1.4. Схемы малых ГЭС

Строительство ГЭС малой мощности осуществляется по трем известным схемам, позволяющим создать сосредоточенный напор: плотинная, деривационная и комбинированная (плотинно-деривационная).

Плотшшая схема создания напора - это наиболее распространенная схема использования гидроэнергетического потенциала малых водотоков. Особое влияние на тип и компоновку сооружений, образующих гидроузлы играет величина напора и место расположения здания ГЭС. По этим признакам различают два основных варианта компоновки ГЭС: русловые и приплотинные.

Основными сооружениями МГЭС в плотинной схеме являются плотины и здание ГЭС. В русловых ГЭС здание с основным оборудованием расположено в русле реки. На реках с широкой речной долиной и явно выраженным руслом реки предпочтительнее назначить отметку гребня глухой плотины так, чтобы нормальный подпорный уровень не выходил из основного русла реки (рисунок 6,а). Для такой схемы характерна русловая компоновка с размещением здания ГЭС и водосливной плотины в русле реки. Однако, этот вариант требует, при строительстве малых ГЭС, возведения перемычек для создания осушаемого котлована, в котором будет возводится то или иное сооружение или его часть, что естественно увеличивает капиталовложения в строительство ГЭС. Данная схема выполняется при небольших напорах от 1,5 до 4 метров, реже до 6 метров, и небольшой мощности станции (от нескольких сотен киловатт до одного, реже двух мегаватт). Это также обусловлено малой регулирующей мощностью водохранилища.

Другой вариант строительства малой или мини- ГЭС без затопления поймы реки, это размещение здания ГЭС на обводном канале вне русла реки (рисунок 6,6). Это позволяет возводить здание ГЭС и водосливную плотину на не затапливаемых бытовым стоком реки отметках, что значительно упрощает

б)

а - здание ГЭС расположено в русле реки; б - здание ГЭС расположено на обводном канале; 1 - глухая плотина; 2 - водосливная плотина; 3 - здание ГЭС; 4 - подводящий участок обводного канала; 5 - отводящий участок обводного канала; 5 - шлюз.

Приплотинная компоновка гидроузла предусматривает расположение здания ГЭС за напорным фронтом (рисунок 7). Само здание не воспринимает напор со стороны верхнего бьефа и только испытывает давление воды, сосредоточенное по сечению турбинных водоводов. В широком створе русла реки и не больших напорах глухая плотина выполняется из местных материалов. Здание ГЭС размещается обособленно и может располагаться непосредственно за плотиной или вблизи нее. Водосбросы, водоприемник ГЭС и турбинные водоводы устанавливаются не совмещенные с плотиной. Турбинные водоводы могут проходить под плотиной или в обход ее (рисунок 8).

Деривационная схема позволяет создать сосредоточенный напор путём отвода воды из реки в деривацию, имеющую меньший уклон, чем естественное русло. Уровень воды в конце деривации оказывается выше уровня воды в точке расположения здания ГЭС, которое связано с деривацией турбинными водоводами (рисунок 9-10). Для отвода воды в деривацию на реке создается плотина, высота которой может быть небольшой, обеспечивающей лишь необходимый для работы ГЭС объем воды. Сама деривация может быть безнапорной (рисунок 9) и напорной (рисунок 10).

а) б)

Рисунок 7. Варианты компоновки сооружений гидроузла с приплотинным зданием ГЭС

а - подвод к зданию напорным бассейном; б - подвод воды к зданию водоводом; 1 - глухая плотина; 2 - водосливная плотина; 3 - здание ГЭС; 4 - турбинный водовод; 5 - напорный бассейн; 6 - водоприемник.

1 - глухая плотина; 2 - водосливная плотина; 3 - здание ГЭС; 4 -турбинный водовод; 5 - водоприемник ГЭС.

Рисунок 9. Гидроузел с безнапорной деривацией

1 — плотина; 2 - подводящий деривационный канал; 3 - напорный бассейн; 4 - холостой водосброс; 5 - здание ГЭС; 6 - отводящий деривационный канал; 7 - турбинный водовод; 8 — водохранилище.

10 — линия электропередачи; 11 - отводящий канал.

На ГЭС малой мощности с безнапорной деривацией вода транспортируется по безнапорному водопроводящему тракту, обычно по открытым каналам или лоткам (рисунок 9).

Протяженность безнапорной деривации в основном определяется топографическими и экономическими условиями и может достигать нескольких километров.

При строительстве деривационных ГЭС малой мощности на горных реках сильно пересеченной местности и сложным рельефом используют напорные трубопроводы и гораздо реже напорные туннели. Напорные трубопроводы укладываются по поверхности земли или выполняются засыпными, а туннели - в толще горного массива (рисунок 10).

Напорные деривационные водоводы располагаются на пониженных, по отношению к верхнему бьефу, отметках, при этом гидродинамическое давление даже в самой верхней точке сечения деривации выше атмосферного. Из-за заглубления водоприемника напорной деривации под минимальный уровень верхнего бьефа становится необходимо увеличение высоты плотины в реке. Это позволяет увеличить полезную емкость водохранилища и глубину сработки, то есть стабилизировать режим работы ГЭС

В конце длинной напорной деривации устанавливается уравнительный резервуар для уменьшения гидравлического удара при резких изменениях расхода воды, потребляемой ГЭС После уравнительного резервуара напорная деривация переходит в турбинные водоводы.

Комбинированная схема (плотинно-деривационная) по принципам создания напора использует выгодные свойства обеих предыдущих схем, т.е.

может быть создано значительное по объему водохранилище и использовано падение реки ниже плотины.

В схемах с высокими плотинами водоприемник устраивается глубинный, а сама деривация напорной. В зависимости от типа плотины применяется соответствующий тип водосбросного сооружения гидроузла и выбирается место расположения водоприемника. Компоновка сооружения с высокой плотиной аналогична компоновке гидроузлов с приплетенной ГЭС.

На низконапорных гидроузлах неэнергетического назначения с железобетонной водосливной плотиной возможно размещение различных типов плавучих микро- и мини- ГЭС. Один из вариантов представлен на рисунке 11. ГЭС состоит из двух понтонов, установленных в верхнем и нижнем бьефах. На понтоне в верхнем бьефе размещается водозаборное сооружение, гидроагрегат установлен на понтоне в нижнем бьефе. Водоприемник соединен с агрегатом напорным трубопроводом с сифоном.

В настоящее время, различными отечественными и зарубежными фирмами разработан новый тип мини- и микро- ГЭС, не требующий возведения стационарного здания ГЭС. Эти ГЭС устанавливаются на существующих водохранилищах, каналах, и системах водоснабжения. Как правило, они работают на изолированную нагрузку, хотя могут быть подключены к энергосистеме. Наиболее надежными в работе и экономичными являются микро- ГЭС с сифонным подводом или отводом воды (рисунок 12). Они могут быть установлены на низконапорных гидроузлах в пролете водосливной плотины или же глухой плотины. Данная схема позволяет свести к минимуму необходимые строительные и монтажные работы. Конструкция гидроагрегата упрощена до предела. Такой гидроагрегат не требует применения затвора или направляющего аппарата для обеспечения его пуска-остановки. Пуск осуществляется заполнением сифона с помощью вакуум-насоса или при включении асинхронного генератора в двигательном режиме. Остановка турбины обеспечивается простым срывом вакуума в верхней части сифона. Автоматический впуск воздуха для срыва вакуума производится соленоидным клапаном, установленным в верхней части помпы и срабатывающим при отключении напряжения.

Рисунок 11. Схема плавучей гидроэлектростанции на понтонах 1 - существующая плотина; 2 - понтон с водозаборным сооружением в верхнем бьефе; 3 - сифонный трубопровод; 4 - понтон в нижнем бьефе с установленным гидроагрегатом.

Рисунок 12. Варианты размещения сифонных микро-ГЭС а - сифонный подвод воды; б - сифонный отвод воды; 1 - глухая плотина; 2 - водозабор; 3 - трубопровод; 4 - микро-турбина; 5 - генератор; 6 -водовыпуск; 7 - клапан срыва вакуума.

Блочные мини- и микро ГЭС, чаще всего используемые в плотинной схеме, наиболее рациональны при строительстве и эксплуатации. Создание унифицированного оборудования и типового здания ГЭС позволяет

использовать такие системы, как на естественных водотоках, так и на перепадах каналов с малыми напорами.

Наиболее простые и технологичные мини и микро ГЭС - это мобильные или переносные гидроэнергетические установки. Они, как правило, используются для энергоснабжения автономных потребителей. К таким установкам относятся микро - ГЭС рукавного типа и установки со свободнопоточными турбинами.

Микро- ГЭС рукавного типа эффективны для использования энергии воды предгорных и горных рек со значительными уклонами дна реки и большими скоростями потока. Напор на таких ГЭС создается за счёт прокладки напорного рукава вдоль русла реки (рисунок 13, а). Когда река имеет излучину, то может быть использована деривационная схема создания напора на спрямлении русла реки (рисунок 13, б). Рукавные ГЭС - просты в установке и не требуют сооружения плотины и здания ГЭС. Их можно транспортировать с одного места на другое, монтировать за несколько часов и с малыми трудозатратами.

Микро- ГЭС со свободнопоточными гидротурбинами использует только скоростной напор течения воды, что исключает необходимость возведения специальных гидротехнических сооружении.

В настоящее время разработаны различные по конструкции и принципу работы свободнопоточные гидротурбины, которые могут использовать энергию скоростного напора океанских и морских течений, речных потоков, существующих каналов различного назначения и так далее.