деривационный тоннель что это
Деривационные ГЭС: описание, принцип работы, где используются
Узнайте, что такое Деривационные ГЭС.
Гидротехнические сооружения используются с давних времен для выработки энергии. В наши дни успешно развивается и отдельное направление деривационных станций. Это сооружения, отличающиеся специальной инфраструктурой водоотвода, обеспечивающей возможность более эффективного контроля потоков даже в сложных географических условиях. На базовом же уровне к ним применима расшифровка ГЭС – гидрологическая электростанция.
Основные компоненты деривационных систем
Функциональную инфраструктуру ГЭС такого типа формируют водонапорные и энергетические сооружения. Основу водонапорной части составляют заборники, водосбросные каналы и накопительные резервуары. Между этими гидроузлами осуществляется перемещение воды из верхнего створа рек по искусственным каналам в водохранилища. Что касается энергетических сооружений в составе деривационных ГЭС, то их чаще представляют специальные водоводы, обеспечивающие течение потоков к приемному оборудованию в гидротехнических зданиях.
Ключевое значение с точки зрения выработки энергии имеет оснащение таких зданий механизмами, генерирующими энергию. В частности, это могут быть гидротурбины с трансформаторами, а также механическое оборудование, которое выступает конечным потребителем энергии. В обоих случаях часть вырабатываемого электричества направляется на обслуживание работы общей инфраструктуры, в которую входят системы управления с автоматикой, распределительными устройствами и системами для аварийного отключения.
Вспомогательные компоненты в деривационных гидростанциях
Данная группа конструкционных частей и сооружений станции предназначена для обеспечения базовых условий работы функциональных гидроузлов. Это могут быть канализационные каналы, лотки, тоннели, административно-бытовые объекты и т.д. Основу же составляют технические сооружения, за счет которых происходит водоотвод из реки. В такой системе предусматриваются конструкции для водопонижения с перемычками и барьерными регулирующими клапанами. К примеру, в некоторых деривационных ГЭС присутствуют рыбозащитные и рыбопропускные сооружения, благодаря которым рыба определенных размеров может проходить к нерестилищам, а также в обратном направлении. На период строительства станции используются и временные сооружения, обеспечивающие технические возможности и условия для производства строительно-монтажных и ремонтных мероприятий.
Принцип работы станции
В отличие от классической плотинной системы, деривация предполагает создание полностью искусственного канала с отведенным потоком. Рабочий узел в виде водоотводной ветки перебрасывает часть потока в сторону от русла реки по направлению к низовью. Причем низовой створ не всегда в естественных условиях может обеспечивать достаточную мощность напора, поэтому нередко подключаются и дополнительные насосы – как правило, в закрытых системах. В отношении подходов к механике выработки энергии принцип работы деривационной ГЭС соответствует плотинной схеме. Минуя русло водоотвода, поток направляется в гидрогенераторы, где за счет механической работы происходит выработка тока. Опять же, и механическая энергия может быть целевой на конечном объекте доставки воды – это уже зависит от назначения станции.
Виды деривационных ГЭС
Вот как классифицируют Деривационные ГЭС:
Деривационные ГЭС – сферы применения
Гидроэнергостанции этого типа могут применяться для разных нужд промышленности и хозяйства. Подбор характеристик строительства конкретного объекта определяется местными географическими и климатическими условиями, а также требованиями к источнику потребления энергии.
Где используются деривационные ГЭС в России? Традиционно выбираются места с большим уклоном течения реки, после чего создаются искусственные условия для деривации. Гористая местность и, в частности, Северный Кавказ, считается не самым благоприятным регионом для размещения энергетических сооружений в принципе, но именно здесь сосредоточены основные мощности по причине выгодных условий для создания естественного водоотвода с сильным напором. Также на местности со сложным рельефом часть сооружений, входящих в инфраструктуру ГЭС, выполняются под землей. Такое решение дает не только конструкционные, но и экономические преимущества. На Кольском полуострове и в Карелии применяются открытые среднегорные гидроузлы.
Заключение
Как источник альтернативной энергии деривационные ГЭС имеют немало преимуществ. Это экологичные и достаточно мощные генераторы, способные за короткие промежутки времени выходить на пиковые рабочие показатели. Проблемы применения таких ГЭС, в свою очередь, обусловлены их конструкционной сложностью и высокими затратами на техническое обслуживание. Кроме того, жесткие требования к условиям размещения деривационных гидростанций также создают дополнительные логистические трудности при передаче электроэнергии на дальние расстояния. Несмотря на это, принципиальные схемы деривационных ГЭС по-прежнему считаются перспективными и в некоторых отраслях полностью себя оправдывают как отличная модель надежного источника дешевой энергии.
Деривационный тоннель
Деривационный тоннель относится к гидротехническим сооружениям, а именно к строительству и ремонту напорных тоннелей ГЭС. Деривационный тоннель включает бетонную обделку и расположенный между бетонной обделкой и зацементированной окружающей породой демпфирующий слой. Материал, образующий демпфирующий слой, расположен в полостях, образованных между бетонной обделкой и окружающей породой после выдержки обделки тоннеля под внутренним рабочим давлением в течение 1,5-2 лет. Демпфирующий слой образован путем проведения демпфирующего тампонажа с использованием тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости окружающей породы.
Полезная модель относится к гидротехническим сооружениям, а именно к строительству и ремонту напорных тоннелей ГЭС.
Наиболее близким к настоящей полезной модели по своей технической сущности и достигаемому результату является деривационный напорный тоннель, включающий бетонную обделку и расположенный между бетонной обделкой и зацементированной окружающей породой демпфирующий водяной слой (см. а.с. СССР №1161640, кл. Е 02 В 9/08, опублик. 1985).
Недостатком такого напорного тоннеля является невысокая стойкость его бетонной обделки из-за постоянного воздействия воды под давлением на бетонную обделку тоннеля как с внутренней, так и с наружной ее стороны. Под воздействием этой воды происходит постепенное разрушение бетона за счет вымывания из него окиси кальция.
В основу настоящей полезной модели положено решение задачи по созданию деривационного напорного тоннеля, позволяющего повысить срок службы тоннеля и снизить затраты на ремонтные работы, связанные с поддержанием в рабочем состоянии бетонной обделки тоннеля.
Актуальность поставленной задачи была подтверждена при проведении комплекса исследований по состоянию обделки и заобделочного пространства деривационного тоннеля Ирганайской ГЭС.
Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, заключается в снижении усилий, действующих на бетонную обделку тоннеля со стороны окружающей зацементированной породы, а также повышении эффективности гидроизоляции границы между зацементированной породой и бетонной обделкой.
Поставленная задача решена за счет того, что в деривационном тоннеле, включающем бетонную обделку и расположенный между бетонной обделкой и зацементированной окружающей породой демпфирующий слой, материал, образующий демпфирующий слой, расположен в полостях, образованных между бетонной обделкой и окружающей породой после выдержки обделки тоннеля под внутренним рабочим давлением в течение 1,5-2 лет, при этом демпфирующий слой образован путем проведения демпфирующего тампонажа с использованием тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости зацементированной окружающей породы.
Также за счет того, что тампонажный материал демпфирующего слоя представляет собой однокомпонентный гидрофобный гидроактивный жесткий полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью.
Целесообразно использование в качестве тампонажного материала демпфирующего слоя однокомпонентного гидрофобного гидроактивного эластичного полиуретанового инъекционного состава с низкой вязкостью.
В указанную совокупность включены признаки, каждый из которых необходим, а все вместе достаточны для достижения поставленного технического результата во всех случаях использования полезной модели, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Деривационный напорный тоннель представляет собой полую бетонную обделку, заключенную в окружающую породу, которую как правило, цементируют раствором для исключения образования в ней щелей, трещин и других нарушений.
Процесс сооружения напорного деривационного тоннеля начинается с проходки тоннельной выработки в породе. После проходки тоннеля и бетонирования его обделки, производят закрепление породы вокруг бетонной обделки путем нагнетания в породу цементного раствора. Нагнетание цементного раствора производится через шпуры, пробуриваемые в обделке после ее затвердения.
После схватывания цемента и проведения всех предварительных работ и испытаний, производится заполнение тоннеля водой под рабочим давлением. Образование демпфирующего слоя между бетонной обделкой и зацементированной породой производят после заполнения тоннеля водой под рабочим давлением, выдержки бетонной обделки под давлением воды в течении 1,5-2-х лет, сброса воды и выявления зазоров между бетонной обделкой тоннеля и зацементированной породой. Образование демпфирующего слоя осуществляют посредством проведения демпфирующего тампонажа заобделочного пространства нагнетанием демпфирующего тампонажного материала в местах выявленных полостей и зазоров.
Такой порядок проведения работ обусловлен следующими причинами.
При эксплуатации тоннеля бетонная обделка подвергается переменным нагрузкам от изменяющегося давления воды, пропускаемой по тоннелю. В значительной степени эти изменения будут зависеть от внешних условий сезонного характера. Кроме того, как показывают различные исследования (см. А.А.Шилин и др. «Гидроизоляция подземных и заглубленных сооружений при строительстве и ремонте», Тверь, 2003, с. 298) [1], величина предельной относительной усадки бетона достигает величины порядка 80% к 1,5 годам эксплуатации и
асимптотически приближается к своему максимуму к началу третьего года эксплуатации. Иными словами в период первых двух лет эксплуатации тоннеля, бетон обделки стенок дает значительную усадку, что в свою очередь вызывает образование полостей между бетонной облицовкой тоннеля и окружающими породами.
После этого первоначального периода в местах выявленных пустот и зазоров производят демпфирующий тампонаж заобделочного пространства путем нагнетания в эти места упругого тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости зацементированной окружающей породы.
Такое промежуточное значение модуля упругости тампонажного материала позволяет перераспределять возникающие в процессе эксплуатации тоннеля нагрузки на бетонную обделку тоннеля, снижая их при возникновении деформации окружающих пород с высоким модулем упругости или повышая сопротивление смещению бетонной обделки в сторону окружающих более слабых пород, (см. Г.Г.Зурабов и О.Е.Бугаева «Гидротехнические туннели гидроэлектрических станций», М., Л., Государственное энергетическое издательство, 1962, с. 140-168) [2].
Как следует из [1], процесс усадки бетона во времени может происходить различно как по величине, так и по направлению, кроме того, как следует из [2], даже одна и та же порода в зависимости от трещиноватости, направления напластования и других условий ее залегания может иметь различную величину модуля упругости. Поэтому конкретную величину модуля упругости тампонажного материала подбирают экспериментальным путем.
Так, при проведении исследований конкретного тоннеля, проведенных после трехлетнего срока его эксплуатации было установлено, что в пределах верхнего полупериметра тоннеля за бетонной обделкой имеются полости небольшой глубины, но значительной
протяженности. Максимальная глубина полостей достигала 37 см, а средняя глубина полостей по всей трассе тоннеля составила 7 см. Также были обнаружены значительные по площади полости с раскрытием от 1 см.
Неглубокие пустоты до 1-2 см и менее возникли в силу того, что во время эксплуатации под воздействием напора воды наружные стенки бетонной обделки тоннеля перемещаются в сторону горной породы, а после снятия давления внутри тоннеля, его стенки возвращаются в исходное состояние, т.е. обделка работает под воздействием знакопеременного поля напряжений. В том случае, если модуль упругости материала обделки меньше, чем аналогичный показатель породного массива, зазор между ними также постепенно будет возникать за счет деформации кольца обделки. Учитывая, что тампонаж пород за обделкой проводят в большинстве случаев тампонажным раствором на основе цементов, модуль упругости которого ниже соответствующего модуля упругости обделки, за ней будут возникать пустоты, образование которых вызвано различной величиной упругой деформации материала обделки и горной породы. Причем глубина пустот будет тем больше, чем больше разница между модулями упругости и обусловленные этим деформации материала обделки и горной породы.
Наличие за обделкой в своде и по стенам тоннеля полостей даже малого раскрытия, ведет к изменению расчетной схемы и условий работы обделки. Когда горное давление действует с трех сторон (лоток и бока тоннеля) происходит выгиб обделки в сторону оводовой поверхности с разрушением не только бетона, но и металлических арок. Этому процессу способствует и наличие гидростатического давления воды.
Для исключения развития дальнейших деформаций свода обделки и его возможного обрушения необходимо выполнять демпфирующий тампонаж заобделочного пространства во всех местах, где наблюдаются пустоты и даже зазоры между внешней поверхностью обделки и породным массивом.
Очевидно, что особое внимание должно уделяться выбору материала для производства последующего тампонажа. Тампонажные материалы после отвердения должны обладать определенными свойствами, а главное быть упругими и при знакопеременных напряжениях в обделке тоннеля не должны способствовать формированию полостей между горной породой и обделкой. Таким образом, в деривационных тоннелях, после определенного времени эксплуатации необходимо выполнять демпфирующий тампонаж, который обеспечит проектные условия работы обделки.
В качестве такого материала может быть применен однокомпонентный гидрофобный гидроактивный жесткий полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью «НА СUT» или однокомпонентный гидрофобный гидроактивный эластичный полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью «НА FLЕХ».
Оба состава производятся бельгийской фирмой «DЕ Nееf Сonstruction NV/SA» и в настоящее время поставляется в Россию в необходимых количествах. При использовании указанных составов имеется возможность регулировать степень расширения состава и прочность его на сжатие. Поскольку указанные свойства составов должны быть согласованы с физико-механическими характеристиками как бетона обделки, так и окружающих пород, которые в свою очередь определяются только опытным путем (см. [2], с. 163-168), конкретные составы могут быть подобраны только экспериментально.
По существу сооружение напорного тоннеля может считаться полностью законченным только после проведения операции демпфирующего тампонажа.
1. Деривационный тоннель, включающий бетонную обделку и расположенный между бетонной обделкой и зацементированной окружающей породой демпфирующий слой, отличающийся тем, что материал, образующий демпфирующий слой, расположен в полостях, образованных между бетонной обделкой и окружающей породой после выдержки обделки тоннеля под внутренним рабочим давлением в течение 1,5-2 лет, при этом демпфирующий слой образован путем проведения демпфирующего тампонажа с использованием тампонажного материала с модулем упругости, величина которого имеет промежуточное значение между значениями величин модуля упругости материала бетонной обделки и модуля упругости окружающей породы.
2. Деривационный тоннель по п.1, отличающийся тем, что тампонажный материал представляет собой однокомпонентный гидрофобный гидроактивный жесткий полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью.
3. Деривационный тоннель по п.1, отличающийся тем, что тампонажный материал представляет собой однокомпонентный гидрофобный гидроактивный эластичный полиуретановый инъекционный состав с низкой вязкостью.
Деривационные ГЭС
Особенность гидроэлектростанций заключается в преобразовании энергии воды в электричество. Для того, чтобы станция работала без перебоев чаще всего ее возводят в местах, где течение реки имеет самый большой напор, то есть на склонах, водопадах и так далее. В таких местах искусственно возводятся дамбы. Это позволяет обеспечить бесперебойную работу агрегатов в течение всего года, вне зависимости от погоды или уровня воды в реке.
Однако строительство водохранилища дорогостоящий процесс, который в основном применяется в проектировании крупных ГЭС. Для децентрализованных регионов, которым требуется небольшое количество электроэнергии возводятся малые ГЭС. Одним из самых недорогих и надежных вариантов является деривационные ГЭС.
Вода направляется по искусственно созданным системам водоводов или по каналам. Деривационные плотины также называют водоотводными. Обычно такие ГЭС не задерживают поток воды, а просто перенаправляют его.
Схема работы деривационных станций проста. Строятся такие ГЭС на больших уклонах реки. Забор воды происходит через русло и доставляется в водоотводы, которые доставляют ее к агрегатам напрямую. А после вода возвращается в реку или в специальные бассейны в качестве запаса на случай перебоев.
Впервые такой метод был применен в Древнем Египте и предназначался для защиты от наводнений. Сегодня многие крупнейшие гидростанции мира все чаще переходят на деривационный метод производства. Так гидростанция Robert Moses расположенная на Ниагарском Водопаде вырабатывает мощность в 2525 МВт на основе деривации. Плотина на станции не предусмотрена — вода для функционирования генераторов поступает из берегового водозабора.
Главным плюсом такого типа строительства является отсутствие необходимости в затоплении плодородных земель. Это не только снижает затраты на ее строительство, но и положительно влияет на экологическое состояние близлежащих регионов. Деривационные ГЭС также используются для орошения земель, животноводства и как зоны отдыха. Они защищают близлежащие территории от наводнений и селей.
Деривационные установки требуют меньшего размера вложений. Это значительно сокращает сроки строительства, а также ускоряет процесс окупаемости объекта.
Применение
Горная местность лучше всего подходит для деривации. Разность уклонов помогает создать необходимый напор и увеличить мощность производственных сил. Деривационные ГЭС работают в широком диапазоне напоров. От 2000 метров до нескольких метров на малых электростанциях. Обычно плотины на таких станциях либо имеют небольшие размеры, либо совсем не возводятся. Это во многом зависит от природных условий в конкретной местности.
Сами сооружения для отвода воды из рек бывают двух видов:
К безнапорным сооружениям относятся лотки, каналы и туннели. Их строят в том случае, если уровень воды не меняется слишком часто. Здесь туннель заполняется не полностью, и вода движется за счет атмосферного давления. В конце безнапорных туннелей обычно сооружается бассейн суточного регулирования.
Всего существует три вида БСР:
Проектирование БСР должно ориентироваться на технические и экономические исследования. От того, где будет располагаться бассейн зависит гидравлический режим в подводящей деривации.
Головной узел в системе сооружений оказывает прямое влияние на бесперебойное функционирование ГЭС. Он выполняет сразу несколько функций:
Это обуславливается тем, что в его состав входят такие объекты, как:
Changsha Lichuan Hydroelectric Power Control Equipment Co., LTD и ASUMB
Специалисты Changsha Lichuan Hydroelectric Power Control Equipment Co., LTD и ASUMB разрабатывают проекты по возведению ГЭС с 2009 года. Мы поможем вам создать рентабельный и надежный объект, оснащенный самыми передовыми технологиями. Наша продукция используется на деривационных ГЭС России, Азербайджана, Грузии, Китая, Индонезии и Казахстана. Мы разработали собственные технологии на основе исследований специфики работы гидроэлектростанций.
У нас вы найдете все необходимое оборудование, от турбин до трансформаторов для малых и крупных деривационных ГЭС, которое отвечает всем стандартам безопасности.
Мы также оказываем услуги по:
Деривационный тоннель что это
Как известно, деривационная схема создания напора подразумевает отвод части стока реки с помощью каналов, тоннелей и водоводов. Деривационные ГЭС позволяют получить напоры, не достижимые при помощи плотин (более 1000 м); при этом можно обойтись без масштабных затоплений земель. Именно минимизация зоны затопления в последнее время становится все более важным фактором в пользу выбора той или иной схемы строительства ГЭС, что и является одной из причин активного строительства деривационных станций.
Крупнейшая деривационной ГЭС Африки расположена в Демократической республике Конго, на реке Конго. Это комплекс из двух станций Inga I и II общей мощностью 1775 МВт, веденый в работу в 1972-1982 годах. Интересна также ГЭС Gilgel Gibe II, построенная в 2010 году в Эфиопии, на реке Омо, ее мощность составляет 420 МВт. Уникальной особенностью станции является деривационный тоннель длиной 26 км.
Самая большая деривационная ГЭС в Европе расположена в Швейцарии. Это станция Bieudron мощностью 1269 МВт, являющаяся частью сложного гидроэнергетического комплекса Клезон-Диксенс. Гидроэлектростанция имеет рекордный напор – 1883 м, а также использует самые большие в мире ковшовые турбины.
Мощнейшая деривационная ГЭС Азии расположена в Китае. Гидроэлектростанция Jinping-II на реке Ялунцзян (один из притоков Янцзы) заработала в 2014 году. Ее мощность составляет впечатляющие 4800 МВт, а напор в 310 м создается при помощи четырех тоннелей диаметром 12,4 м и длиной по 16,6 км.
Крупнейшая деривационная ГЭС России – Кубанская ГЭС-2, мощностью 184 МВт, расположенная на Большом Ставропольском канале. Но скоро она уступит первенство строящейся в Северной Осетии Зарамагской ГЭС-1 мощностью 342 МВт, с рекордным для России напором 619 м. Здесь уже завершена проходка самого длинного в России гидротехнического тоннеля длиной 14,2 км.
По-настоящему захватывающие перспективы связаны с перспективами освоения гидроэнергетического потенциала рек Брахмапутра и Конго. Первая из них, прорезая Гималаи, делает большую излучину. Если ее спрямить с помощью тоннеля длиной более 30 км, можно получить напор около 2000 м, что позволит создать ГЭС Daduqia фантастической мощностью 43,8 ГВт. Река Конго в устье имеет большое падение, образуя группу водопадов, порогов и стремнин, известную под названием водопады Ливингстона. Учитывая среднегодовой расход воды на этом участке в объеме 42 000 м3/с (уступающий только Амазонке), здесь существует возможность строительства ГЭС Grand Inga мощностью 42 ГВт.