Типы зданий ГЭС.
Основными факторами, определяющими тип, конструктивные формы, размеры зданий малых ГЭС, условия работы и предъявляемые к ним требования, являются схема создания напора, размещение здания ГЭС в составе сооружений гидроузла и гидросиловое оборудование.
По схемам создания напора здания малых ГЭС разделяются на напорные, входящие в состав русловых ГЭС, и безнапорные, входящие в состав приплотинных и деривационных ГЭС
В зависимости от расположения по отношению к поверхности земли здания малых ГЭС разделяются на наземные, подземные и полуподземные.
По виду гидросилового оборудования здания ГЭС можно разделить на здания с реактивными турбинами и здания с активными турбинами.
Здания русловых ГЭС входят в состав подпорных сооружений гидроузла и непосредственно воспринимают давление воды со стороны верхнего бьефа. Поэтому к русловым зданиям ГЭС в отношении их устойчивости и прочности, фильтрации под сооружением и в обход его предъявляются те же требования, что и к плотинам
Компоновки наземных зданий приплотинных и деривационных ГЭС имеют много общего, что позволяет рассматривать их совместно. Вода подводится к агрегатам по турбинным трубопроводам; здание ГЭС либо примыкает к плотине со стороны нижнего бьефа, либо отстоит от нее на некотором расстоянии, однако в обоих случаях оно не воспринимает напора, что позволяет существенно облегчить его конструкцию
Здание малой ГЭС является достаточно сложным сооружением, в котором размещается комплекс основного и вспомогательного оборудования. Разнообразие типов и конструкций зданий малых ГЭС позволяет лишь условно выделить их основные части. Массивная часть здания, расположенная под уровнем воды в нижнем бьефе, а на русловых ГЭС также и часть здания, расположенная ниже уровня воды со стороны верхнего бьефа, называется подводной частью Верхнюю, менее массивную часть здания называют надводной, особо выделяют монтажную площадку
Подводная часть здания малой ГЭС - основная его часть, предназначенная для размещения проточного тракта агрегата Она воспринимает гидростатические, гидродинамические нагрузки, усилия от оборудования и вышерасположенных конструкций и передает их на основание В зависимости от типа здания ГЭС и вида турбины подводная часть может иметь различную конструкцию При использовании реактивных турбин в подводной части располагаются турбинные камеры и отсасывающие трубы, а в русловых зданиях ГЭС со стороны верхнего бьефа размещаются водоприемные устройства с комплексом механического оборудования; перспективным представляются упрощенные решения с забором воды непосредственно в турбинную камеру (рис. 5.6).
При применении активных турбин подводная часть здания в значительной мере упрощается, так как в ней отсутствуют турбинные камеры и сложные по форме отсасывающие трубы.
На многоагрегатных малых ГЭС подводная часть здания состоит из повторяющихся по числу агрегатов блоков, часто называемых агрегатными, одинаковых размеров и конструкций. Поскольку длина здания ГЭС может быть при этом достаточно большой, трудно обеспечить работу всего сооружения как одного жесткого «штампа», что при нескальных грунтах приведет к изгибу и неодинаковым осадкам фундаментной плиты. Возникающие при большой длине здания значительные температурные усилия требуют устройства поперечных деформационных швов, разрезающих конструкцию здания в вертикальной плоскости на отдельные секции В каждую такую секцию могут входить от одного до нескольких агрегатов в зависимости от ширины блока одного агрегата, свойств основания и температурных напряжений.
Рис. 5.6. Компоновка здания малой ГЭС с вертикальной осевой гидротурбиной с забором воды непосредственно в турбинную камеру
Как правило, вся подводная часть зданий малых ГЭС всех типов выполняется из бетона и железобетона В отдельных случаях возможно применение других материалов (камня, дерева).
Надводная часть здания ГЭС необходима для размещения гидрогенераторов, силовых трансформаторов, подъемнотранспортного оборудования машинного помещения, водоприемных устройств и отсасывающих труб, различного вспомогательного и другого оборудования. Для защиты от атмосферных осадков и низких отрицательных температур надводная часть здания защищается верхним строением, в зависимости от исполнения которого здание может быть закрытым, полуоткрытым и открытым.
Размеры верхнего строения определяют исходя из условия, что все оборудование ГЭС, включая стационарные грузоподъемные устройства, находится под крышей здания Верхнее полуоткрытое строение позволяет значительно уменьшить размеры здания без заметного ухудшения условий эксплуатации оборудования ГЭС. В этом случае подъемно-транспортные устройства выносят за пределы закрытого помещения, а все остальное оборудование располагают в машинном зале пониженной высоты. Собирают и разбирают агрегаты через съемное перекрытие над каждым агрегатом, которое либо переносят краном, либо на катках сдвигают в сторону. Открытые здания ГЭС не имеют машинного зала. Генератор в этом случае устанавливается под съемным колпаком, вспомогательное оборудование - на различных этажах здания или в отдельных, специально построенных для этой цели помещениях
Монтажная площадка предназначается для сборки оборудования, поступающего на ГЭС в период строительства, и проведения ремонтных работ в процессе эксплуатации Как правило, площадка располагается за пределами здания ГЭС и выполняется открытой или с легким съемным верхним строением.
В зависимости от вида гидросилового оборудования и размещения здания ГЭС в составе сооружений гидроузла в настоящее время разработано большое число унифицированных решений и типовых конструкций.
В строительных конструкциях зданий малых ГЭС чаще, чем в других сооружениях, применяют сборные железобетонные элементы.
Типичны решения полуоткрытых и открытых зданий без верхнего строения Часты случаи совмещения зданий малых ГЭС с помещениями закрытого распределительного устройства и повышающих трансформаторных подстанций. Подъемно-транспортное оборудование устанавливают в минимальном количестве для выполнения подсобных работ. Монтируют и демонтируют гидроагрегаты, как правило, передвижными кранами. Затворы турбинных камер, отсасывающих труб и трубопроводов различного назначения - стандартные, серийно выпускаемые заводами.
Здания приплотинных и деривационных МГЭС.
Здание приплотинной или деривационной ГЭС либо примыкает к плотине со стороны нижнего бьефа, либо отстоит от нее на некотором расстоянии. Однако во всех случаях оно не воспринимает напора верхнего бьефа, что позволяет существенно облегчить его конструкцию, особенно в подводной части. Давление верхнего бьефа, передаваемое на здание ГЭС через турбинный трубопровод, невелико и учитывается при расчетах отдельных опорных конструкций здания.
Чем выше используемые напоры на приплотинных ГЭС (они могут достигать 50 - 60, а на деривационных 1000 - 1200 м), тем меньше расход воды, проходящей через турбины, и диаметры рабочих колес. Это, в свою очередь приводит к уменьшению других элементов проточной части агрегатов, а следовательно, и размеров зданий ГЭС.
Кроме того, поскольку элементы проточной части (затворы, турбинные камеры, отсасывающие трубы) высоконапорных гидроагрегатов, как правило, заводского изготовления (непосредственно на ГЭС производят их монтаж и установку), размеры подводной части здания приплотинных и деривационных и деривационных ГЭС определяются лишь габаритными размерами гидросилового оборудования и схемой его компоновки.
Следует отметить, что конструктивное исполнение гидроагрегатов высоконапорных приплотинных и деривационных малых ГЭС, выпускаемых многочисленными зарубежными машиностроительными фирмами, отличается большим разнообразием. Рассмотрим лишь наиболее часто встречающиеся конструкции.
Здания ГЭС с реактивными турбинами и кожуховым подводом воды.
По направлению подвода воды к рабочему колесу различают фронтальные и радиальные кожуховые турбины. В первом случае вода подводится вдоль оси агрегата, во втором - перпендикулярно к ней
По расположению вала агрегатов с реактивными турбинами и кожуховыми турбинными камерами различают вертикальную, горизонтальную и наклонную компоновки.
Схема ГЭС с вертикальным кожуховым гидроагрегатом, осевой турбиной и фронтальным подводом воды представлена на рис 5.7.
Размеры турбинного помещения здания ГЭС зависят от габаритов и схемы расположения оборудования Так, строительная длина машинного зала (вдоль продольной оси агрегата) определяется суммой:
Рис 5.7. Здание ГЭС с вертикальной осевой турбиной и фронтальным кожуховым подводом воды
Толщина стены bвс со стороны верхнего бьефа определяется статическими расчетами с учетом того, что она должна выполнять роль анкерной опоры турбинного трубопровода. В зависимости от диаметра трубопровода, который обычно принимается равным Dтр= (1,4-1,6) его протяженности и схемы подхода к зданию ГЭС толщина bвс изменяется от 0,6 до 1 м. Расстояние ам от внутренней поверхности стены турбинного помещения до фланца дискового затвора определяется условиями монтажа и демонтажа затвора и обычно принимается 0,5 м.
Длина дискового затвора Lэт зависит от диаметра трубопровода и принимается по данным завода-изготовителя.
Конструктивный размер турбины Lт, увеличивается с ростом диаметра рабочего колеса и принимается также по данным завода-изготовителя, обычно Lт = (2,5-3,0) D1.
Расстояние а от кожуха турбины до стены турбинного помещения принимают исходя из нормальных условий эксплуатации в пределах 1-1,5 м.
Ширина блока здания ГЭС Вбл определяется аналогично в зависимости от конструктивного размера турбины Вτ = (1,5-2) и расстояний до боковых стен помещения, принимаемых с учетом необходимости размещения вспомогательного оборудования в пределах 1,5-2 м.
Высота турбинного помещения определяется конструктивным размером (высотой) гидроагрегата и принимается по рекомендациям завода-изготовителя.
Размеры блока изогнутой отсасывающей трубы принимаются в зависимости от габаритных размеров конуса, колена и отводящего диффузора трубы и размещения пазов ремонтного шандорного заграждения.
Габаритные размеры подводной части зданий МГЭС этого типа и объемы бетона приведены в табл. 5.1
Таблица 5.1
Схема здания малой ГЭС с горизонтальной радиальноосевой турбиной, кожуховой турбинной камерой и коленчатой отсасывающей трубой изображена на рис. 5.8,а. Компоновка гидроагрегата, включающего в себя концевой участок трубопровода с дисковым затвором, турбину в кожуховой камере с фронтальным подводом воды к рабочему колесу, маховик, горизонтальный генератор и отсасывающую трубу, выполнена в одну линию, вдоль потока. Определение размеров турбинного помещения производится с учетом габаритных размеров оборудования нижней от водящей камеры - аналогично рассмотренной ранее схеме здания ГЭС.
Изменение габаритных размеров и объема бетона блоков зданий этого типа в зависимости от диаметра рабочего колеса турбины показано в табл.5.2.
Таблица 5.2
Здание малой ГЭС с наклонной компоновкой гидроагрегата, состоящего из осевой турбины, кожуховой турбинной камеры с фронтальным подводом воды, мультипликатора, генератора и коленчатой отсасывающей трубы показано на рис. 5.8,б. Сглаживание проточной части за счет устранения двух резких поворотов потока на 90°, имевших место при вертикальной компоновке подобного агрегата (см. рис. 5.7), позволяет заметно увеличить пропускную способность турбин и уменьшить гидравлические потери показано на рис. 5.8,б.
Строительные данные блока подводной части здания приведены в табл .5.3.
Рис. 5.8. Здание ГЭС кожуховым подводом воды
а-с горизонтальной осевой турбиной; б - с наклонной турбиной
Таблица 5.3
Здание малой ГЭС с горизонтальной радиально-осевой турбиной и кожуховым радиальным подводом воды изображено на рис. 5.9. Расположение оси турбинного трубопровода под углом 90° к продольной оси агрегата позволяет получить компактную конструкцию подводной части блока здания, широко применяемую в схемах приплотинных и деривационных малых ГЭС с напорами от 10 до 120 м.
Изменение расхода бетона в подводной части здания приведено в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Рис. 5.9. Здание ГЭС с горизонтальной радиальноосевой турбиной и кожуховым радиальным подводом воды
Сравнивая между собой параметры (Wбет) зданий приплотинных и деривационных ГЭС малой мощности с кожуховыми турбинными камерами, можно сделать заключение о том, что при агрегатах с осевыми турбинами D1= 0,5 м предпочтение следует отдавать вертикальной компоновке, а D1=1 и 1,5 м - наклонной.
Из двух типов зданий ГЭС с радиально-осевыми турбинами с диаметрами 0.5 и 1 м во всем диапазоне напоров 10 - 30 м наиболее экономичным в отношении строительных объемов является здание ГЭС с горизонтальной турбиной, радиальным кожуховым подводом воды и коленчатой отсасывающей трубой.
