Саяно-Шушенский гидроэнергетический комплекс: общие сведения
Саяно-Шушенский гидроэнергетический комплекс расположен на реке Енисей на юго-востоке Республики Хакасия в Саянском каньоне у выхода реки в Минусинскую котловину. Комплекс включает Саяно-Шушенскую ГЭС, расположенный ниже по течению контррегулирующий Майнский гидроузел и береговой водосброс.
Саяно-Шушенская ГЭС
Саяно-Шушенская ГЭС расположена рядом с посёлком Черемушки (недалеко от города Саяногорск) в Республике Хакасия. СШ ГЭС является первой в каскаде енисейских гидроэлектростанций и одной из крупнейших в мире. Установленная мощность СШГЭС — 6400 МВт, среднегодовая выработка — 22,5млрдкВт·ч электроэнергии.
Напорный фронт Саяно-Шушенской ГЭС образует бетонная арочно-гравитационная плотина — уникальное по размерам и сложности возведения гидротехническое сооружение. Конструкция высоконапорной арочно-гравитационной плотины не имеет аналогов в мировой и отечественной практике. Высота сооружения 242 м, длина по гребню 1074,4 м, ширина по основанию — 105,7 м и по гребню — 25 м. В плане она имеет вид круговой арки радиусом 600 м с центральным углом 102 градуса. Плотина СШГЭС входит в десятку самых высоких плотин мира.
Устойчивость и прочность плотины под напором воды (около 30 млрд тонн) обеспечивается и за счет собственного веса (примерно на 60%) и путем передачи гидростатической нагрузки на скальные берега (на 40%). Плотина врезана в скальные берега на глубину до 15 м. Сопряжение плотины с основанием в русле произведено врезкой до прочной скалы на глубину до 5 м.
По условиям бетонирования и омоноличивания тела плотины ее массив разделен по оси радиальными швами на секции, а в поперечном сечении на четыре столба. Арочно-гравитационная плотина состоит из водосбросной, станционной и глухих береговых частей.
В теле плотины вдоль верховой грани устроены продольные галереи, используемые для наблюдения за состоянием плотины, размещения контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), сбора и отвода дренажных вод, выполнения цементационных и ремонтных работ.
Всего в теле плотины вдоль верховой грани устроены 10 продольных галерей, где размещено порядка пяти тысяч единиц контрольно-измерительной аппаратуры, и в которые выведены кабели от более чем шести тысяч датчиков, установленных в процессе строительства и эксплуатации. Вся эта КИА позволяет оценивать состояние сооружения в целом и отдельных его элементов.
Водосбросная часть плотины длиной 189,6 м расположена у правого берега и является эксплуатационным водосбросным сооружением СШГЭС. Эксплуатационный водосброс имеет 11 отверстий, которые заглублены на 60 м от НПУ (нормальный подпорный уровень 539 м) и 11 водосбросных каналов, состоящих из закрытого участка и открытого лотка, которые проходят по низовой грани плотины. Водосбросы оборудованы основными и ремонтными затворами. Четырехметровые носки-трамплины завершают водосбросы, на сходе с них скорость воды достигает 55 м/с.
В нижнем бьефе для гашения энергии воды и защиты скального основания от размыва устроен бетонный водобойный колодец длиной 144,8 м, заканчивающийся водобойной стенкой. В колодце поток теряет значительную часть своей энергии, за водобойной стенкой колодца скорость потока снижается до 6 м/с. Дно реки за водобойной стенкой на длине 60 м укреплено бетонными плитами.
Максимальная пропускная способность эксплуатационного водосброса при нормальном подпорном уровне (НПУ — 539 м) составляет 11700 м3/с.
Станционная часть плотины располагается в левобережной части русла реки и состоит из 21 секции при общей длине 331,6 м. Со стороны нижнего бьефа к ней примыкает здание ГЭС, в зоне примыкания на отм. 333 м устроена трансформаторная площадка.
В станционной части плотины имеется 10 водоприемников, от которых отходят проложенные по низовой грани плотины турбинные водоводы в виде металлической оболочки с внутренним диаметром 7,5 м и железобетонной облицовки толщиной 1,5 м. Отверстия водоприемников находятся на 3 метра ниже уровня мертвого объема водохранилища (УМО — 500 м) и каждое из них перекрывается плоским затвором с гидравлическим приводом.
В машинном зале ГЭС размещено 10 гидроагрегатов мощностью по 640 МВт с радиально-осевыми турбинами. Расчетный напор составляет 194 м, максимальный статический напор — 220 м.
Глухие береговые части плотины осуществляют сопряжение плотины с берегами. Глухая левобережная часть имеет длину по гребню 252,8 м и состоит из 16 секций, правобережная — 300,2 м и состоит из 19 секций.
Площадь водосбора бассейна реки, обеспечивающая приток к створу ГЭС, составляет 179 900 км2. Среднемноголетний сток в створе — 46,7 км3. Площадь водохранилища составляет 621 км2, полная емкость водохранилища — 31,3 км3, в том числе полезная — 15,3 км3.
История строительства Саяно-Шушенской ГЭС
Началом биографии Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса можно считать 4 ноября 1961 г., когда первый отряд изыскателей института «Ленгидропроект» во главе с опытнейшим изыскателем Петром Васильевичем Ерашовым прибыл в горняцкий поселок Майна. Было обследовано три конкурирующих створа. По материалам изысканий был выбран окончательный вариант — Карловский створ.
В 1968 г. начата отсыпка правобережного котлована первой очереди. В 1970 г. уложен первый кубометр бетона. 11 октября 1975 г. перекрыт Енисей.
Пуски гидроагрегатов СШ ГЭС:
Первый — 18 декабря 1978; второй — 5 ноября 1979; третий — 21 декабря 1979; четвертый — 29 октября 1980; пятый — 21 декабря 1980; шестой — 6 декабря 1981; седьмой — 5 сентября 1984; восьмой — 11 октября 1984; девятый — 1 декабря 1985; десятый — 25 декабря 1985.
Майнская ГЭС
Майнская и Саяно-Шушенская ГЭС представляют собой единый гидроэнергетический комплекс, тесно связанный технологически: Майнская — контррегулирующая станция, Саяно-Шушенская — пиковая. По техническому уровню этот комплекс не знает аналогов в нашей стране. И в течение года, и в течение суток потребности в электроэнергии различны, поэтому пиковая гидростанция должна оперативно реагировать на эти колебания. Постоянные колебания уровня воды за Саяно-Шушенской ГЭС вызвали бы неудобства для водопользователей населенных пунктов, расположенных ниже по течению.
Для решения этой проблемы и была создана Майнская ГЭС. Основная ее задача — сглаживание колебаний уровня реки в нижнем бьефе (контррегулирование), когда Саяно-Шушенская ГЭС ведет глубокое регулирование нагрузки в энергосистеме. К тому же Майнская ГЭС осуществляет выработку электроэнергии и за счет этого повышает совокупную выработку Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса.
Майнский гидроузел расположен ниже по течению Енисея в 21,5 км от Саяно-Шушенской ГЭС. В состав Майнского гидроузла входят правобережная, русловая и левобережная грунтовые плотины, здание ГЭС с тремя гидроагрегатами с поворотнолопастными турбинами и бетонная водосбросная плотина с пятью пролетами по 25 м каждый. Установленная мощность Майнской ГЭС — 321 МВт, годовая выработка электроэнергии — 1,7 млрдкВт·ч.
Береговой водосброс
Береговой водосброс находится на правом берегу реки Енисей в створе плотины Саяно-Шушенской ГЭС и предназначен для повышения надежности и безопасности гидротехнических сооружений станции.
В состав сооружений берегового водосброса входят: входной оголовок, два безнапорных туннеля сечением 10х12 м, выходной портал, пятиступенчатый перепад и отводящий канал.
Входной оголовок служит для организации плавного входа водного потока в два безнапорных туннеля длиной 1130 метров каждый. Водосбросные туннели по всей длине и по всему периметру закрепляются монолитной железобетонной обделкой корытообразного очертания. Расчетная скорость движения воды на выходе из туннеля — 22 м/с, режим эксплуатации туннелей — безнапорный.
Пятиступенчатый перепад представляет собой пять колодцев гашения шириной 100 м и длиной от 55 до 167 м, разделенных водосливными плотинами. Перепад обеспечивает гашение энергии потока и спокойное сопряжение с руслом реки. Отводящий канал шириной по дну 100 м и длиной по оси около 700 м обеспечивает сопряжения сбрасываемого потока с руслом реки.
Строительство берегового водосброса началось в 2005 году, строительно-монтажные работы по обеспечению готовности первой очереди берегового водосбросак пропуску паводковых вод завершились 1 июня 2010 года. Первая очередь сооружения включала в себя входной оголовок, правый безнапорный туннель, пятиступенчатый перепад и отводящий канал. Полное завершение строительно-монтажных работ и предпусковые испытания объекта состоялись 28 сентября 2011 г.
Береговой водосброс Саяно-Шушенской ГЭС после завершения строительства и выхода на проектную мощность позволил осуществлять дополнительный пропуск расходов до 4000 м3/сек. Сооружение может начать пропуск расходов после наполнения водохранилища до отметки 527 м.
Гидравлические испытания готового берегового водосброса начались 28 сентября 2011 г. и продолжались в общей сложности четверо суток. Программа испытаний состояла из нескольких этапов, во время которых проверялась работоспособность всего сооружения в целом. На каждом этапе испытаний была проведена оценка состояния гидротехнических сооружений берегового водосброса. Анализ результатов измерений и наблюдений показал, что все контрольные параметры берегового водосброса находятся в пределах, установленных проектом. Прием берегового водосброса в постоянную эксплуатацию состоялся 12 октября 2011 года.
Восстановление СШГЭС
Ключевые этапы
В ноябре 2009 года были завершены работы по созданию теплового контура машинного зала, что позволило, не снижая темпов, продолжить работы по восстановлению Саяно-Шушенской ГЭС.
30 ноября ПАО «РусГидро» и ОАО «Силовые машины» заключили контракт на изготовление нового оборудования для Саяно-Шушенской ГЭС. По условиям контракта «Силовые машины» изготовят 10 гидротурбин и девять гидрогенераторов мощностью по 640 МВт, а также шесть систем возбуждения. Помимо этого специалисты «Силовых машин» окажут услуги по монтажу поставленного оборудования, включая шеф-монтаж и пуско-наладочные работы. Сумма контракта составляет 11,7 млрд рублей (без НДС).
24 февраля 2010 года с опережением директивного срока восстановлен и пущен в эксплуатацию гидроагрегат № 6.
22 марта 2010 года, также с опережением сроков, установленных планом-графиком восстановления СШГЭС, был возращен в строй гидроагрегат № 5. В результате рабочая мощность станции выросла до 1280 МВт.
15 апреля 2010 года был закончен демонтаж гидроагрегата № 2, полностью разрушенного во время аварии.
1 июня 2010 года завершены строительно-монтажные работы по обеспечению готовности первой очереди строительства берегового водосброса к пропуску паводковых расходов.
2 августа 2010 г. был введён в эксплуатацию гидроагрегат № 4. Мощность станции составила 1920 МВт.
1 октября 2010 г. завершились гидравлические испытания берегового водосброса, которые подтвердили готовность сооружения к пропуску паводковых вод.
22 декабря 2010 г. был включен в сеть для проведения эксплуатационных испытаний гидроагрегат № 3. Рабочая мощность Саяно-Шушенской ГЭС достигла 2560 МВт (40 % от установленной мощности). Суммарная выработка электроэнергии на восстанавливаемой станции преодолела отметку в 10 млрд.кВт·ч.
Включённые в сеть в 2010 г. гидроагрегаты работали в базовом режиме с максимальной нагрузкой по напору без участия во вторичном регулировании частоты и перетоков мощности.
Запуск гидроагрегата № 3 в декабре 2010 года подвел черту под первым этапом реконструкции Саяно-Шушенской ГЭС, в ходе которого после восстановительного ремонта были введены в работу четыре наименее пострадавшие в аварии гидроагрегата. В 2011 году РусГидро начало работы по реализации второго этапа восстановления станции, в ходе которого в машинном зале станции должны быть смонтированы и введены в эксплуатацию пять абсолютно новых гидроагрегатов (№1, 7, 8, 9 и 10).
19 декабря 2011 года введен в эксплуатацию первый новый гидроагрегат (под станционным номером 1), 15 марта 2012 года в соответствии с планом-графиком восстановления СШГЭС пущен гидроагрегат под станционным номером 7. В июле был введён в эксплуатацию гидроагрегат со станционным номером 8. 21 декабря 2012 года был пущен в постоянную эксплуатацию гидроагрегат номер 9. После пуска в марте 2013 года гидроагрегата №10 второй этап восстановления СШГЭС был завершен.
На третьем этапе восстановления Саяно-Шушенской ГЭС были заменены на новые четыре ранее восстановленных гидроагрегата, а также смонтирован наиболее пострадавший при аварии гидроагрегат №2. В результате к окончанию 2014 года в машинном зале СШ ГЭС были установлены десять абсолютно новых гидроагрегатов. В рамках третьего этапа в августе и декабре 2013 года введены в эксплуатацию гидроагрегаты № 6 и 5 соответственно, а в 2014 году были запущены оставщиеся агрегаты №4, 3 и 2.
Срок службы новых гидроагрегатов увеличен до 40 лет, при этом максимальный КПД гидротурбины составляет 96,6%. Одновременно улучшены ее энергетические характеристики, что позволило устранить кавитацию. Кроме того, турбины оснащены более эффективной системой технологических защит, действующих на автоматический останов агрегата в случае возникновения недопустимых режимных отклонений контролируемых параметров.
Транспортная операция по доставке нового оборудования
Для реализации проекта восстановления Саяно-Шушенской ГЭС ПАО «РусГидро» осуществило уникальную транспортную операцию по доставке крупногабаритных тяжеловесных узлов гидроагрегатов с причала завода-изготовителя (концерн «Силовые машины», г. Санкт-Петербург) на СШГЭС (Республика Хакасия, п. Черемушки). Эта операция была осуществлена единственно возможным способом — по морским и речным трассам в летнюю навигацию 2011 и 2012 гг. Протяженность маршрута составила около 6500 км. Тяжеловесные узлы для гидроагрегатов СШГЭС грузились на судно класса «река—море» на причале возле производственного филиала ОАО «Силовые машины» — «Ленинградский Металлический завод» (г. Санкт-Петербург). Судно с грузом проходило по Ладожскому и Онежскому озерам. Затем через Беломорско-Балтийский канал выходило в Белое море, а далее шло по Северному морскому пути, вверх по Енисею до Красноярска. В Красноярском речном порту оборудование перегружалось на речное судно, которое, преодолев судоподъемник Красноярской ГЭС, доставляло груз до причала (перегрузочного узла) в нижнем бьефе Майнской ГЭС. До монтажной площадки Саяно-Шушенской ГЭС новые узлы гидроагрегатов доставлялись автотранспортом.
В районе Майнской ГЭС, входящей в Саяно-Шушенский гидроэнергокомплекс, был построен специальный перегрузочный узел (шевр). Именно в этом месте завершался основной этап уникальной транспортной операции по доставке первой партии крупногабаритного тяжеловесного оборудования для новых гидроагрегатов СШГЭС. Здесь прибывшие водным путём из Санкт-Петербурга рабочие колёса гидротурбин (вес каждого колеса — 145 тонн, диаметр — 6,77 м), маслованны подпятника (вес каждой — 21 тонна, диаметр — 6,1 м) и 13-тонные остовы роторов вспомогательных генераторов диаметром 6,09 м каждый перегружались на специальный автотранспорт для отправки на монтажную площадку СШГЭС.
Шевр представляет собой П-образную металлоконструкцию, состоящую из верхнего горизонтального ригеля и ног, опирающихся на специальные поворотные шарниры. В комплект шевра входят лебедки, используемые в качестве привода полиспастов. Лебедки устанавливаются на специальных фундаментах.
Грузоподъёмность узла достигает 190 тонн. Генеральный проектировщик строительства перегрузочного узла на Майнской ГЭС — ОАО «Ленгидропроект», строительно-монтажные работы проводило ОАО «ОЭК».
Также для безопасной доставки на станцию негабаритного и тяжеловесного оборудования, прибывшего к перегрузочному узлу на Майнской ГЭС водным путём и по железной дороге в г. Саяногорск, была проведена реконструкция автодороги Саяногорск — Майнская ГЭС — СШГЭС. В ходе реализации этого проекта было улучшено дорожное полотно и реконструированы девять мостов.
Уроки аварии: технологические изменения на СШГЭС с учетом новых требований к надёжности и безопасности объектов гидроэнергетики
Выводы, сделанные после аварии, произошедшей 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС, стали отправной точкой изменения правил, определяющих требования к обеспечению надежности и безопасности гидроэнергетических объектов. В результате в правилах появилось более ста дополнений и изменений, и восстановление станции идет с учетом этих требований, которые внедряются на всех ГЭС ПАО «РусГидро» и, скорее всего, будут использованы на всех объектах гидроэнергетики России.
Расследование показало, что непосредственной причиной аварии стало усталостное разрушение шпилек крепления крышки гидроагрегата, что привело к её срыву и затоплению машинного зала. В ходе расследования установлено, что срок службы, требования к объему и периодичности контроля состояния металла шпилек, условия их замены не были определены ни одним нормативным актом. Завод-изготовитель выдал рекомендации по контролю состояния шпилек, которые включены в стандарты РусГидро и инструкции Саяно-Шушенской ГЭС. Инструментальный контроль состояния шпилек будет производиться ежегодно. Раз в 20 лет и при каждом капремонте гидроагрегата будет производиться их замена.
Вода, затопившая машинный зал и все помещения под ним, стала причиной коротких замыканий на работающих гидроагрегатах, что вывело их из строя. Полный сброс нагрузки привёл к обесточиванию самой станции. Без электропитания остались центральный пульт управления, приборы автоматики и сигнализации. Пропало освещение и связь. Отсутствие энергоснабжения означало, что аварийно-ремонтные затворы можно закрыть лишь в ручном режиме.
Предпринятые после аварии меры исключают полное обесточивание станции. Установленные дополнительные дизельные электрогенераторы автоматически запускаются при исчезновении основного питания, с чем бы это ни было связано. Генераторы способны обеспечить надежное электроснабжение переменным током силового оборудования, устройств автоматики, аварийно-ремонтных затворов. Кроме этого, на гребне плотины для резервного питания шкафов управления применена автономная аккумуляторная батарея, что многократно повышает надежность работы автоматики.
Появились новые защиты оборудования и модернизированы алгоритмы работы старых. Одна из новых защит контролирует положение лопаток турбины друг относительно друга и срабатывает при их расхождении на 7,5 процентов и более. Появилась защита, действующая при появлении воды на крышке турбины.
Модернизированная система пуска-останова останавливает агрегат, когда пропадает напряжение питания, в том числе и при внештатной ситуации: при обрыве кабеля, пожаре, затоплении, замыкании (до аварии система могла сработать только находясь под напряжением). Действие всех защит приводит к закрытию направляющего аппарата, аварийно-ремонтного затвора и отключению генератора от сети.
Даже если по каким-то причинам автоматика не сработает, остановить гидроагрегат и сбросить аварийно-ремонтный затвор можно с помощью специальных ключей, расположенных на центральном пульте управления.
Аварийные ключи существовали и раньше, но по проекту находились они непосредственно у гидроагрегатов. Во время аварии эти отметки были затоплены, и воспользоваться ключами не представлялось возможным.
После аварии на гребне плотины было организовано круглосуточное дежурство оперативного персонала, который в случае необходимости сможет без промедления сбросить затворы в ручном режиме. Связь с ЦПУ поддерживается с помощью стационарной УКВ-радиостанции, которая также появилась после аварии. В случае необходимости радиостанция может целые сутки работать на аккумуляторных батареях.
Появилась система технологического телевидения, которая позволяет минимизировать нахождение людей на затопляемых отметках. В отличие от охранной, которая также была восстановлена и модернизирована после аварии, новая система позволяет не только наблюдать за несанкционированным доступом в помещения, но и осуществлять визуальный контроль работы оборудования и сооружений, в том числе и при возникновении внештатных ситуаций. Изображение с камер транслируется на центральный пульт управления с одновременной записью в архив, то есть видео, полученное со всех камер можно использовать не только в режиме реального времени, но и в дальнейшем по мере необходимости. Для хранения видеофайлов существуют два специальных сервера: основной и резервный.
Стационарная система виброконтроля стала обязательным элементом системы диагностики состояния гидросилового оборудования. Датчики, установленные на каждом гидроагрегате, отслеживают перемещения валов относительно генераторных и турбинных подшипников, а также колебания всей конструкции. Защита срабатывает, если превышен уровень максимально допустимой вибрации. Изменения системы виброконтроля коснулись типа датчиков и действия защиты: она срабатывает на останов агрегата и сброс аварийного затвора.
Система контроля за состоянием плотины СШГЭС
Контроль состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС — процесс непрерывный. На станции существует специальное подразделение, в задачи которого входит контроль работы всех гидротехнических сооружений СШГЭС, в том числе плотины: служба мониторинга ГТС СШГЭС. Входящие в нее высококвалифицированные специалисты осуществляют постоянный инструментальный и визуальный контроль по фильтрационной, геодезической, телеметрической контрольно-измерительной аппаратуре, установленной на объектах Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса, а также проводят инженерно-сейсмологические и сейсмометрические наблюдения.
На плотине установлены автоматизированные системы телеметрического, геодезического и сейсмометрического контроля. В тело плотины еще на этапе строительства установлено свыше 6 000 закладных датчиков дистанционной контрольно-измерительной аппаратуры (КИА). С их помощью ведутся постоянные наблюдения за «поведением» гидросооружения. Всего на сооружениях станции и прилегающей к ней территории имеется более 11 000 измерительных точек контроля (пунктов), в которых контролируются показатели состояния сооружения и его основания.
Вся получаемая по результатам инструментальных и визуальных наблюдений информация поступает техническим руководителям станции, которые также отслеживают ситуацию и вместе со специалистами СМ ГТС принимают решения об изменении, при необходимости, уровневых режимов. Преимущества такой работы — в оперативности, а комплексный контроль обеспечивает эксплуатационную надежность плотины.
Результаты постоянно выполняемых замеров и визуального контроля по оценке состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС ни по одному показателю не приближаются к предельному значению. Уровень эксплуатации соответствует нормативным требованиям, что обеспечивает ее надежность и безопасность. Контрольные показатели системы «плотина-основание» СШГЭС остаются существенно ниже предупреждающих критериев безопасности К1 — предельных значений количественных и качественных показателей состояния гидротехнического сооружения и условий его эксплуатации, утвержденных в установленном порядке федеральными органами исполнительной власти, осуществляющими государственный надзор за безопасностью ГТС.
ПАО РусГидро
