Раздел 5. Здания гидроэлектростанций

Лекция 14. Назначение здания ГЭС и его компоновка в составе гидроузла. – Типы зданий ГЭС и выбор типа в зависимости от условий строительства, напора, паводкового расхода, типа плотины и других факторов. – Монтажная площадка

 

Гидравлическая электрическая станция (гидроэлектростанция, ГЭС) представляет собой комплекс сооружений и оборудования, посредством которых энергия потока воды преобразуется в электрическую энергию. ГЭС состоит из последовательной цепи гидротехнических сооружений, обеспечивающих необходимую концентрацию потока воды и создание напора, и энергетического оборудования.

Существом технологического процесса на ГЭС является процесс преобразования механической энергии речного потока воды в трехфазный переменный электрический ток. Этот процесс разделен на два этапа.

На первом поток воды, взаимодействуя с вращающимся лопастным рабочим колесом гидротурбины, отдает ей почти всю свою энергию (более 96%), а рабочее колесо приобретает механическую энергию вращающихся масс. На втором этапе энергия вращения передается ротору гидрогенератора и последний, будучи традиционной электрической машиной, вырабатывает электрический ток.

Гидротурбина и гидрогенератор образуют гидроагрегат, которых на ГЭС может быть много — до 30, а может быть и один, и для размещения которых сооружается здание гидроэлектростанции. Здание ГЭС представляет собой гидротехническое сооружение, в котором с помощью комплекса гидросилового (гидротурбины), электрического (гидрогенераторы, трансформаторы и т. п.), механического и вспомогательного оборудования осуществляется преобразование механической энергии воды в электрическую энергию, передаваемую потребителям.

Здание гидроаккумулирующей электростанции — ГАЭС — предназначено для выполнения более сложных функций, в нем размещается комплекс оборудования, с помощью которого осуществляется преобразование электрической энергии, забираемой из электроэнергетической системы, в механическую энергию больших масс воды, накапливаемой (аккумулируемой) в верховом бассейне, и обратное преобразование механической энергии воды при опорожнении верхового бассейна, в электрическую, передаваемую потребителям.

Здания ГЭС и ГАЭС, по сравнению с другими строительными сооружениями, значительно более сложны, поскольку они:

— размещаются непосредственно на природных территориях, зачастую отличающихся сложными топографическими, грунтовыми, климатическими, географическими условиями;

— взаимодействуют с большими массами воды, вызывающими особые статические и динамические нагрузки, требующие особой организации потока при подводе и отводе его из гидротурбины;

— требуют размещения и создания условий для нормальной эксплуатации сложного гидромеханического (затворы, грузоподъемные краны) оборудования, оборудования технического водоснабжения, производства и транспортировки сжатого воздуха, противопожарных систем, транспортных коммуникаций, электротехнического оборудования, электросилового оборудования, включая крупноразмерные взрыво- и пожароопасные силовые трансформаторы, и многого другого;

— требуют обеспечения нормальных условий для эксплуатационного персонала;

— должны предусматривать возможность размещения многочисленной и разнообразной контрольно-измерительной аппаратуры для регистрации состояния как самого здания ГЭС, так и размещаемого в нем оборудования;

— естественно, должны быть устойчивы и прочны, в течение многих лет воспринимать нормальные эксплуатационные нагрузки и экстремальные, вызываемые землетрясениями, форсированными уровнями воды и другими случаями.

Все это ставит здания ГЭС и ГАЭС в ряд сложнейших строительных сооружений, проектирование, строительство и эксплуатация которых относится уже не к строительному ремеслу, а к строительному искусству.

В мире построены десятки тысяч ГЭС, и среди них нет и двух совершенно одинаковых, поскольку ГЭС строятся на реках — природных объектах, всегда чем-то отличаются. Отличаются их ширина, глубина, слагающие их ложе грунты, склоны берегов, растительность на них и многое другое. Человек вносит дополнительные отличия в речные бассейны, создавая на берегах сельскохозяйственные угодья и постройки, жилье, промышленные предприятия, сеть дорог, другие сооружения, которые нельзя затапливать при создании водохранилища.

Важнейшей величиной, определяющей особенности конструкции здания ГЭС, является напор на гидроузле. При плотинной схеме напор создается плотиной, которая может иметь высоту от нескольких метров до 300 м. Устойчивость плотины обеспечивается или их массой (грунтовые, бетонные, ряжевые плотины), или использованием принципа арки, при котором давление воды со стороны верхнего бьефа передается на берега реки (арочные плотины). По сравнению с массивными плотинами масса здания ГЭС равной высоты значительно меньше (общий объем здания ГЭС примерно на 30% заполнен бетоном и технологическим оборудованием, остальное — воздух). Поэтому устойчивость здания ГЭС, если оно выполняет роль и водоподпорного сооружения, может быть обеспечена лишь при небольших напорах — порядка 40 м, более высокие напоры здание ГЭС принципиально не может воспринимать, и поэтому должно располагаться "под защитой" плотины, которая будет воспринимать напор, а здание ГЭС будет служить лишь для размещения оборудования и обеспечения его нормальной эксплуатации.

Рис. 14.1. Классификация зданий ГЭС

В соответствии с этим все здания ГЭС разделяются на две группы — воспринимающие напор и не воспринимающие напор. Здания ГЭС, воспринимающие напор, принято называть "русловыми", независимо от того, располагаются ли они в русле реки или на ее берегу, на энергетическом канале. Русловое здание ГЭС является частью подпорного фронта гидроузла и воспринимает напор.

Здания ГЭС, не воспринимающие напор, сооружаются на гидроузлах с плотинной и деривационной схемами создания напора, в первом случае их принято называть приплотинными, во втором случае — деривационными (обособленными).

Поскольку русловые здания ГЭС предназначены для восприятия напора, они массивнее и конструктивно более сложны, чем приплотинные здания. Обстоятельство, что здание ГЭС находится в русле реки рядом с водосливной плотиной, приводит к мысли об использовании и здания ГЭС для пропуска части паводковых расходов. Конструкция здания ГЭС при этом, несомненно, усложняется, но зато появляется возможность сократить длину водосливной плотины. По этому признаку все русловые здания ГЭС разделяются на две группы — несовмещенные и совмещенные. Несовмещенные здания ГЭС выполняют только две основные функции — воспринимают напор и служат для размещения оборудования. Совмещенные здания ГЭС приспособлены также и к пропуску части паводкового расхода (на некоторых реках сооружение совмещенных зданий ГЭС позволяет полностью отказаться от строительства водосливной плотины).

Конструкция здания ГЭС предоставляет большие возможности для размещения совмещенных водопропускных устройств. Основные различия в совмещенных зданиях определяются гидравлическим режимом водосброса — безнапорным (поверхностным) или напорным.

Безнапорный совмещенный водосброс размещается поверх крыши здания ГЭС (здание ГЭС размещается внутри бетонной водосливной плотины). Здания ГЭС, совмещенные с напорными водосбросами, отличаются друг от друга местом расположения водопроводящих галерей. Последние могут иметь одну или две ветви в каждом турбинном блоке, галереи могут размещаться на низких отметках, в обход конуса изогнутой отсасывающей трубы, или на более высоких, в обход турбинной шахты. В бычковых зданиях ГЭС гидроагрегаты размещаются в утолщенных бычках, расположенных между водосливными пролетами бетонной водосливной плотины.

Конструкции совмещенных зданий ГЭС будут различными в зависимости от расположения оси вращения гидроагрегата— вертикального (в широком диапазоне напоров) или горизонтального (при напорах 10-15-20 м).

Здания приплотинных и деривационных ГЭС не устраивают совмещенными. Здания приплотинных ГЭС различаются, в том числе, в зависимости от типа плотины. При бетонных плотинах с широким профилем (гравитационных, арочно-гравитационных, с расширенными швами, контрфорсных и других) здание ГЭС является в прямом смысле приплотинным, то есть размещается сразу за плотиной, пристраивается к ее низовой грани, энергетический водоприемник и турбинные водоводы встраиваются в тело плотины. В отдельных случаях оказывается возможным встроить в тело плотины и само здание ГЭС. Иногда поверх приплотинного здания ГЭС пропускают поверхностный водослив.

В случае грунтовых и арочных плотин с тонким профилем, а также купольных плотин турбинные водоводы невозможно или крайне нежелательно пропускать через тело плотины, и здание ГЭС возводят отдельно, на берегу; воду к гидротурбинам подводят от береговых водоприемников по турбинным водоводам, устраиваемым в виде береговых туннелей. В отдельных случаях приплотинное здание ГЭС оказывается целесообразным выполнить не наземным, а подземным.

Здания деривационных ГЭС всегда существуют сами по себе, они связаны с сооружениями верхнего бьефа только турбинными трубопроводами. Типы зданий деривационных ГЭС различаются в зависимости от типа применяемых турбин — радиальноосевых или ковшовых, а также по отношению их расположения к поверхности земли.

При наличии более или менее просторной и прочной площадки предпочтительнее построить наземное здание ГЭС. При отсутствии таких условий здание ГЭС сооружают подземным или полуподземным (шахтным). Подземное здание ГЭС полностью размещается под землей, на глубине нескольких десятков или даже сотен метров под дневной поверхностью. Сообщение с подземным зданием ГЭС осуществляется по транспортному туннелю или шахте.

Полуподземное здание ГЭС устраивают в виде широкой шахты, колодца для каждого гидроагрегата. На дне колодца располагается агрегат, а верхний открытый конец колодца служит для монтажа и демонтажа гидроагрегата. Верхнее отверстие колодца для защиты от атмосферных воздействий закрывается крышкой; при наличии нескольких агрегатных шахт над ними на поверхности земли устраивают общий машинный зал, или общее верхнее строение.

Здания малых гидроэлектростанций имеют определенные отличия в зависимости от мощности малых ГЭС. числа агрегатов, типа турбины и ряда других факторов.

Здания гидроэлектростанций являются крайне сложными, ответственными гидротехническими сооружениями. Их проектирование, строительство и эксплуатация требуют внимательного подхода, тонкого знания всех технологических процессов на ГЭС. На выбор типа, размеров и конструкции зданий ГЭС оказывают влияние множество факторов. Проектирование здания ГЭС возможно только на основе тщательного изучения отечественного и мирового опыта и применения современных методов расчета.

Здание ГЭС всегда является частью гидроузла, как правило, комплексного назначения. В значительном числе случаем комплекс гидротехнических сооружений (гидроузел) сооружается на реке именно с целью создания гидроэлектростанции, в этом случае гидроузел называется гидроузлом энергетического назначения или гидроэнергетическим узлом.

Чаще всего, при строительстве гидроэлектростанции предусматривается комплексное использование ресурсов водотока для нужд народного хозяйства: получения электрической энергии, водоснабжения, мелиорации, улучшения условий судоходства, рыбоводства, рекреации и др.

В состав любого гидроузла входят основные и вспомогательные сооружения. На период строительства возводятся временные сооружения, обеспечивающие производство строительно-монтажных работ.

Основные сооружения комплексных и энергетических гидроузлов по функциональному признаку подразделяются на следующие.

Сооружения для создания напора — плотины и деривации.

Водоподпорные и водосбросные сооружения, предназначенные для поддержания статического напора, обеспечения пропуска в нижний бьеф необходимых расходов, в том числе во время паводков (водопропускные плотины, водосбросы), а также льда, шуги, сора и промыва наносов.

Деривационные сооружения соединяют здание ГЭС с источником воды, расположенным иногда на расстоянии 10-15 км, с минимальными гидравлическими потерями. Сюда относятся сооружения для отбора воды из реки (водозаборы), для удаления из водопроводящего энергетического тракта вредных наносов (промывные устройства, отстойники), для транспортировки воды (каналы, туннели, трубопроводы, лотки и т. п.), для создания необходимых гидравлических условий перед станционными (турбинными) водоводами (уравнительные резервуары, напорные бассейны, бассейны суточного регулирования).

Энергетические сооружения: водоприемные устройства; водоводы, подводящие воду из верхнего бьефа к турбинам и отводящие воду в нижний бьеф; здание гидроэлектростанции с основным энергетическим оборудованием (гидротурбины, гидрогенераторы, трансформаторы), а также вспомогательным, механическим и подъемно-транспортным оборудованием и пультом управления; открытые (ОРУ) или закрытые (ЗРУ) электрические распределительные устройства.

Судоходные и лесосплавные сооружения предназначены для пропуска судов и плотов через гидроузел; к ним относятся: шлюзы или судоподъемники с подходными каналами, плотоходы и бревноспуски, причалы и др.

Рыбохозяйственные сооружения устраиваются для пропуска через напорный фронт проходных пород рыб к местам постоянных нерестилищ и в обратном направлении. К ним относятся рыбоходы и рыбоподъемники, а также рыбозащитные (рыбозаградительные) сооружения и сооружения для искусственного рыборазведения в водохранилищах.

Водозаборы для водоснабжения, орошения и других целей обеспечивают необходимую подачу воды (водоприемники, отстойники, насосные станции).

Транспортные сооружения служат для связи объектов гидроузла между собой и соединения с сетью автомобильных и железных дорог, а также пропуска этих дорог через сооружения гидроузла: мосты, шоссейные и железные дороги с разъездами, бремсберги, канатные дороги.

Для различных схем создания напора на ГЭС, типов ГЭС, топографических, гидрологических и геологических условий основные сооружения могут быть разных конструкций, при этом некоторые из них могут быть совмещены друг с другом.

Вспомогательные сооружения предназначаются для обеспечения нормальной эксплуатации гидроузла и создания необходимых удобств для обслуживающего персонала и их семей. Это жилые, культурно-бытовые, административные и хозяйственные здания, дороги, связь, водоснабжение, водоотведение и т. п.

Временные сооружения гидроузла необходимы только на период производства строительных работ. Их разделяют на две группы. К первой относятся сооружения, обеспечивающие пропуск расходов реки во время строительства в обход строительных площадок (котлованов) и защиту последних от затопления: каналы, туннели, лотки, перемычки, системы водоотлива и водопонижения. Ко второй относят производственные предприятия для обеспечения строительства гидроузла: бетонные заводы со складами цемента и заполнителей для бетона, арматурные, деревообрабатывающие и механические мастерские, автомобильное и железнодорожное хозяйство, склады, причалы, система дорог, временные электростанции и т. п.

В целях снижения стоимости строительства часть временных сооружений используют в период постоянной эксплуатации гидроэлектростанций.

Для ГЭС с русловыми зданиями, сооружаемых на многоводных реках, схема пропуска расходов в период строительства оказывает существенное влияние на выбор общей компоновки гидроузла.

Береговая компоновка. Основная бетонные сооружения (здание станции, водосливная плотина, шлюз) располагаются либо на одном берегу — односторонняя компоновка (рис. 14.2, схема I), либо на разных берегах — береговая двусторонняя компоновка. Процесс возведения бетонных сооружений при такой компоновке не зависит от гидрологического режима реки до последнего этапа строительства, когда русло перекрывается глухой плотиной и начинается пропуск расходов через бетонные сооружения, которые к этому времени возведены почти полностью.

Недостатком схемы является необходимость выполнения больших объемов выемки грунта в котловане, а также в подводящем и отводящем каналах.

Пойменная компоновка. Основные сооружения размещаются в пойме реки (рис. 14.2, схема II). В период строительства котлован ограждается продольной и поперечными перемычками. Пропуск строительных расходов, в том числе паводка, осуществляется по руслу реки.

Расположение основных бетонных сооружений в одном месте позволяет рационально скомпоновать бетонное хозяйство, разместив его вблизи строящихся объектов, упростить схему подачи бетонной смеси и тем самым сократить стоимость и продолжительность строительства.

Русловая компоновка применяется обычно при значительной ширине русла реки и крутых берегах (рис. 14.2, схема III). Бетонные сооружения занимают всю или бóльшую часть ширины русла, одновременное их возведение в отличие от береговой и пойменной компоновок обычно невозможно, оно осуществляется в две (иногда в три) очереди.

 

 

Рис. 14.2. Варианты компоновки гидроузлов с русловыми зданиями станций

 

Смешанная компоновка является промежуточной между береговой (пойменной) и русловой. Основные бетонные сооружения располагаются на берегу или в пойме и частично в русле или занимают всю ширину русла и часть берега или поймы. На схеме IV рис. 14.2 показана смешанная компоновка, при которой здание ГЭС занимает часть русла реки, водосливная плотина перекрывает рукав, а шлюз размещается на острове.

В каждом случае выбор варианта компоновки сооружений определяется минимумом объема строительных работ и стоимости гидроузла.

Размещение открытого распределительного устройства (ОРУ) должно обеспечивать возможность передачи электроэнергии от здания станции к ОРУ. Обычно ОРУ располагается как можно ближе к зданию. Размещение ОРУ со стороны правого или левого берега диктуется направлением основных отходящих линий электропередачи. Иногда устраивают не одно, а два-три ОРУ, расположенных на разных берегах.

На рис. 14.4 приведены различные схемы взаимного расположения зданий станций и плотин из грунтовых материалов (земляных, каменно-земляных и др.). На схеме I изображен наиболее распространенный вариант, здание станции находится за плотиной. Водоприемник располагается в верхнем бьефе, а стальные трубопроводы проходят под плотиной в железобетонной галерее.

 

Рис. 14.3. Варианты расположения турбинных водоводов гидроэлектрических станций
с приплотинным зданием за бетонной плотиной (а) и со встроенным зданием (б)

 

 

Рис. 14.4. Возможные варианты расположения здания гидроэлектростанции относительно плотины из грунтовых материалов

 

На схеме II показан вариант встроенного расположения здания станции в теле грунтовой плотины в бетонном массиве, на который опирается ядро плотины. Башенный водоприемник расположен у берега, отводящие безнапорные водоводы совмещены с туннелями, которые использовались для пропуска строительных расходов.

На рис. 14.5 приведены схематические планы компоновок ГЭС с приплотинными зданиями и плотинами из грунтовых материалов.

 

 

Рис. 14.5. Компоновки гидроузлов с приплотинными зданиями станций
и плотинами из грунтовых материалов

 

На схеме II здание станции расположено в глубокой скальной выемке на берегу реки, под углом к оси плотины.

В схеме III принято подземное расположение здания станции. Подвод воды к турбинам осуществляется индивидуальными напорными водоводами.

Компоновка сооружений, приведенная на схеме IV, характерна наличием широкого подводящего канала, проложенного в обход плотины. От водоприемника по относительно коротким напорным водопроводам вода поступает к турбинам. Здание станции расположено вдоль берега реки.

В рассмотренных компоновках гидроузлов здания станций расположены непосредственно за бетонной или грунтовой плотиной или встроены в нее, такие здания носят название приплотинных. В схемах II, III, IV, VI рис. 14.5 здания станций находятся в удалении от плотин, вода к ним подводится относительно длинными водоводами или подводящим каналом и короткими напорными водоводами. Такие здания ГЭС, непосредственно не примыкающие к плотине, называются обособленными, или автономными. В ГЭС с плотинной схемой создания напора комплекс гидроэнергетических сооружений (водоприемник, водоводы, здание ГЭС), устроенный в удалении от плотины, получил название напорно-станционного узла.

Принципиальная компоновка основных сооружений гидроузлов, показанных на рис. 14.5, не изменится, если вместо грунтовых плотин будут бетонные (гравитационные, арочные, контрфорсные). Уменьшится лишь длина подводящих водоводов.

В узких ущельях при высоких напорах возникают трудности с размещением здания станции и водосбросных сооружений. В этих случаях здание встраивают в гравитационную или арочно-гравитационную плотину, которая в свою очередь делается водосливной, рассчитанной на пропуск паводковых расходов гидроузла. Кроме того, могут предусматриваться и глубинные напорные водосбросы-водовыпуски. В подобных компоновках особое внимание должно быть обращено на недопущение размыва в нижнем бьефе: допускаемые удельные расходы при скальных основаниях составляют не более 120-140 м³/(с∙м).

В еще более узких створах не удается разместить здание станции по ширине ущелья. В этих случаях прибегают к компоновкам типа II, III, IV (рис. 14.5) или располагают агрегаты ГЭС в два (или три) ряда. Водосбросы в этих случаях обычно устраивают в берегах, хотя не исключено сооружение лотков-водосбросов над зданием ГЭС, как в рассмотренном выше примере (рис. 14.7).

Рис. 14.6. Нурекская ГЭС:

а — план сооружений гидроузла; б — продольный разрез по напорным водоводам постоянной схемы эксплуатации; 1 — глубинный водоспуск; 2 — поверхностный водосброс; 3 — туннель глубинного водосброса; 4 — строительный туннель третьего яруса; 5 — строительный туннель второго яруса; 6 — ОРУ 220 кВ; 7 — здание ГЭС; 8 — ОРУ 500 кВ; 9 — помещение развилок; 10 — аварийный затвор; 11 — постоянные водоприемники; 12 — временный туннель; 13 — временный водоприемник; 14 — верховая строительная перемычка

Рис. 14.7. ГЭС, встроенная в арочно-гравитационную плотину
с водосбросами над машинным залом:

а — план гидроузла; б — разрез здания; 1 — транспортный туннель для въезда на монтажную площадку; 2 — машинный зал; 3 — места установки повышающих трансформаторов; 4 — служебные помещения; 5 — водоприемные отверстия; 6 — входные отверстия водосбросов; 7 — транспортный туннель для въезда на гребень плотины; 8 — водовыпуск; 9 — сороудерживающая решетка водовыпуска

Рис. 14.8. Чиркейская ГЭС с двухрядным расположением агрегатов
в приплотинном здании станции:

а — разрез; б — план гидроузла; 1 — плотина; 2 — водоприемники; 3 — напорные водоводы;
4 — здание станции; 5 — грузовой туннель; 6 — водосбросный эксплуатационный туннель