6. Затворы гидроэлектростанций

Затворы энергетических водоводов и водосбросных устройств предназначены для прекращения или регулирования подачи воды.

Затворы по эксплуатационному назначению подразделяются на: основные, ремонтные и аварийные.

Часто роль ремонтной и аварийной заграждения выполняет один затвор. Затвор такой конструкции называется аварийно-ремонтным.

Основные (иногда их называют рабочими) затворы предназначены для регулирования расхода воды. Как правило, такие затворы устанавливают в водоприемных сооружениях несаморегулированных деривационных каналов гидроэлектростанций.

Аварийные затворы предназначены для перекрытия водоводов гидроэлектростанций при аварии гидроагрегата или при разрыве (разрушении) напорного водовода. Аварийный затвор обеспечивается индивидуальным подъемным механизмом (или поводом), что обеспечивает быстрое закрывание затвора (в связи с этим аварийный затворы часто называют быстродействующими). Аварийные затворы способны за 2-3 минуты (а иногда и за меньшее время) перекрыть водоводы, преодолевая силы давления текущего потока. Эти затворы по обыкновению имеют автоматическое дистанционное и местное управление. Аварийные затворы, как правило, устанавливаются в водоприемниках главных узлов и напорных бассейнов деривационных ГЭС при подводе воды к турбине открытыми трубопроводами, в водоприемниках пригребельних ГЭС.

В тех случаях, когда перед турбинными водоводами гидроэлектростанции сооружается водоприемник сифонного типа, вместо аварийных затворов предполагаются устройства для срыва вакуума.

На современных крупных русловых гидроэлектростанциях при надежном выполнении регулирующих органов турбин отпадает необходимость в устройстве быстродействующих аварийных. Поэтому преобладающее распространение на этих гидроэлектростанциях приобрели аварийно-ремонтные затворы. Эти затворы, как правило, не имеют индивидуальных подъемных устройств и обслуживаются краном водоприемника. Аварийно-ремонтные затворы могут опускаться в текущую воду. Однако иногда и на русловых ГЭС устанавливают аварийные быстродействующие затворы.

Кроме аварийных или аварийно-ремонтных затворов на гидроэлектростанциях есть несколько комплектов (1-2) ремонтных затворов, которые по обыкновению представляют собой секционные заграждения. Эти затворы предназначены для перекрытия водоводов на время продолжительных ремонтных работ; они располагаются перед аварийно-ремонтными затворами. Ремонтные затворы устанавливают в спокойную воду.

применяются плоские, сегментные, пулевые или дисковые затворы. При выборе типа затвора для того или другого сооружения гидроэлектростанции прежде всего учитывают стоимость, надежность и долговечность употребляемой конструкции затвора.

Наиболее распространенным типом аварийного затвора, является плоский глубинный затвор. Для обслуживания высоконапорных глубинных водоприемников в качестве аварийных иногда применяют сегментные (реже дисковые) затворы.

Плоский глубинный затвор состоит из пролетной части, опорно-ходовых частей, уплотнений и подвесных устройств.

В зависимости от размеров отверстий, которые перекрываются, и условий эксплуатации применяют одиночные и секционные плоские турбинные затворы.

Пролетное строение одиночного затвора состоит из одного полотна. Применяют эти затворы по обыкновению при высоте отверстий до 14м. Секционные затворы монтируются из нескольких отдельных секций. Они позволяют перекрывать более высокие отверстия водоприемников. В случае необходимости каждая секция этого затвора может переноситься и устанавливаться самостоятельно.

Плоские затворы имеют разные опорно-ходовые части: скользящие, колесные и катковые. В последнее время чаще всего применяют затворы со скользящей опорно-ходовой частью с полозьями из древесного слоистого пластика. Рабочая поверхность рельсы, по которым скользит полоз, выполняются с высоколегированных нержавеющих сталей. Преимущество затворов со скользящей опорно-ходовой частью заключается в том, что они имеют меньшие размеры пазов и позволяют передавать на бычки водоприемников большие нагрузки с более равномерным распределением их по длине погружных частей. Однако в связи с большей величиной сил трения в скользящих опорно-ходовых частях для маневрирования этими затворами нужны механизмы большей грузоподъемности, чем для затворов с колесными и катковыми опорно-ходовыми частями.

Для улучшения гидравлических условий обтекания затвора потоком при опускании его в текущую воду и уменьшение вибрации нижняя грань затвора по обыкновению делается скошенной.

Пролетное строение затвора обеспечивается уплотнениями, которые перекрывают зазоры между подвижной конструкцией затвора и неподвижными частями водоприемных отверстий.

В плоских глубинных затворов эти уплотнения располагаются по четырем граням затвора.

В качестве ремонтных глубинных затворов на гидроэлектростанциях по обыкновению применяются одиночные или секционные плоские скользящие затворы. При относительно небольших водоводах используют балочные затворы, которые составляются из отдельных балок (шандоров).

Ремонтные затворы устанавливаются в спокойной воде. Секционные или балочные затворы можно устанавливать в пазы по частям без предыдущего соединения секций или балок в один затвор.

В качестве аварийных и ремонтных затворов турбинных трубопроводов чаще всего применяются дисковые и пулевые затворы. Другие типы затворов напорных трубопроводов (цилиндрические, игольчатые, конусные) на турбинных трубопроводах по обыкновению не устанавливаются, поскольку они имеют большие габариты, вес, стоимость и достаточно сложные по конструкции.

В зависимости от действующего на сооружении напора, назначение затвора и эксплуатационных требований рекомендуются для установки следующие типы гидравлических затворов, указанные в таблице.

Действующий нажим, м	Тип затвора	Обоснование выбора типа затвора
30 - 120	Дисковый затвор с плоско-скошенным диском	Простота конструкции, простота изготовления, минимальные потери нажима.
30 - 200	Дисковый затвор с плоским диском и двурядным уплотнением	Более высокая плотность замыкания, возможность изменения рабочего уплотнения без осушения напорного трубопровода.
30 - 200	Цилиндровый (конусный) затвор	Для обеспечения регулирования расхода воды на выброс в атмосферу или в безнапорные водоводы.
200 и выше	Пулевой затвор с разным типом уплотнений	Отсутствие гидравлических потерь, самая большая плотность замыкания при нажимах выше 200м.

Местоположение затворов на ГЭС обуславливается целевым назначением оборудования, требованиями эксплуатации по обеспечению нормальной работы гидроагрегата, а также аварийными условиями при отказе в работе направляющего аппарата или разрыве напорного трубопровода.

На пригребельных ГЭС затворы по обыкновению устанавливаются непосредственно перед входом в спиральную камеру турбины.

На высоконапорных деривационных ГЭС, которые имеют длинные трубопроводы, опорожнения и наполнение которых требует большого времени и объем которых вмещает количество воды, достаточное для вывода гидроагрегата в аварийный разгонный режим, устанавливаются, как правило, два затвора: один в начале напорного трубопровода на главном сооружении у напорного бассейна, второй - перед турбиной.

Затворы действуют от разных источников энергии: МНУ масло-напорных агрегатов, электромеханических приводов, давления воды из напорных трубопроводов.

Схемы управления: автоматическое - при выходе гидроагрегата в аварийный разгонный режим, дистанционное - из центрального пульта сооружения и вручную - из местного поста управления, расположенного вблизи затвора.

В главных сооружениях на напорных трубопроводах устанавливаются, как правило, дисковые затворы. В отличие от затворов, которые устанавливаются перед турбиной, схемы управления затворов на главных сооружениях высоконапорных ГЭС должны включать устройства, которые гарантируют автоматическое закрытие затвора при разрыве трубопровода. Такие устройства должны включать датчик, который срабатывает при увеличении скорости или расхода воды в трубопроводе выше допустимой величины (в случае разрыва трубопровода) и импульс, который дает (электрический, гидравлический или механический) возможность закрытия затвора.

Дисковые затворы применяются при перекрытии трубопроводов с диаметром от 0.5. до 8.25м. при нажимах от 25 до 200м.

В цилиндровом корпусе находится поворотный диск обтекаемой формы. Дисковый затвор может закрываться как в текущей, так и в спокойной воде. Поворот диска чаще всего осуществляется сервомотором. По периферии диска предполагается уплотнения: для высоких нажимов применяются кольца из бронзы или нержавеющей стали, для средних - толстостенная резиновая трубка специального профиля. Иногда вглубь трубки подается кратковременно воздух, вследствие чего она расширяется, обеспечивая качественное уплотнение.

Открытие затвора проще проводить при уравновешении давления по обе стороны диска. Для этой цели на затворах предусматривают байпас.

Недостатком дискового затвора является большое гидравлическое сопротивление.

Пулевые затворы применяются для высоконапорных трубопроводов. В разъемном корпусе с пулевой расточкой устанавливается поворотный ротор, который имеет растачивание, равное диаметру трубопровода. В открытом положении вода почти без потерь проходит через затвор. Если ротор повернуть на 90°, то отверстие будет перекрыто. Под действием давления ротор прижимается к одной стороне корпуса, обеспечивая необходимое уплотнение. Для очищения затвора вода с камеры давления переводится по байпасу в часть трубопровода, который опорожняется, благодаря чему разрушается уплотнение затвора. Пулевые затворы обеспечивают более надежное уплотнение, но они дороже дисковых и имеют больший вес и габариты. Поворот ротора осуществляется гидродвигателями.

Затворы должны закрываться при скоростях воды, которые имеют место в аварийных случаях (разрыв трубопровода или разгон гидроагрегата). Максимальное время аварийного закрытия затвора, который устанавливается перед турбиной, находится в пределах 1-3 мин. и определяется по допустимому времени работы генератора при разгонной скорости вращения.

Максимальное время аварийного закрытия затвора, который устанавливается в начале напорного трубопровода деривационных ГЭС, определяется особенностями эксплуатации данного сооружения и устанавливается в пределах 30-120 сек.

Минимальное время аварийного закрытия определяется по допустимой величине гидравлического удара в напорном трубопроводе.

Время закрытия и открытие ремонтных затворов, проводится в условиях уравновешенного давления и при отсутствия течения воды, определяется эксплуатационными требованиями и составляет 2-5 мин.

Работа дисковых и пулевых затворов происходит при двух положениях ротора (диска) - затвор «открытый» или «закрытый».

Крепление затворов к фундаменту осуществляется фундаментальными болтами. Отверстия в лапах корпуса предусматривают возможность перемещения затвора в осевом направлении на величину 10-30 мм, тем самым фундамент затвора разгружается от осевых усилий, которые полностью воспринимаются напорным трубопроводом или бетонной стеной здания.

К затвору с одной стороны присоединяется компенсатор или монтажный патрубок, который позволяет проводить монтаж и демонтаж затвора.

С другой стороны через соединительный патрубок затвор соединяется с напорным трубопроводом с помощью сварки.

На механизм управления затвором предполагается сигнализация крайних положений ротора (диска).

Дисковый затвор	Шаровой затвор