Модель водозабірної споруди деривационной ГЕС на р. Іссик-Ата

УДК 626/25 (575.2) (04)

In the article a brief description of a new water-intake facility model for diversion midget power plant on the river Issyk-Ata and some results of experiment are given.

Відомо, що інтерес до малих ГЕС в Киргизькій Республіці виник ще в 80-і роки минулого століття. Останнім часом питання відновлення та спорудження нових малих ГЕС придбав ще більшої актуальності у зв'язку з перебоями в електропостачанні сільських районів і подорожчанням органічного палива. Даються взнаки також ринкові реформи, коли з'явилися заможні люди, охочі вкладати кошти в цю перспективну галузь і мати власні електростанції.

Незважаючи на те, що в післявоєнні роки був накопичений багатий досвід експлуатації малих ГЕС, існує ряд невирішених проблем і питань, пов'язаних з проектуванням і експлуатацією таких електростанцій [1, 2]. Як показує практика, найбільш вразливою частиною гідротехнічних споруд дериваційних ГЕС є водозабірних споруд. Серед основних його недоліків можна перерахувати наступні: відсутність коштів гідравлічної автоматизації та вимірювання витрат води, що дозволяють підвищити надійність споруд в різних режимах експлуатації, низькі наносозащітние характеристики, непристосованість споруд до зимового режиму роботи. Перераховані недоліки призводять до того, що не забезпечується безпечний пропуск паводків через спорудження; витрата води, що забирається в відвід, залежить від рівня води у верхньому б'єфі водозабірної споруди; в дериваційний канал потрапляє велика кількість наносів, що призводить до швидкого його замулення і до зносу основного обладнання ГЕС; в зимовий період виникають складнощі з обмерзанням, пропуском шуги і т.п. [1, 2, 4].

У зв'язку з цим виникла необхідність створення вдосконаленої конструкції водозабірної споруди, яка максимально враховувала б перераховані недоліки. Нижче наводиться компоновочная схема (рис. 1) з коротким описом такої конструкції і деякі результати проведених модельних досліджень.

Мал. 1. Основні параметри водозабірної споруди для малої ГЕС:
1 - зарегульоване русло; 2 - підбиває русло; 3 - водоприймальний оголовок; 4 - стабілізатор витрати;
5 - відвідний канал; 6 - підпірною спорудою; 7 - авторегулятор граничного рівня верхнього б'єфу;
8 - катастрофічний водозлив; 9 - здвоєний затвор; 10 - проміжний бичок; 11 - розділовий
бичок; 12 - промивної тракт; 13 - водоприймальна камера; 14 - наносоотбойний поріг; 15 - поперечний уступ
водоприемной камери; 16, 17 - підвищена і знижена частини водоприемной камери; 18 - придонний
затвор зимового водозабору; 19 - внутрішня грань порога; 20 - заставні частини; 21 - вертикальні пази;
22- телескопічні шандори; 23 - пазухи затвора; 24 - кінцева секція порога; 25 - поздовжня вісь
споруди; 26 - бокові підвалини споруди; 27 -сдвоенний затвор водоприймача; 28 - водобійного колодязь;
29 - відводить русло.

Близькими до пропонованого спорудження за технічною суттю і схемою роботи є дві конструкції водозабірних споруд. Перша - це водозабірних споруд конструкції Г.В. Соболині з косонаправленном циркуляційним порогом [2], що включає розміщений на березі відвідного русла водоприймальний оголовок з регулятором відвідного каналу, водоприймальну галерею з мусорозащітной гратами, підвищену частину наносозащітного порога і його знижену частину з щитовим отвором зимового водозабору, промивнік, підпірною спорудою, що складається з фронтального автоматичного водозливу і щитового скидання, обладнаного датчиком управління. Друга - водозабірних споруд конструкції Я.В. Бочкарьова та ін. [3], що включає розміщений на березі підводить русла водоприймальний оголовок, обладнаний стабілізатором витрати в голові відвідного каналу, розміщене в руслі підпірною спорудою у вигляді катастрофічного водозливу і запірного пристрою, що має промивний отвір з затвором, що примикають до нього криволінійним порогом і розділової стінкою, розташованими в підвідному руслі, водоприймальну камеру, розташовану перед водоприймальних оголовків і обмежену від русла криволінійним порогом.

Ці споруди мають ряд недоліків, основним з них є те, що вони призначені для іригації і не працездатні в зимовому режимі, так як в них відсутні пристрої для скидання льодово-Шугові утворень, здатних викликати переповнення верхнього б'єфу і руйнування споруд.

Опускаючи докладний опис компонування нової споруди, наведеного на рис. 1, докладніше зупинимося на принципах його роботи. Річковий потік спочатку по зарегульований, а потім по подводящему руслу надходить до подпорному спорудження, при цьому авторегулятор граничного рівня і здвоєний затвор створюють необхідний тиск для переливу води через ламаний в плані наносоотбойний поріг в водоприймальну камеру.

Зважаючи на складність руху двофазної рідини, плавця і шуги та їх взаємодії з пристроями і елементами водозабірного вузла теоретично отримати оптимальні параметри споруди надзвичайно складно. Тому основні параметри водозабірної споруди визначалися експериментально шляхом проведення ряду серій модельних досліджень. Модельні дослідження споруди для малої ГЕС на р. Іссик-Ата проводилися на гідротехнічної майданчику АТВТ "Киргизводпроект" в русловому лотку, розміром 2,5 '9,0 м.

З урахуванням характеристик р. Іссик-Ата на передгірному ділянці вище села Юр'ївка, що має ухил 0,03, максимальна витрата Q10% = 63 м3 / с і мінімальний Q75% = 3,5 м3 / с, а також з урахуванням можливостей гідротехнічної майданчика і її обладнання, масштаб моделі водозабірної споруди з подводящим зарегульованим руслом був прийнятий рівним 1:25. Моделювання проводилося за відомим критерієм Фруда з дотриманням автомодельности по Рейнольдсу [7]. На рис. 2 показана модель водозабірної споруди при пропуску паводкового витрати.

Мал. 2. Модель водозабірної споруди для малої ГЕС на р. Іссик-Ата.

Фракційний склад наносів і їх зміст по вазі для витрат річки відповідної забезпеченості були підібрані за вихідними даними про твердий стік досліджуваної річки згідно з відомою методикою [5]. Розмір фракцій ваблених наносів коливався від 0,5 до 20 мм, що відповідало натурних розмірами фракцій, які за даними ПКТИ "Водавтоматіка і метрологія" мали розмір від 12,5 до 500 мм і концентрацію в річковому потоці від 0,65 до 1,3 г / л.

Фізична модель водозабірної споруди на р. Іссик-Ата мала такі основні планові розміри: ширина зарегульованого підводить русла становила 0,7 м з коефіцієнтом закладення укосів m = 1,5, що в натурі відповідало 17,34 м, радіус кривизни обриси русла становив 2,16 м (в натурі 54 , 0 м).

Загальна ширина моделі водозабірної споруди в створі підпірних затворів і (див. Рис. 1) становила 0,65 м (в натурі 16,07 м), загальна довжина бетонної частини водозабірної споруди від початку наносоотбойного порога до кінця катастрофічного водозливу (відповідна довжині водоприемной камери ) на моделі дорівнювала 0,61 м, для натурних умов - 15,3 м. Річковий проліт, що перекривається авторегулятором граничного рівня, мав ширину на моделі 0,16 м, в натурі - 4,0 м, найбільша ширина водоприемной камери становила на моделі 0,15 м, в натурі - 3,8 м. Промивний тракт н моделі мав розміри в довжину 0,14 м і ширину 0,06 м, ширина водоприймального оголовка на моделі дорівнювала 0,08 м, в натурі - 2,0 м.

Вимірювання витрати води на моделі вироблялося з використанням трьох мірних водозливів Томсона з відліковими пристосуваннями. Мірні водозливи були встановлені на вхідному оголовке перед зарегульованим руслом, в нижньому б'єфі транзитного ділянки споруди за водобійного колодязем і за головним ділянкою відвідного дериваційного каналу. Контроль вимірів витрат проводився балансовими і об'ємним методами. Витрата річки Qр на моделі змінювався від 0,5 л / с до 19,0 л / с, при витраті відбору в дериваційний канал взимку 0,5 л / с, влітку 1,18 л / с. В натурних умовах це відповідало витрат відбору QГЕС = 1,5 м3 / с взимку і QГЕС = 3,5 м3 / с влітку. Таким чином, коефіцієнт водоотбора в дериваційний канал змінювався від a в = QГЕС / Qр = 0,05 в паводок до a в = 0,83 в зимову межень. Нормальний розрахунковий напір у верхньому б'єфі споруди на моделі становив 0,074 м, в натурі - 1,85 м, максимальний напір при пропуску форсованого витрати дорівнював 0,1 м на моделі і 2,5 м в натурі.

Кількісні характеристики льодово-Шугові утворень приймалися за результатами підрахунку, проведеним по В.М.Потапову [6], а склад штучного льоду прийнятий за методикою, розробленою ТРАЙД [7].

Завданням експериментів, проведених на модельній установці, було визначення раціональної компонувальною схеми водозабірної споруди. Конструкція моделируемого енергетичного водозабірної споруди відповідно до відомими умовами [2, 4, 8] повинна була відповідати таким основним технічним вимогам, тобто забезпечувати:

• гарантований забір води у водоприймач і подачу її в деривації за заданою програмою згідно з графіком водоспоживання малої ГЕС з підтриманням необхідного витрати (± 5%) у всьому діапазоні коливань рівня в джерелі;
• ефективний захист водоприймача від надходження наносів, плавця, льодово-Шугові утворень;
• безперешкодний пропуск надлишків води, плавця, органічного сміття, наносів і льодово-Шугові утворень по транзиту шляхом формування необхідної гідравлічної структури потоку;
• близьке до природного рух потоку в подавальному та зворотному ділянках русла річки;
• автоматичне виконання основних технологічних операцій з використанням засобів гідроавтоматики;
• простоту конструкції, надійність в роботі і зручність в експлуатації при різних режимах, екстремальними з яких є літній і зимовий меженний і річний паводковий режим в джерелі.

У зв'язку з помітними конструктивними змінами відомих компонувальних схем водозабірного гідровузла було проведено ряд пошукових досліджень за визначенням гідравлічних характеристик потоку і параметрів елементів і пристроїв модернізованого споруди. До них належать такі постановочні експерименти:

1. пошук і визначення раціональних параметрів ламаного в плані наносозащітного порога;
2. визначення коефіцієнта витрати водного потоку при закінченні через ламаний в плані наносозащітний поріг (при працюючому і непрацюючому затворі-автоматі);
3. пошук і визначення ефективної конструкції промивного тракту водозабірної споруди;
4. дослідження конструкцій водоприемной камери на предмет безперешкодного транзиту потрапив в неї плавця;
5. визначення коефіцієнтів шугонасищенія, як показника, що характеризує шугосбросную здатність здвоєного затвора.

Основним результатом пошукових досліджень стало забезпечення гарантованого забору води в деривації при трьох гідрологічних режимах річки. Крім того, дослідження підтвердили необхідну величину кута a між динамічної віссю потоку і гранню протівонаносного порога, певну раніше з теоретичної залежності як функції середньозваженого ухилу річки iр і меженний витрати річки Q м a = f (iр, Q м).

За результатами експериментальних досліджень, максимальне значення коефіцієнта витрати наносозащітного порога склало m = 0,44.

Знайдена конструкція промивного тракту не тільки поліпшила наносозащітние характеристики водозабірної споруди, а й створила більш сприятливі умови для транзиту плавника і льодово-Шугові утворень. Це відбувалося завдяки наступного гідравлічному ефекту. При пропуску паводкових витрат в тілі водоприемной камери на підвищеній ступені виникав косою гідравлічний стрибок, валец якого переміщався в сторону зниженою ступені. Переміщення вальца переходило в поступальний рух струменя, яке гасилось в зоні зниженою ступені водоприемной камери поза зоною водоприймального оголовка. В результаті цього плаваючий сміття з вальца гідравлічного стрибка у берегового підвалини транспортується через гребінь катастрофічного водозливу в нижній б'єф споруди. Цей ефект спостерігався при співвідношеннях:

Рг = (1 ¸ 1,3) Нк (1)
і
bк = (3 ¸ 3,5) Нк (2)

де Рг - висота протівонаносного порога в його кінці з боку водоприемной камери;
Нк - напір води над гребенем протівонаносного порога в його кінці;
bк - максимальна ширина водоприемной камери.

Максимальний коефіцієнт шугонасищенія при скиданні шуги через верх здвоєного затвора склав 0,2 ¸ 0,25, що відповідає існуючим нормам [5].

Таким чином, попередні дослідження нової конструкції водозабірної споруди підтвердили його працездатність при основних режимах експлуатації. Продовження теоретичних і експериментальних досліджень ефективності пропонованого водозабірної споруди для малої ГЕС на р. Іссик-Ата заплановано провести на базі полігону гідротехніки і енергетики КРСУ в с. Кой-Таш Аламедінского району.

література

1. Ботбаев Б.А., Давидов І., Мавлянбеков Ш.У., Зирянов У. Великі проблеми малої енергетики // Економічний вісник. - №4. - 1999. - С. 3-9.

2. Соболині Г.В. Водозабірні вузли для зрошувальних систем гірничо-передгірної зони // Кірг.НІІ економіки агропромислового комплексу. - Фрунзе, 1990. - 199 с.

3. А. св. СРСР №1137148. Водозабірних споруд / Бочкарьов Я.В. та ін. // Б.І. - 1985. - №4

4. Лавров Н.П. Гідротехнічні споруди для малих ГЕС / КРСУ. - Бішкек, 2001. - 150 с.

5. Талмаза В.П., Крошкін А.Н. Гідроморфометріческіе характеристики гірських річок // Кирг. НДІ водного господарства. Киргизстан. - Фрунзе, 1968. - 254 с.

6. Потапов В.М. Льодовий режим дериваційних сільських гідростанцій. - М., 1955.

7. Шарп Дж. Гідравлічне моделювання / Пер. з англ. Л.С. Яскині - М .: Світ, 1984. - 280 с.

8. Філончіков А.В. Проектування автоматизованих водозабірних вузлів на гірських річках. - Фрунзе: Киргизстан, 1990. - 371 с.

Назад до змісту випуску