Описываются конструктивные решения и методы проектирования гидроэлектрических, гидроаккумулирующих, приливных электростанций; рассматриваются водноэнергетические расчеты, определение основных параметров станций и их технико-экономических показателей; проблемы использования водных ресурсов, вопросы проектирования, строительства и эксплуатации электростанций. Для студентов, обучающихся по специальности «Гидротехническое строительство речных сооружений и гидроэлектростанций» и «Гидротехническое строительство водных путей и портов».

Предисловие
Введение

Раздел I. Комплексное использование водных ресурсов и гидроэлектростанций

Глава 1. Гидравлическая энергия и способы ее использования
1.1. Энергия и мощность водотока
1.2. Принципиальные схемы создания напора
1.3. Энергетические параметры гидроэлектростанций

Глава 2. Водные ресурсы и водохозяйственные комплексы
2.1. Гидроэнергетические ресурсы
2.2. Общие принципы комплексного использования и охраны водных ресурсов
2.3. Водохозяйственные и энергетические комплексы

Глава 3. Состав сооружений и компоновка гидроэлектростанций
3.1. Состав сооружений гидроузлов и их назначение
3.2. Гидроэлектростанции с русловыми зданиями
3.3. Гидроэлектростанции е приплотинными зданиями
3.4. Деривационные гидроэлектростанции. Состав сооружений
3.5. Головные узлы деривационных гидроэлектростанций
3.6. Сооружения станционных узлов деривационных гидроэлектростанций

Глава 4. Технико-экономические показатели гидроэлектростанций
4.1. Капиталовложения, ежегодные издержки, себестоимость энергии, технико-экономические обоснования
4.2. Общая (абсолютная) эффективность капитальных вложений
4.3. Сравнительная эффективность капитальных вложений    
4.4. Учет фактора времени при технико-экономических обоснованиях
4.5. Использование технико-экономических показателей при проектировании гидроэлектростанций

Глава 5. Водохозяйственные и водноэнергетические расчеты
5.1. Задачи расчетов и исходная информация
5.2. Виды регулирования речного стока
5.3. Уравнение баланса и расчет регулирования стока
5.4. Годичное регулирование стока
5.5. Многолетнее регулирование стока
5.6. Диспетчерское регулирование
5.7. Регулирование стока в каскаде гидроэлектростанций
5.8. Водноэнергетические расчеты на основе балансового метода
5.9. Применение ЭВМ для водноэнергетических расчетов

Глава 6. Работа гидроэлектростанций в энергосистеме и выбор их основных параметров
6.1. Работа гидроэлектростанций в энергосистеме
6.2. Установленная мощность и выработка электроэнергии гидроэлектростанций
6.3. Выбор нормального подпорного уровня гидроузла
6.4. Определение оптимальной глубины сработки водохранилища

Глава 7. Гидроаккумулирующие электростанции
7.1. Общие проблемы энергоснабжения
7.2. Аккумулирующие электростанции
7.3. Схемы гидроаккумулирующих электростанций
7.4. Основные параметры ГАЭС
7.5. Особенности компоновок ГАЭС
7.6. Состояние и перспективы развития гидроаккумулирования

Глава 8. Приливные электрические станции
8.1. Закономерности - приливных колебаний уровня
8.2. Условия сооружения ПЭС и ее энергетический потенциал
8.3. Схемы приливных электростанций и циклы их работы
8.4. Перспективы использования энергии приливов

Глава 9. Нетрадиционные источники гидравлической энергии и способы их использования
9.1. Классификация нетрадиционных источников гидравлической энергии и их потенциал
9.2. Способы создания концентрированного перепада уровней воды
9.3. Установки для преобразования кинетической энергии потоков воды
9.4. Волновые энергетические установки

Раздел II. Оборудование ГЭС и ГАЭС

Глава 10. Состав оборудования зданий ГЭС и ГАЭС
10.1. Компоновочно-технологическая схема зданий ГЭС и ГАЭС
10.2. Типы зданий ГЭС и ГАЭС
10.3. Основное энергетическое оборудование зданий ГЭС и ГАЭС
10.4. Вспомогательное оборудование 

Глава 11. Гидротурбины и обратимые гидромашины
11.1. Выбор агрегатов ГЭС
11.2. Обратимые гидромашины
11.3. Подбор обратимых гидромашин

Глава 12. Гидрогенераторы и двигатели-генераторы. Гидроагрегаты
12.1. Основные параметры гидрогенераторов
12.2. Конструкции гидрогенераторов и гидроагрегатов
12.3. Системы и устройства гидрогенераторов
12.4. Определение основных размеров и параметров гидрогенераторов
12.5. Двигатели-генераторы

Глава 13. Электрическая часть гидроэлектростанций
13.1. Схемы главных электрических соединений
13.2. Повышающие трансформаторы
13.3. Схемы питания собственных нужд
13.4. Элегазовые подстанции
13.5. Средства измерения

Глава 14. Механическое оборудование гидроэлектростанций
14.1. Состав и назначение механического оборудования
14.2. Затворы водоприемников, отсасывающих труб и станционных трубопроводов
14.3. Сороудерживающие стержневые решетки и механизмы их очистки
14.4. Подъемно-транспортное оборудование

Глава 15. Вспомогательное оборудование и хозяйства зданий гидроэлектростанций
15.1. Масляное хозяйство
15.2. Техническое водоснабжение
15.3. Пневматическое хозяйство
15.4. Система осушения проточной части агрегатов
15.5. Служебные помещения здания-станции
15.6. Подъездные пути

Раздел III. Здания гидроэлектростанций

Глава 16. Русловые здания гидроэлектростанций
16.1. Типы зданий гидроэлектростанций
16.2. Особенности русловых зданий станций несовмещенного типа
16.3. Здания станций совмещенного типа
16.4. Здания станций с горизонтальными агрегатами
16.5. Водоприемники русловых зданий станций

Глава 17. Приплотинные здания и здания деривационных гидроэлектростанций
17.1. Особенности приплотинных зданий станций
17.2. Здания деривационных станций

Глава 18. Подземные здания гидроэлектростанций
18.1. Особенности подземных зданий гидроэлектростанций
18.2. Расположение основного гидросилового и механического оборудования
18.3. Размещение главных повышающих трансформаторов
18.4. Конструкции обделок подземных зданий
18.5. Полуподземные здания станций

Глава 19. Здания гидроэлектростанций малой мощности
19.1. Общие принципы проектирования и строительства
19.2. Типы зданий ГЭС малой мощности
19.3. Русловые здания малых ГЭС
19.4. Приплотинные здания и здания деривационных малых ГЭС

Глава 20. Элементы конструкций зданий гидроэлектростанций
20.1. Основные части зданий станций
20.2. Агрегатная часть зданий станций
20.3. Конструкция и размеры надагрегатной части зданий станций
20.4. Температурные и осадочные швы
20.5. Монтажная площадка

Глава 21. Специальные вопросы гидравлики зданий гидроэлектростанций
21.1. Подводящее русло
21.2. Элементы отводящего русла
21.3. Расчет перепада восстановления, высотного положения дна и длины крепления отводящего русла
21.4. Расчет концевого участка крепления
21.5. Сопрягающие сооружения отводящего русла
21.6. Режимы потока в нижнем бьефе зданий станций совмещенного типа
21.7. Расчет пропускной способности напорных водосбросов, совмещенных со зданием станции
21.8. Эжекция на зданиях станций совмещенного типа

Глава 22. Здания гидроаккумулирующих электростанций
22.1. Особенности зданий ГАЭС
22.2. Здания ГАЭС с трехмашинными агрегатами
22.3. Здания ГАЭС с двухмашинными агрегатами
22.4. Специальные типы агрегатов и зданий ГАЭС

Глава 23. Здания приливных электростанций
23.1. Особенности компоновки зданий ПЭС
23.2. Конструкции зданий ПЭС с капсульными гидроагрегатами

Глава 24. Расчеты устойчивости и общей прочности зданий гидроэлектростанций
24.1. Основные предпосылки к расчетам устойчивости и прочности зданий станций
24.2. Расчет устойчивости секций зданий станций
24.3. Напряжения по подошве здания станции
24.4. Расчет общей прочности здания станции
24.5. Усовершенствованные схемы расчета прочности здания ГЭС
24.5.1. Применение метода конечных элементов к расчету прочности гидротехнических сооружений
24.5.2. Пространственная стержневая схема расчета прочности здания ГЭС

Глава 25. Расчеты прочности элементов здания гидроэлектростанций. Экспериментальные методы определения напряжений
25.1. Фундаментная плита здания станции
25.2. Водоприемники русловых зданий станций
25.3. Элементы бетонной турбинной камеры
25.4. Диффузор отсасывающей трубы
25.5. Температурные напряжения
25.6. Понятие о динамических воздействиях на здание станции
25.7. Экспериментальные методы определения напряженного состояния и прочности здания станции

Раздел IV. Водопроводящие сооружения гидроэлектростанций

Глава 26. Водоприемники гидроэлектростанций
26.1. Назначение водоприемников и их типы
26.2. Конструкции напорных водоприемников
26.3. Выбор очертаний и расчеты напорных водоприемников
26.4. Особенности условий работы безнапорных водоприемников
26.5. Типы и конструкции безнапорных водоприемников

Глава 27. Отстойники гидроэлектростанций
27.1. Назначение и принцип работы отстойников
27.2. Типы отстойников и их конструкции
27.3. Определение основных размеров отстойника
27.4. Время заполнения мертвого объема и промыв отстойников

Глава 28. Деривационные водоводы гидроэлектростанций
28.1. Типы деривационных водоводов
28.2. Гидравлические расчеты деривационных водоводов
28.3. Деривационные каналы
28.4. Деривационные туннели
28.5. Напорные деривационные трубопроводы
28.6. Технико-экономические расчеты деривационных водоводов
28.7. Волновые явления в безнапорных деривационных водоводах

Глава 29. Напорные бассейны ГЭС, верхние бассейны ГАЭС
29.1. Назначение и состав сооружений напорных бассейнов
29.2. Водоприемные устройства и аванкамеры напорных бассейнов
29.3. Сбросные сооружения напорных бассейнов
29.4. Основные положения расчетов по обеспечению устойчивости напорных бассейнов ГЭС и верхних бассейнов ГАЭС
29.5. Бассейны суточного регулирования ГЭС и верхние бассейны ГАЭС

Глава 30. Напорные станционные водоводы
30.1. Схемы расположения и типы станционных водоводов
30.2. Конструкции стальных трубопроводов
30.3. Опоры свободно лежащих стальных трубопроводов
30.4. Нагрузки и воздействия на оболочку и опоры трубопровода
30.5. Основные положения расчета стальных трубопроводов на прочность и устойчивость
30.6. Железобетонные и сталежелезобетонные трубопроводы
30.7. Туннельные станционные водоводы

Глава 31. Неустановившиеся режимы работы гидроэлектростанций
31.1. Переходные процессы в гидроэлектростанциях
31.2. Гидравлический удар в напорных водоводах. Основы теории
31.3. Методы расчета гидравлического удара
31.4. Определение временной неравномерности хода агрегата при сбросах нагрузки
31.5. Учет гидравлического удара при проектировании ГЭС
31.6. Особенности переходных процессов в установках с поворотно-лопастными турбинами
31.7. Неустановившееся движение в нижнем бьефе при суточном регулировании

Глава 32. Уравнительные резервуары
32.1. Назначение, условия применения и типы уравнительных резервуаров
32.2. Дифференциальные уравнения движения воды в напорной системе с уравнительным резервуаром
32.3. Условия устойчивости работы напорных систем с уравнительными резервуарами
32.4. Расчет колебаний уровня в уравнительных резервуарах аналитическим методом
32.5. Расчет колебаний в уравнительных резервуарах с помощью ЭВМ
32.6. Графический расчет уравнительных резервуаров
32.7. Уравнительные резервуары на отводящей деривации
32.8. Уравнительные резервуары в напорных системах ГАЭС
32.9. Технико-экономический расчет уравнительного резервуара и выбор его типа
32.10. Примеры уравнительных резервуаров

Глава 33. Переходные процессы в ГАЭС
33.1. Виды переходных процессов в ГАЭС с обратимыми двухмашинными гидроагрегатами
33.2. Пуски обратимых агрегатов в насосный режим работы
33.3. Процессы потери привода
33.4. Перевод обратимых агрегатов ГАЭС из одного режима работы в другой
33.5. Расчеты переходных процессов в водоводах и агрегатах ГАЭС
33.6. Применение ЭВМ для расчетов переходных процессов ГАЭС

Раздел V. Строительство, эксплуатация и проектирование гидроэлектростанций

Глава 34. Строительство, монтаж оборудования, пуск в эксплуатацию гидроэлектростанций
34.1. Периоды строительства
34.2. Очередность строительства
34.3. Пусковой комплекс

Глава 35. Эксплуатация гидроэлектростанций
35.1. Требования эксплуатации
35.2. Задачи эксплуатаций
35.3. Организация эксплуатации

Глава 36. Проектирование гидроэлектростанций
36.1. Проектирование каскадов гидроэлектростанций
36.2. Природоохранные мероприятия
36.3. Порядок выполнения и утверждения проектов гидроэлектростанций

Приложение
Список литературы
Предметный указатель

Предисловие

Гидроэлектрические станции — это высокоэффективные источники электроэнергии. В большинстве случаев гидроэлектростанции представляют собой объекты комплексного назначения, обеспечивающие нужды электроэнергетики и других отраслей народного хозяйства: мелиорации земель, водного транспорта, водоснабжения, рыбного хозяйства и пр. Сооружение гидроэлектростанций часто сопровождается созданием больших водохранилищ, что приводит к резкому изменению режима водотока и может оказывать существенное воздействие на окружающую среду. Во многих случаях строительство мощных гидроэлектростанций в СССР связано с освоением еще слабо обжитых районов Сибири, Дальнего Востока, Средней Азии и служит базой для создания крупных территориально-производственных комплексов, имеющих большое -значение для развития производительных сил страны.

Широкий спектр факторов, которые необходимо учитывать, значительно усложняет процесс проектирования гидроэлектростанций. Их параметры, компоновка, типы сооружений и оборудования теснейшим образом связаны с топографическими, геологическими, гидрологическими и другими природными условиями местности, вследствие чего каждая гидроэлектростанция представляет собой уникальное и чрезвычайно ответственное сооружение как по надежности, так и по воздействию на окружающую среду.

Все это требует от специалиста по проектированию и строительству гидроэлектростанций не только глубоких знаний в области гидроэнергетических сооружений и оборудования, но и способности решать крупные народнохозяйственные проблемы. Основой процесса подготовки таких специалистов является изучение курса «Гидроэлектрические станции», базирующегося на знании общетехнических и смежных специальных дисциплин.

Необходимо иметь в виду, что наряду с собственно гидроэлектростанциями (ГЭС), использующими падение водотоков, понятие «гидроэлектрические станции» включает и морские приливные электростанции (ПЭС), и гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Настоящее, третье издание учебника в целом сохраняет структуру и направленность первого и второго изданий, но имеет и существенные изменения и дополнения, отражающие достигнутый прогресс в гидроэнергетическом строительстве и важнейшие задачи, поставленные «Основными направлениями экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года» по повышению эффективности гидроэнергетики. В соответствии с этим более полно рассмотрены вопросы методики технико-экономических обоснований при проектировании гидроэлектростанций с учетом их комплексного народнохозяйственного эффекта. Расширены разделы, посвященные гидроаккумулирующим электростанциям, роль которых в формировании электрических систем, особенно европейской части СССР, должна существенно возрасти. Включены новые главы, посвященные малым гидроэлектростанциям, а также использованию так называемых нетрадиционных, источников возобновляемой гидравлической энергии, например ветровых волн, которым в последние годы уделяется все большее внимание. Многие главы переработаны с целью более полного отражения современных конструктивных решений и новых методов расчетов. При этом наряду с изложением традиционных аналитических и графических методов с учетом задач повышения уровня и эффективности проектирования потребовалось уделить больше внимания использованию ЭВМ. С методической точки зрения вопрос этот весьма трудный. Обычно ограничиваются указанием на целесообразность применения ЭВМ, иногда приводят структуру алгоритма, что обосновывается сложностью используемых при проектировании и исследованиях «промышленных» программ и возможностью их модификации в зависимости от типа ЭВМ. Однако в данном издании с целью облегчить активное овладение ЭВМ в проектной практике в качестве эксперимента включены и несколько специально составленных коротких программ на языке ФОРТРАН, рассчитанных на использование в учебном процессе.

Материалы учебника сгруппированы в пяти разделах.

Первый раздел посвящен комплексному использованию водных ресурсов, структуре гидроэлектростанций различных видов, их работе в энергосистеме и определению их параметров и технико-экономических показателей. Во втором разделе рассмотрено гидросиловое, электрическое и механическое оборудование гидроэлектростанций, причем основное внимание уделено вопросам компоновки и увязки с проектируемыми сооружениями. Третий раздел посвящен проектированию зданий гидроэлектростанций различных типов и видов. При этом необходимое внимание уделяется методике гидравлических и прочностных расчетов. Четвертый раздел включает все водопроводящие сооружения гидроэлектростанций. Сюда входят водоприемники, отстойники, напорные и безнапорные деривационные водоводы и станционные напорные водоводы. Значительное место уделяется неустановившимся режимам работы ГЭС и ГАЭС, которые оказывают существенное воздействие на энергетические сооружения и оборудование, а также уравнительным резервуарам и методике их гидравлического расчета. В пятом разделе даются краткие сведения о строительстве гидроэлектростанций, их эксплуатации и рассматриваются общие вопросы их проектирования. Данные о некоторых крупных отечественных и зарубежных гидроэлектростанциях приведены в приложениях.

В учебнике приведен список литературы, которая рекомендуется для расширения и углубления знаний по изучаемым вопросам, а также для использования при курсовом и дипломном проектировании.

Авторами настоящего издания учебника «Гидроэлектрические станции» являются преподаватели кафедры использования водной энергии Московского инженерно-строительного института им. В.В. Куйбышева (МИСИ): канд. техн. наук, доцент Н.Н. Аршеневский — гл. 3, 7, 11, 12, 22, 33 (кроме § 33.6); канд. техн. наук, доцент М.Ф. Губин — гл. 13, 15, 16, 17, 20; доктор техн. наук, проф. В.Я. Карелин — гл. 1, 2, 19, 23, 28 (кроме § 28.7); доктор техн. наук, проф. Г.И. Кривченко — введение, гл. 4, 8 (совместно с В.А. Орловым), 10, 31, 35, § 5.9, 28.7, 32.5 и приложения; канд. техн. наук, доцент В.А. Орлов — гл. 5, 6, 8 (совместно с Г.И. Кривченко), 32 (кроме § 32.5), 34, 36; канд. техн. наук, доцент И.Е. Михайлов — гл. 21, 26, 27, 29; канд. техн. наук, доцент Е.Л. Митюрев — гл. 14, 18, 30; канд. техн. наук, доцент А.И. Попов — гл. 24 и 25.

В работе над учебником приняли также участие: канд. техн. наук, доцент В.В. Волшаник — гл. 9, канд. техн. наук О.А. Муравьев — § 33.6, ст. преподаватель В.Б. Бондаренко — подготовка материалов к гл. 18, инж. Б.Е. Монахов — подготовка материалов для приложений.

Авторы признательны канд. техн. наук И.И. Файну за помощь в подготовке гл. 4 и канд. техн. наук А.Р. Фрейшисту за помощь в подготовке гл. 30.

Большую благодарность авторы выражают рецензенту — начальнику Гидропроекта канд. техн. наук Л.П. Михайлову — за обстоятельный просмотр рукописи и за полезные замечания и предложения, а также канд. техн. наук Е.В. Квятковской за тщательное редактирование рукописи учебника.

Доктор техн. наук, проф. В.Я. Карелин. Доктор техн. наук, проф. Г.И. Кривченко