ТУРБИННОЕ ВОДОПРОВОДЯЩЕЕ СООРУЖЕНИЕ Российский патент 2006 года по МПК E02B9/06 

Изобретение относится к области гидротехнического строительства и может быть применено при строительстве водопроводящих сооружений в виде сталежелезобетонных напорных турбинных трубопроводов на гидроэлектрической станции (ГЭС) и гидроаккумулирующей станции (ГАЭС), подверженных воздействию значительных температурных перепадов и атмосферных осадков вследствие климата местности.

Известно турбинное водопроводящее сооружение, выполненное в виде трубопровода из толстолистового металла (1).

Недостатками такого водопроводящего сооружения является его высокая стоимость, недостаточная надежность в случае трубопровода большого диаметра и его недолговечность вследствие коррозии трубопровода, подверженного атмосферному воздействию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является турбинное водопроводящее сооружение, подверженное атмосферным воздействиям вследствие климата местности, включающее сталежелезобетонный трубопровод, расположенный на подготовленном основании (2 или 3).

Сталежелезобетонный трубопровод состоит из двух совместно работающих элементов: внутренней стальной (металлической) облицовки и внешней железобетонной оболочки - в источниках они обе часто называются оболочками, соответственно стальной и железобетонной. Стальная облицовка обеспечивает герметичность трубопровода, предотвращая тем самым непосредственное воздействие водного потока на железобетонную оболочку, и одновременно воспринимает часть давления воды. Железобетонная оболочка воспринимает остальную часть давления воды, а также защищает стальную облицовку от коррозии. В сталежелезобетонных трубопроводах даже при высоких напорах используются стальные облицовки относительно небольшой толщины, что упрощает изготовление трубопроводов. Они более экономичны по сравнению с металлическими трубопроводами и более надежны и безопасны для электростанции в случае разрыва в трубопроводе стальной облицовки. На ряде ГАЭС (Загорская, Кайшядорская) такие трубопроводы работают под напором более 100 метров, имеют внутренний диаметр 7.5 метра и по длине температурно-осадочными компенсаторами разрезаны на секции. В случае плотинной схемы гидроэнергетических установок сталежелезобетонные трубопроводы часто выносятся на низовую грань станционной части бетонной плотины. Диаметр таких осуществленных трубопроводов достиг 12.4 метра - гидроузел Санься ("Три ущелья") в КНР (4).

Водопроводящее сооружение со сталежелезобетонными трубопроводами недостаточно надежно, недостаточно долговечно и сложно при эксплуатации по следующим причинам.

1. Наружную поверхность трубопровода постоянно омывает воздух местности, температурные перепады (колебания) которого в суровых климатических условиях в течение года достигают величины 70°С и более. Это обуславливает раскрытие межсекционных швов на величину 0.025 метра и более (2), что ограничивает длину секции и делает компенсаторы конструктивно сложными, трудоемкими в изготовление и не надежными из-за быстрого износа уплотняющего элемента (5).

2. Воздействие температурных перепадов в существенной мере обуславливает образование в железобетонной оболочке, работающей в сложном напряженно-деформированном состоянии, системы трещин, прежде всего на стыках между сборными кольцами, которые часто, обычно зимой, превосходят допустимые величины. Это снижает долговечность и коррозионную стойкость трубопровода, а в случае дефекта в стальной облицовке в трубопроводе образуется протечка, которая к тому же зимой образует наледи.

3. К бетону оболочки трубопровода и к бетону основания предъявляются высокие требования по морозостойкости. Это обуславливается тем, что через образовавшиеся трещины в бетон попадает вода атмосферных осадков. Вода в бетон попадает также и изнутри, в случае протечки в стальной облицовке. Эта вода неблагоприятно, с созданием термовлажностных градиентов, распределяется в бетоне, что резко понижает его морозостойкость.

4. Сезонные промерзание-оттаивание основания обуславливают в нем деформации, что усложняет работу компенсаторов на трубопроводе, превращая их из температурных в температурно-осадочные.

5. Высокие деформации секции в направлении ее образующей создают дополнительные нагрузки на основание и могут повредить его элементы, например свайный ростверк (6).

6. Температура воды в водохранилище, например, на Загороской ГАЭС в зимний период снижается до +0,1 -0,3°С. При перерывах в работе агрегата более двух суток возможно опасное льдообразование в трубопроводе (2).

7. Сложность и недостаточная надежность контроля за работой трубопровода в зимний период года.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности водопроводящего сооружения и упрощение его эксплуатации. Технический же результат от использования изобретения заключается в уменьшении температурных и осадочных деформаций по длине трубопровода путем снижения воздействия температурных перепадов воздуха местности на трубопровод и на его основание; в предотвращении попадания на них атмосферных осадков; в предотвращении в них циклов переменного замораживания и оттаивания; в упрощении и повышении надежности контроля за работой водопроводящего сооружения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что турбинное водопроводящее сооружение, подверженное атмосферным воздействиям вследствие климата местности, включающее сталежелезобетонный трубопровод, расположенный на подготовленном основании, согласно изобретению оно снабжено ограждающей конструкцией с покрытием, образующим вместе с подготовленным основанием полость, при этом трубопровод расположен внутри полости, а само водопроводящее сооружение снабжено средством для подогрева воздуха в этой полости в холодное время года. Средство обеспечивает подогрев воздуха в полости до температуры, превышающей ноль градусов по Цельсию. В случае включения водопроводящим сооружением группы сталежелезобетонных трубопроводах, размещенных в непосредственной близости друг к другу, покрытие ограждающего сооружения образует вместе с подготовленным основанием полость, вмещающую внутри себя всю группу трубопроводов. Целесообразно покрытие выполнять, по меньшей мере, частично из светопрозрачного материала.

Сущность технического решения заключается в создании посредством ограждающей конструкции отапливаемой полости, обеспечивающей вокруг сталежелезобетонных трубопроводов и над подготовленным основанием температурно-влажностного режима, близкого к оптимальному, а именно: температура в полости всегда положительна и, по возможности, близка к температуре воды в трубопроводе, а сама полость защищена от атмосферных осадков. Этим многократно уменьшаются температурные деформации в трубопроводах и в основании, повышается морозостойкость бетона в них, причем при одновременном предотвращении циклов переменного замораживания и отталкивания бетона.

Изобретение поясняется чертежами, на которых схематично изображены:

на фиг.1 - общий вид Загорской ГАЭС, предлагаемая изобретением ограждающая конструкция на этом чертеже условно не показана;

на фиг.2 - продольный разрез по водопроводящему сооружению;

на фиг.3 - разрез по А-А на фиг.1;

на фиг.4 - водопроводящее сооружение ГЭС со сталежелезобетонными трубопроводами, расположенными на низовой грани станционной части бетонной плотины, продольный разрез.

Пример 1. Турбинное водопроводящее сооружение ГАЭС включает группу сталежелезобетонных трубопроводов 1 (фиг.1), одни концы которых сопряжены с водоприемником 2, осуществляющим забор воды из верхнего бассейна 3 или выпуск воды в него, а другие - со зданием ГАЭС 4, осуществляющим посредством обратимых (турбонасосных) агрегатов 5 выпуск воды в нижний бассейн 6 или забор воды из него. Трубопроводы 1 расположены в непосредственной близости друг к другу на подготовленном в направлении склона основании 7 (фиг.2) и по длине температурно-осадочными компенсаторами 8 разделены на секции 9. В поперечном сечении каждый трубопровод 1 имеет круглое сечение (фиг.3) и состоит из внутренней стальной облицовки 10 и работающей с ней совместно железобетонной оболочки 11. Трубопровод 1 своими опорными частями 12 передает нагрузки на основание 7, которое включает в себя ранбалки 13, ростверки 14 и буробетонные сваи 15, выполненные в нескальных и полускальных грунтах 16 основания 7. Дополнительно водопроводящее сооружение снабжено ограждающей конструкцией 17 с теплозащитным покрытием 18, образующим над подготовленным основанием 7 полость 19. Все трубопроводы 1 расположены внутри полости 19, которая снабжена средствами для подогрева в ней воздуха в холодное время года преимущественно до температуры, превышающей ноль градусов по Цельсию.

Теплозащитное покрытие 18 выполнено большей частью из светопрозрачного материала в виде безопасного остекления. Полость 19 отапливается водяными трубами 20 и, например, электрическими калориферами (не показаны). Отопительные трубы 20 сообщены с системой охлаждения оборудования здания ГАЭС 4. Дополнительно в полость 19 из системы вентиляции здания ГАЭС 4 воздухонагревательной установкой (не показана) в холодные время года подается теплый воздух.

В местах примыкания ограждающей конструкции 17 к водоприемнику 2 и зданию ГАЭС 4 в ней выполнены грузовые проемы 21, которые обслуживаются кранами 22. В отапливаемой полости 19 выполнены обеспечивающие эксплуатацию и ремонт водопроводящего сооружения проходы, лестницы, площадки и подъемники, которые разрабатываются обычным проектированием и на чертежах не показаны.

Ограждающая конструкция 17 выполняется одновременно со строительством трубопроводов 1 или в период их эксплуатации при работающей ГАЭС. При этом конфигурация кровельной части ограждающей конструкции 17 определяется проектом в зависимости от местных условий, используемых способов и механизмов при создании ограждающей конструкции 17, а также от способов и средств, выбранных для уборки снега с ее кровельной части.

Водопроводящее сооружение ГАЭС эксплуатируется и работает следующим образом.

В теплое время года за счет охлаждающего воздействия воды, протекающей по трубопроводам 1, в полости 19 устанавливается положительная температура, промежуточная между температурой воды в трубопроводах 1 и температурой наружного воздуха местности. При этом температурные перепады в полости 19, по сравнению с температурными перепадами на местности, существенно, до половины, уменьшаются. Одновременно теплозащитное покрытие 18 предотвращает попадание в полость атмосферных осадков. В холодное время года за счет отапливания в полости 19 постоянно поддерживается положительная температура, обычно равная температуре воды в трубопроводах 1, которая на ГАЭС в это время находится в пределах 1-3°С. При этом практически полностью предотвращаются как температурные перепады в полости 19, так и циклы переменного размораживания и оттаивания трубопроводов 1 и их основания.

Все это приближает температурно-влажностный режим в полости 19 близко к оптимальному для трубопроводов 1 и их основания 7. К тому же водопроводящее сооружение может быть снабжено средством для регулирования (снижения) влажности в заполняющем полость воздухе. В результате всего этого повышается надежность и долговечность водопроводящего сооружения и упрощается его эксплуатация.

В случае отключения отопления в холодное время года температура в полости 19 устанавливается существенно выше температуры наружного воздуха и с меньшими перепадами, что, хотя и в меньшей мере, также обеспечивает достижение ранее указанного технического результата.

Пример 2. Турбинное водопроводящее сооружение ГЭС включает группу сталежелезобетонных трубопроводов 23 (фиг.4), размещенных на низовой грани 24 станционной части бетонной плотины 25, и дополнительно снабжено ограждающей конструкцией 26, теплозащитное покрытие 27 которой вместе с низовой гранью 24 образует полость 28, вмещающую в себя все трубопроводы 23. Низовая грань 24 бетонной плотины 25 имеет многоступенчатый вид и является качественно подготовленным основанием для трубопроводов. Полость 28 снабжена средствами (не показаны) для подогрева в ней воздуха.

Такое водопроводящее сооружение работает аналогично ранее описанному в примере 1 с аналогичным техническим результатом: создание в железобетонной оболочке трубопровода температуро-влажностного режима, близкого к оптимальному.

Одновременно с этим в холодное время года происходит полезный подогрев бетона плотины 25 у ее низовой грани 24. В результате чего в теле плотины создается более благоприятный температурный режим, а именно: температура бетона у низовой грани плотины в течение всего года положительная. Этим обеспечивается полезное дополнительное обжатие бетона у верховой грани 29 плотины 25 и грунта в ее основании 30, что улучшает напряженно-деформированное состояние бетонной плотины.

Представленное в примере 1 и 2 водопроводящее сооружение предназначено для районов с суровыми и особо суровыми климатическими условиями, когда высокие перепады температур на местности в течение года происходят вокруг ноля градусов по Цельсию. В иных климатических условиях, когда перепады происходят в пределах положительных температур, целесообразность создания посредством ограждающей конструкции искусственного климата для сталежелезобетонных трубопроводов с очевидностью не просматривается.

Источники информации

1. Архипов A.M. Турбинные водоводы со стальной оболочкой. - ЛО, Энергия, 1973, С.5-20.

2. Березинский С.А., Егоров А. В., Лашманова B.C., Полинковский И.А. Конструкция трубопроводов ГАЭС// Гидротехническое строительство, 1985, №4.

3. Пособие по проектированию сталежелезобетонных конструкций гидротехнических сооружений: П-780-83/ Гидропроект. Л., 1983.

4. Рубин О.Д., Лисичкин С.Е., Николаев Б.А., Камнев Н.М. Особенности расчета и проектирования сталежелезобетонных напорных водоводов// Гидротехническое строительство, 1999, №1.

5. Седых Ю.Р., Семененок С.Н., Магрук В.И., Яновский А.П. Ремонтные работы по предотвращению протечек в сооружениях Загорской ГАЭС // Гидротехническое строительство, 1997, №4.

6. Березинский С.А., Коган Е.А., Мгалобелов Ю.Б., Соловьева Л.Д. Исследование условий совместной работы сборного сталежелезобетонного водовода и свайного ростверка // Гидротехническое строительство, 1985, №8.

Изобретение относится к области гидротехники и может быть применено при строительстве водопроводящих сооружений ГЭС и ГАЭС. Сооружение содержит сталежелезобетонный трубопровод, расположенный на подготовленном основании. Оно снабжено ограждающей конструкцией с покрытием, образующим над подготовленным основанием полость. Трубопровод расположен внутри полости, а само водопроводящее сооружение снабжено средством для подогрева воздуха в этой полости в холодное время года. Сооружение может быть снабжено средством, обеспечивающим подогрев воздуха в полости до температуры, превышающей ноль градусов по Цельсию. В случае включения им группы сталежелезобетонных трубопроводов, размещенных в непосредственной близости друг к другу, покрытие ограждающего сооружения образует над подготовленным основанием полость, вмещающую внутри себя всю группу трубопроводов. Покрытие может быть выполнено, по меньшей мере, частично из светопрозрачного материала. Изобретение повышает надежность контроля за работой и долговечность сооружения, снижает затраты на ремонт. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Турбинное водопроводящее сооружение, подверженное атмосферным воздействиям климата местности, включающее сталежелезобетонный трубопровод, расположенный на подготовленном основании, отличающееся тем, что оно снабжено ограждающей конструкцией с покрытием, образующим над подготовленным основанием полость, при этом трубопровод расположен внутри полости, а само водопроводящее сооружение снабжено средством для подогрева воздуха в этой полости в холодное время года.2. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством, обеспечивающим подогрев воздуха в полости до температуры, превышающей 0°C.3. Сооружение по п.1, отличающееся тем, что в случае включения им группы сталежелезобетонных трубопроводов, размещенных в непосредственной близости друг к другу, покрытие ограждающего сооружения образует над подготовленным основанием полость, вмещающую внутри себя всю группу трубопроводов.4. Сооружение по п.1 или 2, отличающееся тем, что покрытие выполнено, по меньшей мере, частично из светопрозрачного материала.