Гидроэнергетические сооружения возводят только при энергетическом использовании рек. К ним относятся: деривационные энергетические каналы, напорные бассейны, напорные турбинные трубопроводы, уравнительные резервуары (камеры), силовые (машинные) здания ГЭС.
Деривационные энергетические каналы. Поперечным сечениям каналов придают обычно трапецеидальную (рис. 5.11). реже седлообразную форму. Трассу энергетического деривационного канала прокладывают но кратчайшему расстоянию с минимальным числом закруглений малого радиуса для уменьшения гидравлических потерь. Откосам каналов придают такое заложение, чтобы они в смоченном состоянии не оползали.
Сечение канала в зависимости от рельефа местности может размещаться в выемке, полунасыпи полувыемке и в насыпи (см. рис. 5.11).
Уклоны поверхности воды в деривационных каналах колеблются в пределах 0,001-0,0015;
скорости течения от 0,6-0,8 до 1,0—1,2 м/с.
Расчетная скорость в канале определяется специальным энергоэкономическим расчетом.
Нижним пределом расчетной скорости в энергетическом канале является скорость, исключающая его заиление и зарастание. а верхним пределом — скорость, при которой обеспечивается образование в канале ледяного покрова.
Скорости заиления определяются по формулам гидравлики в зависимости от крупности наносов. Для предотвращения зарастания водорослями в канале должна поддерживаться средняя скорость не менее 0,75 м/с. Для образования ледяного покрова требуется ограничение скорости течения в канале до 0,5 м/с. Наличие ледяного покрова в деривационном канале необходимо для предотвращения образования в нем внутриводного льда — шуги.
Если канал проходит в легкоразмываемых или водопроницаемых грунтах, его дно и откосы покрывают облицовкой (одеждой). Облицовки каналов выполняют обычно бетонными, реже асфальтовыми.
Энергетические каналы рассчитываются на равномерный, неравномерный и неустановившийся режимы. В зависимости от гидравлических условий работы различают каналы саморегулирующиеся, несаморегулирующиеся и смешанные.
Саморегулирующиеся каналы (рис. 5.12а) выполняют с горизонтальными бермами, располагаемыми выше статического горизонта вода в нем. Они работают преимущественно в условиях неравномерного режима и характеризуются значительными колебаниями уровня у напорного бассейна или здания ГЭС. Эти каналы удобны в эксплуатации при резко переменной .нагрузке ГЭС и не требуют устройства головного сооружения.
Работа их протекает автоматически — при остановке ГЭС в канале устанавливается статический горизонт (горизонтальный уровень) на отметке воды в водохранилище (у входа в канал); при максимальном расчетном расходе ГЭС, обеспечивающем установленную мощность, в канале устанавливается равномерный режим: свободная поверхность воды становится параллельной плоскости дна. В пределах этих двух крайних положении в канале устанавливаются кривые подпора. При этом сливная призма используется для суточного регулирования стока. Недостаток каналов с горизонтальными бермами — значительные объемы земляных работ но устройству дамб и выемок, поэтому их применяют при незначительной длине деривации.
Несаморегулирующиеся каналы (рис. 5.12, б) имеют наклонные бермы, головное и водосбросное сооружения у напорного бассейна или у здания ГЭС.
Назначение водосброса в конце канала — сброс воды при уменьшении нагрузки ГЭС. Этот тип канала мало пригоден при резко переменной нагрузке и в чистом виде встречается редко.
Канал с раздельной точкой представляет комбинацию канала с наклонными бермами в верхнем (начальном) участке и канала с горизонтальными бермами — в нижнем участке. В раздельной точке такого канала—в месте перехода одного типа канала в другой — устраивают водохранилище суточного регулирования. что позволяет участок канала с наклонными бермами рассчитывать на подачу постоянного расхода воды, равного среднесуточному расходу ГЭС.
Напорные бассейны.
Напорный бассейн (рис. 5.13) является сооружением, сопрягающим деривационный канал или безнапорную туннельную деривацию с напорными (турбинными) трубопроводами ГЭС. Он обычно выполняется железобетонным и состоит из ряда камер, число которых соответствует числу напорных трубопроводов.
Камеры образуются боковыми и фронтальными стенками в однокамерных и дополнительным и промежуточными бычками в многокамерных бассейнах. Все эти элементы сооружения покоятся на общей фундаментной плите, являющейся флютбетом бассейна.
Оголовки трубопроводов закладывают в массивной торцовой (фронтальной) стенке бассейна.
Напорный бассейн оборудуют решетками, предохраняющими трубопровод и турбины от попадания в них сора и плывущего льда; щитами и шандорами. позволяющими прекращать доступ воды в трубопроводы в случае их ремонта или выключении ГЭС; подъемными механизмами для подъема и опускания шандор и затворов; аэрационной трубой, размещаемой за щитами, в начале трубопровода, предназначенной для пропуска в трубопровод воздуха в целях предохранения его от образования вакуума при быстром опорожнении. В суровых климатических условиях над напорным бассейном строят закрытое утепленное помещение. У напорного бассейна устраивают также шугосброс или ледосброс, предназначенные для сброса шуги и скоплений льда в и. б., минуя силовое здание ГЭС.
Напорные (турбинные) трубопроводы.
Напорные трубопроводы подводят воду от напорного бассейна к турбинам ГЭС (см. рис. 5.13). Их выполняют сварными из мягкой углеродистой стали и цельнотянутыми при диаметрах до 800 мм. Обычная толщина стенок металлического трубопровода 6-7 мм. при больших диаметрах — 8-10 мм; максимальная их толщина 30 - 32 мм.
Для свободного продольного расширения или сокращения металлических трубопроводов при изменении температуры устраивают температурные компенсационные муфты.
.Металлический напорный трубопровод на прямолинейных участках укладывают на промежуточные опоры, а в местах поворотов, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, заделывают в анкерные опоры. Анкерные опоры представляют собой бетонные массивы, на которые передаются осевые усилии, возникающие в трубопроводе.
В напорных трубопроводах устанавливают затворы: обычно— верхний, а при большой длине трубопровода нижний.
Назначение верхнего затвора — прекращать доступ воды в трубопровод, нижнего — отключать от трубопровода турбину при ее осмотре и ремонте без опорожнения трубопровода. На ГЭС среднего напора при больших диаметрах трубопроводов в качестве верхнего затвора используют щиты напорных бассейнов. В высоконапорных установках предпочтение отдают внутренним затворам.
Гидравлический расчет напорного трубопровода сводится к определению в нем потерь напора на трение по длине и местных потерь: его выполняют но общеизвестным формулам гидравлики. У металлических трубопроводов с течением времени шероховатость несколько увеличивается за счет коррозии стенок. Прочность стенок трубопровода проверяют на гидравлический удар.
Увеличение длины напорного трубопровода сверх 5НГЭС (НГЭС— напор ГЭС) нежелательно, так как при этом в нем возрастаем гидравлический удар при резких изменениях нагрузки ГЭС и затрудняется регулирование турбин.
Явление гидравлического удара в трубопроводе, требуя усиления его прочности, вредно влияет на работу турбин. При повышении напора в трубопроводе турбина получает избыток мощности сравнительно с мощностью, отдаваемой электрогенератором потребителю, и идет в разгон (увеличивает число оборотов), а при понижении давления снижает число оборотов: так создается неравномерность хода турбин, вредно отражающаяся на работе ГЭС.
Для уменьшения гидравлического удара в составе напорного трубопровода устраивают уравнительный резервуар: с этой же целью у реактивных турбин устанавливают регуляторы давления—холостые выпуски, а у активных турбин — отклонители струй.
Количество напорных трубопроводов ГЭС может быть равно количеству турбин. Можно подводить воду одним трубопроводом к нескольким турбинам. И таких случаях от трубопровода проводит нужное количество отводов, на каждом из которых устанавливают внутренний затвор.
В соответствующих топографических и инженерно-геологических условиях при наличии туннельной деривации напорный трубопровод заменяется напорным туннелем.
Уравнительные резервуары. Уравнительные резервуары (камеры). выполняемые в виде наземной башни (рис. 5.14,а) или подземной шахты (рис. 5.14,б). устраивают при ГЭС с напорной деривацией, когда
(34)
где L—длина напорного трубопровода, м: v- скорость (максимальная) в трубопроводе, м/с; Нгэс — напор на ГЭС. м. (Выполнение этого неравенства является приближенным мерилом для суждения о необходимости устройства уравнительного резервуара.)
Нижний конец башни сообщается с напорным трубопроводом, а нижний конец шахты — с напорным туннелем. Верх уравнительной башни обязательно должен возвышаться над НПУ в водоприемнике напорной деривации. Башню лучше располагать перед турбиной, однако при этом она получается высокой и дорогой. Обычно ее размещают в конце напорной деривации в месте перехода в напорный (турбинный) трубопровод. Ее назначение не только уменьшать повышение давления в напорном трубопроводе при гидравлическом ударе, но и не допускать при этом значительного повышения и понижения давления в напорной деривации (в трубопроводе или туннеле).
Идея работы уравнительной камеры состоит в следующем. Волна повышения давления в трубопроводе при гидравлическом ударе, возникающем при резком уменьшении нагрузки ГЭС, отражается от свободного уровня воды в камере, несколько повышая его (в камере происходят затухающие колебания уровня воды); при этом повышение давления почти не распространяется на напорную деривацию, что позволяет уменьшить толщину стенок последней.
При резком увеличения нагрузки ГЭС масса воды в деривационном трубопроводе (туннеле) не успевает прийти сразу в движение с новой большей скоростью, и кратковременную недостачу воды в напорном трубопроводе компенсирует своими запасами уравнительная камера, предохраняющая его тем самым от образования вакуумов. Уровень воды в камере при этом понижается. Уравнительная камера способствует и более равномерному ходу гидроагрегате при явлениях гидравлического удара в конструктивном отношении формы уравнительных башен и шахт весьма разнообразны.
