Состав и компоновка основных сооружений ГЭС

Гидроэлектростанции являются составной частью электроэнерге-тических систем, а во многих случаях и водохозяйственных систем. Они представляют собой комплекс сооружений и оборудования, при помощи которых осуществляются концентрация напора участка реки в удобных для строительства ГЭС створах, регулирование речного стока и преобразование механической энергии воды в электрическую.

Состав и компоновка сооружений ГЭС определяются схемой концентрации напора. Как уже отмечалось, существуют два принципиально разных способа концентрации напора: плотинный и деривационный. Рассмотрим здесь основные сооружения ГЭС на примере плотинного способа.

Рис. 4.1. Схемы компоновки сооружений русловой со шлюзом (а) и приплотинной без шлюза (б) ГЭС: 1 - шлюз; 2 - бетонная плотина; 3 - здание ГЭС; 4 - водоприемник; 5 - глухая бетонная плотина; 6 - турбинные трубопроводы

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здания ГЭС. При напоре ориентировочно до 30 м здание ГЭС размещается в одном створе с плотиной. Вместе с плотиной оно воспринимает напор реки. Такие ГЭС называются русловыми. При напоре, превышающем 30 м, здание ГЭС размещается, как правило, за плотиной в нижнем бьефе и не воспринимает напор, а станции носят название приплотинных. Для обоих типов ГЭС при комплексном назначении гидроузла в него включаются сооружения неэнергетических участников гидротехнического комплекса, а их компоновка в значительной степени зависит от типа плотины и величины напора. На рис. 4.1 показаны характерные схемы компоновки сооружений русловой и приплотинной ГЭС с бетонными плотинами. Для ГЭС с бетонными плотинами обычно водоприемник, турбинные водоводы (трубопроводы) и водосбросы в отличие от ГЭС с грунтовыми плотинами устраиваются совмещенными с плотиной.

Плотины ГЭС

Плотина является главнейшим сооружением гидроузла и предназначена для создания напора, водохранилища и регулирования стока. Все плотины делятся на две основные группы, отличающиеся друг от друга используемым материалом: 1) плотины бетонные и железобетонные, 2) плотины грунтовые (земляные, каменно-набросные и каменно-земляные). Бетонные и железобетонные плотины по конструктивным признакам делятся на гравитационные, арочные и контрфорсные.

Рис. 4.2. Гравитационные плотины: а - глухая; б - водосливная

Гравитационные плотины (рис. 4.2). Отличительным признаком гравитационных плотин является их массивность. Большие массы и значительные силы сцепления (трения) по основанию позволяют возводить их на любых грунтах. При высоте до 40 м плотины могут быть сооружены даже на песчаном основании, а на скальном основании их высота может достигать 300 м. По возможности пропуска воды такие плотины могут быть глухими (рис. 4.2а), то есть не допускающими перелива воды через свой гребень, и водосливными. Последние выполняются с поверх-ностными (водослив-ными) (рис. 4.2б) или заглубленными (донны-ми) отверстиями для пропуска воды. Для глухих плотин, часто используемых в горных ущельях, сброс излиш-ней воды осуществля-ется в обход плотины по поверхностному или туннельному водосбро-су. В теле бетонных плотин обычно устра-иваются продольные галереи (потерны), предназначенные для контроля фильтрации воды через тело плотины.

Арочные плотины (рис. 4.3). Арочные плотины представляют собой свод, очерченный в плане в виде дуги, упирающейся своими концами в скальные берега, которые и воспринимают основную часть давления воды на плотину со стороны верхнего бьефа. Высота таких плотин может достигать более 300 м. В то же время бетона в ней меньше, чем в равноценной по высоте гравитационной. Плотины обычно содержат специальные водосбросы.

Рис. 4.4. Контрфорсная плотина: 1 - железобетонная плита; 2 - балки жесткости; 3 - контрфорсы

Рис. 4.3. Арочная плотина: а - вид сбоку; б - вид сверху

Контрфорсные плотины (рис.4.4). Контрфорсные плотины выполняются в виде железобетонных ребер (контрфорсов), на которые со стороны верхнего бьефа наклонно укладываются железобетонные плиты 1, воспринимающие давление воды. Контрфорсы 2 скрепляются между собой балками жесткости 3, образуя по фронту отдельные пролеты. Высота крупных контрфорсных плотин превышает 100 м (Зейская ГЭС - 115 м).

Рис. 4.5. Земляная плотина с ядром: 1 - бетонная плита; 2 - берма; 3 - ядро; 4 - дренажная призма

Земляные плотины (рис. 4.5). Земляные плотины бывают насыпными и намывными. Насыпные устраиваются путем отсыпки в виде горизонтальных слоев небольшой толщины с последующим уплотне-нием укаткой или трамбовкой и увлажнением уплотняемого грунта. Намывные земляные плотины строятся методами гидромехани-зации, сводящимися к подаче размытого в карьере разжиженного грунта к месту укладки насосами по трубопроводам или самотеком по трубам или лоткам. Верховой откос земляной плотины для защиты от воздействия волн и льда укрепляется в пределах изменения уровня воды бетонными плитами 1 или камнем. Низовой откос со стороны нижнего бьефа укрепляется дерном и снабжается в некоторых случаях горизонтальной площадкой 2, называемой бермой, которая служит для защиты откоса от смыва грунта водой. Если земляная плотина сооружается из сильноводопроницаемых грунтов, то для уменьшения фильтрации устраиваются преграды в виде экрана или ядра 3 из маловодопроницаемого грунта, например, глины. Для задержания выноса мелких частиц грунта при фильтрации воды через тело плотины на всех земляных плотинах со стороны нижнего бьефа устраиваются так называемые дренажные призмы 4. Земляные плотины имеют очень широкое распространение. Их строят, как правило, глухими. Высота их достигает 100 м и более.

Каменно-набросные плотины. Каменно-набросные плотины сооружаются путем наброски в русло реки с некоторой высоты камня различных размеров. По мере роста плотины каменная наброска уплотняется струей воды под давлением, а также специальными катками и вибраторами. Водонепроницаемость таких плотин достигается путем устройства экрана из железобетона со стороны верхнего откоса, укладываемого на специальную подэкрановую каменную кладку. Каменно-набросные плотины сооружаются, как правило, глухими. Высота их достигает 300 м.

Каменно-земляные плотины. В каменно-земляных плотинах большая часть их тела выполнена из каменных материалов, а противофильтрационное устройство - из маловодопроницаемого грунта. Высота их достигает 300 м и более.

На ГЭС по экономическим соображениям с учетом требований надежности часто применяют комбинированные плотины различных типов.

Здания ГЭС

Конструкцию и компоновку здания ГЭС определяют природные условия, схема концентрации напора, величина напора, тип и параметры гидроагрегатов, трансформаторов и вспомогательного оборудования. Тип и конструкция здания должны быть экономически и технически обоснованы и в то же время должны обеспечивать надежную работу оборудования и удобные условия эксплуатации.

Характерную компоновку и расположение основного оборудования станции рассмотрим на примере здания приплотинной ГЭС (рис. 4.6).

Основными элементами компоновки здания являются: машинный зал 1, генератор 2, спиральная камера с турбиной 3, отсасывающая труба 4, турбинный трубопровод 5, водоприемник 6, решетка 7, плоский (щитовой) затвор 8, подъемный механизм затвора 9, провода на подстанцию 10, мостовой кран 11. Вода поступает в водоприемник и затем по трубопроводу направляется в турбинную камеру. Проходя через рабочее колесо турбины, вращает его и через отсасывающую трубу выходит в нижний бьеф. Рабочее колесо соединено валом с ротором генератора. При вращении рабочего колеса турбины ротор также вращается. Генератор при этом выдает в нагрузку электроэнергию. Решетка 7 предназначена для очистки воды от различных предметов, способных повредить турбину. Место перед решеткой регулярно очищается. Затвор 8 позволяет перекрывать турбинный трубопровод при ремонте турбины и наполнении водохранилища. Обычно на ГЭС устанавливается не менее двух-трех одинаковых гидроагрегатов.

Рис. 4.6. Здание приплотинной ГЭС

Общим элементом для всех типов зданий ГЭС является монтажная площадка, которая размещается обычно в конце здания у берега и обслуживается теми же кранами, что и машинный зал (на рис. 4.6 не показана). На уровне пола монтажной площадки делается подъездной путь для доставки оборудования в машинный зал.

Кроме того, в здание ГЭС размещается ряд вспомогательных помещений: оперативно-производственные, производственные, административно-хозяйственные, бытовые. К оперативно-производственным помещениям относят помещения электрических распределительных устройств генераторного напряжения, собственных нужд переменного и постоянного тока, пульта управления и др.

В здании ГЭС размещается также большое количество различных вспомогательных устройств. В их число входят: устройства технического водоснабжения и пожаротушения генераторов, осушения спиральных камер и отсасывающих труб, масляного хозяйства, дренажные устройства, контрольно-измерительная аппаратура и др.

5. ГИДРОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА И

ЕЕ ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ