Состав и компоновка основных сооружений.

Существуют две основные схемы создания напора: плотинная и деривационная. Гидроэлектростанции, сооруженные по плотинной схеме, делятся в свою очередь на два типа: русловые и приплотинные.

Деривационные ГЭС также делятся на два типа: с безнапорной и с напорной деривацией.

Основными сооружениями ГЭС, выполненными по плотинной схеме, являются плотины и здание ГЭС.

При напоре до 25— 30 м здание станции размещается в одном комплексе с плотиной и воспринимает напор воды. Такие гидроэлектростанции называются русловыми. На рисунке 7.2 «а» изображена в плане схема основных сооружений русловой ГЭС.

У приплотинной ГЭС- рисунок 7.2 «б»- здание размещается за плотиной и напор воды не воспринимает.

 

а) русловая ГЭС с бетонной плотиной, б — приплотинная ГЭС

1- шлюз; 2 — водосливная бетонная плотина, 3 — здание ГЭС, 4 — водоприемник; 5 – глухая бетонная плотина; 6 — турбинные трубопроводы.

Рисунок 7.2 - Схемы ГЭС

 

Плотины являются основными сооружениями гидроузла для создания напора и регулирования стока.

Плотины делятся на две группы по используемым материалам для их возведения: плотины бетонные (железобетонные) и плотины из грунтовых материалов (земляные и каменно-набросные).

Плотины могут быть глухими, т. е. не допускающими перелива воды через гребень, и водосливными. Последние выполняются с поверхностными водосливами или заглубленными (донными) отверстиями для пропуска воды.

Сооружения деривационных ГЭС располагаются на двух уровнях – верхнем – головной водозабор и нижнем - станционном, соединенных между собой трубопроводом.

Безнапорная деривация выполняется в виде открытого канала. У станционного узла канал заканчивается, переходит в напорный бассейн,

 

 

Рисунок 7.3 - Схема сооружений деривационной ГЭС (ГЭС-2, Алматы)

 

откуда вода по турбинным трубопроводам поступает к турбинам, расположенным в здании ГЭС, и далее в отводящий канал и в русло реки.

Когда местность сильно пересеченная и для безнапорной деривации нет благоприятных условий, устраивается деривация в виде туннеля или трубопровода (см.рисунок 7.3).

Отметим, что нет ГЭС, которые по составу, компоновке и конструкции сооружений были бы полностью идентичны. Каждая ГЭС строится по индивидуальным проектам, в своем роде единственная и неповторимая.

 

Гидравлические турбины

Гидравлической турбиной называется устройство, преобразующее энергию движущейся воды в механическую энергию вращения его рабочего колеса.

Из основного закона механики жидкости — закона Бернулли — следует, что удельная энергия Н1 на входе в рабочее колесо гидротурбины составляет

(7.7)

а на выходе из рабочего колеса

(7.8)

 

где p — давление, Па; q — плотность жидкости, кг/м³; g — ускорение свободного падения, м/с²; z — отметка уровня центра потока относительно принятой плоскости сравнения (высота), м; v — скорость, м/с.

Значения H, в м или Дж/Н.

Отданная водой рабочему колесу энергия будет равна разности энергий в потоке до рабочего колеса и после него:

. (7.9)

Таким образом, вся энергия потока стоит из энергии положения z₁-z₂, энергии давления (образующих вместе потенциальную энергию) и кинетической энергии

.

Гидротурбины, использующие хотя бы частично потенциальную энергию, называются реактивными.

В таких гидротурбинах процесс преобразования энергии на рабочем колесе происходит с избытком давления. Кроме того, в рабочем колесе турбины частично используется и кинетическая энергия потока.

 

Z₁-Z_{2 +} (P₁-P₂)/qg>0. (7.10)

 

Если гидротурбины используют только кинетическую энергию потока, то они называются активными. В таких турбинах Z1 = Z2, P1 = Р2, т. е. вода поступает на рабочее колесо без избыточного давления, а почти весь напор преобразуется в скорость.

Мощность гидротурбины согласно ранее приведенному уравнению может быть выражена так:

W_t = 9,81Q_t H_t. (7.11)

 

Из этой формулы следует, одну и ту же мощность от нескольких сотен киловатт до нескольких сотен мегаватт можно получить при малом Q_T и большом H_т и наоборот.

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии.

Класс реактивных гидротурбин объединяет следующие системы: осевые (пропеллерные и поворотно-лопастные), диагональные и радиально-осевые гидротурбины.

В классе активных гидротурбин наибольшее распространение получили, так называемые, ковшовые гидротурбины.

Каждая система содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные проточные части и одинаковую быстроходность (частота вращения турбины, работающей под напором 1 м и развивающей мощность в 1 л. с), но различающихся по размерам. Геометрически подобные гидротурбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все гидротурбины условно делят на низко-, средне- и высоконапорные.

Гидротурбины условно подразделяют на малые, средние и крупные.

К малым относятся гидротурбины, у которых мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним относятся гидротурбины мощностью от 1000 кВт до 15 000 кВт.

К крупным относятся гидротурбины, которые имеют мощность большую, чем средние.

Активные гидротурбины. Наиболее распространенными активными гидротурбинами являются ковшовые (за рубежом их называют турбинами Пельтона). Принципиальная схема ковшовой турбины приведена на рисунке. 7.4. Вода из верхнего бьефа 1 подводится трубопроводом 2 к рабочему колесу 4, выполненному в виде диска, закрепленного на горизонтальном валу турбины и вращающегося в воздухе. По окружности диска расположены ковшеобразные лопасти (ковши) 7. Ковши равномерно распределяются по ободу рабочего колеса и последовательно, один»а другим, при его вращении «принимают» струю воды.

Подвод воды к рабочему колесу осуществляется через сопло 3, внутри которого расположена регулирующая игла. Сопло представляет собой сходящийся насадок, из отверстия которого при работе турбины выбрасывается струя воды, вся энергия которой, за вычетом потерь, обращается в кинетическую энергию вращения колеса турбины. Рабочее колесо и сопло размещаются внутри замкнутого кожуха 5.

Игла может перемещаться в насадке в продольном направлении, менять его выходное сечение и тем самым регулировать расход воды через турбину.

В одном из крайних положений игла полностью закрывает сопло, что ведет к остановке турбины. Вода, отдав свою энергию рабочему колесу, стекает с него в отводящий канал (нижний бьеф).

 

 

Рисунок 7.4 - Схема активной турбины (Алматинская ГЭС-1, АПК)

 

При внезапном отключении гидроагрегата от электрической сети и при быстрой остановке турбины в подводящем трубопроводе может возникнуть очень опасный для трубопровода гидравлический удар. В целях предотвращения гидравлического удара, игла закрывается медленно. А для предотвращения разгона турбины до опасных оборотов и быстрой остановки применяется отвод струи от рабочего колеса в нижний бьеф с помощью отклонителя 6. При экстренном выводе турбины из работы ввод отклонителя струи и перемещение иглы производится одновременно.

Конструктивные формы ковшовых турбин весьма разнообразны, они могут различаться по расположению вала (вертикальные и горизонтальные), по числу сопел и рабочих колес на одном валу.

Ковшовые турбины используются в диапазоне напора 300 - 1770 м с диаметром рабочего колеса до 7,5 м. Известна турбина мощностью 300 МВт.

Класс реактивные гидротурбины. К реактивным гидротурбинам относятся: радиально-осевые, пропеллерные, поворотно-лопастные и диагональные. Общий вид рабочих колес представлен на рисунок 7.5.

Для реактивных гидротурбин характерны следующие основные признаки. Рабочее колесо располагается полностью в воде, поэтому поток передает энергию одновременно всем лопастям рабочего колеса.

Перед рабочим колесом только часть энергии воды находится в кинетической форме, остальная представлена потенциальной энергией, соответствующей разности давлений до и после колеса.

Избыточное давление p/(Qg) по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса расходуется на увеличение относительной скорости, т.е. на создание реактивного давления потока на лопасти. Изменение направления потока за счет кривизны лопастей приводит к возникновению активного давления потока.