На правах рукописи

ШИПИЛОВ

Александр Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

ВОДОЗАБОРНОГО СООРУЖЕНИЯ ДЕРИВАЦИОННОЙ ГЭС

ДЛЯ ЗИМНИХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальности: 05.23.07 – Гидротехническое строительство

05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

Санкт-Петербург 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» Актуальность работы. В последнее десятилетие все большее вниФГБОУ ВПО СПбГПУ) мание привлекают возобновляемые источники энергии, в ряде стран СНГ приняты государственные программы по развитию малой энергетики и строительству малых ГЭС. Пиком активного освоения энергетического Научные руководители: потенциала малых рек можно считать 1940–1950-е годы, когда в России Лавров Николай Петрович, доктор технических наук, профессор было построено более 6,5 тыс. малых гидроэлектростанций. На сегодняшний день, согласно плану-прогнозу, разработанному в ОАО «РусГидро», в Беллендир Евгений Николаевич, доктор технических наук период до 2025 года планируется ввод малых ГЭС общей установленной мощностью свыше 850 МВт. При этом оптимистическая оценка возможностей строительства малых ГЭС в рассматриваемый период превышает этот

Официальные оппоненты:

уровень на порядок.

Колосов Михаил Александрович, доктор технических наук, профессор, Реализация планов и государственных программ по развитию малой профессор кафедры гидротехнических сооружений, конструкций энергетики обостряет проблемы, связанные с разработкой новых консти гидравлики Государственного университета морского и речного флота рукций, повышением надежности и эффективности эксплуатации подобимени адмирала С. О. Макарова ных объектов.

Ищук Татьяна Борисовна, кандидат технических наук, Требования надежности и эффективности работы малых ГЭС становедущий научный сотрудник отдела вятся особенно актуальными в зимний период, так как он характеризуется «Техводоснабжение и охладители ТЭС и АЭС» максимумом потребности энергии и минимумом расхода воды в источниОткрытого акционерного общества «Всероссийский научно- ках. Поэтому необходимо разработать такие конструкции сооружений и исследовательский институт гидротехники имени Б. Е. Веденеева» методы их эксплуатации, при которых этот минимум расхода воды был бы использован наиболее эффективно.

Ведущая организация Опыт эксплуатации более 100 малых гидроэлектростанций показал, Открытое акционерное общество «Ленгидропроект» что водозаборные сооружения являются наиболее уязвимой частью энергетических гидроузлов. Они размываются паводком, пропускают речные наносы в деривацию, заваливаются шугой и льдом. По этой причине основное внимание в диссертации уделено оценке существующих методов и

Защита состоится «»_ 2013 г. в_ часов на заседании конструкций для зимней эксплуатации водозаборных сооружений малых объединенного диссертационного совета ДМ 512.001.01 деривационных ГЭС, а также методам повышения эффективности данного при ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» типа сооружений.

по адресу 195220, Санкт-Петербург, ул. Гжатская, 21 Таким образом, актуальность работы обусловлена повышением интереса к объектам малой энергетики, а также рядом нерешенных проблем зимней эксплуатации электростанций с деривационной схемой создания напора.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Цель и основные задачи исследований.

ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» Цель исследований – совершенствование конструкций и разработка рекомендаций по проектированию и эксплуатации водозаборных сооружений деривационных ГЭС с учетом зимнего режима эксплуатации и особенностей горных рек, установление на основе модельных исследований

Автореферат разослан «_»_ 2013 г. особенностей и закономерностей гидравлических процессов в верхнем бьефе и промывном тракте водозаборного сооружения для деривационных ГЭС в зимний период.

Ученый секретарь Т. В. Иванова диссертационного совета кандидат технических наук Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач: физического моделирования, натурных наблюдений и с данными, полупроанализировать температурный и ледовый режим горных рек; ченными другими исследователями.

– усовершенствовать классификацию и выбрать приемлемые спосо- Научная новизна работы состоит в:

бы и средства борьбы с шуголедовыми затруднениями при водозаборе в – усовершенствовании классификации шугосбросных устройств;

деривацию; – разработке и исследовании модернизированных конструкций шупровести математическое и физическое моделирование гидравли- госбросных устройств в составе двух модификаций водозаборных сооруческих процессов, происходящих на водозаборных сооружениях в зимний жений деривационных ГЭС (пат. РФ № 123423, пат. РФ №133537);

период; – применении и экспериментальной проверке математических мовыполнить адаптацию и апробацию математической модели про- делей для описания пространственных гидравлических процессов, происцессов зимнего водозабора из горных рек на основе сравнения с данными ходящих в верхнем бьефе и в промывном тракте водозаборного сооружеисследований на экспериментальных установках; ния для деривационных ГЭС;

– усовершенствовать конструкции и методики расчета шугосброс- – установлении и изучении особенностей и некоторых закономерных устройств в составе водозаборных сооружений деривационных ГЭС; ностей гидравлических процессов взаимодействия двухфазных потоков – разработать рекомендации по проектированию и эксплуатации во- (вода-шуга) с конструктивными элементами водозаборного сооружения при водозаборе из горных рек в зимний период известной и усовершенстдозаборных сооружений для деривационных ГЭС в зимних условиях.

Объект и предмет исследований. Объектом исследования являются вованной конструкцией;

водозаборные сооружения деривационных ГЭС (ВСДГ) горно-предгорной – обработке результатов физического и математического моделирозоны. Предметом исследования являются конструкции водозаборных соору- вания, уточнении расчетных зависимостей для определения расходов жений для зимних условий эксплуатации, гидравлические процессы. двухфазного потока при истечении через шугосбросные устройства водоОбласть исследования соответствует требованиям паспортов на- заборного сооружения для деривационных ГЭС.

учных специальностей ВАК: 05.23.07 – Гидротехническое строительство, Практическая значимость работы заключается:

пункту 6 «Развитие теории, методов расчета, проектирования, строитель- – в разработке эффективных конструкций шугосбросных устройств ства и эксплуатации гидротехнических сооружений мелиоративных систем для водозаборных сооружений деривационных ГЭС на реках горнои строительных систем природоохранного назначения; восстановление предгорной зоны;

водных объектов и речной сети; повышение эффективности и условий на- – в составлении рекомендаций по проектированию и эксплуатации дежной эксплуатации работы водозаборных сооружений различного на- двух типов усовершенствованных конструкций водозаборных сооружений значения» и 05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология, пункту 2 деривационных ГЭС, которые позволяют заблаговременно разработать «Стационарные и нестационарные течения жидкости в трубах, каналах, мероприятия и создать гидравлические режимы, обеспечивающие надежестественных и искусственных руслах, гидротехнических сооружениях ную и безаварийную эксплуатацию малых ГЭС в зимний период.

различного назначения, взаимодействие потоков с обтекаемыми ими гра- Результаты диссертационных исследований использовались в учебном ничными поверхностями, телами и сооружениями, гидравлические сопро- процессе кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство»

тивления». Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

Метод исследования. В работе использованы методы гибридного Результаты исследований разработанного шугосбросного устройстмоделирования, включающие физическое и математическое моделирова- ва использованы в проекте водозаборного сооружения на реке Усек, Ресние, элементы теории планирования экспериментов и методы регрессион- публика Казахстан, для каскада малых деривационных ГЭС и подтвержденого анализа. Для вычислений применены расчетные комплексы и про- ны Актом внедрения от 30.04.2013 г.

граммы для математического моделирования. Личный вклад соискателя состоит в усовершенствовании классиДостоверность и обоснованность научных результатов и рекомен- фикации шугосбросных устройств, адаптации математической модели даций достигается использованием апробированных исходных положений, процесса зимнего водозабора из рек горно-предгорной зоны, обосновании применением классических методов исследований, использованием мет- и изготовлении физических моделей водозаборных сооружений и проверологически поверенной аппаратуры и лицензионного программного дении экспериментальных исследований процессов зимнего водозабора из обеспечения, согласованием теоретических результатов с результатами рек горно-предгорной зоны. Соискателем выполнена обработка экспериментальных данных, полученные результаты сопоставлены с результатами Кавказ и Средняя Азия относятся к регионам с неустойчивым клидругих исследователей. матом, что вносит некоторые особенности в зимний режим рек, протеНа защиту выносятся: кающих по их территориям. Отличительные особенности зимнего режима 1. Классификация шугосбросных устройств по принципу действия. рек горно-предгорной зоны обусловлены зависимостью температуры воды 2. Усовершенствованные и запатентованные конструкции шугос- от абсолютных отметок и от гидравлических особенностей потока горных бросных устройств в составе водозаборных сооружений для деривацион- рек, отличающегося высокими скоростями.

ных ГЭС.

3. Особенности и закономерности гидравлических явлений, обнапри эксплуатации водозаборных сооружений деривационных ГЭС, в связи руженных в результате физического и математического моделирования процессов зимнего водозабора на водозаборном сооружении для дерива- с чем совершенствование методов и конструкций, способствующих преционных ГЭС. одолению данных осложнений, является актуальной задачей.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертаци- А. Ж. Жулаева, Д. В. Козлова, Г. И. Логинова, Р. С. Малхазяна, онной работы докладывались автором на международной конференции Ц. А. Назарова, Н. Н. Петруничева, А. И. Пеховича, А. В. Филончикова, «Альтернативная энергетика и проблемы энергобезопасности» (г. Бишкек, И. Н. Шаталиной, Н. Н. Ягодина и другие. В диссертации рассмотрены основные технологические операции при зимнем водозаборе и на основе их анализа Кыргызстан), на научно-практических конференциях с международным участием в рамках XXXIX, XL и XLI недели науки СПбГПУ, в рамках 6 и 7 для исследований выбрана базовая конструкция Водозаборного сооружения для научно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и деривационных ГЭС (авторы Лавров Н. П., Рохман А. И., Логинов Г. И. и др.).

технологии», на заседании секции «Гидравлика гидротехнических и энерге- Существующие способы по борьбе с шуголедовыми затруднениями тических сооружений» ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева», на научных се- на гидроэлектростанциях разделяются на четыре группы:

минарах кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» – уменьшение интенсивности ледовых образований или полное их СПбГПУ и кафедры «Гидротехническое строительство и водные ресурсы» предотвращение;

Кыргызско-Российского Славянского университета (КРСУ). – аккумулирование подвижных ледообразований выше водозаборПубликации. По теме диссертации опубликовано одиннадцать на- ных сооружений и на водопроводящем тракте;

учных работ, из них три – в изданиях, рекомендованных ВАК, получено – беззажорная транспортировка подвижных ледообразований по водва патента Российской Федерации на полезную модель. допроводящим трактам;

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из – рациональный сброс льда и шуги в нижний бьеф сооружений гидровведения, четырех глав, заключения, списка литературных источников и узла.

приложения. Диссертация общим объемом 159 страниц, содержит 89 ри- Каждый из представленных способов обладает своими преимуществасунков, 24 таблицы. Список литературы составлен из 121 источника. ми и недостатками, и на практике редко отдается предпочтение одной группе.

Во введении отражены актуальность темы работы, цель и задачи В первой главе приведен аналитический обзор существующих кондействия с учетом преемственности конструкций, схема предлагаемой струкций водозаборных сооружений и шугосбросных устройств. Описыклассификации приведена на рис. 1.

ваются отличительные особенности температурного и ледового режима довых явлений.

Вихревой шугосброс Шахтный шугосброс Полулотковые запани С отводом шугоносных слоев Во второй главе приводятся результаты математического моделиверхнем бьефе сооружения у правого берега наблюдается водоворотная рования процессов зимнего водозабора из горных рек.

трехмерного течения вязкой несжимаемой жидкости. Расчетные алгоритПроизводится сопоставление результатов гидравлических исследомы FLOW 3D основаны на применении метода конечных объемов (МКО), лась модель турбулентности RNG (Renormalization-group).

Расчеты проводятся при двух расчетных схемах:

– модель криволинейного подводящего зарегулированного русла и вогде Нр – расчетная глубина воды в верхнем бьефе сооружения, поддержидозаборного сооружения для деривационных ГЭС в целом (рис. 2, слева);

– модель промывного тракта водозаборного сооружения для дериВСДГ с измененной высотой пониженного промежуточного быка прововационных ГЭС (рис. 2, справа).

дится с применением программы Wolfram Mathematica 9. На основе матеМодель сооружения выполнена в соответствии с проектными черматического моделирования сделаны выводы о рекомендуемых к дальтежами ВСДГ на реке Иссык-Ата (Чуйская обл., Киргизия), описание коннейшим исследованиям конструкциях и их примерных параметрах.

струкции и режимов работы которого приведены в начале данной главы.

сти изменена высота пониженного промежуточного быка между речным пролетом и промывным трактом, а также выполнен шугосбросной вырез в приводятся результаты исследования одного из элементов патентуемого веденным расчетам, модели были выполнены в масштабе 1:20 натуральной водозаборного сооружения для горных рек (ВСГР). Особенностью этого величины на двух экспериментальных установках КРСУ.

этапа исследований, в отличие от предыдущего, является гидравлическое Экспериментальные исследования были выполнены автором совмемоделирование двухфазного потока (вода-шуга). стно с доцентом кафедры ГТСиВР КРСУ, к.т.н. Логиновым Г. И., при помощи сотрудников гидротехнической лаборатории этого университета В ходе гидравлического моделирования были исследованы расходные характеристики промывного тракта и его элементов в условиях пространственной модели, было изучено взаимовлияние конструктивных элементов промывного тракта на их пропускную способность. На основании Рис. 3. Картина распределения поверхностных скоростей и скоростей по оси – объемной концентрации шуги в потоке, перетекающем в водоприпромывного тракта при напоре над сдвоенным затвором h = 0,5 м емную камеру водозаборного сооружения и в потоке, сбрасываемом по Применяя методы теории планирования экспериментов, осуществИсследованы характеристики предлагаемой конструкции донной ляется разработка планов для проведения экспериментальных исследовавставки с обратным уклоном в качестве дополнительного шугосбросного ний процессов зимнего водозабора и некоторых элементов водозаборных Используя методы теории подобия, выполнен расчет масштаба мообъемной концентрации шуги в потоке, попадающем в водоприделей исследуемых конструкций водозаборных сооружений из условия соблюдения критерия гидродинамического подобия Фруда, при соблюденижний бьеф;

нии автомодельности по критериям Рейнольдса и Вебера. Согласно произкоэффициента шугосбрасывания промывного тракта.

для частиц сферической формы, полученных по данным различных авторов, с величиной, полученной по формуле А. Б. Векслера Количество и состав параметров, входящих в модели, были выбра- 1 – кривая изменения коэффициента расхода по экспериментальным данным автора был произведен расчет коэффициента расхода при истечении из-под запромывного тракта (h = 0,3 Hр); 4 – то же по данным М. К. Торопова; 5 – кривая изменения где зв – коэффициент расхода при истечении из-под затвора зимнего воМ. К. Торопова представлены на рис. 6.

дозабора; Qзв – расход при истечении из-под затвора зимнего водозабора;

а – открытие затвора зимнего водозабора; b – ширина отверстия зимнего водозабора; g – ускорение свободного падения; Нр – расчетный напор в верхнем бьефе сооружения; – коэффициент вертикального сжатия струи.

Результаты сопоставления полученных опытных данных с эксперизимнего водозабора лучше согласуется со значением, рекомендованным ментальными данными других авторов представлены на рис.5.

переливе через гребень сдвоенного затвора промывного тракта, его расчет где m – коэффициент расхода при переливе через гребень сдвоенного затракта, т. к. величина коэффициента расхода снижается не более, чем на твора промывного тракта; Qсз – расход при переливе через сдвоенный запо сравнению с однофазным потоком.

твор промывного тракта; b – ширина промывного тракта; g – ускорение свободного падения; h – напор над гребнем сдвоенного затвора промывноавтоматизированного водозаборного сооружения деривационной ГЭС го тракта; – коэффициент кинетической энергии; v – скорость подхода воды к сдвоенному затвору промывного тракта.

Г. И. Логиновым и О. В. Атамановой (КРСУ) водозаборного сооружения для горных рек (рис. 8) в масштабе 1:20.

Рис. 6. Зависимость коэффициента расхода при переливе через сдвоенный затвор режимов промывного тракта ВСДГ (рис. 9).

промывного тракта при различном напоре и влиянии затвора зимнего водозабора: На рис. 9 область допустимых режимов имеет значение 1 (зеленый 1 – кривая изменения коэффициента расхода по экспериментальным данным автора М. К. Торопова; 3 – кривая изменения коэффициента расхода по экспериментальным данным автора при влиянии водоприемного отверстия зимнего водозабора (a = 0,55 Hр); 4 – то же по данным М. К. Торопова; 5 – кривая изменения коэффициента расхода при отсутствии Четвертая глава посвящена поиску оптимальных величин откры- сдвоенного затвора промывного тракта к расчетному напору в верхнем тия затвора зимнего водозабора и напора над гребнем сдвоенного затвора бьефе.

промывного тракта, а также оптимальной конфигурации вставки с обратным уклоном.

Рис.7. Движение моделируемых частиц шуги через гребень сдвоенного затвора промывного тракта и через дополнительный шугосбросной вырез в правой Используя модели процессов, полученные в результате обработки других авторов, а величина относительного открытия затвора зимнего воданных физического моделирования, и диаграмму режимов промывного дозабора аОТН. = 0,38, близка к значению величины, рекомендованной тракта (рис. 9), была решена задача оптимизации с использованием про- Г. И. Логиновым при исследовании открытия затвора зимнего водозабора граммы Wolfram Mathematica 9. В качестве критерия оптимизации был Поверхность, характеризующая функцию коэффициента шугосбраобеспеченности. При этом расход воды, необходимый для промыва сывания при объемной концентрации шуги в промывном тракте С = 5%, Рис. 10. Вид поверхности, описывающей величину коэффициента речном потоке С 20%.

тракта, определяемый как отношение расхода шуги QШ, сбрасываемого шугосбросным устройством, к величине расхода воды QВ, необходимого Получены аналогичные трехмерные поверхности, описывающие функцию расхода истечения из-под затвора зимнего водозабора и величирассматриваемые конструкции автоматизированных водозаборных сооруну объемной концентрации шуги, попадающей в водоприемник ВСДГ.

В результате решения задачи оптимизации были получены следуюих эксплуатационную надежность, снизить затраты на эксплуатацию и щие значения искомых величин:

Полученное значение коэффициента шугосбрасывания близко к плуатации водозаборных сооружений деривационных ГЭС в зимний периводослива для автоматизированного водозаборного сооружения деривациод эксплуатации и некоторые пути их решения // Сборник материалов онных ГЭС (ВСДГ) и донной вставки-трамплина для водозаборного сооруXXXIX Недели науки СПбГПУ. СПб., 2010. С. 70-72.

жения для горных рек (ВСГР). Экспериментальные исследования подтверЛавров Н. П., Логинов Г. И., Шипилов А. В. Физическое моделидили эффективность данных шугосбросных устройств, как каждого в отрование процессов зимнего водозабора, на водозаборном сооружении для дельности, так и при их совместном взаимодействии.

3. На основании результатов физического моделирования получены модели процессов при истечении из-под затвора зимнего водозабора и при переливе через сдвоенный затвор промывного тракта ВСДГ двухфазного потока (вода-шуга). Проведено сравнение результатов математического и малых ГЭС от шуги при водозаборе из горных рек // Сборник материалов физического моделирования, определены рациональные размеры водопро- XL Недели науки СПбГПУ. СПб., 2011. С. 59-61.

водящих элементов ВСДГ при эксплуатации в зимний период. 5. Лавров Н. П., Логинов Г. И., Шипилов А. В. Новые типы водозаИсследованы расходные характеристики дополнительного шугос- борных сооружений для малых ГЭС // Гидротехника XXI век. СПб. 2012.

бросного выреза в водосбросной стенке в качестве дополнительного шугос- №1(8). С. 51-53.

бросного устройства водозаборного сооружения для деривационных ГЭС 6. Лавров Н. П., Логинов Г. И., Борисенко Д. А., Шипилов А. В. ВоВСДГ). Даны рекомендации по определению размеров дополнительного дозаборный гидроузел для деривационной ГЭС на р. Мерке // Гидротехнишугосбросного выреза. ческое строительство. М., 2012, № 10. С. 37-40.

5. Выполнено физическое моделирование промывного тракта с дон- 7. Лавров Н. П., Логинов Г. И., Шипилов А. В. Гидравлические исследования пропускной способности водозаборного сооружения для дериной вставкой-трамплином в качестве шугосбросного устройства водозаборвационных ГЭС в зимний период эксплуатации // Материалы седьмой наного сооружения для горных рек (ВСГР), по результатам которого опредеучно-технической конференции «Гидроэнергетика. Новые разработки и лена оптимальная конфигурация донной вставки с обратным уклоном.

6. Используя модели, полученные в результате обработки данных фиЛавров Н. П., Шипилов А. В. Планирование экспериментов на зического моделирования, и методы математического программирования, определены оптимальные значения открытия затвора зимнего водозабора, напора над гребнем сдвоенного затвора промывного тракта, а также рациоШипилов А. В. Образование шуги на горных реках при наличии нальная конфигурация донной вставки с обратным уклоном.

7. Путем математического моделирования исследованы гидравличеС. 66-73.

ские режимы, возникающие в промывном тракте и верхнем бьефе водозаЛавров Н. П., Шипилов А. В., Логинов Г. И.. Шугосбросное устборного сооружения для деривационных ГЭС. Получены модели кинемати- ройство водозаборного сооружения для деривационных ГЭС. Патент РФ ки, скоростной структуры потока, а также некоторые характеристики пропу- на полезную модель №123423, МПК Е 02 В 9/02, опубл. 27.12.2012. 4 с.

скной способности предлагаемых шугосбросных устройств с оценкой их 11. Лавров Н. П., Шипилов А. В. Методика проведения эксперименвзаимовлияния при пропуске однофазного потока. тов на модели водозаборного сооружения для деривационной ГЭС // 8. Разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации во- Сборник лучших докладов Недели науки СПбГПУ. СПб., 2013. C. 15-17.

дозаборных сооружений деривационных ГЭС в зимний период. Результаты 12. Лавров Н. П.,Шипилов А. В., Логинов Г. И.Пропускная способразработок получили применение в проекте водозаборного сооружения на ность промывного тракта водозаборного сооружения для деривационных реке Усек для каскада малых деривационных ГЭС (Алма-Атинская обл., ГЭС в зимнем режиме эксплуатации // Инженерно-строительный журнал.

Казахстан).

1. Балянов А. П., Клепачева О. А., Шипилов А. В. Натурные наблю- №133537, МПК E 02 B 13/00, опубл. 20.10.2013. 9 с.

дения работы некоторых малых ГЭС Кыргызстана в зимний период // Ма- Типография ООО «Наша Марка»

териалы конференции «Альтернативная энергетика и проблемы энерго- 195220, Санкт-Петербург, Гжатская ул., 21.