Вальцовые или цилиндрические затворы представляет собой полый металлический цилиндр, перекрывающий водосливное отверстие и поднимаемые вверх путем перекатывания его по зубчатым рейкам, расположенным в нишах быков или устоев (рис 108,г). Для увеличения высоты затвора его цилиндр снабжается специальным нижним, а иногда и верхним щитками.
Вальцовые затворы обладают большой жесткостью, поэтому получили широкое распространение па плотинах с тяжелыми условиями зимней службы (навал льда). Затворы могут перекрывать пролеты шириной до 45--50 м и высотой до 9 м. К недостаткам их следует отнести значительную массу и стоимость, а также значительные размеры быков.
Секторные затворы имеют поперечное сечение в виде сектора покрытого водонепроницаемой обшивкой устанавливаемой обычно по трем плоскостям (рис 10.8 д) Под затвором в теле плотины устраивается ниша, в которую опускается затвор при необходимости сброса излишней воды. Затвор вращается на оси, закрепленной в пороге плотины. Управление им обычно гидравлическое. Затворы удобны для сброса льда и плавающих тел с малыми потерями воды, могут перекрывать пролеты шириной до 60 м и высотой до 10 м.
Водосбросные глубинные отверстия плотин перекрываются глубинными затворами, которые могут быть плоскими, сегментными, цилиндрическими, дисковыми и т. д. Первые два типа аналогичны описанным выше (рис. 10.9,а, в).
Задвижки (рис. 10.9,6) имеют небольшие габариты и действуют от гидравлического или электрического привода. Конструктивно они представляют собой литые диски прямоугольной или круглой формы, которые перекрывают галереи или трубопроводы. Эти диски при открытии отверстия вдвигаются внутрь специального кожуха. Задвижки применяются в основном как рабочие затворы на напоры до 400 м. Их диаметр зависит от используемого напора и может достигать нескольких метров.
Цилиндрические затворы. Конструктивно затворы представляют собой полые цилиндры, перемещающиеся по вертикали (рис. 10.9,г). Своей боковой поверхностью или днищем они закрывают отверстия башенных водоприемников. Из-за своей громоздкости они не получили заметного распространения, хотя и имеют хорошие эксплуатационные качества. Они используются для напоров, не превышающих 100 м.
Дисковые затворы состоят из цилиндрического корпуса, в котором на горизонтальной или вертикальной оси вращается диск (рис. 10.9,д). Дисковые затворы надежны в эксплуатации, являются наиболее распространенными, изготовляются диаметром до 8,5 м и устанавливаются на напорных трубопроводах при напоре до 250--300 м (при небольших диаметрах до 600 м). Управление затвором осуществляется, как правило, с помощью гидравлического привода, приводимого в действие сервомоторами.
Достоинством затворов являются хорошие маневренные качества и сравнительно низкая стоимость. Недостатком -- сложность создания хороших уплотнений и сравнительно большая потеря напора.
Игольчатые затворы состоят из корпуса и обтекателя, внутри которого перемешается плунжер (игла), закрывающий и открывающий отверстие в корпусе (рис. 10.9,е). Затворы имеют малые потери напора и применяются при диаметрах трубопровода до 6,5 м и напорах до 800 м. Устанавливают их главным образом с низовой стороны водоспуска. К недостаткам относят высокую стоимость, сложность конструкции и изготовления.
10.3 Здания ГЭС
Конструкцию и компоновку здания ГЭС определяют природные условия, схема концентрации напора, напор, тип и параметры гидроагрегатов (турбина и генератор, соединенные общим валом) и трансформаторов, вспомогательного оборудования. Габариты здания определяются размерами агрегатных блоков, и в частности, длина его - количеством агрегатных блоков и размером монтажной площадки. В свою очередь габариты блока зависят от мощности (напора и расхода воды) турбины, и ширина его определяется размером спиральной камеры. Обычно на гидроэлектростанциях устанавливается не менее двух-трех одинаковых агрегатов.
Тип и конструкция здания должны быть экономически и технически всесторонне обоснованы и в то же время должны обеспечивать надежную работу оборудования и удобные условия эксплуатации. Предъявляемые в этом плане требования к зданиям иногда противоречат друг другу. Так, например, чрезмерная экономия при строительстве снижает надежность и удобство эксплуатации, особенно в части проведения профилактических осмотров и ремонтов, что неизбежно влечет за собой увеличение эксплуатационных издержек.
В соответствии со схемами концентрации напора здание ГЭС принято делить на три типа:
здания русловой ГЭС, т. е. здания, воспринимающие напор (рис. 10.10);
здания приплотинной ГЭС, т. е. размещенные за плотиной и невоспринимающие напора (рис. 10.11);
здание деривационной ГЭС (рис. 10.12).
По способу сброса воды из верхнего бьефа в нижний здания русловых ГЭС делятся па два типа:
1) несовмещенные с водосбросами (см. рис. 10.1,в), в которых сбросы излишков воды из верхнего бьефа осуществляются через водосливные отверстия плотины или другие устройства, находящиеся вне здания ГЭС (см. рис. 10.11).
2) совмещенные с водосбросами, которые обычно располагаются в массивной (подводной) части здания (см. рис. 10.10), хотя применяются и другие конструктивные решения.
По типу подъемного оборудований здания ГЭС строятся:
закрытыми -- с внутренним расположением подъемного оборудования -- мостового крана (см. рис. 10.10--10.12);
полуоткрытыми -- основное подъемное оборудование (портальный кран) размещается над машинным залом (генераторное помещение). Генераторный зал -- низкое помещение со съемными крышками над генератором (рис. 10.13,а);
открытыми--машинный зал отсутствует, а генераторы укрыты колпаками (рис. 10.13,6). Подъемным оборудованием здесь является также портальный кран.
По расположению относительно земной поверхности:
наземное -- корпус здания расположен на земной поверхности;
подземное -- корпус здания расположен ниже земной поверхности. Такие здания устраиваются при деривационной схеме концентрации напора, когда деривация выполняется в виде туннеля.
В зависимости от положения оси агрегата различают здание с вертикальными и горизонтальными агрегатами, последние в настоящее время применяются главным образом на гидроэлектростанциях с напором 10--15 м.
Общим элементом для всех типов зданий ГЭС является прежде всего монтажная площадка, которая размещается обычно в конце здания у берега и обслуживается теми же кранами, что в машинный зал. На уровне пола монтажной площадки делается подъездный путь для доставки оборудования в машинный зал. Габариты площадки определяются условиями доставки, раскладки по ней одного гидроагрегата при его ремонте в период эксплуатации. При большом числе агрегатов иногда делается две монтажные площадки
В здании ГЭС размещается ряд вспомогательных помещений, в числе которых оперативно-производственные; производственные, административно-хозяйственные, бытовые.
К оперативно-производственным помещениям относят помещения электрических распределительных устройств генераторного напряжения, собственных нужд переменного и постоянного тока, поста (пульта) управления и др.
В здании ГЭС размещается также большое количество различных вспомогательных устройств. В состав этих устройств входят: техническое водоснабжение и пожаротушение генераторов; осушение спиральных камер и отсасывающих труб; масляное хозяйство; пневматическое хозяйство; дренажные устройства; контрольно-измерительная аппаратура и т.д.
В зависимости от мощности ГЭС, числа агрегатов определяется состав и площадь помещений подсобно-вспомогательного назначения (ремонтно-механические мастерские, лаборатории и различного рода службы)
В нижней части здания ГЭС размещаются спиральные камеры турбин, статоры, направляющие аппараты и рабочие колеса турбин; отсасывающие трубы, турбинные шахты п турбинный этаж, а также галереи различного назначения, помещения для вспомогательного оборудования, насосы для откачки воды и т. д.
10.4 Водохранилище, нижний бьеф и их характеристики
Основным назначением водохранилищ гидроэлектростанций является трансформация естественного, обычно неравномерного, режима речного стока в режим, необходимый для отдельных отраслей народного хозяйства и, в частности, энергетики Кроме того, в некоторых случаях назначением водохранилищ является борьба с наводнением в нижнем бьефе во время половодий. В этих случаях определенное количество воды задерживается в водохранилище, благодаря чему расходы воды в нижнем бьефе становятся существенно меньшими естественных расходов половодий
Водохранилища создаются путем устройства на реках или других водотоках плотин, повышающих уровни воды и образующих необходимой емкости водоемы (рис 10 14) На этом рисунке цифрами обозначены горизонтали поверхности местности.
Верхний предел уровня воды, при котором ГЭС и сооружения гидроузла работают длительное время с соблюдением нормальных запасов надежности, предусматриваемых техническими условиями, носит название нормального подпорного уровня (НПУ) Объем водохранилища при этом уровне носит название полного объема и обозначается Vполн.
Нижний предел или уровень мертвого объема (УМО) определяется условиями получения на ГЭС расчетных параметров. Соответствующий объем носит название мертвого Vмо.
Разность между полным и мертвым объемами составляет полезный объем водохранилища.
Vполезн=Vполн-Vмо
Этот объем используется для регулирования стока
При пропуске катастрофических половодий и паводков обычно допускается кратковременное повышение уровня воды в водохранилище до отметки, называемой форсированным подпорным уровнем (ФПУ).
Объем водохранилища между отметками НПУ и ФПУ является резервным и используется для трансформации (срезки) половодий и паводков
До сих пор принималось, что поверхность воды в водохранилище по всей его длине устанавливается горизонтально, образуя так называемый его статический объем. Очевидно, это может быть лишь в том случае, когда приточность в водохранилище отсутствует. Так как в действительности в водохранилище вceгда имеется приток воды, то, строго говоря, поверхность воды по его длине не будет горизонтальной. Это особенно относится к его «хвостовой части», где кривая свободной поверхности воды представляет собой кривую подпора, характеризующую изменение уровня поверхности воды по длине водотока Образовавшимся объем называется динамическим объемом водохранилища (рис 10 15). Величина его определяется к основном значением расхода приточности и во время половодий может быть весьма значительной.
В водноэнергетических расчетах широко используются различные графические зависимости, отражающие функциональные связи между различными параметрами водохранилища (так называемые характеристики водохранилищ) К их числу относится прежде всего топографическая характеристика, которая может быть двух видов -- статической и динамической
Статическая характеристика включает в себя две кривые. Первая-- зависимость отметок уровня от объема водохранилища Zнб=Zнв(V) и обычно называемая объемной. Вторая отражает связь между отметками уровня и площадью зеркала водохранилища Zнб=Zнв(F) Эту характеристику называют площадной
Обе характеристики (рис 10 16) получаются в результате обработки топографических планов местности.
При учете динамической емкости, как было показано выше, объем водохранилища при заданной отметке уровня в створе плотины будет определяться приточностью. Вследствие этого зависимость между значениями уровня и объемом водохранилища будет иметь другой характер, так как будет функцией двух переменных Zнб=Zнв(V,Qприт). Эти кривые (рис. 10.17) называются кривыми динамического объема в отличие от кривой статического объема, изображенной на рис. 10.16, или кривой, соответствующей Qприт=0.
Имеются и другие характеристики водохранилища, которые мы здесь не рассматриваем. Все они являются основным исходным материалом для проведения водноэнергетических расчетов. В такого рода расчетах одним из решающих условий правильности выполнения их является соблюдение водного баланса водохранилища..
В общем виде уравнение водного баланса водохранилища без холостых' сбросов за некоторое время Т может быть представлено следующим равенством:
Wрег=Wприт±ДV-- Wзаб+Wвозвр--Wпот, (10.2)
где Wрег-- зарегулированный объем стока, т. е. тот объем воды, который прошел за время Т через створ гидроузла (так называемая отдача); Wприт -- приток воды в водохранилище за время Т (для одиночной ГЭС это бытовой, т. е. естественный, приток, для каскада -- приток от вышележащей ГЭС с учетом боковой приточности между створами); Д V-- использованный объем водохранилища за период Т. (В формуле знак минус относится к периоду наполнения, знак плюс -- к периоду сработки водохранилища); Wзаб и Wвозвр- величины забираемого из водохранилища и' возвращаемого в него участниками водохозяйственного комплекса (см. § 10.6) за время Т объема стока; Wпот -- потери воды из водохранилища за время Т и обычно включают потери на фильтрацию, испарение, льдообразование и шлюзование.