Рекордно высокий напор

То, что Зарамагская ГЭС-1, крупнейшая электростанция в Республике Северная Осетия – Алания (РСО), близка к завершению строительства, было известно с декабря – «Системный оператор» даже включил объект в список новых генерирующих мощностей, заработавших в 2019 году. Но торжественная церемония запуска этого уникального объекта прошла только 4 февраля этого года, когда в Северную Осетию прилетели зампред правительства РФ Юрий Борисов, министр энергетики РФ Александр Новак, глава Ростехнадзора Алексей Алешин, председатель комитета Госдумы РФ по энергетике Павел Завальный, а также другие большие люди. Сопровождали их председатель правления – генеральный директор «РусГидро» Николай Шульгинов и глава республики Вячеслав Битаров. 

По команде Николая Шульгинова начальник оперативной смены нажал мышкой на кнопку пуска на экране компьютера (на новой станции установлена современная АСУ ТП). И на большом экране в машзале, на глазах у гостей и персонала, замелькали цифры – так был визуализирован набор мощности. Меньше чем за минуту гидроагрегат №1 вышел на номинальную нагрузку – 173 МВт, и начал выдавать экологически чистую и возобновляемую электроэнергию в ОЭС Юга. Новая станция теперь, прежде всего, круглогодично будет обеспечивать пики потребления электроэнергии в энергосистеме Северной Осетии. А на полную мощность работать с апреля по сентябрь, в период высокой приточности. В среднем КИУМ может превысить 40%, что нормально для российской гидроэнегетики. 

«Пуск этой современной гидроэлектростанции жизненно необходим для Северной Осетии. Ведь новая станция – это гарантированный свет, уют в домах, детских садах, школах и больницах. Это освещенные улицы, это более благополучные экологические условия. И, конечно, это серьезный импульс развития всего региона», - сказал на церемонии Юрий Борисов. «Пуск ГЭС позволяет говорить о развитии потенциала всего южного региона и Северо-Кавказского федерального округа, ведь благодаря вводу станции появляется возможность подключения новых потребителей», - добавил, в свою очередь, Александр Новак. 

Строительство Зарамагской ГЭС-1 долгие годы оставалось крупнейшим инвестиционным проектом в РСО, суммарный объем вложений «РусГидро» в завершение стройки превысил 35,3 млрд рублей (возврат обеспечен заключенным ДПМ). По общей мощности (346 МВт) Зарамагская ГЭС-1 заняла третье место среди гидроэлектростанций Северного Кавказа, уступая только Ирганайской и Чиркейской ГЭС в Дагестане. Как и Головная ГЭС Зарамагского каскада, введенная еще в 2009 году, новая станция будет работать на воде из реки Ардон (один из притоков полноводного Терека). Но – без использования водохранилища. Обо всем подробнее – ниже.

По советскому проекту

Первая схема комплексного использования реки Ардон была утверждена Минэнерго СССР еще в 1968 году, и предполагала строительство трех ГЭС – Зарамагской ГЭС-1 с Головным гасительным узлом (впоследствии там придумали установить гидроагрегат, и потому объект переименовали в Головную ГЭС), ГЭС-2 и Унальской ГЭС. Тот первый проект был разработан армянским подразделением Института «Гидропроект» (что в постсоветское время стало одним из препятствий для завершения стройки). В 2000-х он был существенно переработан «Ленгидропроектом». 

Вообще, первоначальную схему меняли не один раз, в итоге остановившись на той, что и заработала теперь в окончательном виде (строительство третьей ступени каскада с мощностью до 80 МВт и расчетной выработкой в 200 млн кВт*часов остается в планах – причем эта станция тоже будет работать без водохранилища, на воде из отводящего тракта гидроагрегатов ГЭС-1). Как отмечается в статье «Зарамагские ГЭС. Основные проектные решения и состояние строительства», опубликованной в журнале «Гидроэнергетика» (№2 за 2018 год), для сооружения гидроузла был выбран самый благоприятный в энергетическом отношении участок Ардона – от створа в районе селения Нижний Зарамаг, где сливаются четыре основных притока (речки Мамисдон, Нардон, Айкомдон и Цмиакомдон), примерно 20 км до здания Зарамагской ГЭС-1 в районе пос. Мизур. Естественные уклоны русла реки здесь максимальные, и достигают приращения по высоте 36 метров на 1 км длины. 

Деривационная схема – идеальная для реализации энергопотенциала в таких условиях – при резкокосогорном рельефе местности оказалась возможна только в тоннельном исполнении. Это было рискованное предложение проектировщиков, но в те годы считалось, что машиностроение СССР сможет предложить гидростроителям мощные горнопроходческие комплексы. При этом сочетание относительно невысокой (70 метров) плотины с тоннелями помогало снять и экологические вопросы – высоконапорный гидроузел (напор – до 618 метров!) можно было создать без помощи сверхглубокого водохранилища. Его полезная емкость (при отметке НПУ 1730 метров и УМО 1690 метров БС), кстати, должна была изначально составить 63 млн кубометров, что повысило бы эффективность эксплуатации каскада в зимние месяцы, когда расходы реки снижаются до минимума. 

Интересно, что и в советские годы Зарамагская ГЭС проектировалась как пиковая – ее параметры были назначены с учетом обширной программы строительства в стране АЭС. Каскад начали строить в 1978 году. Но, как это часто бывало в СССР, идеальные на бумаге проектные наработки споткнулись о жесткую реальность плановой экономики. К примеру, надежды на машиностроителей не оправдались – созданный ими проходческий комбайн почти сразу вышел из строя. И первостроителям пришлось действовать по старинке – традиционным буровзрывным способом проходки. Это сразу же замедлило темпы работ.

Возникла необходимость увеличить и размеры сечения тоннеля – откатку породы не получилось организовать рельсовым способом, можно было только на грузовиках. В итоге тогда же было принято во многом вынужденное решение о безнапорном гидравлическом режиме потока в тоннеле. Чтобы компенсировать эту проблему, пришлось запроектировать между Головной и Зарамагской ГЭС-1 бассейн суточного регулирования (БСР). 

Слабо была организована в 1980-е и сама стройка, что сильно отразилось на качестве оставшегося от нее «наследства»: пришедшие на площадку уже в 2000-е строители вынуждены были многое не то что переделывать, а ломать и строить заново. Например, пройденные к началу 1990-х порядка 3,5 км деривационного тоннеля №2 (того самого, который в итоге стал рекордно длинным) нужно было, по сути, прокладывать вновь. 

После распада СССР судьба каскада оказалась на волоске – и не только из-за всеобщего управленческого хаоса, ныне прозванного «лихими 90-мы», но и резко возросшей критики со стороны экологов. В итоге проект был сильно откорректирован – к примеру, в варианте ТЭО 1993 году отметку НПУ водохранилища снизили почти на 40 метров от проектной, до 1690,6 метров БС (всего на 0,6 метра выше отметки УМО), что повлекло за собой снижение высоты плотины, мощности и выработки Головной ГЭС. А полезная емкость была сокращена до 0,5 млн кубометров (!), что превратило водохранилище в резервуар суточного, в лучшем случае, недельного регулирования.

Долгие годы каскад вообще не строился, стоял даже вопрос о полной консервации объектов. Но с 2001 года, еще в структуре РАО «ЕЭС России», финансирование было увеличено, что позволило активизировать работы. Была выработана концепция опережающего строительства Головной ГЭС, в связи с чем основные усилия строителей были сконцентрированы на ее объектах. Наибольшая интенсивность строительно-монтажных работ была достигнута в 2006-2009 годах, после передачи стройки, как выразился глава РСО Вячеслав Битаров, «в надежные и хозяйские руки» «РусГидро». 18 сентября 2009 года была введена в эксплуатацию верхняя ступень комплекса – Головная ГЭС мощностью 10/15 МВт.

Отметка гребня плотины этой ГЭС (1708 метров БС) сделана такой высокой не просто так, а чтобы обезопасить объект в случае обрушения в водохранилище большого оползня-обвала (кроме прочего, дополнительная аккумулирующая емкость в 17 млн кубометров помогает и срезать пики крупных паводков). А конструкция ядра плотины выполнена с запасом: если вдруг в будущем возникнет потребность вернуться к изначальной отметке НПУ (1730 метров БС), достаточно будет лишь достроить сооружение вверх (сейчас ее высота 50 метров, про первому проекту было бы 79 метров).

Водоприемники водосброса и Головной ГЭС тоже построены с учетом возможности работы на первоначальной отметке водохранилища, а гидроагрегат, оборудованный четырехлопастной поворотно-лопастной гидротурбиной с предтурбинным дисковым затвором, имеет значительный запас мощности. Сейчас, при расчетном напоре 18,6 метров, эта турбина способна разогнаться до 15 МВт. Но если плотина станет выше, а количество лопастей на рабочем колесе увеличат в два раза, мощность можно будет нарастить до 33 МВт. 

С 2010 года усилия строителей перекинули на объекты Зарамагской ГЭС-1. В 2017 году в районе селения Мизур начали строить здание станции. Сегодня у подножия хребта оно смотрится как космический корабль, «привязанный» к земле лишь линиями электропередач (две по 330 кВ) – они уходят ввысь по хребту, соединяя станцию с энергосистемой республики и всего Юга. В конце октября 2019 года был произведен пробный пуск и испытания гидроагрегата №1, в начале ноября – гидроагрегата №2. Станция была готова к пуску.

Уникальные решения

Не бывает худа без добра – в сравнении с проектами советского образца, на новом этапе специалисты «Ленгидропроекта» пересмотрели многие параметры, существенно повысив общую безопасность и надежность ГТС. Что весьма актуально для условий Северного Кавказа. Так, все сооружения каскада рассчитаны на землетрясения в 9 баллов, при этом они органично вписаны в окружающую среду и оказывают минимальное воздействие на местную хрупкую природу. 

Но уникальна новая ГЭС не только этим. В 2015 году здесь, в Алагирском ущелье, строители завершили по-своему исторический объект – проходку деривационного тоннеля №2, длина которого составила 14 262 метров. Это теперь самый длинный гидротехнический тоннель в России и один из самых протяженных в мире. Если не брать в расчет годы, потраченные на эту стройку еще в советское время, на достройку тоннеля ушло около семи лет. Проходчики шли одновременно навстречу друг другу, причем стык в итоге совпал практически идеально – в условиях скального массива это достижение трудно не то что переоценить, а даже представить. Сама «труба» сделана овальной, что делает конструкцию самонесущей и очень устойчивой. Сечение – 5,3 на 6,85 метра, объем уложенного бетона – 162,7 тыс. кубометров. 

Тоннель пронумерован вторым потому, что в каскаде есть и другой тоннель – с номером один. Он расположен на правом берегу Ардона, и подает воду из водохранилища на Головную ГЭС. После прохождения через ее турбину вода и попадает в деривационный тоннель №2, откуда поступает в БСР – огромную бетонную чашу общей емкостью в 250 тыс. кубометров, а полезной – 144 тыс. кубометров (при НПУ 1635,58 метров БС).

«Дело в том, что тоннель – безнапорный, вода добегает от первой ступени каскада до бассейна примерно за 50-80 минут. Объем воды, который поступает с Головной ГЭС, максимально составляет 32 кубометров на один агрегат, в сумме почти 65 кубометров, соответственно. БСР нужен для того, чтобы у Зарамагской ГЭС-1 был запас ресурса, ведь кроме как от Головной станции воду ей взять неоткуда. А гидроагрегат не может ждать полтора часа, если поступит команда на пуск станции», - объяснили «Кислород.ЛАЙФ» в «РусГидро».

БСР – по сути, резервуар регулирования для ГЭС-1, - тоже уникален. Огромная бетонная чаша расположена на вершине горы, на высоте 1600 метров. В так называемой «Солнечной долине»: склоны хребта зимой здесь практически не покрываются снегом, а летом чуть ли не полностью выгорают. «Бассейн состоит из накопительной емкости, в длину 235 метров, в ширину – 80 метров. Глубина воды здесь – 9 метров, но на участках, где установлен ремонтный затвор, в два раза больше. В бассейне сделан шахтный водосброс – это такая воронка, которая будет использована без участия человека в случае переполнения бассейна. Из него поток будет отводиться на противоаварийный водосброс, и далее, по трубам опорожнения, в реку Баддон. Это все сделано для дополнительной надежности и безопасности сооружения», - рассказал Юрий Миронов из УК «ГидроОГК».

Впрочем, к надежности сооружения вопросов и так не возникает. Толщина самонесущих стенок БСР - от 18 до 22 метров. Снизу, под дном чаши, прорезаны дренажные галереи общей длиной порядка 6 км. Они предназначены для сбора и отвода фильтрационного стока (если он вообще будет), а также осадков. А на самой водной глади плавают пластиковые бочки, наполненные воздухом, на которых лежат натянутые тросы – при переполнении бассейна этот поплавок будет подниматься и стягивать стенки.

Кроме прочего, БСР нужен и для накопления воды для создания напора Зарамагской ГЭС-1. От него до станции проложены трубы поверхностных и тоннельных водоводов длиной около 2 км. Основные сооружения каскада Зарамагских ГЭС расположены на участке реки длиной примерно в 16 км, от селения Нижний Зарамаг до створа впадения в Ардон реки Баддон. Абсолютные отметки над уровнем Балтийского моря здесь – 1663-1010 метров. Поэтому главная особенность ГЭС-1 – тот самый высочайший напор (609 метров, более чем в два раза больше напора прежней рекордсменки – Гизельдонской ГЭС), для формирования которого, как уже было сказано выше, проектировщикам удалось отказаться от строительства плотины и глубокого водохранилища.

Этот рекордно высокий напор приводит в действие самые крупные в России гидротурбины ковшового типа – вертикальные турбины Пельтона К-600-86-341,2, с диаметром рабочего колеса 3,41 метра (производства австрийской Voith Hydro). Они оснащены одноветьевым распределителем с шестью соплами. Каждый агрегат оснащен предтурбинным шаровым затворов диаметром два метра. 

«Выбор в пользу ковшовых турбин не случаен и логичен, они в основном и используются на высоконапорных станциях, при напоре от 100-150 метров и выше. Наша турбина уникальна еще и по режиму работы – она способна включаться и отключаться без гидравлического удара для системы. Что позволяет гидроагрегату работать в более спокойном режиме. Для этого на каждом из сопел установлен отсекатель, который при останове просто «отрубает» струю, направленную на ковш. И турбина сразу же перестает получать энергию от воды. Рабочие колеса другого типа обычно приходится останавливать прямо в водном потоке: например, на турбинах ПЛ лопатки закрывать, но в это время вода все равно по инерции бить будет», - рассказал «Кислород.ЛАЙФ» главный инженер строительства Зарамагской ГЭС-1 Марат Мирзоев.

Он также отметил, что КПД ковшовых турбин на станции превысит 94%. Более характерные для ГЭС в РСО радиально-осевые турбины такого коэффициента при напоре в 609 метров продемонстрировать бы не смогли.

Плюсы для Северной Осетии

Гидроэнергетика на территории современной РСО развивается с конца XIX века. Первую ГЭС на слиянии рек Ардон и Садон, в Алагирском ущелье, построили еще в 1897 году! В то время это была первая в России высокогорная гидроэлектростанция, возведенная бельгийскими специалистами – российские тогда такого делать не умели. Она вырабатывала электроэнергию для нужд обогатительной фабрики и Садонских рудников. Кстати, недалеко от нее сейчас и заработала Зарамагская ГЭС-1. Такой вот исторический привет прошлому. 

Еще до революции частными предпринимателями в Северной Осетии было построено около двадцати ГЭС общей мощностью 3 МВт, большинство из которых располагались на реке Терек в черте Владикавказа. Вырабатываемого ими электричества было достаточно для освещения нескольких государственных учреждений, магазинов и аптек, а также жилых домов достопочтенных горожан. Второй этап развития отрасли в республике был связан уже с планом ГОЭЛРО, 100-летие которого отмечается в этом году.

Основа современной гидроэнергетики в РСО была создана в 1930-1950 годы. Кроме порядка 50 малых ГЭС суммарной мощностью 10 МВт, автономно работавших на горных реках (они обеспечивали нужды сельского хозяйства и населения) и в ходе расширения зоны централизованного электроснабжения прекративших свое существование, советские инженеры возвели и уникальные объекты. Среди них – самая высоконапорная и самая мощная на тот период по типу ковшовых турбин Гизельдонская ГЭС (22,8 МВт), введенная в июле 1934 года на реке Гизельдон, а также Беканская ГЭС (0,5 МВт, ее первый̆ агрегат заработал в 1945 году, второй – в 1951 году), Орджоникидзевская (8 МВт, ныне – Дзауджикауская ГЭС на реке Терек, с 1948 года), Эзминская (45 МВт, с 1954 года, на Тереке) и Павлодольская ГЭС (2,62 МВт, с 1960 года также на Тереке). 

Третьим этапом можно считать запуск в 2000 году маломощной Кора-Урсдонской ГЭС (0,6 МВт, река Уредон), в 2009 году – Головной ГЭС каскада Зарамагских ГЭС (15 МВт), а в 2012 году – Фаснальской МГЭС на реке Сонгутидон (6,4 МВт) в бассейне реки Урух. Все эти ГЭС, кроме последней, принадлежат «РусГидро» и управляются Северо-Осетинским филиалом госхолдинга. Собственник Фаснальской станции – ОАО «Турбохолод». Беканская станция, правда, недавно была отдана муниципалитету; такая же судьба может постигнуть и Кора-Урсдонскую МГЭС.

Гизельдонская ГЭС с момента запуска 80 лет оставалась самой высоконапорной гидроэлектростанцией в Европе и в России (напор 289 метров), а также наиболее мощной российской ГЭС, использующей ковшовые гидроагрегаты (теперь этот статус перейдет к Зарамагской ГЭС-1). Остальные ГЭС, за исключением Павлодольской ГЭС (два пропеллерных гидроагрегата ПР 245/10-ВБ220 мощностью по 1,31 МВт каждый, работающих при напоре 7,5 метров), оборудованы радиально-осевыми турбинами. Например, в здании Дзауджикауской ГЭС установлены три гидроагрегата типа РО, работающих при расчетном напоре воды 27,5 метров. А на самой мощной до последнего времени Эзминской ГЭС крутится три радиально-осевых гидрогенератора мощностью по 15 МВт (при расчетном напоре 161 метров). Эта станция до сих пор выделялась по среднегодовой выработке (156,68 млн кВт*часов). На втором месте по этому показателю была Гизельдонская ГЭС (около 42 млн кВт*часов). 

Других генерирующих объектов, за исключением небольшой и ныне практически законсервированной газовой ТЭС Бесланского маисового комбината (6 МВт), в республике просто нет. Поэтому суммарная выработка электроэнергии в Северной Осетии равняется выработке ГЭС, и зависит от водности конкретного года, а также плановых ремонтов оборудования и гидротехнических сооружений. Например, по итогам 2016 года выработка падала до 186,2 млн кВт*часов из-за маловодья, а также остановов на несколько месяцев для реконструкции Эзминской и Гизельдонской ГЭС. А вот в 2013 году выработка взлетала до 380,5 млн кВт*часов! По итогам прошлого года было 297 кВт*часов.

При этом общее потребление в Северной Осетии стабильно колебалось в последние годы в пределах 2-2,3 млрд кВт*часов, что в правительстве республики объясняли стабильным спросом со стороны промышленности и коммунально-бытового сектора (население РСО – чуть более 700 тыс. человек). Правда, по итогам 2019 года спрос резко просел более чем на 16% (это худший результат не только в ОЭС Юга, но и в ЕЭС России), до 1,72 млрд кВт*часов (что, видимо, связано с остановкой завода «Электроцинк» холдинга УГМК во Владикавказе, который всегда был главным потребителем). 

Максимум потребления также существенно снизился – с 380 МВт в 2018-м до 309-м в прошлом году (минус 18,7%, тоже рекорд и для Юга, и России; впрочем, на максимумы влияет еще и температурный фактор). 

До сих пор имевшаяся собственная мощность электростанций РСО (100,92 МВт, без учета ТЭС БМК) покрывала лишь менее трети внутреннего спроса (а если учитывать только располагаемую мощность в часы максимума – то намного меньше, так как зимой ГЭС не работают на полную катушку). А собственная выработка – не более 15-20% потребляемой в республике электроэнергии. Остальное РСО приходилось закупать на ОРЭМ, покрывая дефицит за счет поставок из смежных энергосистем (прежде всего, главного «донора» всей ОЭС Юга, Ставропольского края, а также Республики Кабардино- Балкария). «Основными поставщиками этого рынка являются тепловые электростанции Северо-Кавказского региона, работающие на дорогом и дефицитном органическом топливе, что существенно сказывается на цене электроэнергии, отпускаемой с оптового рынка», - констатируется в Схеме и программе перспективного развития электроэнергетики РСО на 2019-2023 годы. 

Запуск Зарамагской ГЭС-1 снимает большую часть этих проблем. Вместе с Головной ГЭС суммарная мощность каскада составит до 356 МВт, а проектная готовая выработка электроэнергии – 842 млн кВт*часов! То есть в случае хорошего по водности года гидроэнергетика республики в целом сможет покрыть до половины спроса на электроэнергию в регионе, и обеспечить солидную часть максимума нагрузок. Однако позитивные эффекты будут заметны и во всей ОЭС Юга, где появился крупный и эффективный источник маневренной генерации.

«Ввод в эксплуатацию Зарамагской ГЭС-1 вывел электроэнергетику Северной Осетии на качественно новый уровень развития: общая мощность электростанций в республике выросла в четыре раза, уровень энергообеспеченности увеличился с 20% до 70%. Благодаря своей мощности и высокой маневренности Зарамагская ГЭС-1 повысит надежность энергоснабжения всего Северо-Кавказского региона», – подчеркивает председатель правления – генеральный директор ПАО «РусГидро» Николай Шульгинов. 

По словам вице-премьера РФ Юрия Борисова, так как РСО-Алания чрезвычайно богата гидроэнергетическими ресурсами (потенциал Терека и его притоков оценивается в 2,5 млрд кВт*часов в год), необходимо продолжать его развитие. Тем более что с пуском Зарамагской ГЭС-1 энергодефицит в республиканской энергосистеме полностью все-таки не ликвидирован. По мнению главы РСО Вячеслава Битарова, эту проблему на 100% поможет снять строительство ГЭС-2 Зарамагского каскада. Что ж, опыт возведения столь сложных в техническом отношении гидротехнических сооружений у «РусГидро» есть, и он бесценен. Осталось решить вопрос с финансированием.