ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С ПОДЗЕМНЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ НИЖНЕГО БАССЕЙНА И СПОСОБ ПРОХОДКИ НИЖНЕГО БАССЕЙНА
HYDRAULIC ACCUMULATING POWER PLANT WITH UNDERGROUND LOCATION OF BOTTOM POND AND METHOD OF BOTTOM POND 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.
Известна гидроаккумулирующая электростанция, включающая верхний бассейн, здание станции и нижний бассейн, выполненный из нескольких туннелей, которые расположены радиально и соединены в центре вертикальной шахтой, а их периферийная часть соединена кольцевой выработкой (Патент SU №1033628, кл. Е02В 9/00, опублик. 07.08.1983 г.).
Недостатками описанной ГАЭС являются прохождение нижнего бассейна буровзрывным способом, что увеличивает риски, обрушения и вывалов, значительные затраты на крепление таких выработок с учетом переборов. В данной конструкции гидравлический режим в нижнем бассейне при опорожнении будет не оптимальным из-за длинных путей подвода воды к насосам. Кроме того при наполнении в таком бассейне будут значительные колебания воды, что увеличивает риски обрушения свода камер нижнего бассейна.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является гидроаккумулирующая электростанция с подземным расположением нижнего бассейна, содержащая бассейн, расположенный на поверхности земли, водозаборное сооружение, вертикальную шахту напорного водовода, коммуникационную шахту, аэрационные шахты, вертикальную шахту выдачи мощности, машинный зал с агрегатными блоками, нижний бассейн с основными камерами и наклонный транспортный туннель, а так же 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. Е02В 9/00, опублик. 20.03.2007 г.).
Недостатком описанной ГАЭС является то, что в данной конструкции 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 изолированном 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 обеспечении возможности размещения высоконапорных ГАЭС на равнинных территориях, на больших глубинах от 300 м до 2000 м, оптимизации производства работ, и в максимальной механизации проходки подземных выработок, путем широкого использования производительных туннелепроходческих механизированных комплексов (ТПМК).
Указанный технический результат достигается тем, что в гидроаккумулирующей электростанции с подземным расположением нижнего бассейна, содержащей бассейн, расположенный на поверхности земли, водозаборное сооружение, вертикальную шахту напорного водовода, коммуникационную шахту, аэрационные шахты, вертикальную шахту выдачи мощности, машинный зал с агрегатными блоками, нижний бассейн с основными камерами и наклонный транспортный туннель, нижний бассейн дополнительно имеет короткие туннели, соединительные галереи, специальную камеру переключения, напорные соединительные водоводы, и распределительную камеру, при этом основные камеры нижнего бассейна выполнены в виде спирально расположенных туннелей в плане круглого сечения, а агрегатные блоки станционного узла посредством отсасывающих труб и коротких туннелей соединены с распределительной камерой, которая в свою очередь соединена с основными камерами нижнего бассейна с помощью напорных соединительных водоводов, причем основные камеры нижнего бассейна соединены друг с другом с помощью соединительных галерей и 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, при проходке основных камер нижнего бассейна сооружают специальную камеру переключения для перераспределения выдачи породы во время проходки и сокращения длины выдачи породы по конвейеру.
Изобретение 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; на фиг.4 - разрез по станционному узлу по А-А.
В состав ГАЭС с подземным нижнем бассейном входит: верхний бассейн 1 (водохранилище), расположенный на поверхности земли, водозаборное (водовыпускное) сооружение 2, напорный водовод 3, станционный узел с агрегатными блоками 4, распределительная камера 5, напорные соединительные водоводы 6, основные камеры нижнего бассейна 7, основной наклонный транспортный туннель 8, коммуникационная шахта 9, короткие туннели 10, соединительные галереи 11, специальная камера переключения 12, аэрационная шахта 13, вертикальная шахта выдачи мощности 14.
Компоновка ГАЭС предусматривает выполнение основных камер нижнего бассейна 7 в виде спирально расположенных туннелей в плане круглого сечения. Спирали являются продолжением основного наклонного транспортного туннеля 8, который обеспечивает доступ на глубине к основным камерам нижнего бассейна. Наклонный транспортный туннель выполняется с использованием ТПМК. Агрегатные блоки станционного узла 4 с помощью отсасывающих труб и коротких туннелей 10 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 напорных соединительных водоводов 6 соединена с основными камерами нижнего бассейна 7. Основные камеры нижнего бассейна 7 соединены друг с другом с помощью соединительных галерей 11. Соединительные галереи 11 и специальная камера переключения 12 позволяют перераспределять выдачу породы во время проходки, тем самым сократив длину выдачи породы по конвейеру.
Станционный узел с агрегатными блоками 4 расположен рядом с основным наклонным транспортным туннелем 8. При таком расположении станционного узла обеспечиваются минимальные длины возки породы от забоев к пункту выдачи породы, а наполнение и опорожнение основных камер нижнего бассейна воды обеспечивается сразу для всех агрегатов по полукругу.
Описанная ГАЭС работает следующим образом.
В часы резкого всплеска энергопотребления ГАЭС работает в режиме генерации электроэнергии (турбинный режим), а в часы избытка электроэнергии в энергосистеме работает в режиме потребителя электроэнергии (насосный режим). В турбинном режиме вода из верхнего бассейна 1 через водозаборное сооружение 2 поступает в напорный водовод, через который вода подается к агрегатным блокам станционного узла 4. С помощью агрегатных блоков энергия потока преобразуется в электроэнергию и выдается в энергосистему. Пройдя агрегатную зону, вода поступает через отсасывающие трубы и короткие туннели 10 в распределительную камеру 5, где гасятся основные колебания. Через напорные соединительные водоводы 6 вода поступает в основные камеры нижнего бассейна 7, где использованный объем воды аккумулируется. Основные камеры нижнего бассейна 7 соединены друг с другом с помощью соединительных галерей 11. В насосном режиме вода из основных камер нижнего бассейна 7 с помощью агрегатных блоков 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 проходки нижнего бассейна ГАЭС по изобретению осуществляется следующим образом. Выполняют проходку основного наклонного транспортного туннеля 8 от поверхности к подземным сооружениям с помощью туннелепроходческого механизированного комплекса. Туннель проходят спирально в плане, и в поперечном сечении он имеет форму круга. Основной наклонный транспортный туннель 8, выполненный в виде спирали позволяет сделать подходные выработки к вертикальным шахтам (напорный водовод 3, коммуникационная шахта 9, аэрационная шахта 13), что ускорит проходку этих шахт. 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 транспортного туннеля может варьироваться от 6 м до 19 м, и подбирают в зависимости от условий провоза тяжеловесного негабаритного оборудования, геологических условий и экономических соображений. Транспортный туннель могут проходить как в мягких, так и в скальных грунтах, а нижний бассейн и станционный узел проходят в скальных грунтах.
После сооружения транспортного туннеля 8 сразу же начинают проходку нижнего бассейна 7 одним ТПМК, который является продолжением транспортного туннеля. При необходимости в это же время производят монтаж второго ТПМК. Разработку нижнего бассейна возможно вести несколькими ТПМК круглого сечения одновременно. Диаметр ТПМК подбирают в диапазоне от 6 м до 19 м в зависимости от полезной емкости нижнего бассейна, геологических условий и экономической целесообразности, 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.
При этом параметры сечения (диаметр) и конструкция крепи основных камер нижнего бассейна и транспортного туннеля в скальном массиве определяют на основании расчетов. Расчет включает в себя определение напряженно-деформационного состояние (НДС) скального массива в районе размещения указанных подземных выработок. Расчет НДС скального массива выполняют методом конечных элементов. При этом методе при заданных параметрах выработки прилегающий массив разбивают на отдельные элементы (конечные элементы) в которых с помощью современных компьютерных программ определяют напряжения и перемещения.
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. Крепление выработок определяют из геологических условий и экономической целесообразности, 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 железобетонная обделка камер нижнего бассейна, что приводит к удорожанию. После проходки первого витка спирали выдача отработанной породы производят через специальную камеру переключения 12, сокращая длину пути конвейера. Получившиеся в результате проходки выработки являются основными камерами нижнего бассейна 7.
В нижнем бассейне также сооружают напорные соединительные водоводы 6 и распределительную камеру 5 и соединительные галереи 11. Распределительная камера 5 служит для распределения потоков жидкостей и уменьшения колебаний уровней воды в основных камерах нижнего бассейна. Соединительные галереи 11 служат для обеспечения свободного перетока воды из одной камеры в другую, улучшая гидравлический режим. Такая конструкция нижнего бассейна и расположение станционного узла позволяет обеспечить наполнение и опорожнение воды сразу для всех агрегатов по полукругу.
Одновременно с проходкой основных камер нижнего бассейна 7 сооружают станционный узел с агрегатными блоками 4 рядом с основным наклонным транспортным туннелем (при таком расположении станционного узла обеспечивают минимальные длины возки породы от забоев к пункту выдачи породы); отсасывающие трубы агрегатных блоков 4, которые соединяют короткими туннелями 10 с распределительной камерой 5; напорные соединительные водоводы 6 и распределительную камеру 5, которая служит для распределения потоков жидкостей и уменьшения колебаний уровней воды в основных камерах нижнего бассейна.
Коммуникационную шахту 9, необходимую в эксплуатационный период для доставки персонала и мелких грузов, вентиляции и аэрирования и прокладки коммуникационных связей, сооружают одновременно с основными сооружениями подземного комплекса.
Использование изобретения по сравнению со всеми известными конструкциями ГАЭС и способами их строительства при минимальном экологическом ущербе обеспечивает:
- возможность сокращения сроков строительства за счет непрерывного ведения подземных работ с использованием высокопроизводительных туннелепроходческих механизированных комплексов;
- возможность обустройства подземного нижнего бассейна в слабых и трещиноватых скальных грунтах.