MVE Dobrohošť – fyzikální výzkum vtokové části a přivaděče

Odběrný objekt Dobrohošť byl vybudován jako součást vodního díla Gabčíkovo s cílem dotovat ramennou soustavu průtokem z přívodního kanálu. Hydroenergetický potenciál lze využít v malé vodní elektrárně (MVE), s čímž se počítalo už při výstavbě tohoto odběrného objektu – byl vybudován vtokový objekt a část betonového přivaděče k plánované MVE. V současnosti se připravuje výstavba této elektrárny. Pro ověření vyprojektovaného návrhu vtokové části a přivaděče byl vybudován fyzikální model, na kterém byly zkoumány vybrané provozní stavy MVE.

MVE Dobrohošť
V km 1,8 spojovací hráze zdrže Hrušov a přívodního kanálu vodní elektrárny (VE) Gabčíkovo se nachází odběrný objekt ramenné soustavy. Jeho účelem je zajistit dotování vody do levostranného inundačního území starého koryta Dunaje v ř. km 1840,0–1820,0.

Tento objekt je tvořen třemi jezovými poli s jednotlivou šířkou 12 m, přehrazenými klapkovými uzávěry s hradicí výškou 3,6 m. Vtok odběrného objektu je chráněn plovoucí nornou stěnou. Kapacita odběrného objektu je 234 m³/s. Odběry vody do ramenné soustavy se pohybují v rozmezí od 6 do 150 m³/s, přičemž průměrná hodnota odběru je 15 až 40 m³/s. Vzhledem k vhodným podmínkám bylo už při výstavbě objektu uvažováno energetické využití tohoto průtoku, proto byl vybudován vtokový objekt MVE a část přivaděče obdélníkového průřezu o vnitřních rozměrech 4 × 3 m a délce cca 154 m. Uvažovaná kapacita MVE byla 40 m³/s [1].

V roce 1998 byl vypracován projekt [2], na jehož základě Vodohospodárska výstavba, š. p., získala stavební povolení na výstavbu MVE. Tento projekt byl v roce 2008 aktualizován. Počíta s využitím stávajícího vtoku a už vybudované části přivaděče (předpokládá rekonstrukci obou objektů). Na stávající přivaděč o rozměrech 3 × 4 m bude připojen nový betonový přivaděč čtvercového průřezu o rozměrech 3,5 × 3,5 m. Přivaděč bude tlakový, přičemž jeho situování bylo zvoleno tak, aby strojovna MVE byla umístěna bezprostředně na levém břehu koryta pod odběrným objektem, kterým se přivádí voda do ramenné soustavy.

Přivaděč končí ve vyrovnávací komoře, vníž je hromaděna voda na hydroagregát MVE. Vyrovnávací komora je určena k zachycení hydraulického rázu při náhlém odstavení MVE, a tím chrání tlakový přivaděč před prudkým nárůstem tlaku. Plánovaná MVE je osazená jednou přímo průtočnou Kaplanovou turbínou, průměr oběžného kola je 1 900 mm, maximální hltnost MVE 25 m³/s a návrhový hrubý spád 8,69 m. Takto navržená MVE má instalovaný výkon 1 800 kW a předpokládanou průměrnou roční výrobu elektrické energie 11 873 MWh.

Cíle fyzikálního výzkumu
Úkoly výzkumu vtokové části a přivaděče MVE Dobrohošť na fyzikálním modelu lze shrnout do těchto bodů:

• ověření vhodnosti projektantem navrženého tvaru vtoku do přivaděče,
• měření a dokumentování tlakových poměrů v přivaděči během běžného provozu a při náhlém výpadku MVE,
• měření a dokumentování ztrát třením a místních ztrát,
• ověření vhodnosti projektantem navrženého vtoku do MVE včetně vyrovnávací komory.

Popis modelu
Fyzikální model vtokové části a přivaděče MVE Dobrohošť by navržen na základě Froudova kritéria modelové podobnosti. Dodržení podobnosti při určování ztrát je zajištěno tím, že Reynoldsovo číslo při proudění v přivaděči je větší než mezní hodnota R_eM, proudění je tedy v automodelové oblasti a drsnost je modelována pomocí měrky drsnosti. Měrka délek, vzhledem k možnosti dodávání průtoku a prostorové možnosti hydrotechnické laboratoře, byla zvolena hodnotou M_l = 15. Takto zvolená měrka je dostatečná pro vytvoření podmínek proudění na modelu, které odpovídají skutečným podmínkám, a současně umožňuje dostatečně přesné měření hydraulických veličin použitými měřicími přístroji a aparaturami.

Hydraulický model je komplex objektů, který se skládá z těchto částí (rozměry jsou uváděny ve skutečných hodnotách):

• část přívodního kanálu VE Gabčíkovo o délce asi 200 m a šířce dna 10,5 m s možností regulování průtoku v tomto zařízení a jeho měření Thomsonovým přepadem,
• trojpolový jez na pravém břehu hráze přívodního kanálu vyrobený z plechu s možností převádění, regulování a měření průtoku přes jedno jezové pole v blízkosti odběrného objektu,
• norná stěna před jezem a odběrným objektem vyrobená z novoduru,
• odběrný objekt do přivaděče k MVE upravený podle návrhu projektanta,
• přivaděč o celkové skutečné délce L = 236,5 m s jeho rekonstruovanou starou částí délky L₁ = 156,4 m a nově navrženou částí délky L₂ = 80,1 m včetně dvou přechodových úseků a jednoho 90stupňového oblouku – vyrobený z plexiskla,
• vyrovnávací komora účinné půdorysné plochy S_k = 129,6 m² na konci přivaděče s přepady o celkové šířce b_p = 32,8 m s odváděcími žlaby a jalovou výpustí – vyrobena z plechu,
• vtok do turbíny, za kterým jsou osazena zařízení na měření a ovládání průtoku v přivaděči a na simulaci náhlého výpadku turbíny.

Obr. 5: Pohled na část modelu – trojpolový jez, norná stěna a vtok do přivaděče

Vzhledem k prostorové možnosti hydrotechnické laboratoře byly směrové oblouky přivaděče nahrazeny přímou částí s jedním 90stupňovým obloukem. Toto zjednodušení se zohlednilo při určování hydraulických ztrát v přivaděči MVE.

Měření na modelu
Měření na modelu lze v zásadě rozdělit do dvou skupin, a to na měření při ustáleném stavu a měření při neustáleném stavu. V rámci těchto stavů byly měřeny průtoky, bodové rychlosti, polohy hladiny a tlaky v přivaděči.

Ustálený stav byl definován úrovní hladiny v přívodním kanálu v rozmezí od maximální (131,10 m n. m.) po minimální provozní hladinu (130,10 m n. m.), průtokem přes přívodní kanál 33 l/s (vychází z požadavku na modelování střední průřezové rychlosti v kanálu 0,6 m/s ve skutečnosti, resp. 0,155 m/s na modelu), přepadem přes krajní jezová pole 0, resp. 28,69 l/s (25 m³/s ve skutečnosti) a průtokem přes elektrárnu 28,69 l/s (25 m³/s ve skutečnosti). Při ustáleném stavu byla měřena rychlostní pole na vtoku, hladiny ve vtoku a vyrovnávací komoře a tlaky v přivaděči. Z měření byly následně vyhodnoceny deformace rychlostního pole vlivem plující norné stěny, hydraulické ztráty v přivaděči, tlakové poměry v přivaděči a vhodnost vtoku do přivaděče.

Neustálený stav měl simulovat náhlý výpadek MVE Dobrohošť během běžných provozních stavů, proto vychází z podmínek pro ustálený stav. Náhlý výpadek byl simulován uzavřením průtoku přivaděčem z hodnoty 28,69 l/s (25 m³/s ve skutečnosti) na nulu během 3,35 sekundy (13 sekund ve skutečnosti). Měření při neustáleném stavu se orientovala na záznam nárůstu hladiny ve vyrovnávací komoře, prověření kapacity a funkčnosti bezpečnostních přepadů a určení nárůstu tlaků v přivaděči v důsledku vzniklého hydraulického rázu. Jednotlivé série měření byly realizovány pro různé kombinace podmínek pro obě skupiny měření.

Výsledky realizovaného výzkumu
Z provedených měření na fyzikálním modelu vtokové části MVE Dobrohošť lze vyvodit následující závěry související s úkoly výzkumu:

• Vtok do přivaděče k MVE Dobrohošť se ukázal jako nevhodný, protože u pokusů při minimální provozní hladině (130,10 m n. m.) v přívodním kanálu dochází ve vtokovém objektu ke značnému nárůstu rychlosti vody, což vede k přechodu na bystřinný režim proudění a následně změně tlakového režimu proudění v přivaděči na beztlakový. Přitom ve vtokové části vzniká extrémní hydraulická ztráta, způsobující téměř 70procentní ztrátu spádu pro MVE. Tenhle stav je z pohledu provozu MVE nepřípustný.
• Pro hladiny v přívodním kanálu v rozmezí 131,10–130,70 m n. m. je vtok navržen dostatečně, nedochází k výraznějšímu vzniku vírových oblastí a strhávání vzduchu do přivaděče.
• Plující norná stěna v předpolí jezu a vtoku do přivaděče nemá výrazný negativní vliv na kvalitu proudění.
• Při běžném provozu při hladinách v přívodním kanálu v rozmezí 131,10–130,70 m n. m. bylo prokázáno, že hydraulické ztráty a tlakové poměry v přivaděči jsou vyhovující.
• Vyrovnávací komora, prověřována při simulaci náhlého výpadku MVE, se ukázala jako bezpečně navržená, s dostatečnou kapacitou přepadové hrany. Komora dostatečně ochraňuje tlakový přivaděč před nárůstem tlaku v důsledku působení hydraulického rázu. Přírůstek tlaku v tlakovém přivaděči při simulacích náhlého odstavení turbíny MVE nepřekročil 1m vodního sloupu, což je vyhovující.

Obr. 9: Naměřený průběh tlakové čáry na modelu u zvolené série pokusů v ustáleném stavu

Závěr
Výzkum vtokové části a přivaděče MVE Dobrohošť byl na Slovensku prvním provedeným fyzikálním výzkumem pro připravovanou MVE. Ověřením provozních stavů MVE na fyzikálním modelu lze předem předejít problémům při její realizaci a následném provozu. Výsledky fyzikálního výzkumu slouží také k úpravě tvaru a rozměrů objektů, čím lze například snížit hydraulické ztráty.

Ing. Ján Rumann, Ph.D., prof. Ing. Peter Dušička, Ph.D., Fakulta stavební STU v Bratislavě

Literatura
[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.

Článek byl uveřejněn v knižní publikaci Stavební ročenka 2010.