ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ПОДЗЕМНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ НИЖНЕГО БАССЕЙНА И КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ПРОХОДКИ НИЖНЕГО БАССЕЙНА
HYDRAULIC ACCUMULATING POWER STATION WITH UNDERGROUND LOCATION OF LOWER POOL AND COMBINED METHOD OF LOWER POOL TUNNELLING

Изобретение относится к области гидротехнического строительства, в частности к строительству высоконапорных гидроаккумулирующих электростанций с подземным расположением нижнего бассейна.
Высоконапорная ГАЭС с подземным бассейном является экологически чистым высокоманевренным электрическим объектом, способным оказывать комплексные системные услуги: общее первичное, автоматическое вторичное и третичное регулирование мощности, выполнение функций потребителя с регулируемой нагрузкой и синхронного компенсатора, предотвращение аварийных ситуаций, вывод энергосистем из аварий и др. ГАЭС отличается от других энергетических источников своим размещением непосредственно в центре потребления, что позволяет с минимальными потерями электроэнергии оперативно реагировать на изменение электрической нагрузки. Более того возможно размещение ГАЭС с подземным расположением нижнего бассейна на равнинах, где по топографическим условиям невозможно строительство высоконапорных ГАЭС и где, как правило, размещаются основные потребители электроэнергии.
Наиболее близкими по технической сути и достигаемому техническому результату является гидроаккумулирующая электростанция с подземным расположением нижнего бассейна, содержащая бассейн, расположенный на поверхности земли, водозаборное сооружение, вертикальный напорный водовод, коммуникационную шахту, аэрационную шахту, наклонную шахту выдачи мощности, станционный узел с гидроагрегатами, нижний бассейн с основными камерами и наклонный транспортный туннель и способ проходки нижнего бассейна включающий проходку основного наклонного транспортного туннеля от поверхности к подземным сооружениям с помощью туннелепроходческого механизированного комплекса и сооружение основных камер нижнего бассейна. (RU 2005128637, кл. E02B 9/00, опублик. 20.03.2007 г.).
Недостатками технического решения является то, что выдача породы ведется либо по конвейеру или с помощью рельсового электрифицированного транспорта на всю длину нижнего бассейна, что существенно удлиняет длину пути выдачи отработанной породы. Также в данной конструкции предусмотрено, что каждый агрегат соединен со своим изолированным участком спирали, что вызывает необходимость обустройства индивидуальной аэрационной шахты для каждого автономного участка спирали. При такой конструкции существенно удлиняются отсасывающие трубы агрегатов, и также возможны значительные колебания воды в нижнем бассейне, что увеличивает риски обрушения свода камер.
Технический результат от использования изобретения заключается в том, что оно позволяет решить проблему размещения высоконапорных ГАЭС на равнинных территориях путем устройства нижнего бассейна и напорно-станционного узла под землей на глубинах от 300 м до 2000 м., а также позволяет оптимизировать производство работ и максимально механизировать проходку подземных выработок путем совместного использования открытых производительных туннелепроходческих механизированных комплексов (грипперные ТПМК) и современного комплекса оборудования для выполнения буровзрывных работ.
Указанный технический результат достигается тем, что в гидроаккумулирующей электростанции с подземным расположением нижнего бассейна, содержащей бассейн, расположенный на поверхности земли, водозаборное сооружение, вертикальный напорный водовод, коммуникационную шахту, аэрационную шахту, наклонную шахту выдачи мощности, станционный узел с гидроагрегатами, нижний бассейн с основными камерами и наклонный транспортный туннель, нижний бассейн дополнительно имеет короткие туннели, соединительные галереи, напорные соединительные водоводы и распределительную камеру, при этом основные камеры нижнего бассейна выполнены в виде спирально расположенных туннелей в плане, а станционный узел с гидроагрегатами размещен в центре спиралей нижнего бассейна, причем гидроагрегаты станционного узла посредством отсасывающих труб и коротких туннелей соединены с распределительной камерой, которая посредством напорных соединительных водоводов, размещенными радиально относительно нее, соединена с основными камерами нижнего бассейна, и комбинированным способом проходки нижнего бассейна, включающем проходку основного наклонного транспортного туннеля от поверхности к подземным сооружениям с помощью туннелепроходческого механизированного комплекса и сооружение основных камер нижнего бассейна, параллельно основному наклонному туннелю проходят дополнительный транспортный туннель и затем осуществляют сооружение нижнего бассейна, который является продолжением транспортных туннелей, при этом сооружение нижнего бассейна ведут в два этапа: на первом этапе проходят пилотную выработку открытым туннелепроходческим механизированным комплексом, а на втором этапе ведут доработку до проектного контура буровзрывным методом, причем одновременно с проходкой основных камер нижнего бассейна сооружают станционный узел с гидроагрегатами, который располагают в центре спиралей нижнего бассейна.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен план подземного комплекса сооружений, на фиг.2 - поперечный разрез нижнего бассейна по Б-Б, на фиг.3 - Поперечный разрез ГАЭС с подземным нижним бассейном по А-А и на фиг.4 - Разрез станционного узла по А-А.
В состав ГАЭС с подземным нижнем бассейном, сооружаемый комбинированным способом, по изобретению входят: верхний бассейн 1, расположенный на поверхности земли, водоприемник 2, напорный водовод 3, станционный узел с гидроагрегатами 4, распределительная камера 5, напорные соединительные водоводы 6, основные камеры нижнего бассейна 7, наклонная шахта выдачи мощности 8, основной наклонный транспортный туннель 9, коммуникационная шахта 10, аэрационная шахта 11, короткие туннели 12, соединительные галереи 13.
Основные камеры нижнего бассейна 7 выполнены в виде спирально расположенных туннелей в плане. Спирали туннелей являются продолжением основного наклонного транспортного туннеля 9 и наклонной шахты выдачи мощности 8, используемого в качестве второго наклонного транспортного туннеля, которые обеспечивают доступ на глубине к основным камерам нижнего бассейна. Станционный узел с гидроагрегатами 4 расположен в центре спиралей нижнего бассейна. При таком расположении станционного узла обеспечивается наиболее благоприятный гидравлический режим в нижнем бьефе, т.к. обеспечивается опорожнение и наполнение основных камер нижнего бассейна 7 по секторам. Гидроагрегаты станционного узла 4 с помощью отсасывающих труб и коротких туннелей 12 соединены с распределительной камерой 5, которая служит для распределения потоков жидкостей и уменьшения колебаний уровней воды в основных камерах нижнего бассейна 7. Распределительная камера 5 с помощью радиальных напорных соединительных водоводов 6 соединена с основными камерами нижнего бассейна 7. Напорные соединительные водоводы располагаются радиально от распределительной камеры 5 для обеспечения слива воды по секторам из основных камер нижнего бассейна 7. Основные камеры нижнего бассейна 7 соединены друг с другом с помощью соединительных галерей 13. Соединительные галереи 13 и напорные соединительные водоводы 6 позволяют перераспределять выдачу породы в строительный период, тем самым сократив длину выдачи породы по конвейеру, а также увеличить количество забоев. Аэрационная шахта 11, служит для возврата и подачи воздуха при заполнении и опорожнении нижнего бассейна. Так как основные камеры нижнего бассейна работают в безнапорном режиме, то необходима только одна аэрационная шахта. Коммуникационная шахта 10 необходима для доставки персонала и мелких грузов, вентиляции и аэрирования и прокладки коммуникационных связей.
Описанная ГАЭС работает следующим образом. В турбинном режиме вода из верхнего бассейна 1 через водоприемник 2 поступает в напорный водовод 3, через который вода подается к гидроагрегатам станционного узла 4. С помощью гидроагрегатов энергия потока преобразуется в электроэнергию и выдается в энергосистему с помощью наклонной шахты выдачи мощности 8. Пройдя агрегатную зону, вода поступает через отсасывающие трубы и короткие туннели 12 в распределительную камеру 5, где гасятся основные колебания. Через напорные соединительные водоводы 6 вода поступает в основные камеры нижнего бассейна 7 по секторам, где использованный объем воды аккумулируется. Основные камеры нижнего бассейна 7 соединены друг с другом с помощью соединительных галерей 13. В насосном режиме вода из основных камер нижнего бассейна 7 с помощью гидроприводов 4 перекачивается в верхний бассейн 1, проходя обратный путь. Тем самым основные камеры нижнего бассейна 7 опорожняются и снова готовы к новому циклу генерации.
Способ сооружения нижнего бассейна гидроаккумулирующей электростанции осуществляется следующим образом.
Нижний бассейн гидроаккумулирующей электростанции сооружают комбинированным способом проходки, а именно проходку основных камер нижнего бассейна осуществляют в два этапа: на первом этапе механизированным способом создают пилотную выработку с помощью открытого туннелепроходческого механизированного комплекса (грипперная ТПМК), а на втором этапе ведут доработку до проектного контура буровзрывным способом в прочных скальных породах. Туннели проходят в виде спирально расположенных выработок в плане. Спирали являются продолжением основного наклонного транспортного туннеля 9 и наклонной шахты выдачи мощности 8, которую используют в качестве второго наклонного транспортного туннеля. Туннели 8 и 9 обеспечивают доступ на глубине к основным камерам нижнего бассейна. Наклонные транспортные туннели, выполненные в виде спирали, позволяют сделать подходные выработки к вертикальным шахтам - напорному водоводу 3, коммуникационной шахте 10, аэрационной шахте 11, что ускорит проходку этих шахт.
Основной наклонный транспортный туннель 9 от поверхности к подземным сооружениям проходят с помощью туннелепроходческого механизированного комплекса. Туннель проходят спирально в плане и в поперечном сечении имеет форму круга. Уклон туннеля подбирают из условия технической возможности транспортных средств, которые обеспечивают вывоз породы и оборудования на поверхность с глубины - автомобили, конвейеры, рельсовый транспорт. Диаметр поперечного сечения может варьироваться от 6 м до 19 м, и подбирается в зависимости от условий провоза тяжеловесного негабаритного оборудования геологических условий - при увеличении диаметра ТПМК увеличиваются риски вывалов и обрушений в туннеле, и, экономических соображений - учет дополнительного крепления и возможного использования ТПМК в дальнейшем при проходке основных камер нижнего бассейна. Транспортный туннель может проходиться как в мягких, так и в скальных грунтах, а нижний бассейн и станционный узел проходят в прочных скальных грунтах. Одновременно с основным наклонным транспортным туннелем проходят второй наклонный транспортный туннель меньшего сечения (диаметром от 6 м до 9 м) параллельно основному с целью ускорения работ по сооружению нижнего бассейна и станционного узла и улучшения условий и безопасности при производстве работ и в период эксплуатации на большой глубине. Второй наклонный транспортный туннель обеспечивает надежность транспортного обслуживания строительства и эксплуатации ГАЭС в целом, а также впоследствии в этом туннеле устраивают наклонную шахту выдачи мощности 8, что позволяет отказаться от возведения дополнительной вертикальной шахты.
После сооружения транспортных туннелей сразу же начинают сооружение нижнего бассейна, который является продолжением транспортных туннелей. Разработку нижнего бассейна ведут в два этапа. На первом этапе грипперными ТПМК круглого сечения одновременно ведут разработку верхнего яруса основных камер нижнего бассейна. Диаметр ТПМК подбирают в диапазоне от 6 м до 19 м в зависимости от полезной емкости нижнего бассейна, геологических условий и экономической целесообразностью, а именно:
- при увеличении диаметра ТПМК уменьшается длина нижнего бассейна и, наоборот, при уменьшении диаметра увеличивается длина нижнего бассейна;
- при увеличении диаметра ТПМК увеличивается риск обрушений и вывалов, что требует дополнительных затрат на крепление. При уменьшении диаметра, наоборот, риск вывалов и обрушений уменьшается;
- необходимо технико-экономическое сопоставление для определения оптимального диаметра ТПМК, исходя из затрат на крепление и увеличение длины нижнего бассейна.
Радиус спиралей нижнего бассейна определяют из условия выдачи отработанной породы и возможностями ТПМК, т.е. возможным радиусом поворота ТПМК и возможным радиусом поворота ленты конвейера для его надежной и бесперебойной работы. Выбор конструкции крепления свода определяется из геологических условий и экономической целесообразностью, т.е. при проходке нижнего бассейна в сохранных скальных грунтах требуется минимальная обделка в виде анкеров и набрызг-бетона по сетке, а в слабых трещиноватых скальных породах требуется дополнительная обделка камер нижнего бассейна, что приводит к удорожанию. Получившиеся в результате проходки выработки являются верхним ярусом основных камер нижнего бассейна.
Затем на втором этапе выполняют доработку этих выработок до проектного контура буровзрывным способом (методом уступа производят рыхление породы с контурным взрыванием). Этот метод возведения основных камер нижнего бассейна 7 позволяет увеличить площадь полезного сечения от 1,5 до 3 раз, тем самым сократив общую длину выработок основных камер нижнего бассейна. Такой подход к разработке основных камер нижнего бассейна позволяет выбирать для проходки грипперные ТПМК сравнительно небольших диаметров (от 6 м до 10 м), удешевляя проект и уменьшая вероятность обрушения свода камер при проходке грипперными ТПМК больших диаметров (от 10 м до 19 м). Более того в этом случае улучшается гидравлический режим при опорожнении основных камер нижнего бассейна (ГАЭС работает в насосном режиме) путем выполнения их дна с уклоном. При этом основные камеры нижнего бассейна работают в безнапорном режиме.
Так как форма и размеры сечения основных камер нижнего бассейна определяются из условий расположения нижнего бассейна: с увеличением глубины вертикальные напряжения в скальном массиве возрастают, а горизонтальные меняются не по линейному закону. При этом необходимо оптимизировать форму выработки, которая в свою очередь также зависит от технологии проходки и конструкции крепления.
Параметры сечения (размеры и форма выработки) и конструкция крепи основных камер нижнего бассейна в скальном массиве определяется на основании расчетов. Расчет включает в себя определение напряженно-деформационного состояние (НДС) скального массива в районе размещения указанных подземных выработок. Расчет НДС скального массива выполняется методом конечных элементов. При этом методе при заданных параметрах выработки прилегающий массив разбивается на отдельные элементы (конечные элементы) в которых с помощью современных компьютерных программ определяют напряжения и перемещения.
Исходя из перечисленного, при комбинированном способе проходки возможно подобрать оптимальную конфигурацию сечения основных камер нижнего бассейна с учетом напряженно-деформированного состояния скального массива на глубинах от 300 м до 2000 м, технологии проходки и конструкции крепления.
Во время проходки нижнего бассейна также ведут проходку радиальных напорных соединительных водоводов 6 и распределительной камеры 5. Напорные соединительные водоводы 6 разводят в радиальном направлении от распределительной камеры 5 к основным камерам нижнего бассейна 7, тем самым обеспечивают благоприятный гидравлический режим работы ГАЭС. При этом напорные соединительные водоводы во время разработки основных камер нижнего бассейна механизированным и буровзрывным способом служат вспомогательными транспортными выработками для вывоза отработанной породы. Это позволяет увеличить количество забоев при проходке и тем самым сократить срок строительства. Распределительная камера 5 служит для распределения потоков жидкостей и уменьшения колебаний уровней воды в основных камерах нижнего бассейна, таким образом, распределительная камера 5 выступает в роли уравнительного резервуара.
Одновременно с проходкой основных камер нижнего бассейна 7 сооружают станционный узел с гидроагрегатами 4, который располагают в центре спиралей нижнего бассейна. При таком расположении станционного узла обеспечивается наиболее благоприятный гидравлический режим в нижнем бьефе, т.к. обеспечивается опорожнение и наполнение основных камер нижнего бассейна по секторам. Так же сооружают отсасывающие трубы гидроагрегатов машинного зала ГАЭС, короткие туннели 12, которые соединяют с распределительной камерой 5, напорный водовод 3 и аэрационную шахту 11, которая служит для возврата и подачи воздуха при заполнении и опорожнении нижнего бассейна. Так как нижний бассейн работает в безнапорном режиме, то необходима только одна аэрационная шахта. Коммуникационную шахту 10, необходимую в эксплуатационный период для доставки персонала и мелких грузов, вентиляции и аэрирования и прокладки коммуникационных связей, сооружают одновременно с основными сооружениями подземного комплекса.
Применение данных решений по обустройству нижнего бассейна по сравнению со всеми известными компоновками ГАЭС и способами их строительства обеспечивают:
- возможность сокращения сроков строительства за счет непрерывного ведения подземных работ с совместным использованием открытых высокопроизводительных туннелепроходческих механизированных комплексов и современных комплексов оборудования для выполнения буровзрывных работ;
- возможность использования грипперных ТПМК небольших диаметров (от 6 м до 10 м);
- возможность выбора оптимальной конфигурации сечения основных камер нижнего бассейна с точки зрения улучшения гидравлического режима в нижнем бьефе путем устройства необходимого уклона дна и напряженно-деформированного состояния на глубинах от 300 м до 2000 м.