Схемы концентрации напора

Как следует из предыдущей главы, для работы мощной электростанции необходимо использовать участок реки, обладающий большим напором. В естественных условиях концентрированные в определенном месте напоры встречаются редко. Равнинные реки обычно имеют геометрический уклон 5-10 см/км, а горные - 5-10 м/км. В связи с этим необходимые значения напоров соответствуют достаточно длинным участкам. Строить ГЭС, протяженную по всему используемому участку реки, неразумно. Поэтому требуемые для ГЭС напоры обычно создают искусственно в местах (створах рек), удобных для строительства гидротехнических сооружений.

Существуют два основных способа концентрации напора: с помощью плотины и по деривационной схеме[1].

Плотинный способ предусматривает сооружение плотины, перегораживающей в выбранном створе русло реки (рис. 3.1). В результате создается разность уровней воды с верховой и низовой по течению сторон плотины. Образующееся при этом с верховой стороны водохранилище носит название верхнего бьефа[2], а часть реки, примыкающей к плотине с низовой стороны, носит название нижнего бьефа. За счет формы кривой подпора в верхнем водохранилище напор на ГЭС H_ГЭСбывает несколько меньше напора на используемом участке реки H_1-2:

H_гэс = H_1-2 - H. (3.1)

Величина H представляет собой невосполнимую потерю напора.

Рис. 3.1. Плотинная схема концентрации напора

Верхний уровень воды в водохранилище, при котором оборудование ГЭС и ее сооружения работают длительное время в оптимальном режиме с соблюдением установленных запасов надежности, носит название нормального подпорного уровня (НПУ). На схемах гидроузлов значения характерных уровней обычно указываются относительно плоскости сравнения О-О, совмещенной с уровнем мирового океана. При этом перед значением отметки уровня ставится значок , а загромождающие схему стрелки с размерами, как на рис. 3.1, не наносятся.

При регулировании стока водохранилищем его уровень может снижаться до так называемого уровня мертвого объема (УМО), ниже которого напор на ГЭС не соответствует техническим требованиям основного оборудования. Разность между полным (при НПУ) и мертвым (при УМО) объемами составляет полезный объем водохранилища V_пол.

При пропуске максимальных расходов воды (обычно в половодье) допускается кратковременное повышение уровня воды в водохранилище сверх НПУ до отметки, называемой форсированным подпорным уровнем (ФПУ).

Рис. 3.2. Деривационная схема концентрации напора: а - вид гидроузла сверху; б - вид гидроузла сбоку; 1 - плотина; 2 - водо-приемник; 3 - деривация; 4 - здание ГЭС; 5 - уравнительный резервуар; 6 - турбинный трубопровод

Деривационная схема концентрации напора обычно применяется на горных реках с большими уклонами (рис. 3.2). Плотина 1 создает небольшой подпор и сравнительно малое водохранилище, из которого через водоприемник 2 вода направляется в деривацию 3, представляющую собой искусственный водовод, выполненный в виде открытого канала или туннеля (для безнапорной деривации) или закрытого трубопровода (для напорной деривации). Вода из деривации поступает по напорным трубопроводам 6 к турбинам ГЭС 4.

Таким образом, напор создается не плотиной, а деривацией. Если деривация напорная, то в конце ее для смягчения возможных при нестационарных режимах гидравлических ударов сооружается уравнительный резервуар 5. Напор для деривационной ГЭС, как и при плотинной схеме, меньше напора используемого участка реки, что связано с его потерями в деривации и напорном трубопроводе.