Гэс это в строительстве

Преобразование механической энергии, создаваемой гидротурбинами, в электроэнергию. Виды бетонов, применяемые для сооружения плотин. Предыстория развития гидростроения России. Аварии и происшествия на ГЭС. Изучение принципа работы и классификации ГЭС.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	24.06.2013
Размер файла	57,0 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ННГАСУ)

Как работает гидроэлектростанция

Факультет инженерно-экологических систем и сооружений

по основам строительства

Особенности строительства ГЭС

Студент 2 курса

Нижний Новгород, 2013 год

сооружение гидростроение бетон

1.1 Определение гидроэлектростанции

1.3 Принцип работы

1.4 Гидроэнергетика в мире

1.5 Крупнейшие ГЭС в мире

2. Предыстория развития гидростроения России

3. Аварии и происшествия на ГЭС

Гидроэнергия — энергия, сосредоточенная в потоках водных масс в русловых водотоках и приливных движениях. Чаще всего используется энергия падающей воды. Для повышения разности уровней воды, особенно в нижних течениях рек, сооружаются плотины. Первый широко используемый для технологических целей вид энергии.

До середины XIX века для этого применялись водяные колёса, преобразующие энергию движущейся воды в механическую энергию вращающегося вала. Позднее появились более быстроходные и эффективные гидротурбины. До конца XIX века энергия вращающегося вала использовалась непосредственно, например, для размола зерна на водяных мельницах или для приведения в действие кузнечных мехов и молота. Сейчас практически вся механическая энергия, создаваемая гидротурбинами, преобразуется в электроэнергию.

1.1 Определение гидроэлектростанции

Гидроэлектростанция (ГЭС) — электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока. Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища.

Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы два основных фактора: гарантированная обеспеченность водой круглый год и возможно большие уклоны реки, благоприятствуют гидростроительству каньонообразные виды рельефа.

Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях.

Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии.

Возобновляемый источник энергии.

Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций.

Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое.

Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей.

Водохранилища часто занимают значительные территории, но, примерно, с 1963 г. начали использоваться защитные сооружения (Киевская ГЭС), которые ограничивали площадь водохранилища, и, как следствие, ограничивали площадь затопляемой поверхности (поля, луга, поселки).

Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.

Виды бетонов, пpименяeмыe для сооружения плотин:

Для cтpoительcтва плотин ГЭС используется гидротехнический строительный бетон. Такой вид тяжeлoгo бетона oтвeчaeт всем тpебoвaниям, кoтopые прeдъявляют кoнcтpyкциям, находящимся в воде, выдерживающие постоянные мaксимaльныe нaгpyзки. Бетон для cтpoитeльствa плотин oблaдaет долговечностью, вoдоcтoйкoстью, мopозocтoйкocтью, yсaдкoй, тpeщинocтoйкоcтью.

Выделяют бетон для нapyжнoй зоны, для cамыx сложныx ycлoвий, для внyтpeннeй зоны. Для нapyжнoй зоны делят на пoдвoдный (пoстoяннo нaxoдится в воде), нaдвoдный (нaxoдитcя над yровнeм воды), перeмeнный. Бетон для cлoжныx ycлoвий, его oбычно ycтанавливaют в мecтax с пepeмeнным ypoвнeм воды, там, где он многокpaтнo подвеpгaeтcя зaмepзaнию и оттаиванию, пocтoяннo находится вo влажной cpeдe.

Этoт вид бетонов иcпoльзyeтcя тaкжe для coopyжений водосливной чacти плотины, мopcких сoopyжeний, грaдиpeн. Для нapужнoй зоны примeняют тяжелые мapки бетонов МЗ00, М400 и М500, и водонепроницаемость не менее W4. Бетонами для нapyжной зоны oбecпечивaют защиту бетону для внyтрeннeй зоны мaccивныx кoнcтрyкций.

Для внyтpeннeй зоны применяют бетоны с небольшой пpoчнocтью М100 и М150, вoдонeпpoницаeмocти W2 и W4. В дaнном бетоне наименьшая величина тепловыделения во вpeмя твеpдeния, для тoгo чтoбы не обpaзoвывaлиcь тeмпepатyрныe тpeщины. Для пpoизвoдcтва используют шлакопoртлaндцeмeнт, он обладает малым тeпловыдeлeнием и xopoшo пpотивocтoит выщелачиванию.

По вoдoнeпpоницaeмocти выбирают мapкy в завиcимoсти от тoгo, какой бyдeт напopный градиент по oтнoшeнию к тoлщинe конcтpyкции или к толщине наpужнoй зоны. Еcли напopный гpaдиeнт 12, coотвeтcтвеннo выбиpaeтся мapкa W12. По мoрoзoстoйкocти мapкy выбиpают в зависимости oт климaтa и циклов зaмopaживaния и оттаивания зa год. Пpимeняют такие мapки бетона: oт F100 до F500.

1.3 Принцип работы

Принцип работы ГЭС достаточно прост. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию.

Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией — естественным током воды. В некоторых случаях для получения необходимого напора воды используют совместно и плотину, и деривацию.

Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты, непосредственно преобразующие энергию тока воды в электрическую энергию. Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля над работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.

Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности:

мощные — вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше;

средние — до 25 МВт;

малые гидроэлектростанции — до 5 МВт.

Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции.

Типичная для горных районов Китая малая ГЭС (ГЭС Хоуцзыбао, уезд Синшань округа Ичан, пров. Хубэй). Вода поступает с горы по чёрному трубопроводу

Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды:

высоконапорные — более 60 м;

средненапорные — от 25 м;

низконапорные — от 3 до 25 м.

В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин. Для высоконапорных — ковшовые и радиально-осевые турбины с металлическими спиральными камерами. На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотнолопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных — поворотнолопастные турбины в железобетонных камерах.

Принцип работы всех видов турбин схож — вода, находящаяся под давлением (напор воды) поступает на лопасти турбины, которые начинают вращаться. Механическая энергия, таким образом, передается на гидрогенератор, который и вырабатывает электроэнергию. Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами — железными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.

Гидроэлектрические станции также разделяются в зависимости от принципа использования природных ресурсов, и, соответственно, образующейся концентрации воды. Здесь можно выделить следующие ГЭС:

русловые и приплотинные ГЭС. Это наиболее распространенные виды гидроэлектрических станций. Напор воды в них создается посредством установки плотины, полностью перегораживающей реку, или поднимающей уровень воды в ней на необходимую отметку. Такие гидроэлектростанции строят на многоводных равнинных реках, а также на горных реках, в местах, где русло реки более узкое, сжатое.

плотинные ГЭС. Строятся при более высоких напорах воды. В этом случае река полностью перегораживается плотиной, а само здание ГЭС располагается за плотиной, в нижней её части. Вода, в этом случае, подводится к турбинам через специальные напорные тоннели, а не непосредственно, как в русловых ГЭС.

гидроэлектростанции. Такие электростанции строят в тех местах, где велик уклон реки. Необходимая концентрация воды в ГЭС такого типа создается посредством деривации. Вода отводится из речного русла через специальные водоотводы. Последние — спрямлены, и их уклон значительно меньший, нежели средний уклон реки. В итоге вода подводится непосредственно к зданию ГЭС.

Деривационные ГЭС могут быть разного вида — безнапорные или с напорной деривацией. В случае с напорной деривацией, водовод прокладывается с большим продольным уклоном. В другом случае в начале деривации на реке создается более высокая плотина, и создается водохранилище — такая схема еще называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды.

гидроаккумулирующие электростанции. Такие ГАЭС способны аккумулировать вырабатываемую электроэнергию, и пускать её в ход в моменты пиковых нагрузок. Принцип работы таких электростанций следующий: в определенные моменты (времена не пиковой нагрузки), агрегаты ГАЭС работают как насосы, и закачивают воду в специально оборудованные верхние бассейны. Когда возникает потребность, вода из них поступает в напорный трубопровод и, соответственно, приводит в действие дополнительные турбины.

В гидроэлектрические станции, в зависимости от их назначения, также могут входить дополнительные сооружения, такие как шлюзы или судоподъемники, способствующие навигации по водоему, рыбопропускные, водозаборные сооружения, используемые для ирригации и многое другое.

Ценность гидроэлектрической станции состоит в том, что для производства электрической энергии, они используют возобновляемые природные ресурсы. Ввиду того, что потребности в дополнительном топливе для ГЭС нет, конечная стоимость получаемой электроэнергии значительно ниже, чем при использовании других видов электростанций.

1.4 Гидроэнергетика в мире

На 2005 год гидроэнергетика обеспечивает производство до 63 % возобновляемой и до 19 % всей электроэнергии в мире, установленная гидроэнергетическая мощность достигает 715 ГВт.

Абсолютным лидером по выработке гидроэнергии на гражданина является Исландия, кроме неё этот показатель наиболее высок в Норвегии, Канаде и Швеции. Наиболее активное гидростроительство на начало 2000-х ведёт Китай, для которого гидроэнергия является основным потенциальным источником энергии, в этой же стране размещено до половины малых гидроэлектростанций мира.

На 2008 год крупнейшими производителями гидроэнергии (включая переработку на ГАЭС) являются следующие страны:

Потребление гидроэнергии в ТВт·ч

1.5 Крупнейшие ГЭС в мире

Саямно-Шумшенская гидроэлектростамнция им. П.С. Непорожнего — самая мощная электростанция Российской Федерации, шестая по мощности гидроэлектростанция (ГЭС) в мире. Расположена на реке Енисей, в посёлке Черёмушки (Хакасия), возле Саяногорска.

Является самой мощной электростанцией в Российской Федерации. До аварии 2009 года производила 15 процентов энергии, вырабатываемой на российских гидроэлектростанциях (ГЭС) и 2 процента общего объёма электричества. Состав сооружений ГЭС:

бетонная арочно-гравитационная плотина высотой 245 м, длиной 1 066 м, шириной в основании — 110 м, шириной по гребню 25 м. Плотина включает левобережную глухую часть длиной 246,1 м, станционную часть длиной 331,8 м, водосливную часть длиной 189,6 м и правобережную глухую часть длиной 298,5 м.

приплотинное здание ГЭС

строящийся береговой водосброс.

Мощность ГЭС — 6 400 МВт (вместе с Майнским гидроузлом — 6 721 МВт), среднегодовая выработка 24,5 млрд. кВт·ч. В 2006 году из-за крупного летнего паводка электростанция выработала 26,8 млрд. кВт·ч электричества.

В здании ГЭС было размещено 10 радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по 640 МВт, работавших при расчётном напоре 194 м. Максимальный статический напор на плотину — 220 м. Плотина ГЭС уникальна, аналогичный тип плотины в Российской Федерации имеет ещё только одна ГЭС — Гергебильская, но она значительно меньше.

Пропускная способность водосброса плотины — 13600 мі/сек, максимальный зарегистрированный приток к створу — 24400 мі/сек, строящийся водосброс должен увеличить наибольший сбрасываемый затрата на 8000 мі/сек.

Ниже Саяно-Шушенской ГЭС расположен её контррегулятор — Майнская ГЭС мощностью 321 МВт, организационно входящая в состав Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса.

Плотина ГЭС образует крупное Саяно-Шушенское водохранилище полным объёмом 31,34 куб. км (полезный объём — 15,34 куб. км) и площадью 621 кв. км. Вода водохранилища отличается высоким качеством, что позволило организовать в нижнем бьефе ГЭС рыбоводные хозяйства, специализирующиеся на выращивании форели[2]. При создании водохранилища было затоплено 35,6 тыс. га сельхозугодий и перенесено 2717 строений. В районе водохранилища расположен Саяно-Шушенский биосферный заповедник.

Саяно-Шушенская ГЭС спроектирована институтом Ленгидропроект.

Красноямрская гидроэлектростамнция — на реке Енисей, в сорока километрах от Красноярска, вблизи города Дивногорска Красноярского края. Вторая по мощности ГЭС в Российской Федерации. Входит в Енисейский каскад ГЭС.

Красноярская ГЭС спроектирована институтом Ленгидропроект.

Строительство ГЭС началось в 1956 году, закончилось в 1972 году. Первый блок Красноярской ГЭС был пущен 3 ноября 1967 года.

Состав сооружений ГЭС:

гравитационная бетонная плотина длиной 1 065 м и высотой 124 м, состоит из левобережной глухой плотины длиной 187,5 м, водосливной — 225 м, глухой русловой — 60 м, станционной — 360 м и правобережной глухой — 232,5 м. Всего при строительстве тела плотины было уложено 5,7 млн. M3 бетона.

Приплотинное здание ГЭС длиной 430 м.

Установки приёма и распределения электричества — 220 кВ и 500 кВ.

Мощность ГЭС — 6000 МВт. Среднегодовая выработка электричества — 20,4 млрд. кВт·ч. В здании ГЭС установлено 12 радиально-осевых гидроагрегатов мощностью по 500 МВт, работающих при расчётном напоре 93 м. Для пропуска судов сооружён единственный в Российской Федерации судоподъёмник.

Плотина ГЭС образует крупное Красноярское водохранилище. Площадь водохранилища около 2000 кмІ, полный и полезный объём 73,3 и 30,4 кмі соответственно. Водохранилищем было затоплено 120 тыс. га сельскохозяйственных земель, в ходе строительства было перенесено 13750 строений.

Плотимна Гумвера, дамба Гувера, дамба Хувера (англ. Hoover Dam, также известна как Boulder Dam) — уникальное гидротехническое сооружение в США, бетонная плотина высотой 221 м и гидроэлектростанция (ГЭС), сооружённая в нижнем течении реки Колорадо. Расположена в Чёрном каньоне, на границе штатов Аризона и Невада, в 48 км к юго-востоку от Лас-Вегаса; образует озеро (водохранилище) Мид. Названа в честь 31-ого президента США Герберта Гувера, 31-го президента США, сыгравшего важную роль в её строительстве. Строительство дамбы началось в 1931 и закончилось в 1936, на два года раньше запланированного срока.

Плотина находится под управлением Бюро мелиорации США, подразделения Департамента внутренних дел США. В 1981 плотина была включена в Национальный регистр исторических мест США. Плотина Гувера является одной из известнейших достопримечательностей в окрестности Лас-Вегаса.

До возведения плотины река Колорадо нередко показывала свой бурный нрав, зачастую во время таяния снегов в Скалистых горах затопляя фермерские угодья, лежащие ниже по течению. Проектировщики плотины планировали, что её возведение поможет сгладить колебания уровня реки. Помимо этого, ожидалось, что водохранилище даст толчок развитию орошаемого земледелия, а также станет источником водопровода Лос-Анджелеса и других районов Южной Калифорнии.

В то же время, одним из препятствий для осуществления проекта стали сомнения штатов, лежащих в бассейне реки Колорадо, в справедливом распределении водных ресурсов между потребителями. Существовали опасения, что Калифорния, с её влиянием, финансовыми ресурсами и недостатком воды предъявит права на большую часть водных ресурсов водохранилища.

Асуанские плотины — крупнейшие комплексные гидротехнические сооружения в Египте на реке Нил, близ Асуана — города на первом пороге Нила.

Две дамбы преграждают реку в этом месте: новая «Асуанская Верхняя Дамба» (араб. ЗбУП ЗбЪЗбнээ) и старая «Асуанская Дамба» или «Асуанская Нижняя Дамба».

Без водохранилища Нил выходил из берегов каждый год в течение лета, переполняясь потоком вод востока Африки. Эти наводнения несли плодородный ил и минералы, которые сделали почву вокруг Нила плодородной и идеальной для сельского хозяйства. Поскольку население по берегам реки росло, то возникла потребность управлять потоками воды, чтобы защитить сельхозугодья и хлопковые поля. В многоводном году целые поля могли быть полностью смыты, в то время как в низководном году был широко распространен голод вследствие засухи. Цель этого водного проекта состояла в том, чтобы предотвратить наводнения, обеспечить Египет электроэнергией и создать сеть оросительных каналов для сельского хозяйства.

Британцы начали строительство первой дамбы в 1899 году, закончив его в 1902. Проект был разработан сэром Уильямом Виллкоксом и вовлек несколько выдающихся инженеров, включая сэра Бенджамина Бейкра и сэра Джона Эрда, чья компания, Джон Эрд и организация, была главным подрядчиком. Дамба представляла собой внушительное сооружение 1 900 м длиной и 54 м высотой. Начальный проект, как скоро было выяснено, был неадекватным, и высота дамбы была поднята в два этапа, 1907—1912 и 1929—1933 гг.

Когда в 1946 году вода поднялась почти до уровня дамбы, было принято решение о строительстве второй плотины в 6 км вверх по реке. Работы по ее проектированию начались в 1952 году, сразу же после революции. Сначала предполагалось, что США и Англия помогут финансировать строительство, предоставив ссуду в 270 миллионов долларов в обмен на участие Насера в разрешении Арабо-израильского конфликта. Однако в июле 1956 года обе страны аннулировали свое предложение. В качестве возможных причин этого шага называют секретное соглашение по поставкам стрелкового оружия с Чехословакией, входившей в восточный блок, и признание Египтом КНР.

После того, как Насер национализировал Суэцкий канал, намереваясь использовать пошлины с проходящих судов для субсидирования проекта Верхней Дамбы, Британия, Франция и Израиль спровоцировали военный конфликт, заняв в ходе Суэцкого кризиса канал войсками. Но под давлением ООН, США и СССР они были вынуждены уйти и оставить канал в египетских руках. В разгар холодной войны в борьбе за страны третьего мира Союз Советских Социалистических Республик (CCCP) в 1958 году предложил техническую помощь при строительстве дамбы, причем треть стоимости проекта списывалась за счет лояльности режима Насера к СССР. Огромная дамба была спроектирована советским институтом «Гидропроект».

Строительство началось в 1960 году. Верхняя Дамба была закончена на 21 июля 1970 года, однако водохранилище начало заполняться уже с 1964 года, когда был завершен первый этап постройки дамбы. Водохранилище поставило под угрозу исчезновения многие памятники археологии, поэтому была предпринята спасательная операция под эгидой ЮНЕСКО, в результате которой 24 основных памятника были перемещены в более безопасные места или переданы странам, которые помогли с работами (храм Debod в Мадриде и Храм Dendur в Нью-Йорке).

Асуанская Верхняя Дамба имеет 3600 м в длину, 980 м в ширину по основанию, 40 м в ширину по гребню и 111 м в высоту, она состоит из 43 млн мі грунтовых материалов. Максимальный издержка воды через все водопропускные сооружения плотины — 16000 мі/с.

Канал Тошка связывает водохранилище с озером Тошка. Водохранилище, названное озером Насера, имеет 550 км длины и 35 км максимальной ширины; площадь его поверхности составляет 5250 кмІ, а полный объем — 132 кмі.

Мощность двенадцати генераторов (каждый по 175 МВт) — 2,1 ГВт электричества. Когда к 1967 году выработка ГЭС достигла проектной, она давала около половины всей вырабатываемой в Египте энергии.

После строительства Асуанского гидроузла были предотвращены негативные последствия наводнений 1964 и 1973 годов, а также засух 1972—1973 и 1983—1984 годов. Вокруг озера Насера образовалось значительное количество рыбных хозяйств.

2. Предыстория развития гидростроения в России

В Советский период развития энергетики упор делался на особую роль единого народнохозяйственного плана электрификации страны — ГОЭЛРО, который был утвержден 22 декабря 1920 года. Этот день был объявлен в СССР профессиональным праздником — Днём энергетика. Глава плана, посвященная гидроэнергетике — называлась «Электрификация и водная энергия».

В ней указывалось, что гидроэлектростанции могут быть экономически выгодными, главным образом, в случае комплексного использования: для выработки электроэнергии, улучшения условий судоходства или мелиорации. Предполагалось, что в течение 10-15 лет в стране можно соорудить ГЭС общей мощностью 21 254 тыс. лошадиных сил (около 15 млн. кВт), в том числе в европейской части России — мощностью 7394, в Туркестане — 3020, в Сибири — 10 840 тыс. л.с. На ближайшие 10 лет намечалось сооружение ГЭС мощностью 950 тыс. кВт, однако в последующем было запланировано сооружение десяти ГЭС общей рабочей мощностью первых очередей 535 тыс. кВт.

Хотя уже за год до этого в 1919 году Совет труда и обороны признал строительства Волховской и Свирской гидростанций объектами, имеющими оборонное значение. В том же году началась подготовка к возведению Волховской ГЭС, первой из гидроэлектростанций возведенных по плану ГОЭЛРО.

Однако и до начала строительства Волховской ГЭС Россия имела достаточно богатый опыт промышленного гидростроительства, в основном, частными компаниями и концессиями. Информация об этих ГЭС, построенных в России за последнее десятилетие 19-го века и первые 20 лет двадцатого столетия достаточно разрознена, противоречива и требует специальных исторических исследований.

Совет Министров СССР принял решение начать строительство Бухтарминской ГЭС на р. Иртыш.

Источник: otherreferats.allbest.ru

Крупнейшие гидроэлектростанции в России и в мире

Статьи об энергетике

Гидроэлектростанции сейчас используются также активно, как и остальные элементы промышленного прогресса. Их работа настолько ценится, что изображения этих установок появляются на деньгах, марках, даже составляются списки самых крупных предприятий.

Что такое ГЭС

Для начала стоит рассмотреть, как расшифровывается эта аббревиатура. ГЭС — это место, где с помощью водного потока получают электроэнергию. Человечество стало использовать воду в качестве источника задолго до появления первых станций. Раньше реки и водоемы использовались для работы мельниц, транспортировки тяжелых деревьев или товаров.

Электрофикация началась в XIX веке. Сначала с помощью движущей силы воды работала только одна дуговая лампа, но всего через 10 лет после этого появилось более 200 гидроэлектростанций.

В сравнении с другими способами получения энергии, есть определенные особенности ГЭС:

• стоимость энергии выходит в 2 раза ниже, чем получаемое сырье на тепловых установках;
• природные источники являются возобновляемым ресурсом;
• для постройки гидроэлектростанции требуется больше времени, чем для создания остальных установок;
• мощность турбин регулируется, поэтому человек может контролировать количество вырабатываемой энергии;
• для развития оборотов и работы на полной мощности ГЭС требуется не более 2 минут;
• для эффективной работы станции располагают максимально удаленно от потребителей;
• ГЭС занимают много места, поэтому при их сооружении стали использовать защитные установки, которые ограничивают размер затопляемой поверхности.

Несмотря на свои преимущества, в мировых масштабах размер получаемой таким образом электроэнергии не превышает 20%, поскольку установки влияют на экосистему, русло реки и сказываются на состоянии прилегающих территорий. Гидроузел вместе с водохранилищем достигает 100 тысяч гектар, при этом комплексного метода для оценки влияния ГЭС на местность так и не выявлено.

Как работает гидроэлектростанция?

Станции ставят возле рек или крупных искусственных водоемов, которые способны обеспечить достаточное давление. Также для этого используется энергия падающей воды, но возле водопадов трудно разместить все оборудование. Для решения этой проблемы используют установки для контролируемого сброса воды.

Из водной энергии получается механическая после того, как источник контактирует с лопастями. Идущая под наклоном вода направляется к основному элементу системы. Количество получаемой энергии на этом этапе зависит от напора и образованного перепада высот.

После вращения турбин включается гидрогенератор, который является основным элементом установки. Пропущенная через него жидкость идет на нижний бьеф (часть реки, примыкающую к станции). Полученная энергия переводится с помощью трансформаторов, затем она поступает в сеть, ее протяженность составляет сотни километров.

Виды ГЭС в России

Установки отличаются по принципу использования ресурсов и концентрации источника:

• Плотинные. Этот вид встречается чаще всего. В этом случае строят плотины, которые перегораживают реку или поднимают в ней уровень для создания напора. Их устанавливают в местах с узким руслом.
• Деривационные. Их ставят в местах с большим уклоном. Источник попадает в установку через водоотвод. Если этот способ не подходит, то устанавливают плотину, чтобы создать смешанный тип установки.
• Приплотинные. Устанавливаются только при наличии высокого напора. ГЭС при этом ставится за плотиной. Вода проходит к лопастям через туннели.
• Гидроаккумулирующие. Установки аккумулируют энергию и используют ее при сильных нагрузках. Такие станции работают как насосы, закачивая воду в один из бассейнов. При пиковой нагрузке жидкость из этих участков идет в трубу и поступает к турбинам.

ГЭС классифицируют еще в зависимости от того, сколько мощности они выделяют. Самые слабые вырабатывают до 5 МВт, а сильные — более 25 МВт.

Список крупнейших ГЭС в России

После определения основных показателей в РФ выделили 15 крупнейших станций, про основные из них мы расскажем далее.

Саяно-Шушенская ГЭС

Она расположена возле реки Енисей, в высоту достигает почти 250 м и считается самой высокой плотиной России. На строительство станции ушло 37 лет, оно завершилось только в 2000 году. Из-за своих масштабов гидроэлектростанция вырабатывает самую дешевую энергию: 1 кВт⋅ч стоит всего 1,62 руб. Она обеспечивает энергией рудники, заводы и предприятия пищевой промышленности.

Долгое время станцию считали примером для остальных, но в 2009 году произошла техногенная катастрофа, из-за которой гидроагрегат выбросило со своего места под высоким напором. Вода попала внутрь здания, после чего автоматические системы сломались. Сотрудникам пришлось вручную закрывать затворы водоприемников. Из-за этого погибли 75 человек, на полное восстановление ГЭС потребовалось 5 лет.

Красноярская ГЭС

Расположена возле Енисея, в его состав входит единственный судоподъемник, который есть в РФ. ГЭС обеспечивает свой регион электричеством на 30%. Помимо этого, защищает местность от наводнений и налаживает работу речного транспорта.

В результате строительства станции большая зона оказалась затоплена. В нее вошли 132 населенных пункта, из которых пришлось переселить более 60 тыс. человек. Также из-за выхода теплой воды в одном и том же участке перестало происходить замерзание реки, это сказывается на экосистеме.

Братская ГЭС

Находится в Иркутской области возле реки Ангара. Сооружение известно не только благодаря масштабу, но и размещению крупнейшего водохранилища. Для его формирования пришлось затопить более 100 деревень. Это событие стало значимым для города, поскольку он превратился в промышленный центр.

Дамба, к которой изначально относились негативно, стала местной достопримечальностью. Внутрь туристов пускать перестали, но автобусы все еще подъезжают туда, чтобы посмотреть на масштабы постройки и километровую стену, которая сдерживает огромный поток воды.

Усть-Илимская ГЭС

Она стоит в Иркутской области, длина плотины превышает 1,4 км, а высота — всего 105 м. Для Сибири станция необходима, поскольку она обеспечивает электроэнергией крупнейшие производственные комплексы в этом регионе. В ближайшее время планируется постройка судоподъемника.

Богучанская ГЭС

Расположена в Краснодарском крае, входит в пятерку крупнейших станций. На возведение комплекса потребовалось более 30 лет, последний гидроагрет заработал в 2014 году. Станция состоит из нескольких плотин и производственного комплекса, который примыкает к ним. Суда через этот участок проходить не могут. Раньше для этого использовали шлюз, но позже забетонировали из-за обнаруженных нарушений.

Гидроэлектростанции используют природные ресурсы для получения энергии, поэтому в сравнении с остальными типами ее стоимость получается самой низкой. К тому же во время обработки исключаются выбросы в атмосферу. Однако, для работы ГЭС требуется большой напор воды и ее направление в соответствующее русло. Поэтому несмотря на простую схему работы станций, специалистам приходится учитывать много факторов, в том числе затопляемость ближайших территорий.

Источник: proagregat.com

Разновидности ГЭС и принципы работы станций

Перспектива дефицита и дороговизна минеральных энергоресурсов заставляют уделять больше внимания возобновляемым источникам энергии. Самым эффективным из них на сегодняшний день является гидроэнергия. Современные ГЭС аккумулируют ее и превращают в электричество, обеспечивая низкую себестоимость киловатта и высокую мощность.

Принцип работы ГЭС – это использование силы падающей воды для вращения вала электрогенератора. Напор воды подается на лопасти турбины, которая раскручивает ротор. Электрический ток от генератора поступает на трансформаторы, выравнивается, передается на распределительные станции и оттуда – по линиям электропередач к конечному потребителю. Выработка энергии напрямую зависит от напора воды в ГЭС, количества и типа установленных турбин.

Классификация и конструктивные отличия

Естественный перепад высот на реках, который обеспечил бы нужный напор, почти не встречается в природе. Поэтому самой сложной задачей при возведении конструкции является строительство напорных сооружений. В зависимости от их типа и классифицируют гидростанции:

1. Плотинная. Реку со спокойным течением перегораживают плотиной, высота которой определяет выходную мощность. Внутри стены проходят вертикальные или наклонные каналы, направляющие воду к генератору, благодаря созданному напору.
2. Деривационная. На реках со слишком бурным для плотины течением сооружают отводы в виде закрытых тоннелей или открытых каналов с нужным наклоном, корректирующим давление воды. Заканчивается система отводов зданием электростанции.
3. Плотинно-деривационная. Смешанный тип используют, когда для создания ровного напора воды требуется возведение бассейна суточного или сезонного регулирования между рекой и отводным тоннелем или между деривационной системой и станцией.
4. Приливная. Принцип работы гидроэлектростанции приливного типа не отличается от плотинной. Только вместо русла реки перегораживают прибрежный участок морского бассейна с высоким уровнем прилива, во время которого вода накапливается в водохранилище.
5. Аккумуляторная. ГАЭС отличается от обычной ГЭС наличием аванкамеры перед водозабором напорного канала. Из этого объемного резервуара вода подается на турбину, но может поступать и в обратном направлении, так как на станциях ставят обратимые генераторы – двигатели. Ротор в них может вращаться в обратную сторону, не вырабатывая, а потребляя электричество и заставляя систему работать как накачивающий насос.

ГАЭС строят при необходимости компенсировать резкий рост энергопотребления в пиковые часы. Наличие гидроаккумулятора позволяет достигнуть максимального КПД в отдельные моменты, а когда он не нужен, переключить станцию в режим насоса и накопления воды. При этом она работает от собственного электричества, полученного в режиме генератора.

Особенности возведения и эксплуатации

Выбор определенной модификации ГЭС определяется особенностями местности и расчетной эффективностью речного потока. Общая схема всех видов в обязательном порядке включает сорозаборные решетки на входных отверстиях, центр управления и контроля, площадку для обслуживания электрооборудования и трансформаторы, преобразующие вырабатываемое электричество в 220 V или другой необходимый стандарт напряжения.

Для сооружения генератора ГЭС используют распространенные унифицированные элементы. Все оборудование износостойкое, обладает большим сроком эксплуатации и минимальными требованиями к обслуживанию. Но в целом устройство каждой станции уникально. Конструкцию, привязанную к конкретному географическому району, нельзя повторить, как нельзя найти и две идентичные по условиям бассейна реки.

Разобравшись, как работает гидроэлектростанция, можно сформулировать ее преимущества относительно ТЭС и АЭС:

• вода — возобновляемый и чистый источник энергии;
• высокий КПД;
• отсутствие расходов на топливо;
• снижение затрат на обслуживание и персонал;
• низкий уровень риска аварий.

Причина, по которой выработка электроэнергии ГЭС составляет лишь около 20% от мирового производства электричества, заключается в необратимом влиянии на экосистему по всему руслу реки и ирригацию прилегающих территорий. Размеры всего гидроузла, включая водохранилище, достигают сотен тысяч га. До сих пор не существует надежных методов комплексной оценки масштабов такого влияния.

Технические нюансы

ГЭС выходят на проектную мощность быстрее, чем другие электростанции. Вследствие того, что природный напор воды непостоянен, сооружения без компенсаторных механизмов выдают разную производительность. В качестве основной характеристики для гидроэлектростанций принято брать установленную мощность всех ее генераторов. В зависимости от этого различают:

• установленная мощность свыше 1000 МВт;
• от 100 до 1000 МВт;
• от 10 до 100 МВт;
• до 10 МВт.

По высоте напорного потока ГЭС делятся на:

• высоконапорные — свыше 60 м;
• средненапорные — от 25 м;
• низконапорные — от 3 до 25 м.

От силы потока зависит выбор типа турбины. В высоконапорных ГЭС используют ковшевую, не погружаемую конструкцию. Вода в нее подается сильной струей из сопел и толкает ковши. При более низком напоре применяют радиально-осевые или поворотно-лопастные аппараты.

Они полностью погружены в емкость с водой, имеют различный наклон оси, строение и количество лопастей, за счет своей конструкции раскручиваются при потоке небольшой силы. Камеры для турбин производят из стали или железобетона. Здание с электрооборудованием может располагаться непосредственно внутри плотины, рядом с ней или, в случае деривационного типа, далеко от источника воды. В состав сооружений ГЭС включают шлюзы для судов, рыбоходы, водосбросы, ирригационные отводы при условии, что такое дополнение необходимо для поддержания действующей транспортной, сельскохозяйственной или экосистемы в пойме реки.

Источник: ekoenergia.ru

Гэс это в строительстве

Бог проявил щедрость,
когда подарил миру такого человека.

Светлане Плачковой посвящается

Издание посвящается жене, другу и соратнику, автору идеи, инициатору и организатору написания этих книг Светлане Григорьевне Плачковой, что явилось её последним вкладом в свою любимую отрасль – энергетику.

Книга 3. Развитие теплоэнергетики и гидроэнергетики

4.1. Основные типы ГЭС и состав сооружений

Гидроэлектростанции входят в состав гидроузлов. Гидроузел – комплекс гидротехнических сооружений, обеспечивающих использование водных ресурсов для получения электрической энергии, водоснабжения, орошения, а также защиту от наводнений, улучшение условий судоходства, рыбоводства, рекреации и др.

Состав и назначение сооружений ГЭС. Если основной задачей создания гидроузла является получение электроэнергии, то его обычно называют ГЭС или гидроэнергетическим объектом. В комплексе сооружений гидроузла выделяют основные и вспомогательные сооружения. Для обеспечения производства строительно-монтажных работ в период строительства возводят временные сооружения.

Основные сооружения в зависимости от выполняемых функций подразделяют на:

Водоподпорные и водосбросные сооружения, предназначенные в зависимости от схемы ГЭС для создания водохранилища, всего или части напора ГЭС, пропуска в нижний бьеф эксплуатационных расходов, в том числе паводковых (включающие плотины и водосбросы разных типов), а также для сброса льда, шуги, промыва наносов (включающие для этих целей в ряде случаев специальные устройства). На многоводных реках максимальные паводковые расходы могут достигать 100 тыс.м 3 /с и более. Так, на самой крупной в мире ГЭС «Три ущелья» на р. Янцзы (Китай) сооружения гидроузла рассчитаны на пропуск при ФПУ максимального расчетного паводка 102,5 тыс.м 3 /с, на Чебоксарской ГЭС на Волге максимальный расчетный расход обеспеченностью 0,01% составляет 48 тыс.м 3 /с, на Днепрогэсе – 25,9 тыс.м 3 /с.

Энергетические сооружения, предназначенные для выработки электроэнергии и выдачи ее в энергосистему и включающие водоприемники; водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к гидротурбинам в здании ГЭС и отводящие воду от здания ГЭС в нижний бьеф; здания ГЭС с энергетическим оборудованием (гидротурбины, гидрогенераторы, трансформаторы и др.), механическим, подъемно-транспортным, вспомогательным оборудованием, системой управления; открытые (ОРУ) или закрытые (ЗРУ) распределительные устройства для приема и выдачи электроэнергии в энергосистему, а также аварийного отключения ЛЭП.

Судоходные и лесосплавные сооружения, предназначенные для пропуска судов, плотов через гидроузел и включающие шлюзы, судоподъемники с подходными и отводящими каналами, плотоходы и др.

Водозаборы для орошения, водоснабжения, обеспечивающие необходимую подачу воды и включающие водоприемники, насосные станции и др.

Рыбопропускные и рыбозащитные сооружения, предназначенные для пропуска проходных пород рыбы к нерестилищам в верхнем бьефе и в обратном направлении и включающие рыбоходы и рыбоподъемники.

Транспортные сооружения, предназначенные для связи сооружений гидроузла между собой, а также для пропуска через них автомобильных и железных дорог и включающие мосты, шоссейные и железные дороги и др.

В зависимости от природных условий участка размещения гидроузла (гидрологических, топографических, геологических, климатических), схемы создания напора, типа ГЭС часть основных сооружений гидроузла может быть совмещена друг с другом (например, водосливные здания ГЭС, где здание ГЭС совмещено с водосбросом).

Вспомогательные сооружения предназначены для обеспечения необходимых условий нормальной эксплуатации гидроузла и работы обслуживающего персонала и включают административно-бытовые здания, системы водоснабжения, канализации и др.

Временные сооружения, необходимые для производства строительно-монтажных работ, можно разбить на две группы.

К первой группе относятся сооружения, обеспечивающие пропуск расходов реки во время строительства в обход котлованов и строящихся сооружений и защиту их от затопления и включающие строительные каналы, водоводы, туннели, перемычки, системы водопонижения и др.

Ко второй группе относятся подсобные производственные предприятия, включающие бетонные заводы со складами цемента, заполнителей для бетона, арматурные, деревообрабатывающие и механические цеха, базы механизации и автотранспорта, склады, временные дороги, системы временного электроснабжения, связи, водоснабжения и др.

Во многих случаях часть временных сооружений после завершения строительства используют в период эксплуатации ГЭС. Так, из сооружений первой группы строительные каналы и туннели могут входить полностью или частично в состав водосбросов или водоводов ГЭС, а перемычки в состав плотин.

Сооружения второй группы полностью или частично могут использоваться как начальная инфраструктура территориальнопроизводственных комплексов, базирующихся на ГЭС.

Для обеспечения надежной и долговечной работы ГЭС в эксплуатационных условиях с учетом комплексного использования, достижения максимального экономического эффекта за счет снижения стоимости, сокращения сроков строительства и ускорения ввода в действие гидроагрегатов важное значение имеет выбор рациональной компоновки и типов сооружений, исходя из природных условий, параметров водохранилища и ГЭС, режимов эксплуатации.

Учитывая длительные сроки строительства крупных ГЭС, достигающие 5–10 лет, обычно предусматривается возведение сооружений и ввод гидроагрегатов в эксплуатацию очередями при недостроенных сооружениях, пониженных напорах, благодаря чему повышается экономическая эффективность.

ГЭС и ГАЭС подразделяют:

По способу создания напора, исходя из принципиальных схем использования гидравлической энергии на ГЭС, размещения здания ГЭС в составе сооружений: ГЭС с русловыми зданиями; ГЭС с приплотинными зданиями; деривационные ГЭС.

По установленной мощности (для ГАЭС по мощности в генераторном режиме) на: мощные – более 1000 МВт, средней мощности от 30 до 1000 МВт, малой мощности – менее 30 МВт.

По напору (максимальному): высоконапорные – более 300 м, средненапорные – от 30–50 до 300 м, низконапорные – менее 30–50 м.

ГЭС с русловыми зданиями обычно применяются на равнинных реках на мягких и скальных основаниях при напорах до 50 м и характеризуются тем, что здания ГЭС входят в состав напорного фронта и воспринимают давление воды со стороны верхнего бьефа. В комплекс сооружений ГЭС обычно входят бетонные сооружения, включающие здание ГЭС, водосливную плотину и судоходный шлюз, и земляные плотины, образующие большую часть напорного фронта. Во многих случаях русловые здания ГЭС выполняются совмещенными с водосбросами. Применение совмещенных русловых зданий на Киевской, Каневской, Днестровской (Украина), Плявинской (Латвия), Саратовской (Россия) ГЭС и ряде других позволило отказаться от водосливных бетонных плотин, сократить фронт бетонных сооружений и получить значительную экономию. На выбор общей компоновки сооружений ГЭС с русловыми зданиями, применяемых на многоводных реках, где расчетные паводковые расходы в период строительства могут достигать 10–20 тыс.м 3 /с, существенно влияет схема пропуска расходов реки в период строительства.

В зависимости от расположения бетонных сооружений ГЭС различают следующие компоновки (рис. 4.1):

Береговая и пойменная компоновка.

Такие компоновки отличаются тем, что основные бетонные сооружения (здание ГЭС, водосливная плотина и др.) размещаются вне русла реки, их котлован ограждается перемычками, и в период их строительства пропуск строительных расходов, включая паводки, осуществляется по руслу реки. Когда бетонные сооружения возведены, русло перекрывается глухой плотиной, чаще всего земляной, и расходы реки пропускаются через бетонные сооружения. При береговой компоновке высота перемычек меньше, а при расположении котлована в пределах участка берега, не затапливаемого паводками строительного периода, вообще отпадает необходимость в устройстве перемычек. Существенным недостатком береговой компоновки является необходимость выполнения больших объемов земляных работ по выемке грунта в котловане, подводящем и отводящем каналах. При пойменной компоновке котлован бетонных сооружений размещается в пойме ближе к руслу, что приводит, с одной стороны, к увеличению высоты перемычек, ограждающих котлован, а, с другой, – к уменьшению объемов работ по выемке грунта.

Рис. 4.1. Компоновки ГЭС с русловыми зданиями: а – береговая; б – пойменная; в – русловая; г – смешанная

Русловая компоновка. При такой компоновке бетонные сооружения размещаются в русле реки. При этом применяются следующие схемы их возведения:

В одном котловане, огражденном перемычками, с пропуском строительных расходов через выполненный в береге канал.

В две (редко в три) очереди, когда часть русла отгораживается перемычками и в ней возводят бетонные сооружения 1-й очереди, а через другую часть русла пропускают строительные расходы. Когда сооружения 1-й очереди возведены, через них пропускаются расходы реки, а другая часть русла ограждается перемычками и возводятся бетонные сооружения 2-ой очереди.

Смешанная компоновка. При такой компоновке бетонные сооружения размещаются частично в русле и на берегу (в пойме) или в русле на всей его ширине и частично на берегу (в пойме).

Выбор варианта компоновки ГЭС в каждом конкретном случае определяется природными условиями участка расположения ГЭС, обеспечением благоприятных условий эксплуатации, сокращения сроков строительства, стоимости гидроузла и производится на основании технико-экономического сопоставления вариантов.

В качестве примера на рис. 4.2 приведена компоновка Киевской ГЭС. В состав бетонных сооружений, расположенных на правом берегу, входят: русловое здание ГЭС с 20 горизонтальными капсульными гидроагрегатами суммарной установленной мощностью 360 МВт со среднегодовой выработкой 0,64 млрд. кВт·ч в год, совмещенное с поверхностными водосбросами, однокамерный шлюз.

Земляная плотина, перекрывающая русло, и левобережная дамба имеют общую длину около 54 км. Максимальный напор ГЭС 11,8 м, расчетный – 7,6 м. Расчетный максимальный паводковый расход, пропускаемый через сооружения ГЭС, составляет 14,8 тыс.м3/с, а максимальный удельный расход на водобое равен 90 м3/с. В условиях песчаного основания для обеспечения надежной работы руслового здания ГЭС предусмотрены противофильтрационные мероприятия, включающие глинистый понур, шпунтовую завесу под фундаментной плитой здания ГЭС, за которой устроен дренаж, соединенный с нижним бьефом. Для недопущения опасных размывов дна при работе ГЭС и пропуске паводков в нижнем бьефе выполнено крепление, включающее водобой и рисберму из железобетонных плит толщиной от 2,5 до 1,5 м и ковша, заполненного каменной наброской, которая при образовании воронки размыва предотвратит дальнейший размыв.

Рис. 4.2 (а). Киевская ГЭС: план Киевского гидроузла

Рис. 4.2 (б). Киевская ГЭС: — поперечный разрез по оси гидроагрегата Киевской ГЭС

В комплекс сооружений входит Киевская ГАЭС, расположенная на берегу Киевского водохранилища в 3,5 км от ГЭС.

ГЭС с приплотинными зданиями сооружаются на равнинных и горных реках, преимущественно на скальном основании при напорах от 30 до 300 м и характеризуются тем, что здание ГЭС размещается за плотиной.

От типа, высоты и других параметров плотины, природных условий створа зависят длина напорных водоводов и компоновка здания ГЭС.

В условиях равнинных рек компоновки ГЭС с приплотинными зданиями аналогичны компоновкам с русловыми зданиями и отличаются от них тем, что перед зданием находится бетонная плотина с водоприемником и напорными водоводами (станционная плотина), отделенная от здания ГЭС деформационным швом. Интересным примером такой компоновки является Днепрогэс (рис. 4.3).

После строительства Кременчугской ГЭС с водохранилищем полезной емкостью 9 км 3 , обеспечивающим сезонное регулирование стока Днепра, расчетный максимальный паводковый расход Днепрогэса в условиях зарегулированного стока снизился с 40 до 25,9 тыс.м 3 /с, благодаря чему освободилась часть водосливных отверстий (пролетов) плотины, что позволило использовать их в качестве водоприемных отверстий второго здания ГЭС общей мощностью 888 МВт и увеличить общую мощность Днепрогэса до 1595 МВт. К каждой турбине вода подается из двух пролетов (водоприемных отверстий) по двум железобетонным напорным трубопроводам, опирающимся на плотину и отделенным деформационным швом от здания ГЭС.

а

б в

Рис. 4.3. Днепрогэс: а – план; б, в – машинный зал соответственно ГЭС-1 и ГЭС-2; 1 – здание ГЭС-1; 2 – гравитационная плотина; 3 – здание ГЭС-2; 4 – шлюз

При более высоких напорах обычно в условиях горных рек компоновки ГЭС с бетонными плотинами и плотинами из грунтовых материалов имеют особенности.

Компоновки с бетонными плотинами, как правило, выполняются русловыми или смешанными с размещением здания ГЭС за гравитационной, контрфорсной или арочной плотинами и характеризуются расположением напорных водоводов в теле плотины, на ее верховой или низовой гранях (рис. 4.4). В состав гидроузла входят станционная плотина с приплотинным зданием ГЭС, водосбросная плотина и глухие плотины, которые могут быть бетонными и из грунтовых материалов.

В узких створах возникают трудности с размещением здания ГЭС и водосброса. В этих случаях водосброс может быть выполнен отдельно на берегу (например Чиркейская ГЭС) или в виде поверхностного водосброса, расположенного на перекрытии приплотинного здания ГЭС (например Токтогульская ГЭС). Крайне редко машинный зал ГЭС располагают в теле плотины (например ГЭС Монтейнар во Франции, где машинный зал с четырьмя гидроагрегатами общей мощностью 320 МВт размещается в полости внутри арочно-гравитационной плотины высотой 153 м и длиной по гребню 210 м, а поверхностный водосброс на низовой грани плотины). Такие встроенные здания, размещаемые в полости внутри бетонной плотины (см. рис. 4.4,г), составляют отдельную группу и условно относятся к приплотинным зданиям.

а б

вг

Рис. 4.4. Компоновки ГЭС с приплотинными зданиями и бетонными плотинами: а – русловая компоновка – ГЭС «Три ущелья»: 1– водосливная плотина; 2 – левобережная и правобережная станционные плотины и здания ГЭС; 3 – судоподъемник; 4 – двухниточный шлюз; б – смешанная компоновка – ГЭС Итайпу: 1 – левобережная плотина из грунтовых материалов; 2 – канал для пропуска строительных расходов; 3 – временный водосброс; 4 – низовая перемычка; 5 – здание ГЭС; 6 – верховая перемычка; 7 и 8 – бетонная плотина; 9 – водосброс; 10 – правобережная плотина из грунтовых материалов; в – варианты расположения напорных водоводов ГЭС с приплотинным зданием; г – вариант со встроенным зданием

б

Рис. 4.5. Красноярская ГЭС: а – план; б – поперечный разрез станционной плотины и здания ГЭС; 1 – здание ГЭС; 2 – станционная плотина; 3 – водосливная плотина; 4–7 – глухие плотины; 8 – монтажная площадка; 9 и 10 – верховой и низовой судоходные пути; 11 – поворотное устройство; 12 – судовая камера; 13 – волнозащитная стенка

В относительно широких створах строительство обычно ведется в две очереди с возведением в первую очередь бетонной водосбросной плотины (или части плотины) и пропуском строительных расходов через стесненное русло реки, а после его перекрытия во вторую очередь – через водосбросные отверстия в возведенной водосбросной плотине и завершением строительства сооружений ГЭС.

В узких створах для пропуска строительных расходов выполняется строительный туннель, который в условиях эксплуатации может использоваться для устройства паводкового водосброса.

аб

Рис. 4.6. Чиркейская ГЭС: а – поперечный разрез; б – план; 1 – плотина; 2 – водоприемник; 3 – напорные водоводы; 4 – здание ГЭС; 5 – подъездной туннель; 6 – эксплуатационный водосброс, совмещенный со строительным туннелем

Примерами ГЭС с приплотинным зданием в относительно широком створе являются самая крупная в мире ГЭС «Три ущелья» мощностью 18,2 млн. кВт (см.рис. 4,4, а ), ГЭС Итайпу мощностью 12,6 млн.кВт·ч, (см. рис. 4,4, б ), Саяно-Шушенская ГЭС мощностью 6.4 млн. кВт, Красноярская ГЭС мощностью 6 млн. кВт со среднегодовой выработкой 20,4 млрд. кВт·ч. В состав сооружений Красноярской ГЭС входят гравитационная плотина длиной 1065 м и максимальной высотой 125 м (рис. 4.5), состоящая из станционной и глухих плотин, водосливной плотины, обеспечивающей пропуск паводкового расхода 14,6 тыс.м 3 /с (с учетом трансформации паводка в водохранилище при форсировке уровня), а также судоподъемник.

Примером ГЭС с приплотинным зданием в узком створе является Чиркейская ГЭС мощностью 1,0 млн.кВт с арочной плотиной длиной по гребню 333 м и максимальной высотой 233 м и с двухрядным расположением гидроагрегатов в здании (рис. 4.6). На левом берегу выполнен туннельный эксплуатационный водосброс, рассчитанный на пропуск паводкового расхода 3,5 тыс.м 3 /с.

На Токтогульской ГЭС мощностью 1,2 млн.кВт с приплотинным зданием в узком створе с двухрядным расположением гидроагрегатов в здании ГЭС и гравитационной плотиной максимальной высотой 216 м в теле плотины размещены напорные водоводы ГЭС и глубинный водосброс, а на низовой грани плотины поверхностный водосброс (рис. 4.7).

В узких створах с бетонными плотинами и из грунтовых материалов могут применяться компоновки с береговым и подземным зданием ГЭС.

Основные компоновки ГЭС с плотинами из грунтовых материалов приведены на рис. 4.8. При этом здание ГЭС может размещаться непосредственно за плотиной (а) или применяются наиболее часто используемые компоновки с береговым (б) и подземным (в) зданием ГЭС.

Для компоновок ГЭС с плотинами из грунтовых материалов характерно береговое размещение эксплуатационных водосбросов для пропуска паводковых расходов: в виде берегового поверхностного водосброса с быстротоком или туннельного водосброса. Для пропуска строительных расходов обычно используются строительные туннели.

Рис. 4.7. Токтогульская ГЭС. Поперечный разрез: 1 – граница укрепительной цементации основания; 2 – цементационная завеса; 3 – турбинный трубопровод; 4 – водосброс; 5 – здание ГЭС

Комплекс гидроэнергетических сооружений, включающий водоприемник, водоводы, здание ГЭС, выполненные вне плотины, называют напорно-станционным узлом (НСУ) ГЭС.

Примером высоконапорной ГЭС с приплотинным зданием и плотиной из грунтовых материалов является Нурекская ГЭС мощностью 2,7 млн. кВт со среднегодовой выработкой 11.2 млрд. кВт·ч в год (рис. 4.9). К турбинам вода подводится от водоприемников башенного типа напорными туннелями.

Для ускорения ввода в эксплуатацию ГЭС первые три гидроагрегата задействовали при пониженном напоре, когда плотина была возведена только на высоту 143 м (при проектной высоте 300 м), для чего были выполнены временный водоприемник и туннель. В период строительства пропуск расходов реки осуществлялся через три яруса строительных туннелей, расположенных на левом берегу. Паводковые расходы в эксплуатационный период (максимальный расход 5.4 тыс.м3/с обеспеченностью 0,01%) пропускаются через туннельный водосброс, соединенный с концевым участком строительного туннеля третьего яруса.

Рис. 4.8. Компоновки ГЭС с приплотинными зданиями и с плотинами из грунтовых материалов: а – с размещением здания ГЭС за плотиной с подводом воды к нему от башенного водоприемника напорными водоводами в основании плотины (обычно размещаемыми в железобетонной галерее); б – с размещением здания ГЭС на берегу и подводом воды к нему от берегового водоприемника напорными туннелями; в – с подземным зданием ГЭС с подводящими и отводящими напорными туннелями

Рис. 4.9. Нурекская ГЭС: а – план; б – продольный разрез по напорному тракту ГЭС; 1 – глубинный оголовок водосброса; 2 – поверхностный оголовок водосброса; 3 – туннель паводкового водосброса; 4 и 5 – строительные туннели третьего и второго яруса; 6 – ОРУ 220 кВ; 7 – здание ГЭС; 8 – ОРУ 500 кВ; 9 – помещение развилок; 10 – аварийный затвор; 11 – водоприемник; 12 и 13 – временный туннель и водоприемник

Деривационные ГЭС применяются при широком диапазоне напоров, начиная от нескольких метров на малых ГЭС и до 2000 м (ГЭС Райссек в Австрии имеет напор 1767 м), и строятся обычно в предгорных и горных районах.

ГЭС с безнапорной деривацией может применяться при незначительных колебаниях уровня воды в водохранилище. На таких ГЭС из водоприемника вода подается в деривационный канал, проходящий по берегу (при соответствующих топографических и геологических условиях), или в безнапорный деривационный туннель.

ГЭС с напорной деривацией применяется как при больших, так и при незначительных колебаниях уровня воды в водохранилище. На таких ГЭС из водоприемника вода подается в напорный деривационный трубопровод, расположенный на поверхности, или в напорный деривационный туннель (рис. 4.10). Сооружения деривационной ГЭС, а также ГЭС с плотинно-деривационной (комбинированной) схемой, при которой напор создается плотиной и деривацией (см. 2.4), включают:

Головной узел, который предназначен для создания подпора в реке и направления потока в деривацию, а также очистки воды от наносов, сора, в ряде случаев от льда, шуги, состоит из плотины, водосброса, водоприемника, отстойника, промывных и ледосбросных сооружений.

а	Рис. 4.10. Схемы деривационной ГЭС: а – с безнапорной деривацией; б – с напорной деривацией; 1– водоприемник; 2 – безнапорный туннель; 3 – напорный туннель; 4 – уравнительный резервуар; 5 – напорный трубопровод; 6 – здание ГЭС; 7 – аванкамера
б

Головные узлы с низконапорными плотинами, сооружаемые обычно на горных реках, имеют водохранилища с ограниченным объемом, в связи с чем предусматриваются мероприятия для предотвращения их заполнения наносами. Для этого в составе гидроузла водосбросная бетонная плотина, оборудованная затворами, выполняется с низким порогом и достаточной шириной водосбросного фронта, что обеспечивает при пропуске паводковых расходов промыв наносов. При большом количестве в воде взвешенных наносов, которые могут привести к быстрому истиранию проточной части гидротурбин, устраиваются отстойники в виде камеры, в которой при уменьшении скорости потока взвешенные частицы оседают на дно, а затем удаляются.

Глухая часть плотины может выполняться бетонной или из грунтовых материалов. Водоприемник может быть совмещен с плотиной или выполнен на берегу.

Водохранилища обычно осуществляют суточное регулирование и характеризуются небольшой глубиной сработки, что позволяет выполнить как безнапорную, так и напорную деривацию.

Головные узлы с плотинами среднего и высокого напора характеризуются большим объемом водохранилища (с возможностью осаждения наносов в пределах мертвого объема) и значительной сработкой водохранилища при осуществлении сезонного или многолетнего регулирования стока. В связи с этим водоприемники выполняются глубинными, а деривация – напорной.

Плотины могут выполняться бетонными (гравитационными, контрфорсными, арочными) с устройством в них водосброса и во многих случаях водоприемника ГЭС, а также из местных материалов с размещением водосброса и водоприемника вне тела плотины.

Деривационные водоводы и сооружения на их трассе (деривация), осуществляющие подвод воды к станционному узлу, делятся на напорные (туннели, трубопроводы) и безнапорные (каналы, туннели), по трассе которых могут устраиваться водосбросы, дюкеры и другие сооружения.

Станционный узел включает при безнапорной деривации напорный бассейн с аванкамерой, водоприемником, аварийным водосбросом и независимо от типа деривации общие сооружения: турбинные напорные водоводы, при необходимости с уравнительным резервуаром, здание ГЭС, отводящие водоводы в виде канала или туннеля (напорного или безнапорного), распределительное устройство.

Плотина Ингурской ГЭС

Рис. 4.11. Ингурская ГЭС. Продольный разрез по сооружениям ГЭС: 1 – шахта затворов; 2 – напорный туннель; 3 –уравнительный резервуар; 4 – помещение затворов; 5 – туннельные турбинные водоводы; 6 – подземное здание ГЭС; 7 – ОРУ; 8 – отводящий безнапорный туннель

В составе станционного узла здания ГЭС выполняются береговыми открытыми, подземными и реже полуподземными.

Характерным примером плотинно-деривационной ГЭС является Ингурская ГЭС (Грузия) мощностью 1,3 млн.кВт (рис. 4.11), в состав головного узла которой входит арочная плотина высотой 271 м с паводковым водосбросом, рассчитанным на расход 1900 м 3 /с. Водохранилище имеет полезный объем 0,68 км 3 при глубине сработки 70 м. От глубинного водоприемника, рассчитанного на расход 450 м 3 /с, начинается деривационный напорный туннель диаметром 9,5 м и длиной 15,3 км. В состав станционного узла ГЭС входят уравнительный резервуар шахтного типа, помещение дисковых затворов, туннельные турбинные водоводы, подземное здание ГЭС, отводящий безнапорный туннель и канал общей длиной 3,2 км.

Суммарный статический напор Ингурской ГЭС, равный 409,5 м, образуется из напоров, создаваемых плотиной (226 м) и деривацией (183,5 м). Расчетный напор равен 325 м, а среднегодовая выработка – 5.4 млрд. кВт·ч в год.

Типы зданий ГЭС и их основные элементы. Здание ГЭС представляет собой гидротехническое сооружение, в котором с помощью гидросилового, электрического, гидромеханического, вспомогательного оборудования, систем управления механическая энергия воды преобразуется в электроэнергию, передаваемую в энергосистему потребителям. При этом должны быть обеспечены надежная работа, прочность и устойчивость здания ГЭС при действии внешних нагрузок (гидростатического и гидродинамического давления, фильтрационного давления, температурных, сейсмических воздействий и др.), а также нагрузок от работы технологического оборудования.

Тип и конструктивные решения зданий ГЭС определяются общей компоновкой сооружений ГЭС и основным энергетическим оборудованием. В зависимости от напора и условий работы в зданиях ГЭС устанавливаются поворотно-лопатные, осевые, радиальноосевые, диагональные и ковшевые турбины.

Нижнюю часть здания, где размещается проточный тракт, включая спиральную камеру, отсасывающую трубу, турбинное оборудование и ряд технологических систем, называют агрегатной частью, а верхняя часть здания с верхним строением, где размещаются машинный зал с гидрогенераторами и крановым оборудованием, а также силовые трансформаторы, крановое оборудование водоприемника (в русловых зданиях), ремонтных затворов отсасывающих труб и другое технологическое оборудование, – надагрегатной частью.

На конструкцию и размеры здания ГЭС в плане и по высоте, заглубление в основание существенно влияют габариты гидроагрегата, спиральной (турбинной) камеры и отсасывающей трубы, заглубление оси рабочего колеса гидротурбины под уровень нижнего бьефа, количество гидроагрегатов. Как правило, в здании ГЭС устанавливаются два гидроагрегата и больше (например в здании Саратовской ГЭС – 23 гидроагрегата, Каневской ГЭС – 24 гидроагрегата), редко – один гидроагрегат, так как при его ремонте ГЭС полностью прекращает работу.

Рис. 4.12. Схемы агрегатной части зданий ГЭС (I –VII): 1 – отсасывающая труба; 2 – раздельный бычок между агрегатными блоками; 3 – гидрогенератор; 4 – машинный зал; 5 – пути крана; 6 – напорные водосбросы; 7 – отводящая камера; 8 – капсульный гидроагрегат

Рис. 4.13. Русловое здание Головной ГЭС. Поперечный разрез: 1 – донный водосброс; 2 – высокий водоприемник

Рис. 4.14. Русловое здание Плявинской ГЭС. Поперечный разрез: 1 – затвор водосброса; 2 – паз аварийно-ремонтного затвора водоприемника; 3 – паз решетки; 4 – паз ремонтного затвора отсасывающей трубы; 5 – трансформатор; 6 – автодорога

В состав здания ГЭС входит монтажная площадка, на которой производятся монтаж гидроагрегатов и их ремонт в период эксплуатации. В монтажной площадке также размещается часть вспомогательных систем.

Многоагрегатные здания ГЭС, имеющие значительную длину, делятся на отдельные секции деформационными швами: температурно-осадочными при мягком основании, температурными при скальном основании. Так, здание Волжской ГЭС мощностью 2530 МВт с 22 гидроагрегатами разделено на секции длиной 60 м, в каждой из которых размещаются по два агрегатных блока с поворотно-лопастными турбинами с диаметром рабочего колеса 9,3 м (при расчетном напоре 19 м и мощности 115 МВт).

Блок монтажной площадки обычно от здания также отделяется швом.

Агрегатная часть здания ГЭС характеризуется значительной массивностью. Она воспринимает гидростатическое и гидродинамическое давление в проточной части, нагрузки от оборудования и вышерасположенных конструкций здания и передает их на основание. Геологические условия оказывают значительное влияние на конструкцию агрегатной части здания. Так, при скальном основании она существенно облегчается. В агрегатной части здания размещаются системы технического водоснабжения, осушения проточной части, дренажа здания и др.

Конструкция агрегатной части зависит от типа здания ГЭС.

В соответствии с типами ГЭС различают:

Русловые здания ГЭС, которые входят в состав напорного фронта и воспринимают напор со стороны верхнего бьефа. В русловых зданиях с напором до 50 м могут применяться поворотно-лопастные турбины, а при напоре более 30 м – также радиально-осевые.

Рис. 4.15. Приплотинное здание Зейской ГЭС. Поперечный разрез: 1 – трубопровод; 2 – повышающий трансформатор; 3 – ось путей прокатки трансформатора; 4 – кабельные галереи; 5 – козловой кран; 6 – мостовой кран машинного зала

Приплотинные здания, располагающиеся за плотиной, воспринимающей напор со стороны верхнего бьефа. Подвод воды к ним осуществляется турбинными водоводами. В приплотинных зданиях с напором от 30 до 300 м применяются в основном радиальноосевые турбины, а также в определенных условиях высоконапорные поворотно-лопастные (например на ГЭС Орлик при диапазоне напоров 45–71 м и мощности агрегата 90 МВт) и диагональные (например Зейская ГЭС при диапазоне напоров 78,5–97 м и мощности агрегата 215 МВт).

Рис. 4.16. Русловое здание Дубоссарской ГЭС. Поперечный разрез: 1 – водосброс; 2 – дренаж; 3 – металлический шпунт; 4 – понур

Береговые здания, используваемые при плотинной и деривационной схемах ГЭС, практически не отличаются от приплотинных зданий.

Подземные здания, которые также применяются при плотинной и деривационной схемах ГЭС, имеют отводящие туннели (напорные или безнапорные). В зданиях деривационных ГЭС с большими напорами используются радиально-осевые турбины до напора 600 м и ковшевые турбины начиная с напоров 500 м и выше. Все приведенные типы зданий применяются как в схемах ГЭС, так и ГАЭС.

Основные схемы агрегатной части зданий ГЭС (кроме подземных зданий ГЭС) представлены на рис. 4.12. На схемах I и II приведены агрегатные части низконапорного руслового здания ГЭС с вертикальными гидроагрегатами и изогнутыми отсасывающими трубами соответственно несовмещенного и совмещенного типа с глубинными водосбросными водоводами, а на схемах IV и V – с горизонтальными и наклонными гидроагрегатами совмещенного типа с поверхностным водосбросом.

На схеме III приведена агрегатная часть приплотинного или деривационного здания ГЭС с металлической турбинной (спиральной) камерой круглого сечения.

На схеме VII показана агрегатная часть деривационной ГЭС с гидроагрегатами малой мощности с применением вертикальных конических, а также раструбных отсасывающих труб. При этом для отвода воды выполняется отводящий канал прямоугольного сечения.

На схеме VI приведена агрегатная часть деривационной ГЭС с ковшевыми (активными) гидротурбинами, которая отличается отсутствием турбинных камер обычного типа и отсасывающих труб, благодаря чему агрегатная часть значительно упрощается.

Параметры надагрегатной части здания ГЭС зависят от конструкции и размеров верхнего строения.

При верхнем строении закрытого типа с высоким машинным залом в пределах здания ГЭС и монтажной площадки обеспечиваются при различных климатических условиях наиболее благоприятные условия эксплуатации, монтажа и ремонта основного оборудования. При этом высота и ширина машзала определяются как условиями размещения в нем оборудования, так и доставки его кранами машзала в агрегатный блок или на монтажную площадку при монтаже или ремонте основного оборудования.

Верхнее строение обычно состоит из несущего каркаса в виде системы колонн, на которые опираются подкрановые балки и фермы перекрытия, стен, плит и кровли перекрытия.

Большинство зданий ГЭС выполняются с высоким машинным залом (рис. 4.13 – 4.15).

При верхнем строении полуоткрытого типа с пониженным машинным залом в пределах здания ГЭС и монтажной площадки основное оборудование размещается в машинном зале, кроме основного крана большой грузоподъемности, вынесенного за его пределы. При монтаже и ремонте сборка и разборка гидроагрегатов производятся через съемное перекрытие над каждым гидроагрегатом (в виде съемных крышек) при помощи внешнего козлового крана. На крупных ГЭС в большинстве случаев в пониженном машинном зале устанавливается кран уменьшенной грузоподъемности, при помощи которого выполняются монтажные и ремонтные работы, не требующие использования основного крана (рис. 4.16 – 4.18).

При верхнем строении открытого типа без машинного зала гидрогенератор располагается под съемной крышкой, а остальное оборудование в технологических помещениях агрегатной части здания ГЭС и монтажной площадки. Монтажные и ремонтные работы выполняются при помощи внешнего крана. Учитывая усложнение условий эксплуатации, монтажа и ремонта гидроагрегатов, такой тип верхнего строения применяется крайне редко.

Русловые здания ГЭС (рис. 4.19). На русловые здания ГЭС действуют те же нагрузки, что и на бетонные плотины, и к ним предъявляются те же требования по прочности, устойчивости, фильтрационным условиям в основании, которые обеспечиваются при соответствующих габаритах здания, противофильтрационных и дренажных устройствах в основании. Русловые здания делятся на несовмещенные и совмещенные с водосбросом.

В связи с тем, что поток, поступающий в отводящий канал от несовмещенного и особенно совмещенного здания, обладает избыточной кинетической энергией для недопущения размыва в отводящем канале выполняется крепление (см. рис. 4.2).

Рис. 4.17. Русловое водосливное здание с горизонтальными капсульными гидроагрегатами Киевской ГЭС: а – поперечный разрез; б – машинный зал; 1 – козловой кран; 2 – капсульный гидроагрегат; 3 – паз сороудерживающей решетки

Сопряжение здания ГЭС с примыкающей к нему земляной плотиной или с берегом осуществляется с помощью сопрягающих устоев в виде подпорных стенок (гравитационных, уголковых, контрфорсных, ячеистых и других типов).

В русловых зданиях несовмещенного типа с вертикальными гидроагрегатами проточная часть включает водоприемник, спиральную камеру в основном таврового сечения и отсасывающую трубу, от размеров которых зависят размеры агрегатного блока. При этом ширина блока с поворотно-лопастной турбиной может составить 2,6–3,2 диаметра рабочего колеса турбины (D1). Размеры водоприемника определяются необходимым заглублением под УМО, обеспечением благоприятных гидравлических условий на входе и при сопряжении со спиральной камерой, допустимыми скоростями потока на решетках (обычно составляющими 0,8–1,2 м/с), размещением решетки, аварийно-ремонтного и ремонтного затворов, пазы которых могут быть совмещены с пазами решетки. На входном участке водоприемника, как правило, выполняется раструб с забральной стенкой, чем достигается плавный подвод воды.

Рис. 4.18. Приплотинное здание Нурекской ГЭС. Поперечный разрез: 1 – гидрогенератор; 2 – радиально-осевая турбина; 3 – шаровой затвор; 4 – система опорожнения турбинного трубопровода; 5 – козловой кран; 6 – съемная крышка машзала; 7 – мостовой кран машзала; 8 – кран для обслуживания шаровых затворов; 9 – отводящий коллектор системы опорожнения проточного тракта; 10 – съемная крышка; 11 – система техводоснабжения гидроагрегата; 12 – главный повышающий трансформатор

Заглубление здания ГЭС под уровень нижнего бьефа зависит от необходимого заглубления оси рабочего колеса под уровень нижнего бьефа (высоты отсасывания) и размеров отсасывающей трубы, а также инженерно-геологических условий основания.

Главные повышающие трансформаторы устанавливаются на перекрытии над технологическими помещениями со стороны нижнего бьефа.

Русловые здания совмещенного типа, в которых, помимо турбинных водоводов, размещаются также водосбросы, могут быть выполнены: с донными водосбросами, размещаемыми ниже спиральной камеры над отсасывающими трубами – Волгоградская, Новосибирская, Каховская ГЭС (рис. 4.19, б );

• с донными водосбросами и высоким водоприемником турбинных водоводов – Чебоксарская, Головная ГЭС (см. рис. 4.13);
• с глубинными водосбросами, расположенными выше спиральной камеры (между ней и генератором) – Иркутская, Саратовская, Дубоссарская ГЭС (см. рис. 4.16);
• водосливные с вертикальными гидроагрегатами – Павловская, Плявинская (см. рис. 4.14), Днестровская ГЭС;
• водосливные с горизонтальными гидроагрегатами – Киевская, Каневская ГЭС (см. рис. 4.17);
• бычковые с размещением гидроагрегатов в бычках водосливной плотины – Орточальская (Грузия), Уэллс (США).

Здания совмещенного типа позволяют существенно сократить длину водосливных плотин или вообще отказаться от них, что особенно важно при возведении ГЭС на мягких основаниях, обеспечивая снижение стоимости строительства. Так, на Новосибирской ГЭС длина водосливной плотины сократилась на 50%. На Иркутской, Павловской, Плявинской, Днестровской ГЭС пропускная способность водосбросов здания ГЭС обеспечивает пропуск расчетного паводкового расхода без водосливных плотин. В совмещенных зданиях ГЭС водоприемник включает турбинный водоприемник и водоприемную часть водосбросов.

К недостаткам таких зданий можно отнести усложнение конструкции, значительные дополнительные гидродинамические нагрузки при работе водосбросов, усложнение условий эксплуатации.

В зданиях совмещенного типа с горизонтальными капсульными агрегатами, применяемых при низких напорах (до 25 м), благодаря отсутствию спиральной камеры и использованию прямоосной конической отсасывающей трубы достигаются значительное уменьшение ширины агрегатного блока и повышение заложения подошвы здания. Кроме того, улучшение геометрии и гидравлических условий проточного тракта, включая подводящую часть без спиральной камеры сложной конфигурации и замену изогнутой отсасывающей трубы прямоосной конической, обладающей более высокими энергетическими показателями, позволяет снизить потери напора, увеличить на 20–30% пропускную способность горизонтального агрегата и соответственно при той же мощности уменьшить диаметр рабочего колеса. В целом применение горизонтальных капсульных агрегатов по сравнению с вертикальными сокращает ширину агрегатного блока на величину до 35%, повышает к.п.д. на 2–4%.

Рис. 4.19. Русловые здания. Поперечные разрезы и виды с нижнего бьефа: а – Кременчугской и б – Каховской ГЭС: 1 – фундаментная плита; 2 – металлический шпунт; 3 – донный водосброс

Поверхностный водослив обеспечивает благоприятные условия пропуска паводка, позволяет во многих случаях отказаться от устройства водосливной плотины. В таких зданиях металлическая капсула с заключенным в ней гидрогенератором размещается в проточной части здания со стороны верхнего бьефа. Доступ в капсулу осуществляется через специальные полости в вертикальном бычке. Монтаж и демонтаж гидроагрегата производятся с помощью мостового крана, который размещается в машинном зале под водосливом, и наружным козловым краном через люки со съемными крышками в пороге водослива (см. рис. 4.17).

На ряде малых ГЭС генератор размещается открыто в машзале, ось гидроагрегата выполняется наклонно, а подвод воды к турбине осуществляется по водоводу, проходящему под генератором (см. рис. 4.12, схема V)

Русловые здания бычкового типа применяются крайне редко, в основном на реках, несущих большое количество наносов, обеспечивая благоприятные условия пропуска через водосливные пролеты льда, наносов и паводковых расходов. На ГЭС бычкового типа Уэллс (США) мощностью 870 МВт с напором 30 м в бычках плотины установлены 10 гидроагрегатов, расчетный паводковый расход составляет 33,4 тыс.м 3 /с. К недостаткам таких ГЭС можно отнести отсутствие общего машинного зала, удлинение технологических коммуникаций и в целом усложнение условий эксплуатации.

Приплотинные здания ГЭС. В приплотинных зданиях ГЭС вода подводится к турбинам по турбинным водоводам (металлическим или сталежелезобетонным), проходящим в основном в теле или на низовой грани бетонных плотин, с размещением водоприемника на верховой грани плотин, зданием ГЭС, непосредственно примыкающим к плотине, и отдельным швом (см. рис. 4.3, 4.5–4.7). При прямолинейных в плане плотинах здание ГЭС также прямолинейно, при его расположении за арочными или арочно-гравитационными плотинами здание ГЭС может иметь в плане прямолинейное или криволинейное очертание по дуге, соответствующей очертанию низовой грани плотины.

Для обеспечения плавного подвода воды от турбинного водовода к спиральной камере перед ней обычно выполняется горизонтальный участок водовода длиной (4–6) D 1 , в пределах которого устраиваются технологические помещения с размещением на верхнем перекрытии повышающих трансформаторов.

При плотинах из местных материалов вода подводится к турбинам по турбинным водоводам, проходящим через тело плотины или в обход её в виде туннелей или открытых водоводов, с отдельным водоприемником в верхнем бьефе и с размещением здания ГЭС на некотором расстоянии от плотины.

В отличие от русловых приплотинные здания не воспринимают напор верхнего бьефа, а давление, передаваемое на них через турбинные водоводы, невелико, что позволяет облегчить конструкцию здания.

Спиральные камеры таких зданий имеют круглое сечение и выполняются металлическими или сталежелезобетонными с металлической облицовкой.

Ширина агрегатного блока с вертикальными радиально-осевыми (или диагональными) гидротурбинами определяется размерами турбинной (спиральной) камеры и составляет не менее 4 D 1 (диаметров рабочего колеса).

Характерным примером приплотинного здания является здание Красноярской ГЭС общей длиной вместе с монтажной площадкой 428,5 м, где установлено 12 гидроагрегатов суммарной мощностью 6 млн. кВт (см. рис. 4.5). В стационарной плотине выполнен водоприемник с 24 водозаборными отверстиями. Вода подводится к агрегату по двум сталежелезобетонным водоводам диаметром 7,5 м.

На Чиркейской ГЭС с арочной плотиной, возведенной в узком ущелье, уменьшение длины приплотинного здания достигается двухрядным расположением гидроагрегатов (см. рис. 4.6). Оба машзала обслуживаются одним мостовым краном, который по подкрановым путям в монтажной площадке переводится из одного машзала в другой. Размещение отсасывающих труб в два яруса приводит к дополнительному заглублению здания ГЭС.

При размещении сооружений ГЭС в узком ущелье, где сложно выполнить береговые водосбросы, водосбросы проходят в теле плотины, на ее низовой грани и на перекрытии здания. Такая компоновка выполнена на Токтогульской ГЭС с двухрядным расположением агрегатов в здании ГЭС (см. рис. 4.7). При этом повышающие трансформаторы размещаются в закрытом помещении. При такой компоновке поток, проходя по водосбросу, носком-трамплином отбрасывается от здания ГЭС на значительное расстояние, а гашение энергии в основном происходит за счет аэрации потока.

Характерным примером приплотинного здания, расположенного за плотиной из местных материалов, с подводом воды туннелями является здание Нурекской ГЭС (см. рис. 4.9, 4.18). В здании ГЭС установлено 9 агрегатов мощностью по 300 МВт с максимальным напором 275 м. Подвод воды осуществляется по трем туннелям диаметром 9 м с разделением каждого на 3 турбинных водовода. Здание выполнено с пониженным машзалом со съемными крышками в перекрытии над гидроагрегатами и монтажной площадкой. В машзале и в помещении затворов для обслуживания и ремонта оборудования установлены мостовые краны, а для монтажа и полного демонтажа гидроагрегата и шарового затвора используется козловой кран.

Здания деривационных ГЭС с радиально-осевыми турбинами практически не отличаются от приплотинных зданий. При установке ковшевых турбин изменяется конструкция агрегатной части здания ГЭС. Вместо турбинной камеры выполняется напорный распределительный трубопровод в виде металлического кожуха, на котором крепятся сопла турбины с механизмами регулирования расхода, а вода от турбины отводится по безнапорному лотку. В зависимости от мощности гидротурбины и количества сопел ось гидроагрегата может располагаться вертикально или горизонтально. Благодаря тому, что у ковшевых турбин рабочее колесо располагается выше максимального уровня нижнего бьефа, при их установке существенно уменьшается заглубление здания.

В зданиях высоконапорных деривационных ГЭС при большой длине или разветвлении напорных водоводов перед турбинами устанавливаются в зависимости от напора и диаметра дисковые или шаровые затворы (при напорах более 600 м только шаровые), позволяющие перекрыть трубопроводы и остановить гидроагрегат в аварийной ситуации в случае отказа направляющего аппарата, а также при нормальной эксплуатации и проведении ремонтных работ.

В последнее время вместо предтурбинных затворов находят применение встроенные кольцевые затворы, размещаемые между статорными колоннами и лопатками направляющего аппарата, что позволяет уменьшить габариты здания, массу и стоимость оборудования.

Подземные здания ГЭС. В последние десятилетия широкое развитие получило строительство подземных зданий ГЭС. Из них наиболее крупные построены в Канаде: Черчилл-Фолс мощностью 5225 МВт с напором 320 м, Мика – 2610 МВт с напором 183 м. С подземными зданиями выполнены Ингурская ГЭС мощностью 1300 МВт в Грузии (рис. 4.20), Верхнетуломская – 248 МВт и Усть-Хантайская – 441 МВт в России и др.

В подземных зданиях проведение строительных работ не зависит от климатических условий, что имеет важное значение при строительстве в северных регионах с суровой зимой или в тропиках с длительным сезоном дождей. Подземные здания также применяются в тех случаях, когда из-за неблагоприятных природных условий в ущелье (крутых оползнеопасных склонах, высоком уровне воды при пропуске паводка), а также большого заглубления оси рабочего колеса турбины под уровень нижнего бьефа строительство открытых зданий может привести к нарушению устойчивости береговых склонов, к резкому увеличению объемов работ.

Рис. 4.20. Подземное здание Ингурской ГЭС. Поперечный разрез: 1 – подземное здание; 2 – помещение ремонтных затворов отсасывающих труб

К недостаткам подземных зданий можно отнести: в случае неблагоприятных инженерно-геологических условий значительное усложнение производства подземных работ; усложнение условий эксплуатации в связи с удлинением технологических коммуникаций, более сложными схемами выдачи мощности; увеличение затрат электроэнергии на собственные нужды, что вызвано необходимостью постоянной вентиляции помещений, их освещения и др.

Размеры и компоновка подземных зданий ГЭС зависят в первую очередь от параметров и размещения гидросилового, электрического и гидромеханического оборудования. На крупных ГЭС, где размеры выработок машинных залов достигают больших размеров (пролет до 30 м и более), в машинном зале обычно размещают основное гидросиловое оборудование, которое обслуживается мостовыми кранами, а предтурбинные затворы выполняются в отдельном помещении, расположенном на некотором расстоянии от машзала. При длинных отводящих туннелях ремонтные затворы нижнего бьефа и обслуживающие их механизмы для перекрытия отсасывающих труб также размещаются в отдельно расположенном помещении. При большом количестве агрегатов устраивают несколько отводящих туннелей, чаще всего безнапорных или напорных (при больших колебаниях уровней нижнего бьефа) с уравнительным резервуаром. При коротких туннелях, отводящих воду отдельно от каждого агрегата, затворы нижнего бьефа устанавливаются в выходных порталах туннелей.

Одним из важных факторов, определяющих компоновку зданий подземных ГЭС, является выбор схемы размещения главных повышающих трансформаторов: в отдельном подземном помещении (ГЭС Кариба в Зимбабве, ГЭС Яли во Вьетнаме), в расширенном подземном машзале (ГЭС Тимет I и II в Австралии), открыто на поверхности земли на площадках ОРУ (Борисоглебская, Ингурская).

Открытое расположение трансформаторов используется в основном при неглубоком размещении подземного здания (на глубине до 200–300 м) и благоприятных топографических и геологических условиях площадки. При этом токопроводы от генераторов к трансформаторам, имеющие значительную длину, прокладываются в специальных галереях и шахтах с выполнением специальных мероприятий по отводу тепла в связи с большим тепловыделением токопроводами.

Передача электроэнергии на ОРУ и ЗРУ от главных трансформаторов при их подземном расположении осуществляется при напряжении 110–500 кВ маслонаполненными кабелями с проведением специальных мероприятий по отводу тепла, а в последнее время также элегазовыми токопроводами.

В подземных зданиях предусматриваются монтажные площадки, которые в большинстве случаев являются продолжением машзала, располагаясь, как правило, в его торце и соединяясь с поверхностью земли при помощи транспортных туннелей и грузовых шахт.

Для отвода тепла и вентиляции подземных помещений здания ГЭС устанавливаются вентиляторы и кондиционеры.

Конструкции обделок машзалов зависят от инженерно-геологических условий. В большинстве машзалов выполняется несущий свод кругового очертания с увеличением толщины железобетонной обделки у пят. В достаточно прочных породах стены крепятся набрызг-бетоном, а в менее крепких устраивается сплошная бетонная или железобетонная облицовка толщиной до 0,5 м и более с укреплением анкерами, в зонах ослабленных пород – с проведением укрепительной цементации, а в ряде случаев предусматриваются дренажные мероприятия.

В подземном здании Ингурской ГЭС длиной 145,5 м, пролетом 21,2 м и высотой выломки 53,7 м установлено 5 гидроагрегатов. Вода подводится к агрегатам турбинными водоводами, расположенными в плане под углом к продольной оси агрегатов, что позволило разместить предтурбинные затворы в пределах машзала, практически без увеличения его пролета (см. рис. 4.20). Вода отводится напорным туннелем.

Полуподземные здания ГЭС. При благоприятных инженерно-геологических и топографических условиях и больших колебаниях уровня нижнего бьефа могут выполняться полуподземные здания, размещаемые в траншейных выработках, причем верхние строения машзалов могут устраиваться на поверхности земли. Возможны решения полуподземных зданий с размещением одного или нескольких агрегатов в отдельных шахтах, над которыми на поверхности земли возводится верхнее строение машзала, как на Днестровской ГАЭС.

Рис. 4.21. Полуподземное здание Вилюйской ГЭС. Поперечный разрез

Рис. 4.22. Егорлыкская деривационная ГЭС. Общий вид

Полуподземное здание Вилюйской ГЭС мощностью 648 МВт, выполненное в траншейной выработке глубиной 60 м, полностью размещается под поверхностью земли (рис. 4.21).

Здания малых ГЭС. К малым обычно относятся ГЭС мощностью до 10–30 МВт. Наряду с использованием гидроэнергетических ресурсов больших рек на средних и крупных ГЭС, которые в большинстве случаев требуют создания больших водохранилищ и работают в объединенных энергосистемах, широкое развитие в мире получили малые ГЭС. Такие ГЭС используют гидроэнергетический потенциал малых рек, притоков, сбросных каналов и оказывают крайне ограниченное влияние на окружающую среду. Они могут выдавать электроэнергию в энергосистему или работать на конкретного потребителя, что особенно важно для отдаленных районов, где нет развитой сети электропередач.

Малые ГЭС, как и крупные, разделяются на ГЭС с русловыми и приплотинными зданиями и деривационные.

На малых ГЭС для упрощения конструкций в зданиях с установкой вертикальных гидроагрегатов могут применяться прямоосные конические отсасывающие трубы, широкое использование находят горизонтальные агрегаты, включая капсульные, а также с наклонным расположением оси агрегата (см. рис. 4.12, схемы IV, V, VII).

На стр. 283 (фото) и на рис. 4.22 показаны деривационные ГЭС – Теребля-Рикская мощностью 27 МВт с напором 215 м и Егорлыкская мощностью 30 МВт с напором 32 м.

Источник: energetika.in.ua