Глубинный водозаборно-водосбросный оголовок Советский патент 1992 года по МПК E02B8/02 

з 1 3 Фиг/

11 сбросного коллектора 2, а вертикальные кромки, жестко заделаны в боковые стенки коллекторов. При этом общая горизонтальная перегородка 3 выполнена с конусообразным выступом 13 на ее водосбросной поверхности, обращенным вершиной навстречу сбрасываемому потоку, а струенап- равляющая стенка 9 плавно сопряжена с конусообразным выступом 13, выполнена вогнутой внутрь сбросного коллектора 2 и изогнута по дуге вертикально вверх. Нагретая от энергоблоков вода по подводящей галерее 15 поступает в сбросной коллектор 2, на входе которого посредством конусообразного выступа 13 она растекается и формируется в плоский поток. А в самом коллекторе 2 струи потока под воздействием выступа 13 растекаются к боковым стенкам. Тем самым подготавливается разворот потока в противоположное направление. При выходе из сбросного коллектора 2 сформированный поток попадает на струенап- равляющую стенку 9, которая воспринимает всю силу сбросного потока и отводит его из оголовка наружу, обеспечивая постоянный и ровный факел выброса. Нагретая вода по инерции отходит дальше в противоположную сторону от заборного коллектора 1, поднимается к верхним слоям и равномерно растекается по поверхности водоема. Таким образом обеспечивается оптимальный режим работы водозаборно-водосбросного оголовка.4 ил.

Изобретение относится к гидротехническому строительству, а именно к водозабор- но-водосбросным сооружениям на морях, озерах, водохранилищах И полноводных реках, и может быть использовано для подачи холодной и отвода нагретой воды на промышленных комплексах, ТЭС и АС, системах коммунального водоснабжения и водоотведения. Цель изобретения - повышение эффективности работы путем обеспечения стабильности выхода поворачиваемого нагретого потока воды из сбросного коллектора и равномерного его растекания по поверхности водоема. Сбросной коллектор 2 имеет поперечно расположенную струенаправляющую стенку 9, нижняя кромка которой закреплена на общей горизонтальной перегородке 3 коллекторов, верхняя горизонтальная кромка расположена выше наружной поверхности Ё

Изобретение относится к гидротехниче- скбму строительству, а именно к водозабор- но-водосбросным сооружениям на морях, озерах, водохранилищах и полноводных реках; и может быть использовано для подачи холодной и отвода нагретой воды преимущественно на промышленных комплексах. ТЭС и АС, системах коммунального водоснабжения и водоотведения. .

Известно водозаборно-водосбросное сооружение охлаждающего водоема, содержащее водозаборный оголовок, размещенный на дне водоема, и водосбросной оголовок, расположенный над ним, причем водозаборный оголовок смещен в сторону водоема относительно водосбросного оголовка и сопряжен с ним откосом.

При этом отношение заглубления верхней кромки водозаборного оголовка к расстоянию между оголовками составляет 0,078-0,30.

Данное сооружение связано с отводящим каналом через громоздкое и дорогостоящее сооружение - земляную дамбу, в теле которой проложена отводящая галерея. Разместить на достаточном удалении от берега водозаборный оголовок, смонтированный у нижней кромки откоса дамбы, не представляется возможным, т.е. сооружение оказывается расположенным в прибрежной зоне, в которой при волнении возникает ряд течений, отражающихся на качестве отбираемой воды и приводящих к серьезным эксплуатационным затруднениям, вплоть до полного отказа в приеме воды и выхода из строя всего сооружения.

В естественных водоемах вдольберего- вое течение транспортирует круглогодично наносы, а в предледоставный период и во время зимних оттепелей - шугу.

По данным статистики 80% существующих водозаборных сооружений забиваются шугой, например, конструкции водозаборных сооружений, аналогичные рассматриваемой конструкции, на Каховском

водохранилище (г. Никополь).

Представляет значительные трудности также решение задачи, связанной непосредственно с проблемой устойчивости встречных стратифицированных потоков с

учетом влияния начальных условий на процесс вовлечения жидкости из одного слоя в другой.

Не всегда представляется возможным производить селективный отбор из придонных слоев водоема с оптимальным качеством и минимально возможной температурой. Это приводит непосредственно к отбору воды более теплой, чем это позволяют условия водоема, а следовательно, повышенному расходу воды на охлаждение конденсаторов турбин, к ухудшению вакуума и значительному перерасходу топлива на станции. Так и на ГРЭС мощностью 3600 МВт увеличение температуры воды,забираемой из источников и идущей на охлаждение конденсаторов турбин, всего на 1°С ведет к увеличению расхода топлива не менее, чем на 36000 сут в год.

Известны также инженерные проработки, направленные на снижение материалоемкости сооружений, что в основном сводится к созданию совмещенных водовыпусков и водозаборов на крупных водохранилищах, ставящих задачу организации выпуска и забора с обеспечением минимального захвата подогретой воды в окна водозабора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является глубинный водозаборно-водосбросной оголовок, который состоит из расположенных один под другим заборного и сбросного коллекторов, имеющих общую горизонтальную перегородку, боковые стенки, козырек, закреплен- ный на перегородке, и отводящую и подводящую галереи, сообщенныес коллектором по оси симметрии,

Один из самых существенных недостатков совмещения в одном узле водосброса и водозабора, несмотря на то, что он менее материалоемкий по сравнению с другими аналогичными узлами, заключается в том, что конструкция водосброса не обеспечивает полного расслоения сбрасываемого и отбираемого потоков воды, что приводит к их смещению на начальных участках, а канализуемые стоки сбрасываемой воды, смешиваясь с отбираемым потоком на начальном участке, существенно ухудшают качество отбираемой воды, а также повышают ее температуру.

Кроме того, при данной конструкции водосброса не представляется возможным ор- ганизовать направленный сброс канализуемого потока. Сбросная струя подвергается воздействию ветроволнового или дрейфового течения, направляясь вместе с ними по волновой траектории, не всегда дающей предполагаемый охлаждающий эффект на поверхности воды и ожидаемое растекание струи.

Кроме того, компенсационное и ветро- волновое течения при данной конструкции могут смыкаться непосредственно в зоне самой конструкции. Это однозначно приводит к значительному ухудшению качества отбираемой воды, которая будет отбираться из компенсационного течения, к повышению ее температуры за счет смыкания сбросной струи с ветроволновым, а затем с компенсационным течением.

Так, например, следствием того, что северный водозабор города Волгограда, расположенный на глубине 36 м у западного берега Волжского водохранилища, попал в зону действия компенсационного течения, транспортирующего летом водоросли, является .не только затруднение при его эксплуатации, но и периодическое прекращение работы из-за забивки его водорослями.

Таким образом, описываемый водозаборно-водосбросной оголовок в натурных

условиях не может быть применен на глубине свыше 30 м. Обычно такие конструкции

0 размещаются на мелководных водоемах глубиной не более 10 м, и тем не менее эксплуатационные затруднения наблюдаются часто. В расположенных таким образом конструкциях при сильном волнении

5 отбор воды будет производиться из поверхностных слоев, так как плотностное циркуляционное течение бесспорно разрушить поверхность раздела между нижним и верхним потоками воды, что приведет к перемешива0 нию канализуемых струй с отбираемым при- донным потоком воды, т.е. эффект от применения данной конструкции будет сводиться к нулю.

Кроме этих недостатков конструкция,

5 данного оголовка подвержена и другим немаловажным недостаткам, заключающимся в динамической неустойчивости корпуса, а именно, при вытекании и заборе воды возникают на участках соединения галерей с коллекторами изгибающие моменты, величина которых тем больше, чем быстрее вытекает и забирается оголовком вода.

Это происходит за счет того, что вытекающий поток создает реактивную силу, направленную к коллектору, которая не устойчива из-за многих внешних факторов, одним из которых является то, что Б зонах работы заборного и сбросного коллекторов

0 образуется разное давление, которое козырьком не может нейтрализоваться. В виду этого во избежание деформаций в галереях коллекторы необходимо жестко крепить к дополнительным несущим конструкциям

5 как при работе оголовка у поверхности, так и в средних слоях водоема, а при придонной работе коллекторы необходимо закрепить на дне.

Поэтому, как следует из вышесказанно0 го, желательно создать конструкцию оголовка, исключающую изгибающие напряжения в галереях, повышая тем самым надежность его работы и отвод забираемого и выпускаемого потоков как можно дальше

5 один от другого, а также снижая материалоемкость конструкции за счет менее жестких связей между коллекторами и галереями.

Цель изобретения - оптимизация режима работы водозаборно-водосбросного ого0 ловка при обеспечении надежности и динамической устойчивости конструкций путем обеспечения стабильности выхода поворачиваемого нагретого потока воды из сбросного коллектора и равномерного его

5 растекания по поверхности водоема.

Поставленная цель достигается тем, что в известном глубинном водозаборно-водо- сбросном оголовке, содержащем расположенные один под другим заборный и сбросной коллекторы, имеющие общую горизонтальную перегородку, боковые стенки, козырек, закрепленный на перегородке, отводящую и подводящую и галереи, сообщенные с коллекторами по оси симметрии, новым является то, что сбросной коллектор водозаборно-водосбросного оголовка снабжен расположенной поперек этого коллектора струенаправляющей стенкой, нижняя кромка которой закреплена на общей горизонтальной перегородке коллекторов, верхняя горизонтальная кромка расположена выше наружной поверхности сбросного коллектора, а вертикальные боковые кромки жестко заделаны в боковые стенки коллекторов, при этом общая горизонтальная перегородка выполнена с конусообразным выступом на ее водосбросной поверхности, обращенным вершиной навстречу сбрасываемому потоку, а струенаправляющая стенка плавно сопряжена с конусообразным выступом, выполнена вогнутой, внутрь сбросного коллектора и изогнута по дуге вертикально вверх.

Наличие в конструкции сбросного коллектора оголовка струенаправляющей стенки, изогнутой по дуге вертикально вверх, обеспечивает поворачиваемому потоку стабильный выход из коллектора и равномерное растекание. Выполнение перегородки сбросного коллектора с конусообразным выступом, обращенным навстречу сбрасываемому потоку, служит для предварительной подготовки потока к его расширению и изгибу, а соединение меньших кромок струенаправляющей стенки со стенками коллекторов обеспечивает ориентированный выходной факел потока.

Данная конструкция обеспечивает гарантированное растекание канализуемой (или охлаждаемой) жидкости строго по поверхностному слою водоема ветроволно- вым или дрейфовым течением, с которым смешивается сбрасываемой поток воды. Кроме того, в струенаправляющей стенке при повороте потока нагретой воды возникает реактивная сила, направленная от оголовка по оси его симметрии.

В рассматриваемом изобретении описан один из многочисленных вариантов выполнения глубинного водозаборно-водосбросного оголовка, каждый из которых подчинен единому изобретательскому замыслу, отображенному в отличительной части формулы изобретения.

На фиг. 1 показан оголовок; на фиг. 2 - то же, вид на продольный разрез; на фиг. 3 - то же, вид сверху; на фиг. 4 - сечение А-А на фиг. 2.

Глубинный водозаборно-водосбросной оголовок состоит из горизонтально расположенных один под другим заборного 1 и сбросного 2 коллекторов многоугольной в

5 плане формы, имеющих общую горизонтальную перегородку 3 и боковые стенки 4 и 5. В вертикальной водоприемной стенке 6 заборного коллектора 1, имеющей постоянную толщу, выполнены круглые отверстия 7

0 переменного диаметра по высоте и длине стенки 6. Водоприемные отверстия 7 с максимальными диаметрами расположены у боковых стенок 4 и 5 оголовка, а водоприемные отверстия 7с минимальны5 ми диаметрами расположены у оси симметрии заборного коллектора 1.

По высоте водоприемной стенки 6 отверстия 7, как один из вариантов выполнения, могут иметь разные диаметры в

0 зависимости от предполагаемого слоя отбираемой воды.-верхнего, среднего по глубине или придонного. Отверстия 7 максимального диаметра располагаются в верхней,средней или нижней части стенки 6, а в свою

5 очередь, отверстия 7 с минимальными диаметрами будут соответственно располагаться в нижней части водоприемной стенки б, в верхней и нижней частях стенки бив верхней части стенки 6.

0Над водоприемной стенкой 6 заборного

коллектора 1 смонтирован козырек 8, представляющий собой сегмент с параболической криволинейной поверхностью. Максимальная ширина козырька совпадает

5 с осью симметрии оголовка и уменьшается до нуля у боковых стенок 4 и 5 коллекторов 1 и 2.

Сбросной коллектор 2 снабжен струе- направляющей стенкой 9, которая установ0 лена параллельно водоприемной стенке 6 и выполнена вогнутой внутрь сбросного коллектора и изогнута по дуге вертикально вверх, Нижняя кромка струенаправляющей стенки 9 закреплена на торце общей гори5 зонтальной перегородки 3 коллекторов. Верхняя горизонтальная кромка струенаправляющей стенки 9 расположена с переменным зазором 10 над верхней поверхностью 11 сбросного коллектора 2.

0

Для обеспечения жесткости струенаправляющей стенки 9, воспринимающей большие нагрузки сбрасываемого потока воды, предусмотрена вертикальная сегмен5 тообразная плита 12, одновременно предотвращая попадание воды в заборный коллектор 1. Общая горизонтальная перегородка 3 выполнена с конусообразным выступом 13 на водосбросной поверхности,

обращенным вершиной навстречу сбрасываемому потоку и сопряжена со струенап- равляющей стенкой 9.

Вертикальные кромки струенаправляю- щей стенки 9 закрыты боковыми стенками 4 и 5 оголовка, а заборный 1 и сбросной 2 коллекторы закреплены по оси симметрии соответственно с отводящей 14 и подводящей 15 галереями.

Глубинный водозаборно-водосбросной оголовок работает следующим образом.

Оголовок погружают в водоем и располагают на глубине в зависимости от температуры отбираемого слоя. Поскольку конструкция оголовка должна устанавливаться на водоемах в зоне, свободной от течений, то движение воды в зонах водоприемной б и струенаправляющей 9 стенок, кроме факелов всасывания и выброса, не предполагается. В водотоках глубинное стоковое или придонное течение ожидается с малыми скоростями ввиду значительной общей глубины или вообще отсутствует. Поэтому перед водоприемной 6 и за струенаправляющей 9 стенками образуются факелы всасывания и выброса,

Ввиду наличия в конструкции козырька 8 и при стратификации источника факел всасывания будет плоскопараллельным: струи имеют горизонтальное движение. Распределение скоростей по глубине и ширине факела всасывания может быть неравномерным и стимулируется неравномерностью размеров водоприемных отверстий 7 по высоте и длине водозаборного фронта. При необходимости отбора верхних слоев водоема должны быть увеличены скорости отбора воды в верхней части факела всасывания. При отборе придонных слоев увеличиваются скорости в придонной части факела всасывания. Повышение скорости в средней по глубине части факела всасывания повлечет за собой подсасывание к водоприемному средних слоев водоема по глубине. Козырек 8 над водоприемной стенкой б способствует выравниванию расхода, поскольку площадь под кромкой козырька 8 будет постоянной по всей длине водозаборного фронта. Поэтому при подходе к водоприемной стенке 6 факела всасывания переформировывается и расход выравнивается по ее ширине.

Кроме того, козырек 8 стимулирует расслоение разноплотностных потоков, так как поверхность раздела будет устойчива только при отборе воды со скоростями не более 0,2 м/с.

Прошедшая сквозь перфорацию водоприемной стенки 6 ввода из заборного коллектора 1 направляется в отводящую галерею 14 на охлаждение энергоблоков.

Нагретая от энергоблоков вода по подводящей галерее 15 поступает в сбросной коллектор 2, на входе которого посредством конусообразного выступа 13 она рассекается и формируется в плоский поток, а в самом коллекторе 2 струи потока под воздействием выступа 13 растекаются к боковым стенкам 4 и 5. Тем самым подготавливается разворот потока в противоположное направление.

При выходе из сбросного коллектора 2 сформированный поток попадает на струе- направляющую стенку 9, которая воспринимает всю силу сбросного потока и отводит

его из оголовка наружу с сохранением равенства скоростей струй в потоке, обеспечивая тем самым постоянный и ровный факел выброса. Нагретая вода по инерции отходит дальше к галереям в противоположную сторону от заборного коллектора 1, поднимается к верхним слоям и равномерно растекается по поверхностному слою водоема. Ветроволновым или дрейфовым течением поднятый поток окончательно

смешивается с верхним слоем водоема.

Смешиваясь с ветроволновым или дрейфовым течением, сбросной поток более теплой (чем в придонных слоях) воды будет перемещаться со скоростью (v w (0,1-0,2),

гдем-скорость ветра, м/с. Это стимулирует растекание потока по поверхности и его более интенсивное охлаждение. Кроме того, это создает дополнительный градиент плотностей Ар между плотностью р- воды у

поверхности и плотностью pi воды у дна. Форма факела выброса регулируется за счет изменения зазора 10 и кривизны струенаправляющей стенки 9. Реактивная сила, возникающая в струенаправляющей стенке

9 при выходе потока из сбросного коллектора 2, направлена параллельно противоположно всасываемому потоку и обеспечивает продольное напряжение всего оголовка, повышая тем самым его динамическую устойчивость к поперечным боковым колебаниям воды, в то же время снижая разность давлений на верхней и нижней поверхностях козырька 8, повышая устойчивость при вертикальных колебаниях слоев воды,

Технико-экономический эффект в предлагаемой конструкции совмещенных в одном сооружении водозабора-водосброса в том, что за счет максимально возможного

удаления выпускаемого потока воды в сторону, обратную традиционному направлению выпуска воды из окон водозабора, обеспечивается оптимизированный режим работы водозаборно-водосбросного оголовка при обеспечении надежности и динамической устойчивости конструкций,

Позволяя добиться четкого расслоения потоков сбрасываемой и отбираемой воды, конструкция обеспечивает отбор воды с ми- нимально возможной температурой из при- донных слоев водоема, что улучшает показатели работы тепловой электростанции, позволяет обеспечить значительную экономию расхода топлива.

Кроме того, улучшается качество отбираемой воды, так как окна водозабора не будут забиваться водорослями, наносами и шугой.

Стабильность работы конструкции оп- ределяется также и тем, что она не привязана к береговой полосе и позволяет выбрать расположение в той части акватории, которая не подвержена зависимости от шуголе- довых явлений. Если место отбора воды расположено вне зоны действия вдольбере- говых, разрывных и инерционных течений, то водозаборное сооружение будет надежно эксплуатироваться в течение расчетного периода эксплуатации, обеспечивая эконо- мичный отбор воды оптимального качества.

Формула изобретения

Глубинный водозаборно-водосбросной оголовок, установленный в водоеме, содерА

жащий соответственно расположенные один под другим заборный и сбросной коллекторы, имеющие общую горизонтальную перегородку, боковые стенки, закрепленный на перегородке козырек и отводящую и подводящую галереи, сообщенные с коллекторами, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности в работе путем обеспечения стабильности выхода поворачиваемого нагретого потока воды из сбросного коллектора и равномерного его растекания по поверхности водоема, он снабжен расположенной поперек сбросного кол- лектора струенаправляющей стенкой, нижняя кромка которой закреплена на общей горизонтальной перегородке коллекторов, верхняя горизонтальная кромка расположена выше наружной поверхности сбросного коллектора, а вертикальные боковые кромки жестко заделаны в боковые стенки коллекторов, при этом общая горизонтальная перегородка выполнена с конусообразным выступом на ее водосбросной поверхности, обращенным вершиной навстречу сбрасываемому потоку, а струенап- равляющзя стенка плавно сопряжена с конусообразным выступом, выполнена вогнутой внутрь сбросного коллектора и изогнута по дуге вертикально вверх.

иг. 3

| Ш§р|ГЩ1Щ.

v

«ftlt 4