ВОПРОСЫ ЗИМНЕГО РЕЖИМА
§ 41. Мероприятия по борьбе с шугой
В процессе эксплуатации деривационных ГЭС, в зависимости от местных условий, неизбежно приходится иметь дело с ледовыми явлениями. Некоторые из них в той или иной мере управляемы; к таким явлениям относятся: а) шугоаккумулирование в верхнем бьефе; б) шуговые зажоры в нижнем бьефе; в) шугообразование в деривационном канале; г) зажоры в деривационном канале при интенсивном шугоходе на участках с недостаточными скоростями (v < 1 м/сек) и зажоры под ледяным покровом при попадании шуги через водоприемник; д) ледостав в сравнительно глубоком и не заваленном наносами верхнем бьефе; совместно с ледоставом в верхнем бьефе ледостав. в деривационном канале; е) пропуск через плотину больших ледово-снежных масс, продуктов снеговых обвалов в реку со склонов ущелья; ж) в исключительных случаях зимние ледоходы через плотину; з) ледоход по деривационному каналу; и) ход снежуры в деривационном канале; к) забивка грубых и турбинных решеток шугой и льдинами заберегов; л) обмерзание турбинных решеток внутриводным льдом при наличии переохлажденной воды; м) обмерзание затворов; н) обмерзание кристаллическим льдом внутренних поверхностей открытых напорных металлических и деревянных трубопроводов при сильных морозах и при скоростях течения в них v < 0,75 м/сек.
В деривационных ГЭС приемы борьбы с шугой можно свести к двум основным схемам. По одной схеме в деривацию пропускается только чистая вода; вся борьба с шугой сосредоточивается в верхнем бьефе и в пределах головного узла. По другой схеме шуга пропускается в деривацию, и основная борьба ведется на напорностанционном узле.
На гидростанциях практикуется также пропуск шуги через турбины; в таких случаях наибольшие затруднения вызывает очищение воды от кристаллического льда заберегов.
В зависимости от местных условий могут иметь место и комбинированные схемы борьбы с шугой, когда вода от шуги очищается в двух местах (например на головном и на напорно-станционном узлах), и др. На некоторых гидростанциях принятый порядок очистки воды от шуги, в связи с завалом верхнего бьефа наносами, с течением времени может меняться.
Выбор схемы и мероприятий по борьбе с зимними затруднениями зависит от следующих факторов: а) возможности получения в пределах сооружений и верхнего бьефа скоростей воды, требуемых для намечаемой схемы; б) шугоаккумулирующей способности верхнего и шуготранспортирующей способности нижнего бьефа; в) способности пропускать шугу и лед имеющимися на гидростанции водосбросными и водопропускными сооружениями и от количества сбрасываемой отверстиями воды.
Первая зима эксплуатации или две первые могут рассматриваться как опытные; окончательное решение по организации зимнего режима на гидростанции принимается на основании этого опыта.
Изложив основные принципы организации зимнего режима, переходим к описанию мероприятий.
Шугоаккумулирование в верхнем бьефе, как мероприятие по очищению воды от шуги, направляющейся в деривационный канал, эффективно тогда, когда подпертый участок бьефа отличается большими размерами и незначительным уклоном дна. Для увеличения шугоаккумулирующей способности, а также для скорейшего установления ледостава в верхнем бьефе должен поддерживаться максимально возможный уровень воды. В случае исчерпания аккумулирующей способности верхнего бьефа, в целях предотвращения попадания шуги в канал, необходимо проведение следующих мероприятий:
а) контроль за приближением шуги к водоприемнику путем определения местонахождения головы зажора; с этой целью в ледяном покрове через каждые 0,5 км на поперечниках пробиваются по три постоянных лунки (посередине и на расстоянии 10—15 м от берегов); частота контрольных промеров назначается в зависимости от местных условий;
б) если шуга близко подошла к водосбросу, то должно быть вскрыто ледяное поле по линии входа в водоприемник; вскрытый лед должен быть удален, а образовавшаяся майна поддерживаться свободной ото льда; майна необходима для того, чтобы дать возможность подошедшей шуге всплыть на поверхность;
в) всплывающая на подходе к водоприемнику шуга должна сбрасываться в нижний бьеф.
В зависимости от местных условий сброс шуги может осуществляться или через водосброс или через отстойник. Если шуги много, надо добиваться ее удаления через отстойник. В этом случае требуется меньше воды, чем при сбросе шуги через водосброс плотины.
Если сброс шуги через водосброс затрудняется вследствие отсутствия клапанного затвора или козырька, то удаление шуги путем истечения из-под щита можно заменить поверхностным ее сбросом путем установки перед щитом шандорной стенки. В этом случае управление величиной расхода воды, сбрасываемой через шандорную стенку вместе с шугой, производится регулированием высоты открытия затвора, расположенного за стенкой. Высота шандорной стенки должна быть такова, чтобы свободно пропускать плывущие шуговые скопления и в случае образования зажора на подходе к шандорной стенке обеспечивать ликвидацию этого зажора путем мгновенного сброса большого количества воды через порог шандорной стенки при значительном уже открытии затвора. В целях экономии воды и облегчения сброса шугу через водосброс следует удалять с помощью ручных шуготасок или шуготасок, приводимых в движение лебедками.
Если плывущий материал начинает останавливаться перед затвором, накапливаясь по глубине, то его можно удалить приемом применяемым при сбросе сора. На короткое время работающий пролет закрывается. После накопления воды быстрым открытием клапанного затвора или быстрого подъема щита на 1—2 минуты необходимо резко увеличить подходные скорости к отверстию и этим протолкнуть в нижний бьеф прекратившие свое движение шуговые массы. Подъем затвора или опускание козырька прекращается, как только ледовые массы придут в движение.
При использовании отстойника для отстоя шуги, последняя может накапливаться на глубину в несколько метров. Продолжительность шугоаккумулирования зависит от расхода шуги и размеров камеры отстойника. Длительный отстой при сильных морозах не должен применяться вследствие возможного смерзания шуговых масс. После очищения камеры необходимо дополнительным попуском воды в отводящую галерею отстойника смыть остающиеся там после промыва шуговые отложения, так как в противном случае смерзшаяся шуга забьет галерею.
Для увеличения шуготранзитной способности нижнего бьефа, первые сбросы шуги в начале зимы следует производить с большими затратами воды, продвигая этим шуговые массы дальше от плотины и освобождая тем самым место для последующих отложений шуги у плотины. В дальнейшем, при исчерпании шуготранзитной способности, необходимо периодически производить кратковременные допуски больших расходов воды для проталкиваний шуговых скоплений.
Если в особо суровые и длительные зимы аккумулирующая способность верхнего бьефа и шуготранзитная способность нижнего бьефа полностью исчерпаны, то создается аварийная обстановка, требующая пропуска шуги в канал. В таких условиях должен приниматься ряд спешных мероприятий аварийного характера, а именно: срабатываться уровень воды в напорном бассейне до возможных пределов для обеспечения хода шуги по каналу; нарушается ледяной покров в канале, организуется продвижение шуги и льда по каналу, сброс шуги через шугосбросы, частичный сброс через турбины и т. п. Одновременно принимаются меры к ликвидации зажоров в нижнем бьефе с помощью взрывных работ, но с обязательным выполнением этих работ в таком порядке: начинать очистку русла на участке зажора, граничащем с руслом, свободным от шуги, и последовательно продвигаться взрывами вверх по течению, имея ниже по течению очищенное от шуги русло.
В случае подхода к головному гидроузлу больших ледово-снежных масс может создаться аварийная обстановка. Эта обстановка, во избежание завала ледовым материалом водоприемника и канала, потребует выключения деривации и открытия водосброса для пропуска ледово-снежных скоплений в нижний бьеф.
Для осуществления шуготранзита по деривации затворы водоприемника должны быть подняты. Допустимость снятия грубых решеток должна быть проверена на опыте эксплуатации. Решетки и затворы на работающей камере отстойника должны быть убраны. Отстойник должен быть приспособлен или для шуготранзита или для шугоотстоя. Уровни в верхнем бьефе и уровни в деривации должны быть снижены.
В порядке подготовки к шуготранзиту отложения наносов на понуре должны быть смыты, так как вследствие низких зимних уровней в верхнем бьефе наносы могут уноситься вместе с шугой в деривацию. Участки деривации, на которых можно ожидать возникновения зажоров, следует оборудовать постами наблюдения, имеющими телефонную связь с напорно-станционным узлом.
В случае подхода шуги к напорному бассейну необходимо обеспечить ее всплывание на подходах к шугосбросу. С этой целью на подходах к сбросу должна быть очищена ото льда полоса шириной в несколько метров.
Наилучшие условия для измерения количества шуги бывают тогда, когда вся шуга находится на поверхности. В случае значительной скорости течения, когда шуга частично или полностью уходит с поверхности, количество шуги в потоке приближенно может быть определено путем забрасывания в поток штанги с прикрепленным к ней ведром из металлической сетки.
Сифонный водосброс напорного бассейна может быть использован для удаления шуги (без льдин заберегов). Для возможности такого использования сифонов требуется наличие следующих условий: а) отсутствие тяжелых шугоходов; б) отепление в сифоне каналов автоматической подачи воздуха, чтобы предотвратить возможность забивки их шугой и, как следствие этого, избежать потерь воды при сработке уровня ниже допустимого; в) обеспечение в моменты сброса шуги возможности ручного регулирования сифонным водосбросом для более точного управления величиной сбрасываемого расхода.
Порядок сброса шуги через сифонный водосброс должен быть определен опытным путем.
Пролет водослива холостого сброса напорного бассейна рационально перекрывать служебным мостиком; это позволит иметь возможность сбрасывать льдины заберегов ручными шуготасками при минимальных потерях воды.
Для подтаскивания к водосливным отверстиям плывущей шуги или снежуры может применяться примитивная шуготаска, состоящая из широкой доски с грузом, поставленной на ребро. Шуготаска передвигается двумя рабочими. Обычная шуготаска представляет собой дощатый щит, перемещаемый с помощью тросов и системы блоков с ручными лебедками или с моторным приводом.
Удаление ледового материала, накапливающегося перед турбинными решетками напорного бассейна, может производиться с помощью портального крана.
Для предотвращения обмерзания решеток предусматривается их обогрев. Обогрев желателен и в непереохлажденном потоке, если через турбинные решетки проходит шуга в большом количестве.
По данным опыта эксплуатации, при прочих равных условиях, надобность в электрообогреве значительно ослабевает при больших скоростях течения в решетках (порядка 1,5—2 м/сек) и, наоборот, усиливается при скоростях v < 1 м/сек.
Момент начала включения электрообогрева решеток должен фиксироваться специальной аппаратурой путем подачи сигнала на пульт управления. Сигнал о необходимости включения электрообогрева может быть получен или в момент появления температуры воды ниже нуля (микроэлектротермометр ВНИИГ с зеркальным гальванометром), или в момент фактического появления внутриводного льда (шугосигнализатор Рымша типа АСШ-2). Приемник микроэлектротермометра находится на пульте ряда гидростанций. Ручка шкалы приемника при приближении температуры к нулю устанавливается на нуле. Момент необходимости включения электрообогрева решеток наступает при совпадении «зайчика» зеркального гальванометра с нулем шкалы последнего. Температура должна измеряться в зоне потока с хорошим перемешиванием воды, отнюдь не на застойных или на малопроточных участках, чтобы наблюдения давали температуру воды, значительно выравненную по вертикали. Например, на одной северной ГЭС датчик микроэлектротермометра находится в самом конце канала, на участке больших скоростей на глубине 1,5 м. Точность ртутного микротермометра меньше электрического и не превышает 0,01 °. Точность родникового термометра еще меньше (0,2-0,1°). Измерение и отсчет температур ртутными термометрами надо производить в воде, извлеченной в ведре.
Идея шугосигнализатора В. А. Рымша построена на использовании в мостиковой схеме разной электропроводности воды и льда в сочетании с усилительной схемой на электронных лампах. Момент начала шугообразования характеризуется резким скачкообразным увеличением сопротивления между электродами. Датчики шугосигнализатора должны устанавливаться на подходах к турбинным решеткам в зоне хорошего перемешивания воды. На одной ГЭС три датчика находятся в самом конце деривационного канала, на глубинах 0,5, 1 и 2 м и подвешены к запани. На другой ГЭС датчик установлен под забральной стенкой, на глубине 3 м.
При отсутствии контрольной аппаратуры момент включения электрообогрева ориентировочно может определяться с помощью наблюдений за появлением внутриводного льда на опущенных в воду проволочных сетках в напорном бассейне (но не в застойной зоне). При прозрачной воде водотока полезно иметь электролампу с герметическим колпаком. Такая лампа опускается в воду аванкамеры для просвечивания турбинных решеток в моменты отрицательных или близких к отрицательным температур воды и позволяет обнаружить присутствие в воде и на решетках кристаллов внутриводного льда.
При организации зимнего режима на гидроэлектростанциях, забирающих воду из глубоких обширных малопроточных бьефов, необходимо учитывать их тепловые преимущества (теплоаккумуляция), а при неблагоприятных гидрометеорологических условиях — возможность кратковременных зимних затруднений.
Наиболее ответственным периодом в работе гидростанций необходимо считать период осеннего ледостава в верхнем бьефе, когда на ГЭС могут возникнуть затруднения, вызванные появлением в. верхнем бьефе шуги. Эти затруднения бывают при затянувшейся осени и при запоздалых ледоставах в верхнем бьефе. В такие неблагоприятные зимы возможно появление в голове деривации (даже при ледоставе в бьефах) воды с нулевыми температурами, а в конце деривационного канала — внутриводного льда. Независимо от характера ледяного покрова в бьефе, уменьшение расхода воды в деривации в период холодов (т. е. падение скоростей течения) может вызвать охлаждение воды, поступающей в напорный бассейн,. и ледообразование в конце канала.
