ВОДОЗАБОРНОЕ СООРУЖЕНИЕ ДЛЯ ДЕРИВАЦИОННЫХ ГЭС И НАСОСНЫХ СТАНЦИЙ

Полезная модель относится к гидротехнике и может быть использована при водозаборе в гидроэнергетические, ирригационные системы и системы водоснабжения из горных рек, транспортирующих наносы.
Известно водозаборное сооружение для горных рек, которое включает размещенный на берегу водоприемный оголовок, оборудованный стабилизатором расхода воды. В русле горной реки устроено подпорное сооружение, имеющее речной пролет с авторегулятором предельного уровня, затвор промывного отверстия, криволинейный в плане катастрофический водослив водоприемной камеры с затвором в концевой части, сбросной водослив верхнего бьефа сооружения с наносоотводящим отверстием в начальной части. Водоприемная камера отделена от подводящего русла реки наносозащитным порогом, выступающим в сторону речного пролета отсеком трапецеидальной в плане формы, и разделительным бычком. Наносозащитный порог выполнен в виде вертикальной стенки переменной высоты, концевая секция которого расположена под тупым углом 120-170° к продольной оси сооружения, (патент Кыргызской Республики на изобретение №920, МПК E02B 13/00, 2006 г.)
Недостатками данного устройства является недостаточная эффективность промывного тракта при сбросе в нижний бьеф излишков воды с повышенной мутностью, что вызывает захват наносов водоприемную камеру. Отмечается также низкая транспортирующая способность транзитного потока, сбрасываемого через речной пролет в паводковый период.
Наиболее близким по технической сущности к полезной модели является водозаборное сооружение для деривационных ГЭС, включающее размещенный на берегу подводящего русла водоприемник, оборудованный стабилизатором расхода, размещенное в русле подпорное сооружение, имеющее авторегулятор предельного уровня и косонаправленный катастрофический водослив, промывное отверстие, оборудованное сдвоенным затвором и примыкающей к нему разделительной стенкой, расположенной между промывным трактом и водоприемной камерой, отделенной от русла реки наносозащитным порогом. Между промывным трактом и речным пролетом устроен промежуточный бычок, верх которого заглубляется под расчетный уровень воды в верхнем бьефе сооружения. Наносозащитный порог выполнен в виде ломаного в плане вертикального порога, концевой участок которого устраивается параллельно динамической оси потока в подводящем русле сооружения. В концевой части автоводослива водоприемной камеры, примыкающей к береговому устою сооружения, устроено сбросное отверстие, перекрываемое затвором (патент Кыргызской Республики на изобретение №607, МПК E02B 13/00, 2003 г.)
Недостатком данного устройства являются ограниченность области его применения, т.к. данное водозаборное сооружение предназначено для подачи воды только в открытые каналы, но не способно подавать воду, очищенную от речных наносов, в напорные трубопроводы и создавать необходимый напор для насосных агрегатов, использующих принцип гидравлического удара в трубах, например, для насосов типа «Гидротаран». Конструкция водоприемника малоэффективна при одновременном пропуске воды с повышенной мутностью в отводящий канал деривации и в трубопровод насосной станции.
Технической задачей полезной модели является расширение диапазона применения водозаборного сооружения, улучшение эксплуатационных характеристик сооружения при одновременной водоподаче в открытый канал деривации и в трубопровод насосной станции путем создания перепада уровней, необходимого для работы насосов, типа «Гидротаран», увеличение транспортирующей способности потока в водоприемной камере, повышение эффективности процесса комбинированного водозабора в открытые и закрытые водоводы.
Поставленная задача решается за счет следующих конструктивных признаков. Во-первых, в нижнем бьефе водозаборного сооружения за водоприемной камерой устроена горизонтальная площадка для размещения насосной станции с группой насосных агрегатов типа «Гидротаран», отгороженная от водобойного колодца вертикальными стенками. Во-вторых, между дном водоприемной камеры и горизонтальной площадкой насосной станции имеется перепад величиной не менее 1,5 м, достаточный для создания напора воды, необходимого для работы насосов типа «Гидротаран». В-третьих, в придонной части нижней стенки водоприемной камеры, расположенной перпендикулярно последней секции наносозащитного порога, устроено придонное отверстие для питающего трубопровода насосной станции. В-четвертых, в нижней части водоприемника устроена диагональная донная траншея-пескогравиеловка, примыкающая к сдвоенному затвору, расположенному в боковой части нижней стенки водоприемной камеры.
На фиг. 1 изображено водозаборное сооружение в плане; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.
Водозаборное сооружение включает размещенный на берегу подводящего русла 1 водоприемный оголовок, оборудованный стабилизатором расхода 2 в голове отводящего канала 3. В концевом сечении подводящего русла 1 устроено подпорное сооружение 4, имеющее речной пролет с авторегулятором уровня 5, сдвоенный затвор промывного отверстия 6 и сбросной водослив верхнего бьефа 7. Через затворы и водосливы подпорного сооружения 4 осуществляется сброс излишков воды в водобойный колодец 8. Водоприемная камера 9 отделена от подводящего русла 1 ломаным в плане наносозащитным порогом 10, а от нижнего бьефа - нижней стенкой 11 со сбросным затвором 12.
Перед промывным отверстием, перекрытым сдвоенным затвором 6, устроен промывной тракт 13, а в концевой части наносозащитного порога 10 имеется донное отверстие зимнего водозабора 14. В нижнем бьефе водозаборного сооружения за водоприемной камерой 9 устроена горизонтальная площадка 15 для размещения насосной станции 16 с насосными агрегатами типа «Гидротаран». В нижней части водоприемной камеры 9 устроена диагональная донная траншея-пескогравиеловка 17, примыкающая к сбросному затвору 12, расположенному в боковой части нижней стенки 11 водоприемной камеры 9. Сбросной затвор 12 для обеспечения истечения под затвором и через гребень затвора устраивается сдвоенным, также как затвор 6 промывного тракта 13. Нижняя стенка 11 водоприемной камеры 9 расположена перпендикулярно концевой части наносозащитного порога 10 и в придонной части стенки 11 устроено отверстие для питающего трубопровода 18 с задвижкой 19 для регулирования расхода воды, поступающего к насосной станции. От насосов 16 вода по площадке 15, а затем вверх по боковому откосу водозаборного сооружения проложены напорные трубопроводы 20 для подачи воды потребителям. За водобойным колодцем 8 устраивается укрепленное бетоном или бутобетоном отводящее русло 21.
Водозаборное сооружение для деривационных ГЭС работает следующим образом. Речной поток по подводящему руслу 1 поступает к подпорному сооружению 4, при этом авторегулятор уровня 5, сдвоенный затвор 6, сбросной водослив верхнего бьефа 7 создают глубину в верхнем бьефе, достаточную для перелива необходимых объемов воды в водоприемную камеру 9 через гребень наносозащитного порога 10. Избыточная энергия транзитного потока в нижнем бьефе авторегулятора уровня 5 и сбросного водослива 7 гасится в водобойном колодце 8 и направляется в укрепленное отводящее русло 21.
В водоприемной камере 9 сбросным затвором 12 поддерживается необходимая глубина для одновременной подачи воды в отводящий канал 3 через водоприемный оголовок, оборудованный стабилизатором расхода 2, и в питающий трубопровод 18 насосной станции 16. Стабилизатор расхода 2, установленный на определенное открытие, обеспечивает подачу постоянного расхода воды в отводящий канал 3 деривационной ГЭС, а водоподача на насосы «Гидротаран» регулируется задвижкой 19 на питающем трубопроводе 18. От насосной станции 16 вода подается потребителям по напорным трубопроводам 20.
Донные речные наносы из подводящего русла 1 благодаря действию наносозащитного порога 10 на двухфазный поток (вода + наносы), транспортируются в отводящее русло водозаборного сооружения при открытии авторегулятора уровня 5, а также через нижнее отверстие сдвоенного затвора 6 промывного тракта 13.
Влекомые донные наносы, попавшие в водоприемную камеру 9 водозаборного сооружения, перехватываются донной траншеей-пескогравиеловкой 17 и транспортируются в нижний бьеф сооружения при поднятии сбросного затвора 12, устроенного в нижней стенке 11 водоприемника 9.
Перепад не менее 1,5 м между уровнем воды в водоприемной камере 9 и входом питающего трубопровода 18 в насосы «Гидротаран» 16 позволяет обеспечить необходимый напор для создания гидравлического удара и для работы этих насосов, подающих воду по напорным трубопроводам 20 для потребителей, расположенных на повышенных отметках. В то же время сбросной затвор 12, кроме удаления наносов, позволяет осуществлять сброс излишков воды из водоприемника 9.
В работе водозаборного сооружения для деривационных ГЭС имеется четыре характерных режима, наблюдающихся: а) в теплый меженный гидрологический период реки; б) в период прохождения среднелетних расходов; в) в паводковый период, характеризующийся пропуском значительных расходов воды через створ сооружения; г) в зимний меженный период, характеризующийся прохождением малых расходов воды в реке с минимальным содержанием наносов и наличием шуголедовых образований.
В теплый меженный период затвор авторегулятора уровня 5 закрыт и в водоприемную камеру 9 забирается большая часть воды, поступающей по подводящему руслу 1. Водозабор производится из поверхностных горизонтов водного потока при переливе через гребень наносозащитного порога 10. Расчетный расход истечения через гребень наносозащитного порога 10 должен превышать суммарный расход деривации и насосной станции на величину фильтрационных потерь в водоводах. В этот период в подводящем русле 1 скорости движения потока относительно малы и интенсивность движения речных наносов невелика, поэтому для защиты водоприемника достаточно циркуляции воды, возникающей вдоль внешней поверхности ломаного в плане наносозащитного порога 10, позволяющей транспортировать наносы по промывному тракту 13 через донное отверстие приоткрытого сдвоенного затвора 6. Очищенная таким образом вода поступает в отводящий деривационный канал 3 посредством стабилизатора расхода 2, а в питающий трубопровод 18 насосной станции 16 - через задвижку 19 на входной части трубопровода.
При прохождении среднелетних расходов воды авторегулятором уровня 5 в подводящем русле 1 поддерживается глубина, достаточная для перелива воды через гребень наносозащитного порога 10 необходимых объемов воды в водоприемную камеру 9. Скорости потока воды в этот период в подводящем русле 1 возрастают, что увеличивает интенсивность циркуляции воды вдоль внешней стенки наносозащитного порога 10, которая препятствует попаданию увеличившегося объема речных наносов в водоприемную камеру 9. Наносы транспортируются и сбрасываются из верхнего бьефа сооружения в нижний бьеф через промывной тракт 13 при поднятии сдвоенного затвора 6. Влекомые донные наносы, попавшие в водоприемную камеру 9 водозаборного сооружения, перехватываются донной траншеей-пескогравиеловкой 17 и транспортируются в нижний бьеф сооружения при поднятии затвора 12 в нижней стенке 11 водоприемника 9.
При пропуске паводковых расходов воды по подводящему руслу 1 в отводящий канал 3 забирается меньшая часть речного потока, большая его часть сбрасывается в нижний бьеф сооружения через речной пролет при открытии авторегулятора уровня 5, через промывной тракт 13 при поднятии сдвоенного затвора 6, а также через сбросной водослив верхнего бьефа 7 и далее транспортируется через водобойный колодец 8 по отводящему руслу 21. В этот период эксплуатации водозаборного сооружения возрастает циркуляция воды, возникающая в подводящем русле 1 и вдоль внешней поверхности наносозащитного порога 10, за счет этого влекомые наносы отклоняются в сторону авторегулятора уровня 5 речного пролета и через него сбрасываются в нижний бьеф. Сброс плавающих предметов и мусора, влекомого паводковым потоком, осуществляется через гребень сбросного водослива верхнего бьефа 7, через отверстия авторегулятора уровня 5 и через гребень сдвоенного затвора 6. В водоприемную камеру 9 и далее в отводящий канал 3 вода, очищенная от влекомых наносов, поступает через гребень наносозащитного порога 10. Остатки наносов, попавших в водоприемную камеру 9, также удаляются по донной траншее-пескогравиеловке 17 через затвор 12 в нижней стенке 11 водоприемника 9. Забор воды в питающий трубопровод 18 насосной станции 16 происходит после перехвата наносов траншей-пескогравиеловкой 17. Гашение энергии транзитного потока в нижнем бьефе подпорного сооружения 4 обеспечивается водобойным колодцем 8.
В зимний меженный гидрологический период уровни воды в верхнем бьефе водозаборного сооружения либо понижаются до нижней отметки гребня наносозащитного порога 10 путем регулирования величины напора, создаваемого авторегулятором уровня 5, либо поступление воды через гребень наносозащитного порога 10 перекрывается специальными шандорами, устанавливаемыми на гребне этого порога. При этом водоотбор в водоприемную камеру 9 производится только через придонное отверстие затвора зимнего водозабора 14, что уменьшает захват шуги и льда из верхних слоев потока. Поскольку оголовок питающего трубопровода 18 насосов «Гидротаран» 16 также расположен в нижней части водоприемной камеры, вероятность его обмерзания и забивки шугой уменьшается. Однако в случае использования насосной станции 16 для ирригационной системы, водоподача в зимний период прекращается путем закрытия задвижки 19. Размораживание задвижки 19 в морозный период маловероятно, поскольку она располагается во входной части питающего трубопровода 18, окруженного текущей водой.
Такое конструктивное исполнение водозаборного сооружения для деривационных ГЭС позволяет одновременно с самотечной подачей воды из реки на агрегаты деривационной ГЭС осуществлять механический водоподъем насосами, использующими принцип гидравлического удара, типа «Гидротаран», для орошения, обводнения прилегающих территорий и водоснабжения небольших населенных пунктов без использования дополнительных источников энергии, повысить надежность водозабора, уменьшить захват речных наносов как в отводящий канал деривации, так и в питающий трубопровод насосной станции.