MVE Dobrohošť – fyzikálny výskum vtokovej časti a privádzača

Odberný objekt Dobrohošť bol vybudovaný ako súčasť vodného diela Gabčíkovo s cieľom dotovať ramennú sústavu prietokom z prívodného kanála. Hydroenergetický potenciál možno využiť v malej vodnej elektrárni (ďalej len MVE), o čom sa uvažovalo už pri výstavbe tohto odberného objektu, keď bol vybudovaný vtokový objekt a časť betónového privádzača k plánovanej MVE. V súčasnosti sa pripravuje výstavba tejto elektrárne. Na overenie vyprojektovaného návrhu vtokovej časti a privádzača sa vybudoval fyzikálny model, na ktorom sa skúmali vybrané prevádzkové stavy MVE.

MVE Dobrohošť
V km 1,8 spojovacej hrádze nádrže Hrušov a prívodného kanála vodnej elektrárne (ďalej len VE) Gabčíkovo sa nachádza odberný objekt do ramennej sústavy. Jeho účelom je zabezpečiť dotáciu vody do ľavostranného inundačného územia starého koryta Dunaja v rkm 1840,0 – 1820,0.

Tento objekt tvoria tri haťové polia s jednotlivou šírkou 12 m, hradené klapkovými uzávermi s hradiacou výškou 3,6 m. Vtok odberného objektu je chránený plávajúcou nornou stenou. Kapacita odberného objektu je 234 m³/s. Odbery vody do ramennej sústavy sa pohybujú v rozmedzí od 6 do 150 m³/s, pričom priemerná hodnota odberu je 15 – 40 m³/s. Vzhľadom na vhodné podmienky sa už pri výstavbe objektu uvažovalo o energetickom využití tohto prietoku, preto sa vybudoval vtokový objekt MVE a časť privádzača obdĺžnikového prierezu s vnútornými rozmermi 4 × 3 m a dĺžkou asi 154 m. Plánovaná kapacita MVE bola 40 m³/s [1].

V roku 1998 sa vypracoval projekt [2], na základe ktorého Vodohospodárska výstavba, š. p., v Bratislave, získala stavebné povolenie na výstavbu MVE. Tento projekt bol v roku 2008 aktualizovaný. Plánuje využiť existujúci vtok do privádzača na odbernom objekte a už vybudovanú časť privádzača (obidva objekty zamýšľa zrekonštruovať). Na existujúci privádzač s rozmermi 3 × 4 m sa pripojí nový betónový privádzač štvorcového prierezu s rozmermi 3,5 × 3,5 m. Privádzač je plánovaný ako tlakový, pričom jeho situovanie sa volilo tak, aby strojovňa MVE bola umiestnená bezprostredne na ľavom brehu koryta pod odberným objektom, ktorým sa privádza voda do ramennej sústavy. Privádzač sa končí vo vyrovnávacej komore, v ktorej je situovaný odber vody na hydroagregát MVE. Vyrovnávacia komora je určená na zachytenie hydraulického rázu pri náhlom odstavení MVE, a tým na ochránenie tlakového privádzača pred prudkým nárastom tlaku. Plánovaná MVE je osadená jednou priamoprietočnou Kaplanovou turbínou, priemer obežného kolesa je 1 900 mm, maximálna hltnosť MVE 25 m³/s a návrhový hrubý spád 8,69 m. Takto navrhnutá MVE má inštalovaný výkon 1 800 kW a predpokladanú priemernú ročnú výrobu elektrickej energie 11 873 MWh.

Obr. 4: Schéma navrhovanej MVE Dobrohošť [2]

Ciele fyzikálneho výskumu
Úlohy výskumu vtokovej časti a privádzača MVE Dobrohošť na fyzikálnom modeli možno zhrnúť do týchto bodov:

• overenie vhodnosti projektantom navrhnutého tvaru vtoku do privádzača,
• meranie a dokumentovanie tlakových pomerov v privádzači počas bežnej prevádzky a pri náhlom výpadku MVE,
• meranie a dokumentovanie strát trením a miestnych strát,
• overenie vhodnosti projektantom navrhnutého vtoku do MVE vrátane vyrovnávacej komory.

Opis modelu
Fyzikálny model vtokovej časti a privádzača MVE Dobrohošť bol navrhnutý na základe Froudovho kritéria modelovej podobnosti. Dodržanie podobnosti pri určovaní strát je zabezpečené tým, že Reynoldsovo číslo pri prúdení v privádzači je väčšie ako medzná hodnota ReM, prúdenie je teda v automodelovej oblasti a drsnosť je modelovaná pomocou mierky stupňa drsnosti. Mierka dĺžok vzhľadom na možnosti dodávania prietoku a priestorové možnosti hydrotechnického laboratória bola zvolená hodnotou M_l = 15. Takto zvolená mierka je dostatočná na vytvorenie podmienok prúdenia na modeli, ktoré zodpovedajú podmienkam v skutočnosti, a umožňuje dostatočne presné meranie hydraulických veličín meracími prístrojmi a aparatúrami, ktoré boli použité.

Hydraulický model je komplex objektov, ktorý má tieto časti (rozmery sú uvádzané v skutočných hodnotách):

• časť prívodného kanála VE Gabčíkovo s dĺžkou asi 200 m a šírkou dna 10,5 m s možnosťou regulovania prietoku v tomto zariadení a jeho merania Thomsonovým priepadom,
• trojpoľová hať v pravobrežnej hrádzi prívodného kanála, vyrobená z plechu, s možnosťou prevádzania, regulovania a merania prietoku cez jedno haťové pole v blízkosti odberného objektu,
• norná stena pred haťou a odberným objektom vyrobená z novoduru,
• odberný objekt do privádzača k MVE, upravený podľa návrhu projektanta,
• privádzač so skutočnou celkovou dĺžkou L = 236,5 m s jeho rekonštruovanou starou časťou dĺžky L₁ = 156,4 m a novonavrhovanou časťou dĺžky L₂ = 80,1 m vrátane dvoch prechodových úsekov a jedného 90° oblúka, vyrobený z plexiskla,
• vyrovnávacia komora účinnej pôdorysnej plochy Sk = 129,6 m² na konci privádzača s priepadmi celkovej šírky bp = 32,8 m, odvádzacími žľabmi a jalovým výpustom, vyrobená z plechu,
• vtok do turbíny, za ktorým sú osadené zariadenia na meranie prietoku, na ovládanie prietoku v privádzači a na simuláciu náhleho výpadku turbíny.

Vzhľadom na priestorové možnosti hydrotechnického laboratória boli smerové oblúky privádzača nahradené priamou časťou s jedným 90-stupňovým oblúkom. Toto zjednodušenie sa následne zohľadnilo pri určovaní hydraulických strát v privádzači MVE.

Merania na modeli
Merania na modeli možno v zásade rozdeliť do dvoch skupín, a to na merania pri ustálenom stave a merania pri neustálenom stave. V rámci týchto stavov boli merané prietoky, bodové rýchlosti, polohy hladiny a tlaky v privádzači.

Ustálený stav bol definovaný úrovňou hladiny v prívodnom kanáli v rozmedzí od maximálnej (131,10 m n. m.) po minimálnu prevádzkovú hladinu (130,10 m n. m.), prietokom cez prívodný kanál 33 l/s (vychádza z požiadavky na modelovanie strednej prierezovej rýchlosti v kanáli 0,6 m/s v skutočnosti, resp. 0,155 m/s na modeli), prepadom cez krajné haťové pole 0, resp. 28,69 l/s (25 m³/s v skutočnosti) a prietokom cez elektráreň 28,69 l/s (25 m³/s v skutočnosti). Pri ustálenom stave sa merali rýchlostné polia na vtoku, hladiny vo vtoku a vyrovnávacej komore a tlaky v privádzači. Z meraní sa následne vyhodnocovala deformácia rýchlostného poľa vplyvom plávajúcej nornej steny, hydraulické straty v privádzači, tlakové pomery v privádzači a vhodnosť vtoku do privádzača.

Neustálený stav mal simulovať náhly výpadok MVE Dobrohošť počas bežných prevádzkových stavov, preto vychádzal z podmienok pre ustálený stav. Náhly výpadok sa simuloval uzatvorením prietoku privádzačom z hodnoty 28,69 l/s (25 m³/s v skutočnosti) na nulu počas 3,35 sekundy (13 sekúnd v skutočnosti). Merania pri neustálenom stave boli zamerané na záznam nárastu hladiny vo vyrovnávacej komore, preverenie kapacity a funkčnosti bezpečnostných priepadov a určenie nárastu tlakov v privádzači v dôsledku vzniknutého hydraulického rázu. Jednotlivé série meraní sa realizovali pre rozličné kombinácie podmienok pre obidve skupiny meraní.

Obr. 5: Pohľad na časť modelu – trojpoľová hať, norná stena a vtok do privádzača

Výsledky realizovaného výskumu
Z vykonaných meraní na fyzikálnom modeli vtokovej časti MVE Dobrohošť možno vyvodiť nasledovné závery súvisiace s úlohami výskumu:

• Vtok do privádzača k MVE Dobrohošť sa preukázal ako nevhodný, pretože pri pokusoch pri minimálnej prevádzkovej hladine (130,10 m n. m.) v prívodnom kanáli dochádza vo vtokovom objekte k značnému nárastu rýchlosti vody, čo vedie k prechodu na bystrinný režim prúdenia a následne k zmene tlakového režimu prúdenia v privádzači na beztlakový. Pritom vo vtokovej časti vzniká extrémna hydraulická strata spôsobujúca takmer 70-percentnú stratu spádu pre MVE. Tento stav je z pohľadu prevádzky MVE neprípustný.
• Pre hladiny v prívodnom kanáli v rozmedzí 131,10 – 130,70 m n. m. je vtok navrhnutý postačujúco, nedochádza k výraznejšiemu vzniku vírových oblastí a strhávaniu vzduchu do privádzača.
• Plávajúca norná stena v predpolí hate a vtoku do privádzača nemá výrazný negatívny vplyv na kvalitu prúdenia.
• Pri bežnej prevádzke pri hladinách v prívodnom kanáli v rozmedzí 131,10 – 130,70 m n. m. sa preukázalo, že hydraulické straty a tlakové pomery v privádzači sú vyhovujúce.
• Vyrovnávacia komora, preverovaná pri simulácii náhleho výpadku MVE, sa ukázala ako bezpečne navrhnutá, s dostatočnou kapacitou priepadovej hrany. Komora postačujúco ochraňuje tlakový privádzač pred nárastom tlaku v dôsledku pôsobenia vzniknutého hydraulického rázu. Prírastok tlaku v tlakovom privádzači pri simuláciách náhleho odstavenia turbíny MVE neprekročil 1 m vodného stĺpca, čo je vyhovujúce.

Obr. 9: Nameraný priebeh tlakovej čiary na modeli pre zvolenú sériu pokusov v ustálenom stave

Záver
Výskum vtokovej časti a privádzača MVE Dobrohošť bol na Slovensku prvým realizovaným fyzikálnym výskumom pre pripravovanú MVE. Overením prevádzkových stavov MVE na fyzikálnom modeli sa môže vopred predísť problémom pri jej realizácii a následnej prevádzke. Výsledky fyzikálneho výskumu slúžia aj na úpravu tvaru a rozmerov objektov, čím sa dajú napr. znížiť hydraulické straty.

Ing. Ján Rumann, PhD., prof. Ing. Peter Dušička, PhD., Stavebná fakulta STU, Bratislava
Foto: archív autorov

Literatúra
[1] Dočasný manipulačný poriadok pre sústavu vodných diel Gabčíkovo – Nagymaros na území SR. Aktualizácia VIII.
[2] Vodotika – Ing. Miloš Kedrovič, 1998. MVE Dobrohošť, projekt, arch. č. 0140, Bratislava.

Článok je súčasťou knižnej publikácie Stavebnícka ročenka 2010.