Ликбез №40: Кинетическая, механическая, электрическая

«Плотина на Ангаре из песка!»

«Там крестовина и подпятник, на котором держится вся масса вращающихся частей гидроагрегата», – начальник производственно-технического отдела Иркутской ГЭС Михаил Щеглов показывает на потолок. В небольшом помещении, расположенном ниже машинного зала станции, так шумно, что голос приходится повышать почти до грани крика. Звуковой фон по большей части и создают упомянутые вращающиеся части, масса которых достигает тысячи тонн. Один только ротор гидрогенератора весит 500 тонн, еще около 200 тонн дает рабочее колесо турбины, плюс вал, на который они насажены. Если добавить момент инерции, который создает вода (в гидродинамике даже существует термин «присоединенная масса»), получается уже 2000 тонн. Звучит настолько серьезно, что воображение отказывается представить объект сопоставимой массы. 

Если формулировать предельно кратко, то агрегаты ГЭС преобразуют механическую энергию, которую создает поток, в электричество. Вода вращает рабочее колесо турбины, которое соединено валом с ротором генератора. Вращение происходит за счет напора – давления водяного столба. Чтобы создать его, необходимо перегородить русло плотиной. В том, как устроена последняя, кроется одна из тех особенностей Иркутской ГЭС, которые делают ее уникальной. Плотина станции – насыпная, гравийно-песчаная. «Это должно удивить – песок и гравий пропускают воду больше, чем любой другой материал, – писал по этому поводу легендарный начальник строительства Иркутской ГЭС Андрей Бочкин. – Плотина на Ангаре из песка! Разве не странно? Что же толкнуло проектировщиков к такому решению? Дело в том, что Иркутск находится в сейсмической зоне. На случай землетрясения нужен материал, который обладает упругостью: получит удар, придет в движение, подпрыгнет и сядет, опять уплотнится. Значит, материал этот сплошным быть не может!». 

Кстати, с технической точки зрения правильнее будет говорить во множественном числе – плотины. У Иркутской ГЭС их сразу четыре: правобережная, русловая (ее длина составляет 442 метров, именно ею перекрыли старое русло Ангары), островная и левобережная. Все вместе они тянутся на 2494 метров. Плюс бетонное здание самой гидроэлектростанции длиной 240 метров, которое соединяется с левобережной и островной плотинами металлическими диафрагмами. По его крыше проложена дорога, которая идет и по гребню плотины. Так что сооружение играет еще и роль самого протяженного автомобильного моста в Иркутске. 

Внутри плотин строго по их центру проложена шпунтовая перегородка – две сплошные стенки, состоящие из забитых вертикально двутавровых балок, сечение которых похоже на букву «Н». Она соединяет суглинистое ядро, служащее в качестве противофильтрационного устройства, с коренными породами на дне Ангары. «Ядро неровное, – указывает на схему Щеглов. – На самом деле никто не представляет его точную форму – суглинок возили самосвалами, этими же машинами его и утрамбовывали. Но в определенном «коридоре» ядро все же пытались удержать». Использование груженых «МАЗов» вместо специальных катков позволило существенно сэкономить на возведении плотины, при этом грунт они уплотнили даже в большей степени, чем было предусмотрено в техническом проекте Иркутской ГЭС. Значительно снизились затраты и за счет того, что в теле плотины были проложены холостые водосбросы – 16 обводных каналов, которые попарно огибают восемь гидроагрегатов станции. В теле плотины устроены и заборные сооружения городского водопровода.

Хитрый план: крутить колесо

Технические решения, целью которых было удешевление и ускорение работ, в конечном счете способствовали одной цели – как можно быстрее и с как можно меньшими затратами (в разумных пределах и без снижения качества) построить источник энергоснабжения для будущего Иркутского алюминиевого завода, предприятий и жилых домов развивающегося города. Иркутская ГЭС – первая «ступень»Ангарского каскада гидроэлектростанций. Без нее не было бы ни Братской, ни Усть-Илимской, ни Богучанской ГЭС. 

Как уже было сказано, выработка электричества обеспечивается за счет напора воды, который приводит в движение рабочие колеса гидротурбин. Он возникает за счет разницы уровня воды в верхнем бьефе – примыкающей к плотине части реки, которая находится выше по течению, – и нижнем. Нормальный подпорный уровень водохранилища станции – т.е. оптимальная наивысшая отметка его поверхности – 457 метров в Тихоокеанской системе высот. Иными словами, 457 метров над уровнем Тихого океана. И это, к слову, тоже делает Иркутскую ГЭС уникальной – точкой отсчета для водохранилищ всех остальных гидроэлектростанций России, в том числе расположенных в Сибири и на Дальнем Востоке, служит Балтийское море. 

Дело в том, что во время первых изыскательских работ на Ангаре в конце 1920-х – начале 1930-х годов из-за недостаточной развитости нивелирной сети использовались местные системы высот, среди которых была и Тихоокеанская. Балтийскую официально приняли немного позднее. В 1950-х и 1970-х отметки пробовали пересчитать, чтобы добиться однообразия, но цифры, что называется, не сошлись. Отметку, с которой начинается нижний бьеф, рассчитать гораздо легче – достаточно простой арифметики. Нормальный подпорный уровень водохранилища Иркутской ГЭС составляет 457 метров, уровень «мертвого» объема, ниже которого работа станции не допускается, – 455,54 метров. 

Расчетный напор для машин Иркутской ГЭС составляет 26 метров. «Это средняя величина, – отмечает Михаил Щеглов. – Минимально он составляет 24 метров, максимально – 32 метров». Получить напор – это лишь часть задачи. Поток еще нужно подвести к рабочему колесу. «Если на Братской и Усть-Илимской ГЭС вода падает сверху и по водоводам попадает на рабочее колесо, то у нас донный водозабор, – отмечает Михаил Юрьевич. – То есть у нас вода идет со дна, затем попадает в спиральную камеру и закручивается». Спиральная камера предназначена для того, чтобы равномерно распределять поток по всей длине рабочего колеса. Внешне она напоминает панцирь гигантской улитки, в центре которого находится гидротурбина. Вода проходит по ней по спирали, отсюда и название. Силу потока, который попадает на рабочее колесо, регулирует направляющий аппарат – поворотные лопатки и рычаги, которые ими управляют, а также два сервомотора. 

Гидроагрегаты Иркутской ГЭС – поворотно-лопастные. По внешнему виду рабочее колесо каждого из них напоминает гребной винт исполинского корабля. На нем установлены семь лопастей сложной формы, которые поворачиваются в зависимости от мощности потока для обеспечения максимального коэффициента полезного действия – 92%. 

«Мощность самой турбины – 90 мегаватт», – рассказывает Щеглов. И расшифровывает ее официальное наименование ПЛ-577-ВБ-720: «ПЛ – поворотно-лопастная, 577 – номер проекта, ВБ – вертикальная с бетонной спиральной камерой, 720 – диаметр [в сантиметрах]. Расход воды на турбине, если полностью открыть сброс, составляет 410 кубометров в секунду». Скорость вращения неизменна – 83,3 оборота в минуту. Задача турбины заключается в том, чтобы преобразовать кинетическую энергию потока воды в механическую.

Вращающий момент

Последнюю генератор преобразует в электричество. Принцип его работы известен из школьного курса физики: проволочная катушка вращается в магнитном поле. Когда силовые линии движущегося магнита пересекают витки проволочной катушки, вырабатывается электрический ток. Все просто: есть вращение – есть энергия. В гидрогенераторе магнитом является массивный ротор, жестко соединенный с рабочим колесом через вал. Роль проволочной катушки играет статор. Его высота составляет 1,8 метра, расточен он до 11,6 метров. Зазор между ротором и статором по проекту составляет 18 мм, допустимое отклонение – не более 10%. Частота вращения ротора не так велика, поэтому, чтобы довести частоту вырабатываемого тока до 50 Гц, нужно несколько пар полюсов. В гидрогенераторах Иркутской ГЭС их по 36. 

По ходу разговора мы приближаемся к машинному залу – об этом свидетельствует нарастающий шум. Работают, кстати, не все восемь машин станции: – некоторые остановлены из-за того, что Енисейское Бассейновое водное управление Росводресурсов установило сбросные расходы всей Иркутской ГЭС на уровне 1600 кубометров в секунду, поэтому она несет не слишком большую нагрузку, на восьмом агрегате идет капитальный ремонт (с декабря расходы повышены – прим. «Кислород.ЛАЙФ»). «Обратите внимание на белый колпак, – Щеглов указывает на первый агрегат. – Раньше под ним были подвозбудитель и возбудитель электромашинной системы возбуждения генератора. То есть довольно большие роторы и множество графитовых щеток. Из-за этого приходилось раз в квартал выполнять техническое обслуживание генератора. Но электромашинную систему возбуждения заменили на тиристорную, так что вращающихся частей стало меньше. И этот колпак теперь пустой». Не вдаваясь в сложные технические подробности, уточним, что возбудитель – это небольшой генератор постоянного тока, который питает обмотки более мощного генератора переменного тока. 

Еще одно отличие, которое сразу бросается в глаза, – новые щиты автоматической системы управления, стоящие рядом с генератором. Вернее, с семью машинами из восьми – на последнем по счету агрегате систему установят в ходе ремонта. На экраны выводится множество параметров – от температуры, давления и нагрузки до уровня вибрации. «Раньше для того, чтобы управлять агрегатом, нужно было находиться здесь, – говорит Михаил Юрьевич. – Машинист регулировал все процессы с помощью ключей». Сегодня на смену им пришли сенсорные кнопки, а все сигналы подаются и с главного щита управления, который два года назад тоже модернизировали. 

Электричество, которое производят гидрогенераторы, еще нужно выдать в энергосистему. Машины Иркутской ГЭС, как и любой другой электростанции, выдают ток напряжением 13,8 кВ. Его нужно поднять, прежде чем поставлять энергию потребителям. Для этого существует закрытое распределительное устройство. На каждые два генератора станции приходится по трансформатору. В результате получается два трансформатора на 110 кВ и два автотрансформатора на 110/220 кВ. Разница в техническом устройстве: у обычного трансформатора первичные и вторичные обмотки электрически не связаны, энергия между ними передается посредством магнитного поля, тогда как у автотрансформатора обмотка фактически одна. 

С закрытого распределительного устройства ток передается на два открытых. Одно из них, ОРУ-110, находится на левом берегу Ангары. Второе, ОРУ-220, расположено на одной из сторон «квадрата» – на берегу дренажного озера. Искусственный водоем создали для сбора того, что фильтруется через грунтовую плотину ГЭС. Да, любой гидроузел пропускает воду, и в этом нет ничего страшного – невозможно сделать его герметичным настолько, чтобы не просочилось ни капли. Вопрос лишь в том, что фильтрация не должна быть активной, то есть не должна вести к размыву плотины. «У нас предусмотрен трубчатый дренаж, – отмечает начальник производственно-технического отдела Иркутской ГЭС. – Плюс поперечные лотки, которые тоже собирают воду и отводят ее в дренажное озеро, и выпуски, идущие в отводящий канал. На левом берегу то же самое».

Первоисточник.