Насосно-турбинное будущее

Уникальная станция

О начале модернизации ГАЭС, первые гидроагрегаты которой были введены в эксплуатацию более 50 лет назад – в декабре 1968 года, в «РусГидро» объявили еще в апреле. К настоящему времени вся уникальная «начинка» Кубанской ГАЭС достигла высокой степени износа – подобные станции и сейчас в России редко строят, а в конце 1960-х и подавно все было впервые и вновь. Кстати, тогда объект даже назывался иначе – обратимой насосной станцией. 

Между тем эа ГАЭС в каскаде Кубанских ГЭС играет особую, если не ключевую роль. Всего в нем, если кто не знает, 10 станций, включая Кубанскую; они расположены на территории двух субъектов РФ – Карачаево-Черкесской Республики (КЧР) и Ставропольского края. Все объекты — деривационного типа. ГАЭС, а также ГЭС с №1 по №4, расположены на Большом Ставропольском канале (БСК), который питается водами реки Кубань и берет свое начало от головного водозабора Усть-Джегутинского водохранилища. А вот Свистухинская, Сенгилеевская, Егорлыкская, Егорлыкская ГЭС-2 и Новотроицкая ГЭС (замыкающая каскад) работают на воде Невинномысского канала, водозаборный узел которого расположен у одноименного города. Общая протяженность каскада от плотины Кубанского водохранилища до Новотроицкой ГЭС составляет 235 км. При суммарной мощности в 476,6 МВт ежегодная выработка всех станций каскада в среднем составляет 1,4-1,5 млрд кВт*часов. 

Вклад Кубанской ГАЭС – всего порядка 10-12 млн кВт*часов, или меньше 1% от выработки всего каскада. При заполнении водохранилища шесть обратимых гидроагрегатов в генераторном режиме могут вырабатывать до 12 млн кВт*часов в год. Но в насосном режиме станция сама начинает потреблять электроэнергию – до 46 млн кВт*часов в год! ГАЭС, расположенная на 46 км БСК (географически это пос. Водораздельный Прикубанского района КЧР), использует перепад высот между двумя водоемами – в данном случае, БСК и наливным Кубанским водохранилищем, которое располагается в естественной котловине бывшего озера Большое Соленое. В зависимости от степени заполнения этого водоема разница уровней с БСК составляет от 15 до 30 метров; на этих средних напорах и работает станция. 

Но, в отличие от подобных объектов в мире, в том числе и от самой мощной в России Загорской ГАЭС в Подмосковье (также входит в ПАО «РусГидро»), Кубанская не функционирует в качестве суточного регулятора энергосистемы. А отвечает в каскаде за другое – сезонное регулирование стока реки Кубань, что жизненно необходимо для обеспечения водными ресурсами водопотребителей Кубань-Калаусской (ныне БСК) и Кубань-Егорлыкской обводнительно-оросительных систем, в особенности – Невинномысской ГРЭС «ИнтерРАО».

Водный режим Кубани, как и любой горной реки с «непростым» характером, отличается продолжительным летним половодьем, на которое накладываются дождевые паводки. Подъем уровня воды начинается в конце марта – начале апреля, а завершается в конце сентября – начале октября; за это время по реке проходит до 80% годового стока. С октября по март устанавливается межень, а наименьшие расходы воды фиксируются в феврале. Поэтому летом, с мая по август, ГАЭС функционирует в турбинном (или генераторном) режиме, заполняя Кубанское водохранилище водой, подступающей из БСК (на завершающем этапе наполнения в работу при необходимости дополнительно включается холостой водосброс). За этот период через гидроагрегаты ГАЭС пропускается в среднем 292 млн кубометров воды (еще 166 млн кубометров проходит через водосброс). 

В летний период по БСК подается порядка 180 кубометров воды в секунду (максимум, который возможен через консольный водосброс – 220 кубометров в секунду). 115 из них идет транзитом на орошение и обводнение засушливых земель, а также для выработки электроэнергии, а затем – через каскад ГЭС – возвращается в реку Кубань. Еще 60-70 кубометров сбрасывается в водохранилище, которое при таком режиме наполняется до НПУ (629 метров БС, при уровне сработки в 614 метров БС). По данным филиала ПАО «РусГидро» – Каскада Кубанских ГЭС – этим летом в створе Усть-Джегутинского гидроузла водность Кубани составила 356,5 кубометров в секунду. В БСК подавалось 180,6 кубометров, к ГАЭС поступало 170,4 кубометров в секунду. Из них 52,4 шло через станцию на наполнение водохранилища, а 118 кубометров проходило дальше по каналу к водопользователям и станциям каскада, а затем возвращаясь в реку. 

В зимнюю межень, когда воды в Кубани мало, ГАЭС переключается в насосный режим, подавая воду из водохранилища в БСК и обеспечивая тем самым работу в том числе и остальных девяти гидроэлектростанций каскада, расположенныхв руслах Большого Ставропольского и Невинномысского каналов и являющихся их составной частью. Откачка воды из водохранилища (его полезный объем - 475 млн кубометров) длится с конца сентября до мая. По данным «РусГидро», хотя минимальные потребности водопотребителей в зоне влияния БСК составляют 28 кубометров в секунду, в период межени обеспечить даже эти объемы забором воды в БСК только из реки Кубани без подпитки от ГАЭС было бы невозможно.

Кроме того, подача воды из водохранилища обеспечивает в межень работу ГЭС-1, ГЭС-2, ГЭС-3 и ГЭС-4 в режиме суточного регулирования, повышая их располагаемую мощность. В итоге дополнительная выработка электроэнергии на всем каскаде за счет подачи воды из Кубанского водохранилища в зимние месяцы оценивается в 350 млн кВт*часов ежегодно!

Улучшить и усилить

Понятно, что обратимые гидроагрегаты в проекте Кубанской ГАЭС 1960-х годов появились не случайно; советские инженеры таким образом хотели эффективно использовать энергию холостых сбросов для частичной компенсации потерь электроэнергии на насосный режим. Первые в СССР обратимые насос-турбины 63НТВ-30 были разработаны заводом «Уралгидромаш» из Сысерти на базе серийных центробежных насосов 8к-25. Вертикальные гидроагрегаты с диаметром рабочего колеса в 1,7 метров максимально адаптировали для работы во всем диапазоне напоров (от максимального 31,25 метров до минимального 16,25 метров). Они имеют единичную мощность 2,4 МВт в насосном и 2,65 МВт в турбинном режимах.

Важная особенность действующих насос-турбин – отсутствие регулируемого направляющего аппарата (лопатки переставляются вручную и обеспечивают регулирование только по напору, но не по мощности), из-за чего они способны работать только на полной мощности. Гидрогенераторы были произведены заводом «Уралэлектротяжмаш» (сейчас оба эти предприятия объединены под маркой «УГМ»). При всей своей уникальности за минувшие десятилетия эти советские инновационные находки сильно устарели. Созданные фактически как импровизация, существующие обратимые гидроагрегаты не могут эффективно работать во всем диапазоне напоров и расходов, имеют недостаточно высокий по современным представлениям КПД. Не стоит забывать и о физическом износе отработавших полвека машин. 

В «РусГидро» рассматривали несколько вариантов реконструкции ГАЭС. Один из них, что интересно, предполагал перевод станции исключительно в насосный режим (при том что сейчас большую часть года ГАЭС работает в турбинном режиме), с установкой серийных центробежных насосов и полным отказом от генерации. В финансовом плане удалось бы заметно сэкономить на CAPEX (снизить затраты на поставку оборудования), но впоследствии пришлось бы раскошелится на повышенные OPEX – неприспособленность серийных насосов к работе со значительным сезонным изменением напоров (диапазон расходов станции колеблется в пределах от 6 до 60 кубометров в секунду) потребовало бы установки рабочих колес с разными диаметрами. А это, в свою очередь, обернулось бы ростом стоимости техобслуживания и ремонтов. А отказ от генерации не позволил бы хотя бы частично окупить затраты на потребление электроэнергии в насосном режиме. 

Более того, в таком случае пришлось бы выводить станцию с ОРЭМ, и утонуть в бумажной бюрократии – получение новых условий техприсоединения и переутверждение Правил использования водных ресурсов могло растянуться на годы. Но главное: под ударом оказалась бы общая надежность Кубанского водохранилища как источника водоснабжения БСК в осенне-весенний период. Пришлось бы вкладываться в углубление котлована здания ГАЭС, строительство более мощного сороудерживающего сооружения и модернизацию холостого водосброса. 

Поэтому в итоге решено было сохранить станцию в виде ГАЭС, доказавшей свою эффективность за десятилетия работы. И сейчас в рамках ПКМ «РусГидро» планирует полностью заменить все гидросиловое, гидромеханическое и электротехническое оборудование именно ГАЭС. Согласно техзаданиям к двум тендерам, которые выложены на сайте госзакупок, в здании станции будут установлены шесть вертикальных радиально-осевых обратимых насос-турбин (с проточной частью и вспомогательным оборудованием), а к ним – шесть вертикальных, синхронных, трехфазных двигатель-генераторов. Максимальная мощность ГАЭС в итоге должна вырасти до минимум 17,64 МВт в турбинном и 20,9 МВт в насосном режимах. 

По предварительным расчетам, установка современных обратимых гидроагрегатов с изменяемой частотой вращения позволит как повысить годовую выработку электроэнергии (примерно на 50%), так и сократить собственное энергопотребление ГАЭС (минимум на 14%). Новые гидроагрегаты должны будут работать во всем диапазоне напоров, с КПД в турбинном режиме не менее 87%, а в насосном – не менее 92%. Кроме того, генподрядчику предстоит заменить основные элементы гидросилового оборудования, конструктивные узлы и детали насос-турбин, которые уже сейчас имеют низкую оценку технического состояния – это дисковые затворы, спиральные камеры, валы и рабочие колеса (лопасти РК, ступицы РК, щелевые уплотнения). Плюсом к этому все турбины будут оснащены системами автоматического регулирования.

В рамках ПКМ на ГАЭС заменят также силовые трансформаторы и сороудерживающие решетки (проблема с крупным мусором – головная боль БСК). А вместо существующего открытого распределительного устройства (две ЛЭП 110 кВ) построят современное комплектное распределительное устройство – это одна из «фишек» всей программы «РусГидро» (работы по монтажу КРУЭ уже начаты). 

Запланировано даже строительство нового здания ГАЭС. Старое здание имеет оригинальную конструкцию – оно размещено на дне водохранилища на 15-метровой глубине, над водой размещается лишь его верхняя часть, соединенная с берегом мостом. Такая конструкция позволила неплохо сэкономить при строительстве за счет отказа от рытья котлована (водохранилище заполнили после завершения сооружения станции), но для модернизации она оказалась бы малопригодной. Чтобы заменить оборудование и отремонтировать сооружения, пришлось бы отгородить здание от остального водохранилища дорогостоящими перемычками.

Кроме того, само здание ГАЭС было спроектировано в эпоху Хрущева с максимальной экономией на всем, что только возможно, и давно не соответствует современным требованиям по надежности и удобству эксплуатации. Например, у него нет монтажной площадки и крана внутри машинного зала, при ремонте части гидроагрегатов приходится вытаскивать на крышу здания ГАЭС через специальные люки.

После оценки всех вариантов генпроектировщик (АО «Мособлгидропроект») предложил построить новое здание прямо на берегу Кубанского водохранилища. Так что в рамках ПКМ, в итоге, изменится даже внешний облик станции. И во главе всего каскада Кубанских ГЭС встанет современный и обновленный объект генерации.

Остается добавить, что кроме своего прямого назначения — производства электроэнергии — каскад ГЭС на двух каналах решает и другие важные для всего макрорегиона задачи: от создания систем питьевого и промышленного водоснабжения до борьбы с паводками и наводнениями, что напрямую касается жизни населения юга России. Модернизация станций, таким образом, - прямой вклад «РусГидро» в национальную безопасность страны.