|
|
Створ опытной ПЭС в губе Кислой,
предложенный еще в 1938 г., был обоснован его близостью к промышленному
центру (Мурманску) и существующим линиям энергосистемы, а конфигурация
бассейна, соединяющего бассейн с морем, позволяла осуществить эксперимент с
относительно минимальными затратами.
При выборе створа были рассмотрены варианты создания
опытной ПЭС в различных небольших бухтах Мурманского побережья, но по экономическим
соображениям и ввиду удаленности от линий электропередачи они были отвергнуты.
Губа Кислая, находящаяся на побережье Кольского п-ва на
расстоянии 60 км западнее Мурманска, соединенная с зал. Ура узким горлом,
представлялась наиболее благоприятным местом, позволяющим образовать бассейн
ПЭС отсечением его от моря самим зданием ПЭС. Малая величина прилива (1,1—3,9
м) дала возможность испытать работу агрегата при минимальных напорах.
И в других странах для сооружения опытных ПЭС предлагались
створы с относительно невысокими приливами. Так, в Великобритании опытную ПЭС
намечается построить в бух. Странгфорд-Лох, где средняя величина прилива 3 м значительно меньше наблюдающейся в эстуарии Северн (8,3 м). Опытная ПЭС Аннаполис в Канаде
построена в створе, где сред- несизигийный прилив имеет величину Лсрсиз = 6,4 м, в то время как в створе проектируемой ПЭС Кобекуид Лсрсиз = 11,8 м.
В скалах восточного берега губы Ура имеется еле заметный
разрыв, это «горло» — ворота губы Кислой. Широкий ковш сразу переходит в
узкую горловину (ширина по урезу малой воды 35 м). Общая длина горла 450 м. В южной части оно вновь расширяется, соединяясь с обширным (5 — 1,1
км2) и глубоким (до 35 м) водоемом губы Кислой.
Климат района губы Кислой морской, со сравнительно мягкой
зимой и прохладным облачным и влажным летом. Среднегодовая температура — 0,4,
максимальная -j- 30, минимальная — 35° С. Среднегодовое количество осадков 515 мм.
Вследствие ориентации губы по меридиану и защищенности ее
при выходе с севера высокими скалами расчетной принята волна высотой 2 м (обеспеченность 4 %) при наблюденной максимальной 2,6 м.
До сооружения ПЭС горло не могло пропустить поток, и по
мере того как нарастали уровни, в месте наибольшего сужения образовывался
перепад. Наибольшие скорости достигали 3—3,68 м/с за 1,5 ч до малой или
полной воды, а максимальный расход превышал 300 м3/с.
Прилив имеет правильный полусуточный характер, максимально
его величина Лмакс = 3,96 м ; Лсрсиз = = 3,23 м; Лср = 2,27 м; Лсркв —1,61 м и Лмин = 1,07 м. Площадь зеркала губы изменяется от 0,97 до 1,5
км2, достигая при подкачке 1,7 и при откачке 0,91 км2.
Вследствие согревающего влияния Гольфстрима лед на подходе
к губе Кислой не наблюдается. В самой губе образуется припай толщиной 60 — 70 см, а после сооружения ПЭС лед как поплавок толщиной 50—100 см занимает большую часть бассейна с
образованием полыньи у подхода к ПЭС.
Горло губы Кислой выполнено крупновалунными отложениями с
пес- чано-гравийным и частично ракушечным заполнителем, имеющим наибольшую
мощность до 7 м. У берегов выклинивается скала.
Благоприятный естественный рельеф и конфигурация берегов,
образующих узкое горло с крутопадаю-16 Зак. 1874 щей скалой на западном
берегу и обрывом, переходящим в небольшое плато на восточном берегу,
позволили осуществить весьма удобную компоновку гидроузла. Горло
перекрывается зданием ПЭС и сопрягающими дамбами высотой до 15 и длиной 35 м. Естественный ковш перед входом в губу Кислую образует удобный подходный участок, в котором
устроен причал.
На береговой площадке расположены ОРУ, жилой дом,
обеспеченный комфортными условиями для размещения эксплуатационного
персонала, складские помещения, гараж, водопроводная магистраль, подающая
воду из горного озера, и мареографные установки. Общий вид Кислогубской ПЭС
дан на 20.2, б. Наплавной блок здания Кислогубской ПЭС имеет размеры 36x18,3
м в плане и 15,35 м по высоте.
Первоначально предполагалось расположить в здании два
агрегата, из которых один поставлен французской фирмой Neyrpic-Alsthom, а
второй (с переменной частотой вращения) предполагался отечественный. Однако в
процессе исследований было решено переменную частоту вращения осуществить на
первом агрегате путем временной замены (на период испытаний) синхронного
генератора на АСМ, а водовод, предназначенный для агрегата № 2, использовать
как водопропускное отверстие.
Пространство над агрегатом № 2 использовано для
размещения электрических устройств и пульта, поскольку для экспериментальной
проверки совмещенной компоновки можно было ограничиться одним агрегатным
пролетом. Очертания проточной части гидроагрегата заданы фирмой-поставщиком
турбины. Прямоосный конический водовод переходит на прямоугольное сечение на
входе и выходе. Входные оголовки водоводов имеют эллиптическое очертание для
обеспечения более спокойного входа и выхода потока. Между оголовками
располагаются пазы затворов. Длина водовода определялась из условий его
работы как отсаеывающей трубы и была принята равной ii D1
Статор турбины, опорная тумба и обтекаемая шахта доступа,
которыми нагрузка от турбины передается на конструкцию здания, заделаны в
монолитный массив. Ввиду того, что компоновка гидросилового оборудования в
условиях наплавного блока представила определенные трудности, часть
оборудования системы регулирования была специально спроектирована для
стесненных условий.
Здание ПЭС представляет собой тонкостенную железобетонную
коробку докового типа. Конструкция образована днищевой плитой размером в
плане 18,3x36 м и толщиной 20 см, расположенной на отметке 30,65 м на которой параллельно ее торцевому обрезу расположены переборки толщиной 15 см. Шаг переборок 1,5—2 м. Вдоль длинной стороны плиты на всю высоту блока до отметки 46 м идут две бортовые стены толщиной 15 см.
На высоте 7,5—8 м по верху переборок над первым агрегатом
лежит плита водослива, а над вторым — плита перекрытия. На участках блока со
стороны моря и бассейна в зоне агрегата № 2 плита на отметке 39,4 м образует со средним и крайними бычками помещение, где расположены пульт управления ПЭС,
средства контроля измерения, станция катодной защиты и маслохозяйство. На
плите поверхностного водослива находится герметичный люк для монтажа и
демонтажа агрегата. Под ним на плите перекрытия с отметкой 38,15 м расположены котел МНУ и оборудование системы регулирования. В эту плиту заделана шахта
сообщения с капсулой агрегата.
Описанное компоновочное конструктивное решение позволило
создать компактное размещение технологического оборудования, возможность его
монтажа-демонтажа, удобство эксплуатации и высокую прочность.
Расчет прочности здания ПЭС производился как балки
сложного сечения (эквивалентный брус) на абсолютно жестком основании.
Помимо элементарного расчета были выполнены расчеты
методами технической теории оболочек. При этом здание ПЭС рассчитывалось как
тонкостенная пространственная конструкция типа призматической оболочки с
многосвязным поперечным сечением. В основу методики положен вариационный
метод перемещений В. 3. Власова с учетом деформаций сдвига. В качестве
расчетной схемы принята призматическая оболочка постоянного (вдоль
образующей) сечения. Ввиду часто расположенных поперечных переборок
(диафрагм), шаг которых в среднем составляет 2 м, конструкция в плоскости поперечного сечения принята недеформируемой. Расчет конструкции блока
ПЭС как призматической оболочки с учетом депланации сечений дает более точный
результат, чем элементарная балочная теория. Нормальные напряжения,
соответствующие депланации сечения, составляют в среднем 10—20 % напряжений
по гипотезе плоских сечений.
Теоретические и экспериментальные исследования показали,
что вследствие значительной разности температур между нижней (погруженной в
воду) и верхней (оголенной) частями тонкостенной конструкции в ней возникают
значительные растягивающие напряжения.
Для определения этих напряжений наружная стенка бычка была
рассчитана на одномерный (только по высоте) расчетный температурный перепад
At— 20° С. В основу методики расчета было положено обобщение теории В. 3.
Власова на термические воздействия.
Были выявлены значительные растягивающие напряжения в
переходной зоне, достигающие 2 МПа. Исследование влияния на нормальные
продольные напряжения обжатия стенки по высоте и жесткости поперечных
диафрагм ПЭС показало, что, несмотря на малое значение вертикальных
нормальных напряжений (около 0,25 МПа), учет деформативности стенки приводит
к увеличению максимальных продольных напряжений на 11 —13 %. Влияние диафрагм
оказывается незначительным, повышение напряжения в среднем на 2—3 %.
Для гашения температурных напряжений в верхней части блока
она была защищена тонким (5 см) слоем теплоизоляции из вспененной эпоксидной
смолы, армированной стеклотканью
Кроме расчетов общей прочности были произведены поверочные
расчеты статической работы блока в поперечном направлении и на местную
прочность.
Наплавное здание Кислогубской ПЭС возводилось с 1965 по 1968 г. в строительном доке на берегу Кольского залива,
После испытания корпуса на водонепроницаемость котлован
был заполнен водой и блок всплыл, имея проектную осадку 8,32 м при водоизмещении 5200 т. Через прорезь в дамбе, отделяющей котлован от залива, в него были
заведены понтоны (для преодоления мелководных участков трассы на выходе из
дока и входе в губу Кислую). Наплавной корпус с осадкой 6,5 м 28/VIII 1968 г. был выведен с помощью лебедок и буксира на рейд и далее на мелководье одним (2000 л.е.), а затем двумя буксирами по 2000 л. с. и одним буксиром-кантовщиком и в течение 19 ч был
доставлен на расстояние 60 миль к рейду губы Кислой. Заводка в створ была
осуществлена 246 выборкой лебедками с блока тросов, закрепленных на рымах в
скалах губы Кислой. С двух попыток блок заведен на штатное место (в первой
попытке не хватило времени для прохода мели в горле губы). Приемом водного
балласта, замененного в дальнейшем на песчаный, блок был погружен на заранее
подготовленное подводное основание, защищенное банкетом.
После выемки плавучим краном взрыхленного взрывами грунта
под проектную отметку была произведена отсыпка полуметрового выравнивающего
слоя (постели) из специально подобранного суффозионноустойчиво- го грунта с
последующим его подводным ровнением с помощью разработанных приспособлений.
Это основание, так же как и крепление бьефов, выполненное из трехслойной
отсыпки грунта и фракционированной наброски, описано в гл. 14, где приведены
и результаты его исследован и я. Здесь же следует отметить суффозион- ную надежность
основания под наплавной блок и устойчивость крепления после некоторого
усиления в процессе эксплуатации ПЭС.
Проверка напряженного состояни я конструкции показала, что
при различных сочетаниях нагрузок в строительный период и во время перегона
напряжения не достигали расчетных значений и изменялись очень мало.
При этом было установлено, что после затопления котлована
растягивающие усилия в стержнях арматуры стенки без резких всплесков
увеличились на 3—4 кН и достигли 20 кН (что значительно ниже расчетных
значений). При погружении блока на временную постель, явившемся репетицией
погружения в створе, усилия достигли 27 кН, т. е. оставались в допустимых
пределах. Такими же они были и при посадке в створе. При перегоне, несмотря
на волнение, колебания усилий не превышали 1,5—2 кН. Замеры усилий в стержнях
арматуры в эксплуатационных условиях при восприятии сооружением напора
показали чрезвычайно малые их колебания (0,2—0,5 кН) в течение приливного
цикла. При этом ввиду незначительного изменения среднесуточного напора,
воспринимаемого сооружением (в пределах 20—30 см), усилия в стержнях арматуры
зависят только от изменения температуры наружного воздуха, а напряжения в
плите и бортовых стенках изменяются соответственно изменению температуры
бетона. Усилия в бортовых стенках увеличиваются от низа к верху и от
внутренней оси к периферии. При изменении температуры на 20° С усилия
изменяются на 0,1—2 кН.
Динамические исследования при вентиляторном режиме
агрегата показали, что наиболее ответственные тонкостенные элементы в
наихудших для конструкции в этом отношении условиях (положение ее в осушенном
котловане при «незащемленном» водой состоянии) обладают высокой жесткостью,
превосходящей жесткость здания Саратовской ГЭС, выполненного из массивных
элементов (частоты низших форм колебаний элемента конструкции Кислогубской
ПЭС составляют 30—90 Гц при сосредоточенной нагрузке 10 кН, перемещения
составляют 0,4 мкм 1451).
Гидродинамические нагрузки на плиту водослива и элементы
турбинных водоводов в эксплуатационных условиях исследовались в створе, когда
через здание пропускали расходы 10 м8/с на 1 м длины при напорах 0,5—2,6 м через оба турбинных водовода и поверхностный водослив одновременно
или в различных комбинациях. Эти наблюдения показали, что пульсация давления,
являющаяся стационарным случайным процессом с распределением, близким к
нормальному, дает максимальное зафиксированное значение дисперсии давления
3,2 кПа; пульсации являются низкочастотным процессом, максимум энергии
которого приходится на диапазон круговых частот 0—10 с-1, а на бычке спектры
пульсации давления имеют максимум также и в интервале частот 50—70 с-1.
Коэффициент динамичности, вычисленный для середины плиты водослива, равен при
этом 1,004, что подтверждает весьма высокую жесткость конструкции и пренебрежимо
малую вибрацию ее в диапазоне возмущающих частот, возбуждаемых пропуском воды
через ПЭС.
Сравнение динамических свойств здания Кислогубской ПЭС и
здания Киевской ГЭС, также оснащенной капсульными агрегатами, но выполненной
из элементов значительно более массивных (сечение в 3 раза больше),
показывает, что здание Кислогубской ПЭС является также относительно более
жесткой конструкцией (безразмерные собственные частоты первой формы колебаний
для Кислогубской ПЭС находятся в диапазоне 33,5—43, 6, а для Киевской ГЭС — в
диапазоне 22—27,2 Гц). Вибрации элементов конструкции в диапазоне возмущающих
частот, возбуждаемых пропуском воды через ПЭС, пренебрежимо малы.
Проведенные в период эксплуатации ПЭС исследования,
водолазные обследования и наблюдения по пьезометрам показали надежность
основания в отношении фильтрации и суффо- зионной устойчивости.
Изменения уровня воды в море и бассейне ПЭС быстро
отражаются на показаниях пьезометров, что свидетельствует об отсутствии в
основании «застойных» зон и зон «отстаивания». Градиенты напора изменялись в
среднем в пределах 0,08—0,15, а расход фильтрации под блоком составил
0,12—0,15 м8/с. Осадка блока через 3 года составила в среднем по четырем
углам до 20 мм с максимальной разницей по углам в пределах 3 мм, а за последний период происходит равномерно по 1 мм в год.
Результаты исследования позволили принять конструкцию
опытной Кислогубской ПЭС и способ ее возведения как прототип для
проектирования мощных ПЭС.
На Кислогубской ПЭС установлен капсульный приливный гидроагрегат
французской фирмы Neyrpic-Alsthom (£>! = 3,3 м; N — ~ 400 кВт) с четырьмя поворотными лопастями S-образного профиля, обеспечивающими
шеститактную работу (двусторонние турбинный, насосный и водопропускной
режимы). В отличие от агрегата ПЭС Ране соединение турбины с генератором
осуществлено через мультипликатор, повышающий частоту вращения с 72 до 600
об/мин. Мультипликатор фирмы Krupp — соосного типа, одноступенчатый, с тремя
планетарными шестернями и встроенным механизмом расцепления и повторного
сцепления. Такое решение потребовалось ввиду исключительно низкого напора ПЭС
(Я = 0,5-f- -^-2,5 м; Нр = 1,28 м). Испытания агрегата и исследования
энергетических режимов ПЭС подтвердили возможность осуществления гибкой
эксплуатации ПЭС. При работе на максимум отдачи выработка в расчете на год
составляет 1,2 ГВт-ч, что превышает на 10 % полученную при расчете на ЭВМ.
Это объясняется различием натурных и расчетных параметров (характеристики
турбины и марео- граммы). При работе в заданном режиме выдачи мощности в часы
вечернего пика (от 16 до 18 ч) обеспечивается гарантированная мощность 300
кВт при потере 20% выработки, что также соответствует расчету. Значительно
влияние работы водопропускных отверстий на выработку (они повышают ее на 15,3
% при двусторонней работе и на 11,4 % при односторонней). Так, работа ПТ,
которая осуществляется 2/3 времени, имеет более высокий максимальный КПД (91
%) по сравнению с гарантией (86 %), работа ОТ — ниже на I %, ОН и ПН —
натурный максимальный КПД на 1 % выше. В режиме ПТ при Ир — 1,28 м, мощность превысила гарантированную 400 кВт и достигла 410 кВт, за исключением
начальноп/напора. Напор, который обеспечивает устойчивую работу, оказался
равным 0,8 вместо гарантированного фирмой 0,18 м. Кроме того, вследствие срабатывания защиты от разгона прямой холостой пропуск оказывается
возможным при напоре 0,8 вместо 1,28 м и обратный при напоре 1 вместо 1,62 м
Исследование гидравлических характеристик водоприемной
части показало, что эллипсоидальное очертание кромок входных (выходных)
отверстий позволило получить соотношение максимальной и минимальной
скоростей, равное 1,6, в то время как для Киевской ГЭС, также оснащенной
капсульными агрегатами, это соотношение равно 4, и эпюра удельных расходов
здесь также более равномерна, что дает выравнивание потока перед рабочим
колесом, обеспечивая уменьшение потерь в проточной части и динамических
возмущений.
Сравнение колебаний давления в проточном тракте
капсульного агрегата показало преимущество компоновки в конструкции
Кислогубской ПЭС, где ее подводящая часть удлинена для выполнения функции
отсасывающей трубы в режиме ОТ, Здесь колебания давления перед входным
статором практически отсутствуют, а в остальной части наблюдаются почти
гармонические колебания с лопастной частотой, в то время как на Саратовской
ГЭС, где капсула размещена в открытой подводящей части, помимо указанных
частот наблюдаются также кратные им
|