Основные схемы использования водной энергии

Имеются три основные схемы создания сосредоточенного напора ГЭС:

• 1) плотинная схема, когда напор создается плотиной;
• 2) деривационная схема, когда напор создается преимущественно посредством деривации, осуществляемой в виде канала, туннеля или трубопровода;
• 3) плотинно-деривационная схема, когда напор создается и плотиной, и деривацией.

Плотины имеются во всех трех схемах.

Плотинная схема (рисунок 1а) осуществляется преимущественно при больших расходах воды в реке и малых уклонах ее свободной поверхности. Посредством плотины, построенной в пункте В, создается подпор воды, который распространяется вверх по реке до пункта А. Разность уровней воды в пунктах, А и В равна HoДh. Часть общего падения Дh будет потеряна при движении воды в верхнем бьефе. Сосредоточенный перепад уровней, т. е., напор будет равен Н0. В плотинной схеме в зависимости от напора ГЭС может быть русловой или приплотинной.

Русловой называется такая ГЭС, у которой здание ГЭС наряду с плотиной входит в состав сооружений, создающий напор (рисунок 2а).

Где:

• 1 — лес, вырубаемый для очистки ложа водохранилища;
• 2 — завод, эвакуируемый из зоны затопления;
• 3 — эвакуируемые жилые помещения;
• 4 — плотина.

Далее…

Где:

• 1 — здание ГЭС;
• 2 — водосливная плотина;
• 3 — глухая земляная плотина;
• 4 — кран для подъема и опускания затворов.

Здание русловой ГЭС воспринимает полное давление воды со стороны ВБ и должно удовлетворять условию устойчивости, как и плотина. Русловая ГЭС может быть построена при сравнительно небольшом напоре. При средних и больших напорах, превышающий диаметр трубы более чем в 4−5 раз, здание ГЭС не может входить в состав напорного фронта. В таких случаях строят приплотинную ГЭС, здание которой располагается за плотиной и не воспринимает плотного давления воды. Подвод воды к турбинам ГЭС осуществляется трубопроводами, размещенными в теле или поверх бетонной плотины, прокладываемыми в обход плотины.

Где:

• 1 — водосливная плотина;
• 2 — кран для подъема и опускная затворов;
• 3 — станционная плотина;
• 4 — здание ГЭС;
• 5 — турбинный водовод.

При деривационной схеме высота плотины может быть небольшой, обеспечивающей лишь отвод воды из реки в деривацию, а сосредоточенный напор получается за счет разности уклонов воды в реке и в деривации.

На рисунке 4а приведена схема ГЭС с деривацией в виде открытого канала. Плотина создает небольшой подпор.

Из подпертого бьефа вода по деривационному каналу поступает в напорный бассейн, откуда она подается по трубопроводам к турбинам ГЭС. От турбин вода по отводящему каналу направляется в реку или деривацию следующей ГЭС или же в ирригационный оросительный канал.

Дальше…

При пересеченном или горном рельефе местности, деривацию можно выполнить в виде туннеля, прорезывающий горный массив (рисунок 5), или в виде трубопровода, уложенного по поверхности земли. Деривация может состоять частично из канала и туннеля, из трубопровода и туннеля и т. п.

Существуют два типа гидротехнических туннелей: безнапорные, заполненные водой не полностью, с атмосферным давлением над свободной поверхностью воды, и напорные, в которых вода заполняет все сечение туннеля. В напорном туннеле гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения выше атмосферного. В конце длинного подводящего напорного туннеля устраивается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС (рисунок 5). В конце подводящего безнапорного туннеля как и в конце деривационного канала сооружается напорный бассейн (рисунок 4).

Где:

• 1 — русло реки;
• 2 — плотина;
• 3 — водоприемник;
• 4 — напорный тоннель;
• 5 — уравнительный резервуар;
• 6 — помещение затворов;
• 7 — турбинные трубопроводы;
• 8 — подпорные стены;
• 9 — однотурбинная ГЭС;
• 10 — ЛЭП.

При длинной безнапорной подводящей деривации (канал, безнапорный туннель) в конце ее иногда устанавливается бассейн суточного регулирования расхода и мощности ГЭС (рисунок 4а). Если река несет большое количество крупных наносов (песок), попадание которых в деривацию может вызвать нежелательные последствия, то в начале подходящей деривации сооружается отстойник. Наносы, выпавшие в отстойнике, смываются в реку через промывной канал.

Если возможно переохлаждение воды и образование внутриводного льда — шуги, то в случае надобности на головном узле, на деривационном канале или на напорном бассейне сооружают шугосбросы. Деривация может быть отводящей. При большой длине отводящая деривация часто выполняется в виде туннеля, когда ГЭС является подземной. Деривационные схемы установок выгодны в горных условиях, при больших уклонах свободной поверхности воды в реке и сравнительно малых используемых расходах, когда при относительно небольшой длине и малых поперечных размерах деривации можно получить большой напор и большую мощность ГЭС. При благоприятных геологических и топографических условиях на горной реке может быть применена и плотинная схема. Посредством плотины можно создать водохранилище для регулирования стока реки.

В плотинно-деривационной схеме используются выгодные свойства обеих предыдущих схем, т. е., может быть создано водохранилище и использовано падение реки ниже плотины (рисунок 6).

Где:

• 1 — поверхность воды в естественных условиях;
• 2 — водохранилище;
• 3 — плотина;
• 4 — деривация;
• 5 — гидростатический уровень;
• 6 — пьезометрическая линия;
• 7 — турбинный водовод;
• 8 — здание ГЭС;

Н0 — падение давлений в устье А-В;

Нпл — падение давлений от пункта, А до плотины;

Ндер — падение давлений от плотины до здания ГЭС;

hА-В — потери напора в реке и в сооружениях.

На используемом участке реки А-В при неизменной отметке верхнего бьефа ВБ местоположение плотины может быть различным. Чем выше по течению расположена плотина, тем меньше ее высота.

При этом уменьшается размер водохранилища, т. е., уменьшается затапливаемая территория, но увеличивается длина деривации и увеличиваются потери напора hA-B. Тщательное технико-экономическое сравнение вариантов позволяет выбрать наилучший.