ГЛАВА 22
ЗДАНИЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
ОСОБЕННОСТИ ЗДАНИЙ ГАЭС
Здания ГАЭС в основном аналогичны зданиям ГЭС (см. гл. 16, 17, 20), однако они имеют свои особенности, связанные с составом основного оборудования и его компоновкой. Основное гидросиловое оборудование здания ГАЭС может быть четырехмашинным или раздельным, состоящим из двух отдельных агрегатов (двигатель с насосом и турбина с генератором) или единым, из одного трехмашинного (турбина с двигателем-генератором и насосом) или двухмашинного (обратимая гидромашина с двигателем-генератором) агрегата.
Четырехмашинная схема оборудования позволяет использовать преимущества гидромашин, каждая из которых запроектирована на свой режим работы. По такой схеме сооружена например ГАЭС Райсек-Крайцек в Австрии с ковшовыми гидротурбинами и многоступенчатыми насосами, имеющая максимальный напор 1772 м. В связи с большими строительными затратами эта схема не нашла широкого распространения даже при высоких напорах.
Трехмашинная схема также позволяет достигнуть высоких значений КПД насоса и турбины. Принимается одинаковое направление вращения в турбинном и насосном режимах, что обеспечивает простые условия пуска в насосном режиме, так как нормальная частота вращения достигается вращением гидротурбины. Перевод агрегата из одного режима в другой осуществляется путем соответствующего открытия и закрытия затворов. Между насосом и гидротурбиной устанавливается муфта сцепления, позволяющая отсоединить насос при работе в турбинном режиме, чем исключаются так называемые вентиляционные потери, а также необходимость опорожнения проточной части насоса.
Трехмашинные агрегаты получили широкое распространение в Западной Европе, где из суммарная мощность составляет около 60% общей мощности ГАЭС. ГАЭС с трехмашинной схемой сооружаются чаще всего при высоких напорах (более 300 м) с применением ковшовых гидротурбин, единичная мощность которых достигла 200 МВт. Наиболее высоконапорные радиально-осевые турбины трехмашинных агрегатов установлены на ГАЭСРоссхаг в Австрии (672 м) и Хорнберг в ФРГ (652 м). На ГАЭС Сан-Фиорино в Италии применены четырехступенчатые насосы, развивающие напор 1350 м (N=100 МВт). Крупные ГАЭС обычно имеют агрегаты с вертикальным валом. На некоторых ГАЭС относительно небольшой мощности установлены горизонтальные агрегаты.
Двухмашинная схема в последние тва десятилетия находит широкое применение. За счет исключения одной гидромашины, муфты сцепления и части затворов на 30 — 35% сокращается высота агрегата, а следовательно, и здания ГАЭС. Снижение капиталовложений в гидросиловое оборудование и строительную часть достигает 30% по сравнению с трехмашинной схемой.
Однако объединение в одной гидромашине функций насоса и гидротурбины имеет свои отрицательные стороны. В первую очередь — это несовпадение зон оптимальных КПД в турбинных и насосных режимах по приведенной частоте вращения поскольку для обеспечения работы с максимальной эффективностью в обоих режимах необходимо выполнение условия
(1,2 — 1,35)nтDт, (22 Л)
где n —частота вращения; D —диаметр рабочего колеса (индексы: «т» — турбинный, «н» —насосный режим), что невозможно при односкоростной электрической машине. Для выполнения условия (22.1) можно увеличить частоту вращения или диаметр рабочего колеса в насосном режиме, т. е. применить двухскоростные двигатели-генераторы или рабочие колеса с различным диаметром в насосном и турбинном режимах. Имеется ряд предложений по этому вопросу, но они приводят к усложнению конструкции агрегатов (подробнее см. [15]).
Вторым недостатком является то, что направление вращения в турбинном и насосном режимах при двухмашинной схеме противоположное. В связи с этим осложняются процессы пуска в насосный режим и перевода обратимого агрегата из одного режима в другой, т. е. уменьшается маневренность ГАЭС по сравнению с трехмашинной схемой.
В СССР пока применяется только двухмашинная схема: на Киевской, Загорской, Кайшядорской ГАЭС, на проектируемых Ленинградской, Тереблинской, Днестровской и других ГАЭС. За рубежом крупнейшими ГАЭС, оборудованными двухмашинными обратимыми агрегатами, являются: Ладингтон в США (6 агрегатов по 312 МВт, напор 108 м), Байна Башта в Югославии (2 агрегата по 315 МВт, напор около 610 м), Окутатарага в Японии (4 агрегата по 303 МВт, напор 406 м) и др.
ЗДАНИЯ ГАЭС С ТРЕХМАШИННЫМИ АГРЕГАТАМИ
Особенности зданий ГАЭС с трехмашинными агрегатами иллюстрируют приведенные ниже конкретные примеры.
Рис. 22.1. Здания ГАЭС с трехмашинными агрегатами На рис. 22.1,а приведен продольный разрез по подземному зданию ГАЭС с ковшовыми гидротурбинами. Рабочие колеса турбин 7 расположены выше максимального уровня воды в низовом безнапорном туннеле. Рядом с отводящим лотком 4 находится помещение 9 для обслуживания шаровых затворов насосных трубопроводов и муфт сцепления. Еще ниже расположено помещение для обслуживания многоступенчатых насосов 6, в котором имеется мостовой кран для подачи во время ремонта деталей насосов под люк, куда опускается крюк основного мостового крана машинного зала 7, в котором размещены двигатели-генераторы 8. Всасывающие трубы насосов 5 имеют значительную длину и выходят на отметку дна низового безнапорного туннеля. Выходы всасывающих труб, а также отводящих турбинных лотков 4 могут перекрываться плоскими затворами, опускаемыми из помещения 2 главных трансформаторов.
Показан также аварийный выход 8 на дневную поверхность, по которому проходят и линии электропередачи от трансформаторов на ОРУ.
При установке ковшовых гидротурбин предпочтительно применение многоступенчатых насосов, так как они требуют меньшей отрицательной высоты всасывания по сравнению с одноступенчатыми насосами, благодаря чему сокращается длина вала, а следовательно, высота агрегата и здания ГАЭС. Для уменьшения заглубления основного насоса в ряде случаев на агрегатах небольшой мощности устанавливают дополнительный предвключенный или «бустерный» насос, создающий подпор, равный (или несколько больше) высоте отсасывания Нs основного насоса. Иногда ковшовую турбину устанавливают ниже уровня воды в бассейне и при ее работе производят отжим воды из рабочей камеры сжатым воздухом (ГАЭС Тиссо-2 в Норвегии), что позволяет уменьшить длину вала и общую высоту здания ГАЭС.
На рис. 22.1,б показано наземное здание ГАЭС с радиально-осевыми турбинами 10 и центробежными одноступенчатыми насосами 11. Вал от рабочего колеса турбины к насосу проходит через отсасывающую трубу. В связи с тем что коэффициент кавитации насоса больше, чем турбины, в трехмашинных вертикальных обратимых агрегатах насос всегда располагается ниже турбины. Этим обеспечивается большая отрицательная высота всасывания (подпору насоса. Здание ГАЭС — полуоткрытого типа с одним наружным козловым краном с консолью, обслуживающим через съемные крышки агрегаты, затворы 12 на трубопроводах, а также плоские затворы со стороны нижнего бьефа. Двигатель-генератор зонтичный с опорой на крышку турбины.
Оригинальная компоновка трехмашинного агрегата с радиально-осевой гидротурбиной, расположенной над двигателем-генератором, показана на рис. 22.1,в (ГАЭС Вальдек в ФРГ, N=440 МВт, Н=330 м, 2 агрегата). Характерным является установка шаровых затворов как со стороны верхнего, так и со стороны нижнего бьефа. Несмотря на значительную стоимость этих затворов затраты компенсируются тем, что гидравлические потери напора в них практически равны нулю, что повышает общий КПД гидроаккумулирования и выработку энергии по сравнению, например, с вариантом установки со стороны нижнего бьефа дисковых затворов.
Подземная выработка здания станции расположена в прочных скальных породах и не имеет несущей бетонной обделки стен и свода, однако применено мощное их крепление анкерами (около 4,5 тыс. шт.) и набрызг-бетоном. В верхней части здания расположены металлические распорные фермы, по которым устроен подвесной потолок. Подкрановые балки опираются на колонны. Такая необычная компоновка позволила сократить общую высоту агрегата — она лишь на 35% больше высоты агрегата по двухмашинной схеме, в то время как традиционный трехмашинный агрегат был бы выше на 65 — 70%. Положительным является также то, что вал не проходит через отсасывающую трубу гидротурбины.
Рис. 22.2. Вариант проекта подземного здания ГАЭС Чаира (Болгария) с трехмашинными агрегатами
На рис. 22.2 показан один из начальных вариантов проекта подземного здания ГАЭС
Чаира в Болгарии (Μ=1440 МВт, Н =690 м, 8 агрегатов по 180 МВт), который является примером компоновки сооружений в слабых скальных породах — трещиноватых биотитовых гранитах.
В главном помещении 2 (длиной 205 м) размещаются двигатели-генераторы, ковшовые турбины, пульт управления и монтажная площадка, к которой подходит транспортный туннель. Машзал связан горизонтальными штольнями и вертикальной шахтой с другими помещениями: верховых затворов 1, трансформаторным 4 и насосным 6. Эти помещения обеспечивают перехват фильтрационного потока к главному залу. Значительное удаление подземных выработок друг от друга позволяет свести к минимуму их взаимное влияние на напряженное состояние скального массива.
Вал от ковшовой турбины к многоступенчатому насосу длиной около 27 м проходит в шахте. Насосы расположены в нишах, разделенных целиками породы. G монтажной площадки главного зала через грузовую шахту 8 оборудование подается в насосный зал— в зону действия двух мостовых кранов 7 грузоподъемностью по 120 т. Пазы ремонтных затворов нижнего бьефа и решеток проходят в шахте 5.
Открытое распределительное устройство 400 кВ связано с главными трансформаторами маслонаполненными кабелями, положенными в двух наклонных галереях 3, выполняющих и функции запасных выходов.
