Ликбез № 18: Такие разные турбины

В конце прошлой недели в рамках комплексной программы модернизации гидростанций «ЕвроСибЭнерго» «Новая энергия» на второй по мощности в России Красноярской ГЭС был введен в эксплуатацию первый модернизированный гидроагрегат с новым рабочим колесом. Два таких колеса весом по 244 тонны каждое в конце прошлого года доставили на станцию по северному морскому пути из Санкт-Петербурга. Это самые крупные рабочие колеса в российской гидроэнергетике.

Монтаж провели с опережением сроков, пусковые испытания подтвердили все проектные параметры – и обновленный гидроагрегат включили в сеть. «Он имеет улучшенные технические характеристики, в том числе сниженную вибрацию, повышенный КПД, сниженные пульсации мощности, пониженный кавитационный износ», - сообщили в пресс-службе станции (начало установки второго нового рабочего колеса запланировано на сентябрь 2018 года).

Для ГЭС это историческое событие – с момента пуска станции, а это полстолетия, здесь еще ни разу не меняли рабочие колеса. В 1960-е, когда Ленинградский металлический завод (ныне входит в концерн «Силовые машины») делал первые турбины для дивногорской стройки, они уже были уникальны – и по размеру, и по весу, и по напорам, на которых им предстояло работать. Новые колеса – уникальны вдвойне, поскольку сделаны и с учетом накопленного исторического опыта эксплуатации, и с применением самых современных технологий. Эффективность работы ГЭС повысится: новые рабочие колеса позволят вырабатывать больше энергии, пропуская через турбину тот же объем воды. 

Неизменным остался только тип турбины – она по-прежнему радиально-осевая. Но что это значит? Для ответа на вопрос нужно углубиться в теорию и начать, как говориться, с азов.

Электромеханическое оборудований любой ГЭС состоит из турбин, генераторов и трансформаторов. Именно сочетание гидротурбины с гидрогенератором и называют гидроагрегатом (хотя в СМИ иногда так нарекают и одну турбину, и колесо, что неправильно). Главный элемент во всей этой на самом деле не особо сложной конструкции – рабочее колесо гидротурбины, которое и преобразует механическую энергию воды в энергию вращающегося вала. Вал, в свою очередь, вращает гидрогенератор. А уже с него – через трансформаторы и распределительные устройства – электричество поступает в сеть. И по линиям электропередач доходит, в том числе, вплоть до конкретного жилого дома или предприятия. 

Важным преимуществом гидроэнергетики является высокая маневренность гидроагрегатов – их можно запустить на полную мощность за очень короткое время (буквально полминуты). Тепловые и атомные энергоустановки этим свойством не обладают. При этом по принципу действия все гидротурбины делятся всего на два классе - активные и реактивные. И все. Внутри этих классов типов турбин гораздо больше, но в практике гидростроительства широко используются только четыре: осевые, диагональные и радиально-осевые, которые относятся к реактивным, а также ковшовые активные турбины.

Каждый из этих типов подходит под определенные сочетания расходов воды и напоров, уникальных для каждого гидроузла. При выборе турбин для той или иной ГЭС также учитывают необходимость обеспечения высоких КПД в заданном диапазоне напоров и нагрузок, кавитационные показатели и ряд других факторов. Впрочем, диапазоны бывают схожие, поэтому на одних и тех же напорах могут работать турбины разных типов. Например, на низконапорных ГЭС обычно ставят поворотно-лопастные турбины, но на Волховской ГЭС, первенце Плана ГОЭЛРО, уже больше 90 лет работают радиально-осевые. Так уже там сложилось исторически, но менять этот расклад не стали даже в ходе модернизации.

Теперь посложнее. Активные турбины используют только кинетическую энергию потока воды, причем сами в воде не находятся. Давление на входе в рабочее колесо и на выходе из него одинаковое, и равно атмосферному. Прообразы таких турбин появились еще в средние века; для создания напора в них используют сопла, с помощью которых и регулируют мощность. Активные турбины еще называют струйными, и этим прилагательным легко объяснить суть их работы – под сильным напором струя воды ударяет в лопатки колеса, тем самым заставляя его вращаться. 

Такие турбины делятся на ковшовые, наклонно-струйные, кольце-струйные и двойного действия. Самые распространенные, однако, ковшовые, подходящие в основном под напоры более 200 метров (чаще всего 300-500 метров и более) и расходы до 100 кубометров в секунду. Мощность наиболее крупных ковшовых турбин может достигать 200-250 МВт и выше. Как правило, ГЭС с такими турбинами строят по деривационной схеме, так как получить столь значительные напоры при помощи плотины практически невозможно.

Наиболее крупная высоконапорная ковшовая турбина установлена на ГЭС Будрон в составе гидроузла Клузон-Диксан в Швейцарии. При напоре более 1869 метров (мировой рекорд!) она развивает мощность 400 МВт. Крупнейшая действующая ГЭС в России с ковшовыми гидроагрегатами - Гизельдонская в Северной Осетии, введенная в эксплуатацию в 1934 году. Но ее мощность всего 22,94 МВт. Также ковшовые турбины планируется установить на строящейся с 1976 году Зарамагской ГЭС-1 в той же Алании. Планируемая мощность ГЭС — 342 МВт, в здании должны быть установлены два гидроагрегата, работающих при напоре 619 метров. Если станцию все же запустят (в планах - 2018 год), ее гидротурбины станут одними из крупнейших турбин этого типа в мире.

Первую реактивную турбину изобрел в 1827 французский инженер Бенуа Фурнерон. Но с тех пор технологии ушли далеко вперед, хотя конструктивно ничего особо не изменилось – это всегда колесо с искривленными лопатками, насаженное на вал. Принципиальные отличия реактивных турбин от активных: они работают только в воде, поэтому давление перед рабочим колесом всегда больше атмосферного (а вот на выходе может быть как больше, так и меньше), а напор создается с помощью направляющего аппарата (а не сопла). Это неподвижное колесо с лопатками, которые либо открываются, либо закрываются. И в первом случае поток воды давит с регулируемой силой на лопатки и вращает рабочее колесо самой турбины. А во втором – позволяет полностью перекрыть воду, что нужно, например, для проведения ремонтов или замен. Перед направляющим аппаратом ставят спиральную камеру (их еще называют «улитками»), а на выходе – отсасывающую трубу, отводящую воду в нижний бьеф. В конструкциях активных турбин таких элементов проточной части не бывает. 

Реактивные турбины в XX веке получили очень широкое распространение в гидростроительстве, поскольку оказались удобны там, где напор воды невелик, но есть возможность создавать перепады. По направлению потока в рабочем колесе реактивные турбины делят на осевые и радиально-осевые. По расположению вала – на вертикальные, горизонтальные и наклонные. 

Наиболее распространены осевые турбины, которые бывают горизонтальные капсульные (при напорах в основном до 25 метров), поворотно-лопастные вертикальные (их еще называют турбинами Каплана) и пропеллерные (оба типа используются при напорах до 60 метров). Горизонтальные обычно ставят на малых ГЭС, за исключением капсульных, используемых и при напорах до 25 метров. Впервые в СССР такие гидроагрегаты заработали на Киевской ГЭС. В России же их можно найти на Саратовской ГЭС «РусГидро».

Мощность поворотно-лопастной турбины регулируется одновременным поворотом лопаток направляющего аппарата и рабочего колеса. В зависимости от условий работы (открытия, напора) угол лопастей может меняться, причем на некоторых ГЭС – многократно в течение одного дня, что позволяет «выжать» из такого оборудования максимум. Для низко- и средненапорных станций это чрезвычайно важное преимущество. Поэтому подобные турбины в России стоят на большом количестве ГЭС (Рыбинская, Горьковская, Волжская, Новосибирская, Иркутская и др.). Наиболее мощными турбинами этого типа в России оснащены Волгоградская и Волжская ГЭС (115 МВт), а также опять же Саратовская (60 МВт при расчетном напоре 9,7 метров с самым большим диаметром рабочего колеса в стране - 10,3 метров).

Поворотно-лопастные турбины незаменимы там, где колебания напора ГЭС значительны и подвержены частым и быстрым скачкам. Там же, где таких проблем не возникает, ставят пропеллерные гидротурбины, у которых лопасти вращаться не могут, а закрепляются намертво. Это дает возможность увеличить расход через турбину и повысить ее мощность. 

А вот на Зейской ГЭС установлены уникальные для России диагональные поворотно-лопастные турбины с диаметром рабочего колеса в 6 метров – при напорах 74,5-97,3 метров они могут выдавать мощность в 220 МВт каждое. Лопасти на них установлены с наклоном к оси вращения, но их можно поворачивать. Однако обычно на высокие напоры – от 40 до 700 метров – ставят более надежные радиально-осевые гидротурбины. Их так называют потому, что поток воды входит в рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него в осевом. Такие турбины работают на самых мощных ГЭС России – Красноярской, Саяно-Шушенской, Братской, Усть-Илимской, Богучанской.

Конструктивно такая турбина состоит из лопастей, обрамленных жестким ободом. Со стороны такая махина напоминает летающую тарелку. В мире самые крупные радиально-осевые турбины стоят на ГЭС Гранд-Кули-3 (США, мощность 820 МВт, напор 87 метров, диаметр 9,7 метров), Итайпу (Бразилия – Парагвай, мощность 800 МВт, напор 118,4 метров) и «Три ущелья» (Китай, мощность 700 МВт, напор 71-113 метров, диаметр 10 метров). На крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС работает 10 гидроагрегатов мощностью 640 МВт каждый, с радиально-осевыми турбинами, работающими при расчетном напоре 194 метра (рабочий диапазон напоров — от 175 до 220 метров).