5-4. ВЫСОТНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ОТВОДЯЩЕГО РУСЛА
Высотное положение дна (водобоя, рисбермы) отводящего русла зависит от ряда факторов.
Для здания ГЭС несовмещенного типа отметка дна отводящего русла определяется энергоэкономическим расчетом, исходя из принципа получения минимума ежегодных издержек, определяемых капиталовложениями в подводящее русло и стоимостью энергии, компенсирующей потерянную. При определении высотного положения отводящего русла совмещенной гидроэлектростанции приходится иногда отступать от оптимального варианта, учитывающего энергетические требования, в связи с необходимостью исключить образование недопустимых режимов в нижнем бьефе, например отогнанного донного гидравлического прыжка.
а) Расчет высотного положения водобоя несовмещенного здания ГЭС
Как это было показано в гл. 2, на напор турбины влияет высотное положение водобоя, в зависимости от которого в нижнем бьефе здания ГЭС может образоваться перепад восстановления, увеличивающий напор турбин, или подпор.
Ориентировочно оценить правильность назначения отметки дна отводящего русла (водобоя) можно по формулам § 2-8. Однако для того, чтобы быть уверенным в том, что отметка водобоя отвечает оптимальному решению, требуется проведение технико-экономического расчета, для чего необходимо иметь данные о распределении по времени характерных режимов работы агрегатов, знать стоимость заменяющей энергии и иметь возможность произвести подсчеты капитальных затрат по отводящему руслу при различном высотном положении его дна. Отыскание оптимального решения требует в силу большого числа факторов, влияющих на него неоднозначно, сопоставления различных проектных вариантов.
При отсутствии надлежащих исходных данных высотное положение дна отводящего русла может быть определено по расчету, изложенному в § 2-8. При подробном технико-экономическом расчете высотного положения дна отводящего русла следует использовать формулы (2-16) и (2-17), по которым для характерных режимов работы гидроэлектростанции строятся кривые связи перепада восстановления и превышения d водобоя над порогом отсасывающей трубы ∆h0=f(d). При этом следует иметь в виду, что расчет действителен согласно исходной расчетной схеме и поверочным расчетам, сопоставленным с лабораторными данными, при работе одновременно не менее 2/з агрегатов.
Имея кривые ∆h0=f(d) для наиболее характерных режимов работы ГЭС, подсчитываем при различных значениях d для каждого режима длительностью ΔTi дополнительную выработку энергии, получаемую за счет перепада восстановления, или ее потери (при наличии подпора). Суммарная дополнительная выработка энергии за расчетный период составляет при некотором значении d:
б) Высотное положение водобоя совмещенного здания ГЭС
При проектировании отводящего русла совмещенного здания ГЭС необходимо прежде всего определить такое высотное положение водобоя, которое обеспечивало бы затопление донного гидравлического
прыжка (см. § 6-3). Из этого условия определяется наивысшее возможное положение водобоя. Особенно важно проверить отсутствие донного отогнанного прыжка при проектировании гидроэлектростанций с горизонтальными агрегатами и водосливами с широким порогом, поскольку при значительных удельных сбросных расходах и малом заглублении порога отсасывающей трубы создаются условия, при которых возможен отгон прыжка. В некоторых случаях для затопления донного прыжка приходится идти, как это, например, имеет место на Плявиньской ГЭС, на устройство за зданием ГЭС водобойного колодца, что ведет к уменьшению перепада восстановления и эффекта эжекции.
Окончательно отметку водобоя следует определять из расчета, изложенного в предыдущем пункте. Если сбросы воды в паводок через здание ГЭС производятся редко, т. е. если эжекция не играет существенного значения, расчеты высотного положения водобоя не отличаются чем-либо от проводящихся для зданий ГЭС несовмещенного типа. Если же сбросы производятся в течение длительного периода и экономический эффект эжекции может быть существенным, то расчет высотного положения водобоя следует производить, выделяя периоды, в течение которых производится сброс и рассчитывая для них вместо перепада восстановления эффект эжекции.
в) Высотное положение рисбермы. Расчистка русла
Рисберма как участок крепления отводящего русла, на котором происходит полная или почти полная диссипация избыточной кинетической энергии потока, поступающего из отсасывающей трубы, а на совмещенных ГЭС—также через водосбросы, выполняется (рис. 5-11):
- горизонтальной на всем протяжении, расположенной на одной отметке с порогом отсасывающей трубы (что возможно в случае горизонтальных агрегатов) или на уровне водобоя за наклонным участком:
- понижающейся по направлению потока уступами, что делается для увеличения глубины по длине подводящего русла с целью снижения скоростей в конце креплений;
- понижающейся полого, что, как и в предыдущем случае, приводит к уменьшению скоростей по длине русла;
- расположенной на более высоких отметках, чем водобой, выполненный в виде водобойного колодца (на совмещенных ГЭС в случае необходимости затопления отогнанного прыжка).
Все перечисленные конфигурации рисбермы, а иногда и их комбинации нашли применение в практике.
На скальных грунтах рисберма как участок отводящего русла, имеющий соответствующее покрытие, может отсутствовать. Крепление в виде выравнивающей облицовки обычно заканчивается за наклонным участком, сопрягающим порог отсасывающей трубы с горизонтальным дном русла.
Исходя из энергетических требований рисберма или последующая за основным участком отводящего русла расчистка скального русла не должны вызывать подпора.
В тех случаях, когда рисберма понижается по длине русла, отводящее русло при работе всех агрегатов или большого их числа становится диффузорным, чему способствует также плановое расширение отводящего русла за счет разворота струенаправляющих сооружений.
Рис. 5-11. Гидроэлектростанции и их отводящие русла.
а — Волжская ГЭС имени В. И. Ленина; б — Киевская; в—Камская водосливная; г — Иркутская; д — Кайрак-Кумская; е — Воткинская (несовмещенная, проект); ж — Тюя-Муюньская (проект).
В пределах отводящего русла образуется обратный уклон, что увеличивает при фиксированном уровне воды в конце русла напор турбины1. Рисберма должна противостоять воздействию потока и защищать грунт основания от размыва. Это обстоятельство, а также стремление облегчить конструкцию и условия в конце крепления делают целесообразным снижение скорости по длине путем понижения рисбермы по направлению потока.
Из производственных соображений обычно отдают предпочтение рисберме, понижающейся уступами, перед плавно понижающейся рисбермой. Расчет величины понижения уровня воды в начале рисбермы, наиболее просто произвести по уравнению Бернулли, составленному для сечений русла в начале рисбермы и в ее конце, перед концевым креплением. При этом требуется производить учет потерь энергии на трение по длине русла, на плавное расширение потока при понижении дна наклонным участком или на внезапные расширения (при понижении русла ступенями).
Определить расчетом увеличение напора за счет диффузорности русла можно достаточно точно лишь в случае, если отводящее русло на всем протяжении заключено между низовыми открылками и при достаточно равномерном распределении скоростей по ширине русла. Более надежные данные могут быть получены на гидравлической модели.
Приведем для примера данные экспериментального определения отметки дна отводящего русла (расчистки скального русла) Усть-Илимской ГЭС. Опыты проведены в Волгоградской лаборатории НИС Гидропроекта.
При суммарных расходах, равных 6 000 м2/сек (одновременная работа всех десяти агрегатов) и 13 300 м3/сек (паводок), снимался продольный профиль свободной поверхности воды в нижнем бьефе при превышении отводящего русла (расчистки) над порогом отсасывающей трубы на 20,0, 18,0 и 16,0 м (рис. 5-12). Измерение уровней воды производилось в шести створах в средней части наклонного участка, расположенного за отсасывающей трубой (створ I); в конце наклонного участка (II); в отводящем русле (III, IV)·, в русле реки (V, VI). При постоянном уровне воды в створе VI понижение отметки расчистки на 2 м, с отметки 4,0 до 2,0 м, снизило при расходе 6 000 м3/сек уровень воды в створе I на 1,37 м (табл. 5-3). Дальнейшее понижение дна отводящего русла на 2 м до отметки 0,0 м дало в створе I дополнительное снижение уровня воды на 0,2 м. При расходе 13 300 м3/сек понижение русла с отметки 2,0 м до 0,0 м, т. е. на 2 м, снизило уровень воды в створе I на 0,2 м.
Полученные лабораторные данные позволили определить целесообразную отметку расчистки отводящего русла.
При понижении дна отводящего русла заметно снизились скорости воды. Например, максимальная скорость в створе I при расходе 6 000 м3/сек с 5,2 м/сек. при отметке дна 4,0 м снизилась при отметке дна 0,0 м до 3,3 м/сек.
1 Для того чтобы русло работало как диффузор, должно отсутствовать такое сбойное течение, при котором на части ширины русла устанавливается по всей его длине.
Но и при малых напорах и сравнительно малой мощности ГЭС затраты на работы по расчистке русла, как правило, оправдываются. Примером этого могут служить работы по расчистке русла, проведенные на ГЭС Лавамюнд в Австрии. Отводящее русло после производства работ не было расчищено от остатков перемычки и не была срезана скальная гряда [88].
Рис. 5-12. План течения на модели Усть-Илимской ГЭС при расчистке отводящего русла. Пропуск воды только через турбины.
а —на отметке 4,0 м; б — на отметке 0,0 м; 1 — водоприемник ГЭС, l—300 м; 2 — водосливная пло тина, l=210 м; 3 — глухая плотина, l=270 м.
Т а б л и ц a 5-3
Уровни воды и величины скоростей течения в нижнем бьефе модели Усть-Илимской ГЭС при разных по высоте расчистках в нижнем бьефе
Расчеты показали, что углубление отводящего русла до отметки 337 м, примерно на 60—80 см, увеличит напор турбин на 13 см (при расчетном напоре 9 м, табл. 1-6). В результате проведенных работ было убрано с площади 40 тыс. м2 около 20 тыс. м3 скалы, русло углублено до отметки 336 м, что увеличило напор на ГЭС на 17 см, выдаваемую мощность до 1 МВт и выработку в средний по водности год на 3,5—4 млн. кВт-ч при установленной мощности 24 МВт.
Если дно отводящего русла сложено из аллювия, то обычно не требуется производить глубокие расчистки, так как при сбросе воды, осветленной в водохранилище, смыв несвязного материала на участке русла, примыкающем к ГЭС, происходит за относительно небольшой период эксплуатации ГЭС.
