Применение энергии водного потока, устройство гидротехнических сооружений гидроэлектростанций (ГЭС)

Энергия водных потоков

Энергия (потенциальная), которой располагает водный поток, определяется двумя величинами: количеством протекающей воды и высотой ее падения до устья.

В естественном состоянии энергия речного потока расходуется на размыв русла, перенос частиц грунта, трение о берега и дно.

Энергия водного потока распределяется, таким образом, по всему течению, хотя и неравномерно — в зависимости от уклонов дна и секундных расходов воды. Для использования энергии потока в пределах определенного участка необходимо сосредоточить ее в одном сечении — в одном створе.

Иногда такое сосредоточение создается природой в виде водопадов, однако в большинстве случаев его приходится создавать искусственно, с помощью гидротехнических сооружений.

Сосредоточивается энергия в месте сооружения гидроэлектростанции (ГЭС) двумя способами:

• плотиной, перегораживающей реку и поднимающей воду в верхнем по течению бассейне — в верхнем бьефе на Н метров по отношению к уровню нижнего бассейна — нижнего бьефа. Разность уровней верхнего и нижнего бьефов Н называется напором. Гидроэлектростанции, в которых напор создается плотиной, называются приплотинными и строятся обычно на равнинных реках;

• с помощью особого обводного канала — деривационного канала. Деривационные станции строятся преимущественно в горных местностях. Деривационный канал имеет очень малый уклон, поэтому в конце его почти полностью концентрируется весь напор обводимого каналом участка реки.

Мощность потока в створе сооружения определяется количеством воды, протекающей через створ за одну секунду, Q и напором Н. Если Q измерять в м³/сек, а H в метрах, то мощность потока в створе будет равна:

Рп = 9,81*Q*H кВт.

В электрогенераторах гидроэлектростанции будет использована только часть этой мощности, равная к. п. д. установки. Поэтому мощность электрической станции при напоре Н и расходе воды через турбины Q составит:

Р = 9,81*Q*H*кпд кВт.

 В реальных условиях работы гидроэлектростанций часть воды может сбрасываться мимо турбин.

Энергия водных потоков используется уже на протяжении многих столетий. Широкое использование водной энергии стало возможным только в конце XIX в., когда был изобретен электрический трансформатор и создана система трехфазного переменного тока. Возможность передачи энергии на далекие расстояния позволила использовать энергию самых мощных водных потоков.

Состав и устройство гидротехнических сооружений ГЭС

В состав узла сооружений приплотинной ГЭС обычно входят:

• плотина, создающая напор. В верхнем бьефе плотины образуется водохранилище большего или меньшего объема в зависимости от топографических условий и высоты плотины, регулирующее расход воды через турбины в соответствии с графиком нагрузки;

• здание ГЭС;

• водопропускные сооружения, имеющие разное назначение и, соответственно, разное исполнение: для сброса в нижний бьеф излишней воды, не используемой в турбинах, например, паводковых вод (водосливные сооружения); для снижения горизонта воды в верхнем бьефе, что иногда необходимо, например, при ремонте гидротехнических сооружений (водоспуск); для распределения воды между водопользователями (водозаборные сооружения);

• транспортные сооружения — судоходные шлюзы, обеспечивающие на реке сквозное судоходство, плотоходы и бревноспуски для сплава леса;

• рыбопропускные сооружения.

Характерные сооружения деривационной ГЭС — деривационный канал и трубопроводы от канала к турбинам.

Основным по значению, наиболее ответственным технически и самым дорогим звеном узла сооружений ГЭС является плотина. По способу пропуска воды различают плотины:

• глухие, не пропускающие воду;

• водосливные, у которых вода переливается через гребень плотины;

• щитовые, пропускающие воду при открытии щитов (затворов).

Плотины обычно бывают земляные и бетонные.

Поперечный профиль земляной плотины: 1 — зуб; 2 — защитный слой из песка и гравия; 3 — экран из суглинка: 4 — тело плотины; 5 — водонепроницаемый пласт основания

На рисунке показан профиль земляной плотины, построенной на водопроницаемом слое небольшой мощности. Тело плотины отсыпается из любых грунтов, не содержащих большого количества органических примесей и водорастворимых солей.

При отсыпке плотины из водопроницаемых грунтов в теле плотины устраивается экран из суглинка, препятствующий фильтрации воды. Водопроницаемый слой, на котором строится плотина, из тех же соображений прорезается водонепроницаемым зубом.

Если плотину полностью отсыпают из суглинков или супесков, то нет необходимости в противофильтрационном экране. Сверху экран покрывается защитным слоем из песка и гравия, который в свою очередь защищается от размыва волнами каменным мощением (от гребня плотины до отметки, лежащей на 0,5 — 0,7 м ниже самого низкого возможного горизонта воды в верхнем бьефе).

При отсыпке земляной плотины каждый слой тщательно утрамбовывают катками. Недопустим слив воды через гребень земляной плотины, так как появляется опасность ее размыва. По гребню земляной плотины обычно устраивается проезжая дорога, которая определяет ширину гребня. Гребень вымащивают обычным способом.

Ширина основания плотины зависит от ее высоты и принятого наклона откосов к горизонту. Верховой откос делается более пологим, чем низовой.

В настоящее время при сооружении крупных земляных плотин широко применяют метод гидромеханизации.

Плотина гравитационного типа, сделанная из бетона

Схема глухой бетонной плотины: 1 — дренаж плотины; 2 — смотровая галерея; 3 — коллектор; 4 — дренаж основания

На рисунке показана глухая бетонная плотина обычного профиля с проезжей дорогой по верху. Для более надежного сопряжения плотины с грунтом и берегами основание плотины выполняется в виде нескольких уступов. По напорной стороне устраивается зуб глубиной 0,05 — 1,0 H.

Для борьбы с фильтрацией под зубом устраиваются противофильтрационные завесы, для чего через систему буровых скважин диаметром 5 — 15 см в трещины основания (грунта) нагнетается цементный раствор.

Хотя тело плотины возводится из плотного бетона, тем не менее через нее всегда просачивается вода. Для отвода этой воды в нижний бьеф в плотине устраивается дренажная система, состоящая из вертикальных скважин — дрен (диаметром 20 — 30 см), выполняемых в теле плотины через каждые 1,5 — 3 м.

Дренируемая по ним вода попадает в кюветы смотровой галереи 2, откуда горизонтальными коллекторами 3 отводится в нижний бьеф. Смотровую галерею, идущую в теле плотины по всей ее длине, делают для наблюдения за состоянием бетона и фильтрацией воды.

Деривационные водоподводящие сооружения чаще всего выполняют в виде открытого канала. В мягких грунтах сечение канала имеет обычно вид трапеции. Стенки и дно канала для уменьшения фильтрации, предохранения от размыва, уменьшения шероховатости и связанных с нею потерь напора облицовывают бетоном или асфальтом. Применяется также облицовка из булыжного камня.

Деривационные каналы в скалистых грунтах выполняют прямоугольного сечения. Если нет возможности выполнить деривацию открытым каналом, применяют штольни прямоугольного или круглого сечения. Воду от деривационного канала к турбинам подают по трубопроводам. Трубопроводы бывают металлические, железобетонные и деревянные.