Рассмотренные в гл. 3 многочисленные компоновки сооружений гидроэлектростанций относятся и к ГАЭС, поскольку, если на ГЭС установить обратимые гидроагрегаты и создать необходимый объем в нижнем бьефе, она сможет работать в режиме гидравлического аккумулирования.
ГАЭС с плотинной схемой создания напора по конструкции и компоновке сооружений аналогичны плотинным схемам обычных ГЭС. Поскольку в этой схеме всегда имеется приток в верхний бассейн, она характерна для ГЭС — ГАЭС. В последние годы рассматривается возможность строительства низконапорных ГАЭС с напорами 10 — 20 м с использованием горизонтальных капсульных обратимых агрегатов. По схеме эти ГАЭС, кроме некоторых особенностей оборудования и большего заглубления гидромашин под уровень нижнего бьефа, не отличаются от ГЭС с русловыми и приплотинными зданиями.
Деривационные схемы ГАЭС находят широкое применение. Например, ГАЭС Байна Башта в Югославии, мощность 630 МВт при Нст=600 м, имеет деривационный напорный туннель длиной 8 км и диаметром 6,3 м.
Схемы станционных узлов ГАЭС показаны на рис. 7.7. В связи с тенденцией установки возможно более мощных гидроагрегатов, требующих больших расходов воды, для напоров примерно до 200 м наиболее распространенной является схема с индивидуальными верховыми напорными водоводами (рис. 7.7,а), диаметр которых достигает 8 — 9 м. Заглубление обратимых гидромашин составляет в данных условиях 15 — 30 м. Для плавного сопряжения отсасывающих труб с нижним бассейном часто появляется необходимость сооружения низового канала. По такой схеме построены Киевская ГАЭС, ГАЭС Ладингтон (США), строятся Загорская, Кайшядорская ГАЭС и др.
Схема ГАЭС с подземным расположением основных сооружений, включая здание ГАЭС, помещение главных силовых трансформаторов, низовой уравнительный резервуар (рис. 7.7,б), аналогична промежуточной схеме подземной ГЭС (см. §3.4).
Необходимость устройства уравнительного резервуара обусловливается ролью ГАЭС в энергосистеме, а также отношением постоянных инерции напорной системы и агрегата (см. гл. 33). Допустимая инерционность напорных водоводов определяется, исходя из требуемого быстродействия при наборе и снятии нагрузки, с учетом отношения мощностей ГАЭС, энергосистемы или той ее части, которая в случае аварии может работать параллельно с рассматриваемой ГАЭС.
Размеры поперечного сечения водоводов ГАЭС определяются технико-экономическим расчетом, однако в отличие от ГЭС потери энергии должны учитываться при двух режимах: турбинном и насосном [80].
В качестве нижнего бассейна ГАЭС часто используются естественные (озеро, морской залив) или искусственные (существующее водохранилище) водоемы, иногда нижние бассейны образуются путем подпора плотиной небольшой реки. Конфигурация верхнего бассейна определяется необходимым рабочим объемом, рельефом местности и устойчивостью склона. По возможности следует стремиться к круговому в плане очертанию верхнего бассейна, что обеспечивает минимальную длину ограждающих дамб.
В конце турбинного цикла работы ГАЭС в верхнем бассейне возможно возникновение скоростей, опасных для размыва его дна. Поэтому при проектировании следует предусматривать мертвый объем с глубиной, зависящей от способа крепления дна, которое перед водоприемником может производиться камнем, а в пределах сопрягающих устоев—железобетонным покрытием. При выборе крепления откосов дамб бассейнов должно учитываться воздействие образующегося льда.
Особое внимание должно быть обращено на водонепроницаемость дна и ограждающих дамб верхнего бассейна, которая обеспечивается обычно укладкой экрана из глинистых грунтов или применением битумных покрытий. Вместо дорогостоящей бетонной облицовки откосов и дна бассейна можно использовать в качестве противофильтрационного покрытия дна бассейна полимерный пленочный материал, а на откосах ограждающей дамбы — асфальтобетонное покрытие. Однако применение полиэтиленовой пленки ограничивается сроком ее службы, который для гидротехнических сооружений установлен в 30 лет. Для предотвращения опасности оползневых явлений на береговых откосах осуществляется перехват возможного фильтрационного потока путем устройства развитой системы дренажа зоны бассейна и напорных водоводов.
Рис. 7.7. Схемы компоновки сооружений ГАЭС:
а —с индивидуальной схемой напорных водоводов и наземным расположением сооружений; б —с разветвленной схемой напорных водоводов и подземным расположением сооружений; 1 — водоприемник; 2 — смотровая площадка; 3 — здание ГАЭС; 4 — помещение трансформаторов; 5 — уравнительный резервуар; 6 — гасители; 7 — туннель к уравнительному резервуару; 8 — грузовой туннель; 9 — туннель электрических выводов и вентиляционный
На рис. 7.8,а показаны план сооружений Киевской ГАЭС и дренажная система верхнего бассейна. Между бассейном и водоприемником проложен канал длиной около 800 и шириной 110 м. В основании бассейна на 15 м ниже дна залегает пласт глин, а по контуру выполнена глинобетонная диафрагма толщиной 0,5 м, сопрягающаяся с водоупорным пластом. Дренажная система состоит из трубчатого дренажа (рис. 7.6,е), выходящего в дренажные галереи (рис. 7.8,б). По проекту обмерзание стенок подводящего канала должно было предотвращаться устройством воздушной завесы, для чего была предусмотрена система перфорированных труб, в которые подается воздух (рис. 7.8,г).
Опыт эксплуатации системы подачи сжатого воздуха показал ее сложность и не очень высокую надежность. С введением на ГАЭС двойного цикла заряда- разряда большую часть суток в канале происходит движение потоков относительно теплой воды, забираемой из водохранилища Киевской ГАЭС, являющегося нижним бассейном. В результате льдообразование в канале прекратилось и система подачи сжатого воздуха у стен канала была демонтирована [54].
ГАЭС с подземными нижними бассейнами. Особенностью этих ГАЭС является создание искусственного подземного бассейна в глубоко заложенной подземной выработке (рис. 7.9). Проекты подобных ГАЭС мощностью от нескольких сотен до 3500 МВт разрабатываются в Швеции, СССР и Канаде. До последнего времени создание подземных бассейнов значительных объемов считалось возможным лишь при наличии надежных скальных грунтов. Имеются предложения об использовании выработок подземных месторождений в качестве нижних бассейнов.
Создание гидросилового оборудования для подземных ГАЭС такого типа представляет ряд трудностей, преодоление которых следует искать в применении агрегатов большой мощности, а также многоступенчатых обратимых гидромашин.
Рис. 7.8. Сооружения Киевской ГАЭС:
а —план; б — сечение дренажной галереи; в — трубчатый дренаж; г —устройство для борьбы с обмерзанием стенок подводящего канала; 1 — здание ГАЭС; 2 — водоприемник; 3 — напорные водоводы; 4 — верхний бассейн; 5 — трубчатый дренаж; 6 дренажная галерея; 7 — песок; 8 — песок и щебень крупностью до 10 мм; 9 — щебень крупностью 5 — 40 мм; 10 — железобетонная труба; 11 — озерные глины; 12 — железобетонная галерея; 13 — неогенные глины; 14 — бетонная стяжка; 15 — железобетонная плита; 16 — забивка пазухи глиной; 17 — ресивер сжатого воздуха; 18 — обратная засыпка; 19 — перфорированные трубы; 20 — глиняный экран; 21 — подпорная стенка; 22, 23 — верхний и нижний соединительные каналы
Расчеты ГАЭС с подземными нижними бассейнами, проведенные как в СССР, так и за рубежом, показали, что их технико-экономические характеристики весьма благоприятны. Удельные капиталовложения по ним меньше, чем по обычным ГАЭС. Кроме того, для этих ГАЭС основное энергетическое оборудование, методы строительства и применяемое строительное оборудование могут быть унифицированы. Специальные геологические исследования, проведенные в нашей стране, выявили ряд мест, благоприятных для строительства таких ГАЭС.
Повышение экономической эффективности ГАЭС может быть достигнуто за счет выбора оптимальных конструкций сооружений, оборудования, совершенствования организации и технологии производства работ. Наиболее эффективным является создание ГАЭС с использованием существующих естественных водоемов или ранее созданных искусственных водохранилищ несмотря на затруднения, вызванные дополнительными колебаниями уровня в них. Примером может служить сооружаемая Кайшядорская ГАЭС мощностью 1600 МВт с использованием в качестве нижнего бассейна водохранилища Каунасской ГЭС. В проекте Ленинградской ГАЭС с подземным нижним бассейном в качестве верхнего бассейна предусматривается использовать оз. Глубокое, колебания уровня которого составят всего 20 — 30 см. Практически многие существующие плотинные ГЭС могут служить основой для их расширения и преобразования в ГЭС — ГАЭС.
Рис. 7.9. ГАЭС с подземным нижним бассейном и трехмашинными обратимыми агрегатами
СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОАККУМУЛИРОВАНИЯ
К 1986 г. в мире насчитывалось в эксплуатации и строительстве около 300 ГАЭС суммарной мощностью более 80 млн. кВт.
По имеющимся прогнозам к 1990 году мощность всех ГАЭС в мире достигнет примерно 100 млн. кВт при их доле в энергосистемах до 5,6 % в США и 4 % в Западной Европе.
Построены и строятся ГАЭС мощностью 1500 — 2000 МВт, проектируются ГАЭС мощностью 3000 — 3600 МВт. Большинство ГАЭС используют напоры 100 — 300 м, в отдельных случаях 800 — 900 м, а для ГАЭС с подземными бассейнами напоры могут достигать 1200 — 1500 м и более.
Первая ГАЭС в нашей стране — Кубанская (мощность 19 МВт в 6 агрегатах, напоры 14,5 — 30 м) с сезонным циклом аккумулирования — была построена в 1969 г. в головной части Большого Ставропольского канала. В 1970 г. была введена в эксплуатацию Киевская ГАЭС суточного цикла аккумулирования; в качестве нижнего бассейна ГАЭС используется водохранилище Киевской ГЭС. Вводятся в действие Загорская (6 агрегатов по 200 МВт), Кайшядорская (8 агрегатов по 200 МВт) ГАЭС, начаты работы по Каневской ГАЭС (16 агрегатов по 225 МВт). Эти ГАЭС имеют близкие расчетные напоры, что позволило унифицировать их гидросиловое и механическое оборудование и некоторые сооружения. Строятся Константиновская ГЭС — ГАЭС и Ташлыкская ГАЭС в составе Южно- Украинского энергетического комплекса на р. Южный Буг (см. рис. 2.4), Днестровская ГАЭС.
Гидропроектом начаты изыскания и составление технико-экономических обоснований Центральной, Средневолжских, Пана-Ярвинской, Юго-Западной, Северо-Западной, Тереблинской, Ингурской, Армянской ГАЭС и др.
