Эксплуатация деривационных ГЭС - Температурный и ледовый режимы глубоких деривационных трактов

Температурный режим канала зависит прежде всего от количества тепла, поступающего с водой из верхнего бьефа через водоприемник.
Путевые потери тепла в открытой деривации на участке от водоприемника до напорного бассейна зависят от следующих условий:
а) метеорологических — главным образом температуры и влажности воздуха, а также силы ветра;
б) гидравлических — скорости течения, глубины и ширины потока:
в)  длины канала.

Чем короче каналы, чем больше скорость течения, тем больше уменьшается время воздействия низких температур воздуха и ветра на поток. С другой же стороны, при больших скоростях усиливается отепление поверхностных слоев воды за счет глубинных. Большие глубины аккумулируют тепло: чем больше глубины, тем труднее охладить поток, так как на один погонный метр его ширины приходится больший объем воды.
Высказанные положения можно легко подтвердить примерами из опыта эксплуатации и наблюдений на двух гидростанциях. Так как схема водозабора и схема подводящей деривации этих гидростанций одинаковы, а водоприемные сооружения обеих ГЭС удалены друг от друга лишь на несколько километров, то мы считаем вполне возможным сопоставление температурного и ледового режимов обеих ГЭС.
Результаты сравнения даны в табл. 13 (взяты условия для расчетных расходов).
Таблица 13

В состав сооружений подводящей деривации второй ГЭС входит напорный туннель длиной около 3 км. Из данных этой таблицы ясно видны крупные преимущества деривации второй ГЭС перед первой ГЭС. Если к перечисленным преимуществам добавить согревающее действие туннеля, то станет совершенно очевидным, что перепады температуры воды по длине деривации второй ГЭС должны быть значительно меньше, чем для первой.
При больших скоростях наблюдалось значительное выравнивание температур по вертикали и даже по всему сечению канала. Температура воды в разных точках сечения на поперечнике канала первой из рассматриваемых ГЭС варьировала лишь в пределах от +0,08 до +0,11 ° (фиг. 22). На водоприемнике второй ГЭС нам пришлось наблюдать повышение температуры поверхностных слоев воды на участке с большими скоростями течения. Так, выше водоприемника перед грубой решеткой, в зоне замедленного течения, на глубине 1 м температура воды была +0,10°, а на расстоянии 5 м от этого места, ниже грубой решетки, на той же глубине, но при скоростях 1,5 м/сек, температура воды составляла +0,18°. 

Приведем еще пример: в аванкамере той же ГЭС перед забральной балкой вода имела температуру. +0,07°, но стоило на этом отсеке аванкамеры заработать второй турбине, как температура в этой точке сейчас же поднялась до +0,10 °.
Наблюдения в течение ряда лет на первой ГЭС за температурой воды в голове канала и в напорном бассейне выявили, что максимальные перепады температуры по каналу доходили до 0,24— 0,31°. Больше всего при разных температурах воздуха вода охлаждалась при ветрах, дующих параллельно оси канала.
Замеренный нами перепад температуры в подводящей деривации второй ГЭС, в марте, при температуре воздуха —8° и ветре 3 м/сек оказался равным 0,03°.

Фиг. 22. Деривационный канал — ПК 30 + 00. Распределение температур воды на поперечнике. Средняя скорость воды на поперечнике 1 м/сек
Были случаи переохлаждения воды в напорном бассейне второй ГЭС зимой 1951—52 г. Здесь температура воды измерялась электрическим микротермометром системы ВНИИГ. Датчик термометра был установлен в зоне хорошего перемешивания воды на глубине 1,5 м. Два раза микротермометр показал отрицательные температуры — 0,045° и —0,080° при сильных ветрах и при морозах до 15°. Однако переохлаждение было неустойчивым: через час термометр показывал уже положительную температуру. Следует отметить, что электротермометр работал с пониженной точностью, так как в его схеме отсутствовал зеркальный гальванометр.                      
Шугосигнализатор системы Рымша, установленный в конце канала в зоне хорошего перемешивания воды, на постоянных глубинах, считая от поверхности воды 0,5, 1 и 2 м, два раза давал сигналы на пульте управления ГЭС. Однако сигналам сопутствовал ход снежуры в потоке канала; снежура могла быть причиной сигналов. Бесспорно, что один раз в напорном бассейне вода была переохлаждена, однако лишь на глубину до 1 м (при общей глубине 9 м), так как при определении наличия шуги сетка и веревка на этой глубине были покрыты внутриводным льдом.
Случай переохлаждения воды в аванкамере второй ГЭС не повлек за собой выделения льда на частых решетках. Этот факт следует объяснить тем, что переохлаждение воды имело место лишь в поверхностных слоях, а перемешивание воды под забральной балкой успешно ликвидировало начавшееся переохлаждение. 

Частые решетки всегда находились под водой. Никаких выделений внутриводного льда на решетках не было. Решетки не обогревались. Лишь один раз в пятидневку, с целью контроля за исправностью цепи, по ним пропускался ток. В аналогичном положении, находились и решетки водоприемника.
Благоприятный температурный режим порождает своеобразную ледовую обстановку на каналах, необычную, казалось бы, в суровых условиях севера. На всем протяжении каналов нигде не наблюдается образований поверхностного кристаллического. льда, за исключением небольших заберегов на первой ГЭС и обледенений почти вертикальных стенок канала на второй ГЭС.. Теплоты воды, проходящей через турбины второй ГЭС, хватает для того, чтобы предотвратить переохлаждение воды в отводящем тракте длиной 3,5 км.
Чтобы иллюстрировать влияние гидравлических параметров. на характер ледового режима в глубоких деривациях, представляет интерес проследить изменение этого режима в деривационном канале второй ГЭС за период временной эксплуатации. Первая эксплуатационная зима 1949—50 г. прошла не в проектных условиях. Впервые деривация была наполнена водой в ноябре 1949 г. при уровне в верхнем бьефе на 4,5 м ниже нормального. Вследствие стоячей воды в канале толщина льда к пуску турбины достигала 25—30 см. При пуске турбин уровень в аванкамере упал. на 1 м. В дальнейшем, при частых и значительных колебаниях нагрузки, из-за проникновения воды через щели во льду, происходило искусственное утолщение льда. К концу зимы толщина ледяного покрова доходила до 2 м. Тогда же в условиях короткого небольшого бьефа происходило обмерзание верхних секций решеток водоприемника и турбинных решеток.
Зимой 1950—51 г. условия эксплуатации резко улучшились... В связи с тем, что на головном узле установился нормальный уровень, прекратилось поступление холодной воды в деривацию. Однако, из-за небольших расходов через ГЭС, скорости в канале (0,6—0,8 м/сек) были меньше зимних скоростей 1951—52 г. (1,0— 1,3 м/сек). Поэтому неизбежно увеличились путевые потери тепла по каналу и в конце его на поверхности появились нулевые температуры воды. Так как этим нулевым температурам сопутствовали сильные морозы при сравнительно небольших скоростях течения, то лед в конце деривации покрыл аванкамеру и участок. канала длиной 20 м. В 1951—52 г., в связи с увеличением скоростей течения, в деривации исчезли все ледовые образования.
Возможны ли ледовые осложнения в условиях таких дериваций, каковыми являются глубокие каналы рассматриваемых ГЭС?
Если обратиться к опыту эксплуатации первой ГЭС, то мы увидим, что случаи появления в напорном бассейне переохлажденной воды достаточно редки (за 15 лет эксплуатации — три). Переохлаждение воды, начинаясь на поверхности, постепенно, по мере ее продвижения по каналу, захватывает и более глубокие слои. Так, если температура на поверхности опускалась до нуля на поперечнике в 2 км выше напорного бассейна, то верхние секции турбинных решеток покрывались внутриводным льдом.
Ход переохлаждения воды дан в табл. 14.
Таблица 14

Как мы уже отмечали, основной причиной низких температур воды в глубокой деривации является затянувшийся ледостав в верхнем бьефе.

§ 31. Трудности прогнозирования ледового режима на гидроузлах

Долголетний опыт эксплуатации рассмотренной в предыдущем параграфе первой ГЭС свидетельствует, что гидростанция, несмотря на длинную (4—5 км) незамерзающую деривацию и суровый климат, фактически не знает шуговых затруднений. Опыт зимней эксплуатации второй ГЭС, находящейся в аналогичных с первой ГЭС условиях, свидетельствует также, что, хотя используемая турбинами вода проходит длинный восьмикилометровый путь в открытой деривации при морозах, достигающих 10—18°, на гидростанции не было затруднений от внутриводного льда.

Фиг. 23. Аванкамера. Сопоставление температурных эпюр воды перед трубопроводами турбин № 1 и 9
1 — эпюра перед трубопроводом № 1 рядом с забором технического водопровода (глубина 15 м); 2 — эпюра перед трубопроводом № 9 (глубина 20 м)

Отсутствие опыта эксплуатации не позволяло намечать в проектах правильные прогнозы шуговых режимов. В проекте переносились все бытовые условия ледового режима реки на поток в деривации и значительно преувеличивалась опасность шугообразования. В связи с этим намечался ряд мероприятий по борьбе с шугообразованиями по рекомендациям экспертизы; к таким рекомендациям относятся:
а) для деривационного канала первой ГЭС экспертиза предлагала специальный бассейн для собирания удаляемой из канала шуги;
б) та же экспертиза для канала второй ГЭС, с целью утепления, рекомендовала устройство над ним сплошного деревянного покрытия;
в)  для осуществления утепляющих устройств профиль сечения канала второй ГЭС был выбран почти с вертикальными откосами; в целях уменьшения потерь напора и удобств утепления, по рекомендации ВНИИГ, был установлен бычок в аванкамере;
г)   для отепления аванкамеры второй ГЭС предусматривалась подача теплого воздуха под покрытие канала от вытяжной вентиляции одного из генераторов;
д)  для облегчения ледостава, по рекомендации ВНИИГ, в канале первой ГЭС устанавливались пловучие деревянные решетки; в течение ряда зим эта установка представляла для эксплуатации ГЭС большие трудности;
е)  разрабатывались специальные мероприятия для предохранения бетонной облицовки канала от смерзания с мощным ледяным покровом.

Отсутствие такого же опыта при проектировании Днепрогэс привело к некоторым неполадкам в эксплуатации. Забор технического водоснабжения в аванкамере расположен в таком месте, где совсем не обеспечивается поступление воды из глубинных, т. е. наиболее отепленных слоев. Забор воды расположен так, что приходится забирать воду с нулевыми температурами из застойной береговой зоны с небольшими глубинами. В результате имели место зимние затруднения с техническим водоснабжением (фиг. 23). В первые годы эксплуатации для сброса паводков зимой были неправильно выбраны пролеты плотины, расположенные на застойном участке бьефа, с наиболее холодной водой на поверхности и с толстым льдом. Рациональнее было бы сброс воды организовать через пролеты, находящиеся у аванкамеры, т. е. на участке бьефа с хорошим перемешиванием воды, а следовательно, с отепленными поверхностными слоями воды. Для зимней эксплуатации затворов в этих пролетах потребовалось бы значительно меньше электроэнергии (на оттаивание, на всякого вида обогревы и т. п.).