурный и ледовый режим в бьефах и в пределах сооружений головного узла

Температурный режим верхнего бьефа. Создание глубоководного обширного, малопроточного бьефа, изменяя бытовой гидрологический режим реки на участке верхнего бьефа гидростанции, изменяет также и бытовой термический режим этого участка.
Запасы тепла, остающегося в верхнем бьефе к началу зимы (к началу появления отрицательных температур воздуха), зависят от величины предзимнего стока (когда температура воды вне подпора приближается к нулю) и от длительности предледоставного периода в верхнем бьефе.
Зимой тепловое состояние бьефа зависит не только от метеорологических факторов, но и от величины предзимнего и зимнего стоков реки, а также от отметки уровня воды в верхнем бьефе. При наличии большого предзимнего и зимнего стоков температурный режим верхнего бьефа будет характеризоваться:

1. общим охлаждением бьефа — в связи с поступлением в водохранилище больших масс холодной воды;
2. значительным выравниванием температуры воды по глубине.

 
При незначительной величине зимнего стока глубинные слои воды сохраняют теплоту, а верхние слои будут иметь температуру близкую к нулю.

Фиг. 20. Поперечник в 225 м от плотины. Сопоставление температурных эпюр на вертикалях 13/11 —1934 г. и 2/11 —1937 г.: а — вертикаль 225 м от оси шлюза; б — вертикаль 520 ,lt от оси шлюза; в — вертикаль 870 м от оси шлюза

Фиг. 21. Поперечник в 1 км ОТ ПЛОТИНЫ. Термический разрез в месте максимальной глубины

Различные по стоку в осенне-зимний период 1933—34 и 1936— 37 гг. имели своим последствием резко отличные температурные режимы в верхнем бьефе Днепрогэс. Осенний сток реки в ноябре 1933 г. непосредственно перед ледоставом превысил максимум для ноября по данным за 49 лет. Тогда же, зимой 1933—34 г., наблюдались расходы, в несколько раз превысившие норму.
При анализе результатов температурных наблюдений двух сравниваемых зим легко усматривается следующее:

1. вода в придонных слоях в 1937 г. значительно теплее, нежели в 1934 г. так, максимальная наблюденная температура составила в 1934 г. +0,30 °, а в 1937 г. +1,32 °;
2. температура в 1933—34 г. была более выравнена по глубине;

эпюра температур составляет почти прямоугольник; независимо от глубины характер температурных эпюр не изменялся на участке длиной 4,5 км, считая от плотины; подавляющее большинство величин температуры воды колебалось в пределах +0,15, +0,25°. Очертание эпюр в 1937 г. носит совершенно иной характер, что иллюстрируется фиг. 20.      

В верхнем озере 2 каскада гидростанций, представленного на фиг. 16, на глубине 20 м (дно) температура воды была равна +2,38° (январь 1949 г.). В среднем озере 3 температура воды была + 1,8° на глубине 11 м, что иллюстрируется фиг. 21.

Ледообразование в верхнем бьефе.

На характер ледообразования в подпертом бьефе оказывают влияние следующие факторы: наличие сравнительно теплой воды в поверхностных слоях водоема перед ледоставом; возможность сильного волнения при ветре; ничтожные скорости течения; возможность значительных колебаний уровня воды в связи с регулированием стока.
Более теплая вода к началу зимы в поверхностных слоях может способствовать - более позднему установлению ледостава на глубоком участке водохранилища, хотя скорости течения в водохранилище меньше. Например, зимой 1936—37 г. формирование ледяного покрова в водохранилище Днепрогэс началось на 15 суток позже, чем на участке вне подпора.
Материалы наблюдений показывают, что изменение толщины ледяного покрова зависит от температуры поверхностного слоя воды. Действительно, зимой 1933—34 г. толщина льда в бьефе в среднем была на 0,1 м меньше, чем в 1937 г. Чем дальше от плотины, тем лед становится толще, несмотря на увеличение скоростей течения, достигая в конце подпора толщины 0,8 м, тогда как вблизи плотины толщина льда не превосходила 0,4 м.
Влияние проточности «теплых» бьефов на сроки их ледостава и на толщину их ледяного покрова отчетливо видно на каскаде гидростанций (фиг. 16), где расход воды в пределах каскада остается постоянным и гидростанции расположены близко одна от другой. Ледостав в нижнем озере 4 гидроузла № 3 опаздывает по сравнению с ледоставом в среднем озере 3 гидроузла № 2, вследствие большей проточности бьефа гидроузла № 3. Толщина льда вблизи плотины гидроузла № 3 на участке с глубинами 17 м, несмотря на длительные 25-градусные морозы, равнялась в феврале 1952 г. 0,1 м, и лишь забереги имели толщину 0,2 м. В то же время толщина льда в среднем озере 3 была равна 0,25—0,35 м, а в верхнем озере 2, из которого вытекает река, питающая весь каскад ГЭС, толщина льда достигала 0,7—1,1 м.
Среднее озеро 3 может служить примером того, как в глубоководном бьефе, покрытом льдом, повышается температура водотока по мере продвижения воды в таком бьефе. Переохлажденные воды реки сбрасывают в это озеро огромное количество шуги, которая в месте впадения реки начинает аккумулироваться. Температура воды в начале озера не превышает +0,02°; на расстоянии 1,25 км ниже, при глубине 9,5 м, температура воды повышается до +0,05°. Наконец на расстоянии 1,5 км от плотины гидроузла № 2, на глубине 11 м, вода в придонных слоях имеет температуру + 1,8°.

Разрушение ледового покрова в верхнем бьефе.

К особенностям ледового покрова в глубоководном малопроточном бьефе следует отнести возможное его вскрытие ранее бытового участка реки, несмотря на значительно большие скорости течения на бесподпорном участке. На ускорение вскрытия льда в водохранилище оказывают влияние следующие два фактора: наличие теплой воды под ледяным покровом и возможность появления сильной ветровой волны на освободившихся ото льда участках верхнего бьефа.
Ускорение исчезновения ледяного покрова объясняется тем, что к обычному воздействию на лед теплоты сверху в бьефе прибавляется действие теплой воды снизу. Теплоотдача с поверхностных слоев воды прекращается, как только температура воздуха достигнет нуля. Поэтому в поверхностных слоях воды, соприкасающихся со льдом, температура повышается.
Отмеченное возможное опережение вскрытия бьефа по сравнению с рекой в первую очередь относится к участку с большими глубинами, т. е. к участку, расположенному ближе к плотине. Так, на Днепрогэс весной 1934 г. и весной 1937 г. начало вскрытия водохранилища опережало вскрытие реки приблизительно на одну неделю. В силу тех же причин и на бьефах гидростанций каскада по схеме фиг. 16 имеет место та же очередность вскрытия ледяного. покрова: сначала освобождается ото льда бьеф гидроузла № 3,. как наиболее проточный, потом среднее озеро 3 и, наконец, верхнее озеро 2, питающее водой все гидростанции каскада.
Весной в бьефе можно находить границы потока, движущегося к водоприемнику и освобождающегося от ледяного покрова в первую очередь. Это объясняется тем, что разрушение льда начинается в проточной зоне.

Ледообразование в пределах сооружений гидроузла.

При рассмотрении явлений ледообразования в верхнем бьефе следует особо выделить ледообразование на подходном участке и в пределах самих сооружений. В этих местах сказывается влияние неравномерности распределения скоростей в потоке. Здесь необходимо выделять активные и застойные зоны. На участках застойных зон на поверхности находится самая холодная вода, а поэтому максимальная толщина льда имеет место именно на участках застойных зон.
При 100% водозаборе днепровских турбин застойная зона находится на стороне левого берега; поэтому толщина льда у левого берега достигала 0,5 м, тогда как на подходах к аванкамере — 0,3 м. При 100% водозаборе самые тяжелые условия для работы воздуходувного устройства затворов плотины будут иметь место именно на участке левобережных пролетов плотины.
Вскоре, после включения в работу длительно закрытого водосбросного пролета плотины, перед ним образовалась полынья полукруглого очертания; поднимавшаяся с глубин теплая вода уничтожала лед. Если период сильного похолодания совпадал по времени с интенсивной сработкой водохранилища (0,15—0,25 м в сутки), то увеличение толщины ледяного покрова не происходило. При длительной сработке толщина льда несколько уменьшалась.
В истоке реки, вытекающей из большого озера, несмотря на морозы от 25 до 35° и скорости на поверхности от 6 до 25 см, ледяной покров не образуется в течение всей зимы.

Об ошибочности применения эмпирических зависимостей для подсчета толщины льда от числа градусов мороза.

Как мы видели на многочисленных примерах, явление ледообразования в глубоководном обширном малопроточном бьефе должно быть поставлено в зависимость не только от скоростей потока, но и от теплового состояния данного участка водохранилища. Использование эмпирических формул для определения толщины льда в водохранилищах вблизи гидроузла неизбежно приведет к грубым ошибкам.

Отрицательное влияние затяжного предледоставного периода в верхнем бьефе на его термику.

Нам остается рассмотреть один существенный вопрос, имеющий большое практическое значение, а именно: отрицательное влияние затяжного предледоставного периода в верхнем бьефе на его термику. В такие моменты тепловые преимущества глубоких и обширных бьефов почти отпадают. Опыт эксплуатации знает случаи ледовых затруднений, имевших место в указанных условиях на гидростанциях.
Метеорологическая обстановка, способствующая задержке ледостава в верхнем бьефе, характеризуется частыми чередованиями отрицательных и положительных температур воздуха в предледоставный период. Если момент наступления нулевых температур воды совпадает с быстрым падением отрицательных температур воздуха (особенно если оно сопровождается сильным ветром), то переохлаждение поверхностных слоев воды с образованием внутриводного льда неизбежно. При благоприятных условиях переохлаждение может распространиться и на значительные глубины. Такими особо благоприятными условиями для шугообразования являются наличие поздних осенних паводков, вызывающих общее охлаждение воды в бьефе, и длительная интенсивная ветровая деятельность. Особенностью такого шугообразования является обычно его кратковременность. В условиях переохлажденной воды ледостав в верхнем бьефе устанавливается очень быстро, после чего внутриводный лед исчезает.
Внутриводным льдом покрываются турбинные решетки, а на деривационных ГЭС резко падает температура воды в голове глубинных дериваций.
Надо отметить, что явление шугообразования в условиях больших бьефов обычно заставало эксплуатацию врасплох. В проекте оно не предполагалось, и поэтому электрообогрев решеток отсутствовал.

Рассмотрим несколько примеров из практики эксплуатации.
Пример 1. Бьеф сравнительно небольшой, глубиной 8,5 м. Образованию ледостава мешали большие скорости течения и неустойчивые морозы. В одну из зимних ночей 1928 г., при резком падении температуры воздуха и при большом осеннем расходе — 1100 м³/сек, решетки были полностью забиты шугой. Гидростанция остановилась. Решетки были очищены водолазами с помощью горячей воды, поданной по шлангам.

Пример 2. Глубина бьефа 15 м. За 17-летний.период эксплуатации ледовые осложнения разной степени в начале зимы имели место семь раз. В 1949 г. турбинные решетки высотой 9 м были забиты шугой на высоту 4,5 м; плотность забивки решеток падала в направлении ко дну. Микротермометр фиксировал температуру ниже нуля. Выделение внутриводного льда на решетках продолжалось 12—14 часов. После быстро наступившего ледостава шугообразование прекратилось. В 1946 г. шугообразование продолжалось 2 часа.
Пример 3. Глубина бьефа 11 м. В табл. 12 показан ход среднемесячных температур воды в течение зимы, измерявшихся в двух точках на вертикали в голове канала.

Таблица 12

Из таблицы видно, что после ледостава в озере температуры в бьефе незначительно меняются. Число зим с затянувшимся ледоставом за 15 лет эксплуатации — две.
 Пример 4. Глубина бьефа 37 м. Явление шугообразования выражено слабо. Зимой 1935—36 г. сплошной ледяной покров установился лишь в феврале с наступлением сильных морозов. Вода бьефа была сильно охлаждена в связи с поступлением в водохранилище в течение первой половины зимы из реки больших масс холодной воды, так как зимние расходы превышали норму почти в два раза. Кроме того, наступившие сильные морозы совпали с зимним паводком. В результате такой обстановки, перед ледоставом в феврале дважды забивались шугой (с кусками битого льда) решетки технического водопровода и верхние секции двух турбинных решеток, смежных с забором водопровода. Надо отметить, что технический водопровод и смежные с ним две турбины забирают воду из береговой зоны водохранилища. При максимальной отметке уровня верхнего бьефа затапливается значительная площадь пологого откоса берега. В те сутки, когда произошла забивка решеток, на этом откосе сильная ветровая волна перемешивала воду, в результате чего и возникло переохлаждение потока в береговой зоне.

В 1937 г. автору удалось зарегистрировать шугообразование на участке большой застойной зоны в пределах берегового откоса в аванкамере. Ледяной покров здесь долго не удерживался и часто взламывался ветром. Переохлаждение воды произошло вследствие непрерывно дувшего в течение трех суток ветра со скоростью до 12 м/сек. Температура воды на поверхности застойной зоны упала до —0,020°, а на глубине 3 м — до +0,003°. Пластинчатая структура шуги свидетельствовала о ее местном зарождении.

Пример 5. Глубина бьефа порядка 20 м. В течение 12 лет шуги не было. Неблагоприятная метеорологическая обстановка и повышенный поздний осенний сток реки затянули ледостав в 1950 г. В этих условиях при резком падении температуры воздуха, совпавшем с большим ветровым волнением в бьефе, произошло переохлаждение воды, в результате чего турбинные решетки были забиты шугой на 10-метровую глубину (половина их высоты). Однако обмерзание решеток продолжалось недолго. Сплошной ледостав образовался в течение нескольких десятков минут, после чего шуга исчезла.

Нижний бьеф.

Поступление из верхнего бьефа сравнительно теплой воды отепляет нижний бьеф. Влияние гидроузла на ледообразование в нижнем бьефе сказывается:
а)  в удалении кромки ледяного покрова в отводящем канале;
б)  в уменьшении толщины ледяного поля;
в)  в сокращении продолжительности ледостава;
г)  иногда в шугообразовании с зажорами.

При прочих равных метеорологических условиях ход ледовых образований в нижнем бьефе зависит от температурного состояния верхнего бьефа и от вида поступления воды через сооружения в нижний бьеф. Сбросы через гребень водосливной плотины способствуют, вследствие возникающей при этом аэрации потока, переохлаждению воды и могут вызвать в нижнем бьефе шугообразование с зажорами. Донные сбросы и пропуск воды через турбины максимально способствуют отеплению нижнего бьефа.
Из практики эксплуатации ГЭС можно привести многочисленные примеры теплового воздействия верхнего бьефа на нижний. Например, напорно-станционный узел Свистухинской ГЭС оказывает весьма ощутимое влияние на характер ледообразования в отводящем канале. Воды деривационного канала Тавакской ГЭС, пройдя под ледяным покровом и через турбины ГЭС, повышают температуру воды в деривационном канале следующей ступени каскада. В результате такого потепления ледяной покров в канале образуется лишь на расстоянии 4,4 км от гидростанции.