ЗАКРЫТЫЙ ТРУБЧАТЫЙ ЭНЕРГОВОДОСБРОС НА ПЛОТИНАХ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Полезная модель относится к гидротехническим сооружениям, в частности, к строительству гидроэлектростанций на больших и малых реках.
В современных конструкциях плотин гидроэлектростанций обязательным элементом сооружений является наличие открытого водосброса излишков воды из верхнего бассейна в нижний через специальные отверстия, располагаемые в теле плотины. Водосброс излишков воды включается в случаях, когда происходит колебание расхода воды в живом сечении русла реки при межсезонных или метеорологических факторах.
Открытый водосброс хорошо работает на гидроэлектростанциях, сооружаемых в районах с теплым или умеренным климатом, когда зимние температуры окружающего воздуха не ниже точки замерзания воды.
При сооружении плотин в суровых климатических районах, где зимние отрицательные температуры окружающего воздуха значительно ниже точки замерзания воды, открытый водосброс требует больших затрат при обслуживании сооружения из-за обледенения лотков водосброса. Кроме этого значительный объем воды, накопленный в верхнем бассейне гидросооружения, сбрасывается в нижний бассейн вхолостую, не принося никакой пользы, а только разрушая тело плотины.
Целью данного предложения является уменьшение трудозатрат при эксплуатации гидротехнических сооружений, расположенных в суровых климатических условиях, а также получение дополнительной электроэнергии от фактора накопления объема воды в верхнем бассейне гидросооружения, которая до настоящего времени теряется безвозвратно.
Для решения поставленных задач предлагается устройство закрытого энерговодосброса из верхнего бассейна гидроэлектростанции на нижний бьеф с помощью металлических труб большого диаметра, укладываемых через верхний гребень вдоль тела плотины и с погружением одного конца труб, используемых в качестве водозабора, в верхний бассейн (водозаборный конец трубы), а другого конца труб, располагаемого на противоположном склоне плотины ниже самого минимального уровня горизонта воды в верхнем бассейне - применять в качестве дополнительного источника получения электроэнергии (сбросовый конец трубы). Для этого водосброс, осуществляемый по трубам, после прохода нижней задвижки происходит в специальных открытых лотках, на которых каскадно до самого нижнего бьефа устанавливаются электрогидроагрегаты колесного типа, подобные мельничным колесам на малых реках.
Принцип работы водосброса по трубе основан на известном в гидравлике так называемом явлении сифона, когда вода из одной емкости перетекает по шлангу в другую емкость, расположенную ниже первой, причем с целью запуска водотока в шланге предварительно создается разряжение (вакуум), а нижний конец шланга (водосбрасывающий) должен располагаться ниже уровня жидкости в первой емкости.
На фиг.1 показан разрез плотины с расположением водосбрасывающей трубы и с установленными электрогидроагрегатами колесного типа на нижней водосбрасывающей части открытых лотков.
На фиг.2 показан вид предлагаемого энерговодосброса со стороны нижнего бьефа.
На фиг.3, 4 показан электрогидроагрегат колесного типа.
На фиг.5 показана верхняя часть водосбрасывающей трубы.
Заявляемый закрытый энерговодосброс содержит набор металлических труб 1 расчетного диаметра и определенной длины, перекинутых через гребень плотины 2, один конец каждой трубы погружен в бассейн на верхнем бьефе, а другой конец расположен ниже самого минимального уровня горизонта воды верхнего бассейна.
Водосбрасывающий конец трубы 1, после установленной на нем задвижки 3, соединен с открытым лотком 4, на котором каскадно устанавливаются колесные электрогидроагрегаты 5 до самого нижнего бьефа. Количество электрогидроагрегатов зависит от высоты плотины гидросооружения.
На водозаборном конце трубы также установлена задвижка 6, а в наивысшей части трубы (наверху гребня плотины) вварены воздушный клапан 7 и присоединительный патрубок 8 с задвижкой 9, служащий для подсоединения водяного насоса (на чертеже не показан), заполняющего трубу водой при закрытых задвижках 3 и 6 на концах трубы 1 в период запуска водосброса.
Для запуска водосброса к трубе 1 подсоединяется водяной насос через патрубок 8, открывается воздушный клапан 7 и закрываются задвижки 3 и 6 на обоих концах трубы 1. После этого насосом (на чертеже не показан) перекрытая часть трубы 1 задвижками 3 и 6 заполняется водой до положения, когда вода начнет вытекать из воздушного клапана 7, при этом в трубе не должно быть пространств не заполненных водой.
После заполнения трубы 1 закрывается воздушный клапан 7 и задвижка 9 на патрубке 8 водяного насоса, прекращается подача насосом воды и открываются задвижки 3, 6 на концах трубы 1. В трубе создается поток, работающий по принципу сифона.
В таком режиме водосброс будет функционировать до тех пор пока горизонт воды в верхнем бассейне не понизится ниже отметки, считая от верхнего перегиба трубы, до того уровня при котором сифон может еще работать.
Так как предельное значение вакуума составляет примерно 10 м водяного столба, то, учитывая наличие потерь в сифоне, а также невозможность большого понижения давления в нем, во избежании кавитации, высота падения горизонта воды верхнего бассейна будет составлять не более 7-8 м. В предлагаемом энерговодосбросе вакуум в трубе 1 будет создаваться падающим потоком воды в водосбрасывающем отрезке трубы 1.
При работе энерговодосброса водозаборный конец трубы должен постоянно находиться в погруженнном состоянии, а водосбрасывающий конец - ниже минимального уровня горизонта воды в верхнем бассейне.
Количество труб водосброса, перекинутых через гребень плотины, определяется расчетным путем в зависимости от требующегося максимального объема воды необходимого для пропуска через водосброс, устанавливаемый на основе технического проекта гидросооружения.
На водосбрасывающем конце трубы, где установлены электрогидроагрегаты 5 колесного типа, вырабатывающие дополнительную электроэнергию, сооружается помещение 10 для обслуживания этих агрегатов, а сами электрогидроагрегаты закрываются съемными кожухами 11.
Все трубопроводные системы закрываются теплоизоляционным каркасом 12 для предотвращения замерзания воды в трубах в холодные периоды года.
На малых реках, где нет возможности устанавливать большие турбоагрегаты классического типа, такой водосброс будет работать как гидроэлектростанция, используя только электрогидроагрегаты колесного типа.
Преимущества закрытого трубчатого энерговодосброса перед открытым представляются в следующем:
- дополнительно вырабатывается электроэнергия сбрасываемым потоком воды, которая включается в общую энергетическую систему;
- исчезают проблемы с оледенением водосброса в зимний период при длительных отрицательных температурах окружающего воздуха;
- не происходит разрушения тела плотины (в лотках) как в открытом водосбросе;
- упрощается и облегчается ремонт всего сооружения на водосбросе путем выключения отдельных труб или замены их новыми;
- из-за отсутствия водосливных отверстий упрощается и не ослабляется тело плотины;
- не нарушается экология окружающего пространства в районе водосброса;
- установка каскадно дополнительных гидроагрегатов колесного типа в свободной части водосброса замедляет скорость потока падающей воды, что уменьшает степень разрушения основания плотины.
Повышенные затраты, необходимые на изготовление и монтаж данной конструкции энерговодосброса компенсируются упрощением конструкции тела плотины и снижением эксплуатационных расходов в период работы гидросооружения в холодное время года.
Предлагаемую конструкцию энерговодосброса можно использовать как на уже эксплуатируемых гидроэлектростанциях, так и на вновь проектируемых.
Кроме этого, по такому же принципу можно запроектировать водозабор и на водоканалах, подающих воду на агрегаты турбин основного сооружения, что расширит диапазон колебания уровня горизонта воды в верхнем бассейне без прекращения работы основных гидроагрегатов.
Технологический уровень производства достигнутый в области строительства трубопроводных систем в нефтяной и газовой отраслях промышленности позволяет осуществить сооружение закрытого трубчатого энерговодосброса на всех гидротехнических сооружениях, работающих и строящихся в суровых климатических условиях.