Глава III
БОРЬБА С СОРОМ
§ 10. Современное состояние вопроса
На ряде гидростанций, ценой больших потерь электроэнергии, ведется борьба с сором (Загэс, Орджоникидзегэс, Майкопгэс, Свистухинская ГЭС и др.). Так, например, Орджоникидзегэс вынуждена снижать выработку энергии до 50 раз в течение паводкового периода. Свистухинская ГЭС несколько раз в году отключает полностью потребителей. Большинство гидростанций не имеют решеткоочистных машин, а очистка решеток вручную неэффективна и подчас невозможна. Поэтому приходится извлекать из воды решетки для их очистки и останавливать турбину или, допуская некоторый риск, оставлять работающую турбину без сороудерживающих решеток. На Чирчикском каскаде «потери напора на решетках при их засорении нередко составляют 0,4—0,5 м и больше. Вызываемая этим недовыработка электроэнергии исчисляется тысячами киловаттчасов в сутки» [Л. 2 ].
Необходимо отметить, что в литературе не уделяется должное внимание вопросам очистки воды от сора в деривационных гидроэлектростанциях, несмотря на серьезный ущерб, причиняемый мусором. Отсутствуют также технические условия и нормы на проектирование сорозащитных устройств и конструкций.
§ 11. Головные гидроузлы
Основными недостатками головных узлов деривационных гидростанций следует считать:
а) слабое распространение решеткоочистных машин;
б) расположение грубых решеток водоприемника в зоне больших скоростей потока;
в) неиспользование сбросных расходов для облегчения очистки грубых решеток водоприемников от мусора;
г) слабое использование в затворах водосброса клапанных затворов;
д) конструкции решеток, затрудняющие их очистку вручную.
В ряде случаев наибольшие потери напора в низконапорных и средненапорных гидростанциях возникают из-за невозможности содержать решетки в чистом состоянии.
Эффективная борьба с сором на головных узлах требует удовлетворительного решения двух задач: во-первых, недопущения сора в большом количестве к грубым решеткам и, во-вторых, легкой и полной их очистки.
Первая задача выполняется с помощью бонов и запаней, устанавливаемых на подходах к водоприемнику, для перехватывания сора и удаления его через водосброс в нижний бьеф. Хорошая работа запаней может быть обеспечена при величине сбросного расхода, равного 25% забираемого расхода в деривацию. Такое соотношение расходов может быть обеспечено только в паводковый период. Однако, сплошь и рядом, ход сора наблюдается как при спаде паводка, так и при небольшой его величине. В таких случаях сор проходит под запанью. При нехватке воды для сброса сора в нижний бьеф возможность подныривания сора под запань зависит от величины скорости потока на подходе к запани. Чем больше скорость, тем труднее бороться с подныриванием. Чем глубже запань погружается в воду, тем при больших скоростях она может противостоять подныриванию.
По наблюдениям автора, запань без козырька удовлетворительно задерживает мелко плывущий сор при скоростях до 0,25 м/сек. Запань, погруженная на 1,2 м, удерживает сор при скоростях 0,5 м/сек.
Исходя из сказанного, запань при входе в водоприемник целесообразно удлинять, благодаря чему ее можно расположить на участке с меньшими подходными скоростями. Запань с козырьком должна противостоять скоростному напору и должна быть надежно закреплена тросами. Запань должна находиться наплаву при возможных колебаниях уровня воды, легко отводиться и освобождать вход в водоприемник при окончании паводка, когда весь расход реки начинает поступать в деривацию.
Как известно, забральная балка ставится или перед решетками или совместно с ними и призвана также задерживать плывущие тела. Образующийся перед балкой валец с горизонтальной осью вращения и с поверхностной скоростью, направленной обратно поступательной скорости потока, задерживает сор в своем объеме. Объем вальца зависит от глубины погружения балки и от подходной скорости потока. Чем больше эта скорость, тем меньшее количество плывущих тел удерживается перед забральной балкой. Таким образом, если сора много, то он быстро заполняет объем вальца; остальной сор, попадая в поток, увлекается под балку. Другой валец, образующийся за забральной балкой, рядом с ней, также задерживает сор в своем объеме. Сор из такого вальца должен удаляться. В противном случае при снижении уровня в деривационном канале сор вследствие уменьшения размеров вальца устремляется в канал (фиг. 13).
Забральная балка при косом подходе потока к ней в сочетании с бычками, выступающими за ее плоскость в верхний бьеф, вызывает интенсивное образование воронок, весьма облегчающих подныривание сора под балку.
Фиг. 13. Схема головного узла
- — раздельный устой; 2 — сегментный затвор; 3 — береговой устой; 4 — водоприемник; 5 — подпорная стенка; 6 — линия порога водоприемника; 7 — забральная балка и грубая решетка
Трудность борьбы с крупным сором, поступающим к решеткам (например стволы деревьев), возрастает с увеличением скоростей в бьефе, на подходах к головному гидроузлу. Скорости увеличиваются с ростом паводковых расходов, а также по мере заиления верхнего бьефа.
Расположение грубых решеток (фиг. 13) за линией порога водоприемника увеличивает количество сора, с которым приходится бороться на решетках, и крайне осложняет уборку сора вручную, вследствие значительных скоростей потока. Расположение решеток на участках больших скоростей следует считать большим недостатком. Так, на водоприемнике Орджоникидзегэс и Майкопгэс скорость в решетках доходит до 1,5—2 м/сек. Очевидно, что очистка решеток вручную при таких скоростях и тем более после образования перепада становится невозможной.
Решетки при расчете на ручную очистку не должны, по нашим наблюдениям, устанавливаться в зоне скоростей свыше 0,8—1,0 м/сек. Решетки в зоне больших скоростей придется или весьма часто поднимать для очистки (тем самым допускать поступление мусора в канал), или для уменьшения скоростей опускать расположенный за решетками один из щитов водоприемника. Опускание щита будет вызывать уменьшение расхода воды, поступающей в канал, и тем самым уменьшение выработки энергии.
Можно еще увеличить число примеров с дефектным расположением решеток. На схеме фиг. 7 решетки установлены при самом входе в напорный тоннель, на участках больших скоростей и без возможности наблюдений за перепадом на них. На ряде ГЭС проектом не были предусмотрены механизмы для очистки решеток. Поэтому для удаления попадающих на решетки топляков и мусора приходилось срабатывать обширный бьеф иногда на 1,25 м.
Для иллюстрации условий, в которых приходится вести борьбу с сором, можно привести некоторые фактические данные. На Орджоникидзегэс в июне 1949 г. бригада из 5 рабочих 18 раз очищала решетки водоприемника с помощью поочередного прикрывания щитов, находящихся за ними; в июле здесь повторилось почти то же самое; в августе щиты на 15—20 минут спускались 16 раз и т. д. На Майкопгэс при паводковых расходах перепады на решетках достигают 0,7—1,4 м. Поднять решетки электроталью весьма трудно: подъему мешает осевший на решетках сор в виде веток и сучьев. Течением воды сор настолько уплотняется, что рабочие ходят по нему. После прохода паводка перепад на решетках вместо 0,11 м (по проекту) достигает 0,28 м, так как невозможна очистка вручную нижних звеньев решеток. Поэтому потеря напора на саморегулирующейся деривации Майкопгэс вместо 0,3 м составляет 0,56 м; такие потери напора уже чувствительны.
Следует отметить, что извлечение из воды грубых (так же, как и частых) решеток представляет собой трудоемкую операцию, и в условиях эксплуатации к ней прибегают лишь в крайних случаях.
Анализируя причины затруднений по борьбе с сором, можно наметить некоторые мероприятия, облегчающие условия эксплуатации.
Размещение грубых решеток вдоль порога водоприемника, вблизи затвора водосброса плотины (предпочтительнее под углом 90° к нему), поставило бы их под промывное воздействие потока, направляющегося в пролет водосброса. Такое воздействие потока чрезвычайно облегчило бы борьбу с засорением решеток. Действительно, если бы сор и задержался в стержнях решеток, то достаточно было бы небольшого усилия граблями, чтобы оторвать его от решеток. Правда, при выносе решеток на линию порога водосброса длина их увеличивается, но зато значительно облегчается эксплуатация.
Рассмотренный выше тип водоприемника, предложенный В. Г. Айвазьяном (фиг. 9), весьма облегчает борьбу с вовлечением сора в деривацию. В этом водоприемнике заборные отверстия с решетками, совпадая с линией порога и расположенные вблизи затворов водосброса, находятся под сильнейшим воздействием сбросного потока. Касаясь опыта эксплуатации, П. И. Раевский подтверждает: «в условиях значительного паводка 1952 г. не было случаев такой забивки решеток, чтобы появлялся большой перепад, хотя недостатка в мусоре не было. Чистка ограничивалась работой одного человека».
В условиях Майкопгэс решетки могли быть размещены в пределах верхней головы отстойника, где скорости течения не выше 0,5 м/сек. На водоприемнике можно было бы ограничиться установкой лишь грубых решеток для задержания здесь только крупного сора. Еще рациональнее было бы размещение решеток на нижней голове отстойника, где они промывались бы обратным током воды при очистке камеры. Подобное расположение решеток имеет место на нижней голове отстойника Ацгэс. Расположением решеток на нижней голове отстойника можно было бы сильно облегчить борьбу с сором у входного портала напорного тоннеля Дзорагэс. Обратным током воды удаляется мусор с решеток водоприемника Баксангэс, поставленных по линии его порога.
Использование обратного течения воды в водоприемнике, получаемого путем кратковременного снижения уровня в верхнем бьефе с помощью открытия ближайшего к водоприемнику затвора водосброса, может быть эффективным лишь при условии близкого расположения решеток водоприемника к линии его порога и небольшого бьефа. Для получения в таком бьефе полезного перепада воды на решетках не требуется значительного сброса воды.
Приведем еще пример использования обратного течения воды для очистки решеток. На Краснополянской ГЭС частые решетки мгновенно очищаются путем перевода питания ГЭС на бассейн суточного регулирования, после чего опускается затвор трубопровода и включается в работу ближайший к решеткам пролет сифонного водосброса.
При затруднениях по удалению с территории гидросооружений большого количества сора, снимаемого с решеток, может быть налажена гидравлическая уборка сора с помощью специально сооружаемого для этой цели лотка. Такой лоток должен быть поднят над самым высоким уровнем воды и расположен вдоль фронта решеток. Сор сбрасывается в сухой лоток. После наполнения лотка сором в него подается насосом вода; сор с водой сбрасывается в отводную канаву.
При прочих равных условиях гидравлический сброс плавающих тел в нижний бьеф облегчается при наличии в пролете водосброса клапанных затворов или козырьков. Эти затворы имеют ряд преимуществ по сравнению с плоскими или с сегментными, а именно:
а) плавающие тела удаляются меньшими сбросами воды, так как при одинаковых величинах сбросных расходов скорости на поверхности, вблизи затворов, будут больше при работе клапанов (козырьков);
б) клапаны дают возможность легко управлять поверхностной скоростью потока на ближайших к ним подходах и при этом ценой небольших сбросов воды; резкое увеличение местной скорости путем опускания клапана заставляет придти в движение и подвинуться к затвору остановившиеся скопления плавающих тел (Невинномысский головной гидроузел).
В условиях нехватки воды для сброса сора, последний накапливается на подходе к работающему пролету водосброса. В этом случае сор удаляется следующим приемом. Путем прикрытия пролета на короткое время собирается вода. После накопления воды и сора козырек (клапан) опускается и держится опущенным до тех пор, пока не будет удален скопившийся сор. После сброса сора положение козырька немедленно восстанавливается.
Крупные плавающие тела, могущие при сбросах повредить затворы, не должны пропускаться в пролеты водосброса. Баграми, путем закидывания крючьев на канатах, такие тела оттаскиваются в сторону к местам (земляная плотина, берег), где они сравнительно легко могут быть извлечены из воды.
Часто и сама конструкция грубых решеток не может обеспечить удобную и легкую их очистку вручную; например, большая ширина вертикальных стержней и горизонтальных ригелей при частом расположении последних весьма осложняет очистку (Орджоникидзегэс).
Следует отметить некоторые особенности характера поступления сора, затрудняющие эксплуатацию. На длинных деривациях, протрассированных в степных районах (без защитных лесных насаждений), при сильных ветрах наблюдается засорение воды высохшими крупными сорными травами («перекати поле» и др.), сводящее на нет эффект очищения воды на водоприемнике (Свистухинская ГЭС).
Гидростанции, забирающие воду ниже промышленных центров, вынуждены бороться с мелкими отходами производственных предприятий, причиняющими в некоторых случаях больше хлопот, чем крупный мусор: например, тряпье от бумажных фабрик, дрожжевые хлопья от винокуренных заводов, плывущие в массе воды и забивающие фильтры технического водоснабжения (Майкопгэс). Горные реки наводняются в большом количестве листьями, идущими по всему сечению потока (Краснополянская ГЭС, Рионгэс).
