Тонкости модернизации подземной ГЭС

В Мурманской области завершилась модернизация самой мощной гидроэлектростанции в Северо-Западном регионе России — Верхне-Туломской ГЭС, установленной мощностью 300 МВт. На реконструкцию, которую последние пять лет ведет ПАО «ТГК-1» (входит в группу «Газпром энергохолдинг»), было направлено в общей сложности 6,8 млрд рублей. Рассказываем, с какими трудностями столкнулись специалисты и какие новые качественные характеристики приобрела станция.

Верхне-Туломская ГЭС расположена на реке Тулома в Мурманской области и входит в Каскад Туломских и Серебрянских ГЭС — самый мощный каскад в Заполярье. Он объединяет еще пять гидроэлектростанций: Нижне-Туломскую ГЭС (пущена в эксплуатацию в 1937 году), Серебрянскую ГЭС-1 (1970 год), Серебрянскую ГЭС-2 (1972 год), Верхне-Териберскую ГЭС (1984 год), Нижне-Териберскую ГЭС (1987 год).

В состав ПАО «ТГК-1» в Мурманской области входит 17 станций трех каскадов ГЭС, а также Апатитская ТЭЦ, одна из крупнейших теплоэлектроцентралей области.

Свою историю Верхне-Туломская ГЭС начинает с 1961 года. Гидроэлектростанция была спроектирована институтом «Ленгидропроект», а возведением занимались советские и финские специалисты. С финской стороны приняла участие компания «Иматран-Войма», а также до 3300 финских рабочих. Для специалистов был построен поселок с развитой инфраструктурой: жилые дома коттеджного типа, школа, детский сад, стадион, электрокотельная, баня, прачечная, гостиница, магазины, пожарная часть. Параллельно с возведением ГЭС были построены 168-километровая дорога (теперь это автомобильная трасса регионального значения «Лотта») и самая длинная в Европе телефонная линия.

Первый гидроагрегат станции был пущен в 1964 году, а 27 октября 1965 года ГЭС приняли в промышленную эксплуатацию. До 1975 года гидроэлектростанция выполняла роль регулятора частоты в Кольской энергосистеме. После подключения к объединенной энергосистеме Северо-Запада ее роль немного изменилась. Она стала регулировать переток электроэнергии в Карелию. Линии электропередач соединяют ГЭС с Мурманском, населенными пунктами и предприятиями Печенгского и Кольского районов.

Оригинальность проекта

В гидротехническом плане Верхне-Туломская ГЭС обладает рядом особенностей. Она расположилась внутри огромной скалы, в которой финские строители прорубили тоннели при помощи взрывчатки и других приспособлений. Машинный зал станции расположился в глубине монолита на 50-метровой глубине. На поверхности можно увидеть только административное здание, из которого в машинный зал спускаются на лифте.

По данным Минэнерго, в России всего 11 подземных ГЭС, из них три расположены в Мурманской области. Верхне-Туломская ГЭС — вторая по установленной мощности подземная в России.

Также на поверхности расположены водоприемник и открытое распределительное устройство. В здании станции установлено четыре гидроагрегата. Плотину высотой в 30 м возвели прямо перед речным порогом, а воду к четырем турбинам пустили по прорубленным в скале тоннелям. В результате вода падает на лопасти подземных турбин с высоты 58,5 м. Напорные сооружения ГЭС (длина напорного фронта 1,4 км) образуют крупное Верхнетуломское водохранилище площадью 745 кв. км, полной и полезной емкостью 11,52 и 3,86 куб. км.

В 1992 году подземные помещения были оборудованы под рыбозавод. На участках подземного транспортного тоннеля общей протяженностью 250 м находятся инкубационный цех, включающий 28 бассейнов, где выращиваются мальки форели, и цех маточного стада. Отработанная технология смешивания теплой воды, подаваемой с ГЭС, и холодной воды из водохранилища позволяет создавать идеальные условия, требуемые для разведения. Маточное стадо форели, которое на данный момент насчитывает около 1700 голов, производит более миллиона мальков в год для дальнейшего выращивания на других рыбных фермах Карелии и Мурманской области.

Оборот рабочего колеса

Гидроэлектростанция со временем стала нуждаться в замене устаревшего оборудования — для повышения эксплуатационной надежности с учетом требований к режимам работы ГЭС.

В 2015 году стартовали проектно-изыскательские работы по реконструкции, которые проводило АО «ИГХолдинг Рус». Изготовлением основного оборудования, в том числе камеры рабочего колеса, ротора и статора, подпятника, крестовин, облицовки конуса отсасывающей трубы, облицовки шахты турбины, систем защит, занималось АО «Тяжмаш». Завод-изготовитель начал производство оборудования заблаговременно.

В 2018 году специалисты приступили к реконструкции первого объекта — гидроагрегата № 4. На площадке начались демонтажные работы старого оборудования и подготовка места для приемки новых элементов. Примечательно, что первое демонтированное рабочее колесо гидроагрегата № 4 стало впоследствии основой памятника на территории Верхне-Туломской ГЭС как символа постоянного обновления энергообъектов ТГК-1.

К этому времени новое колесо везли из Чехии, где располагалось дочернее предприятие российского АО «Тяжмаш» (CKD Blansko Holding), на котором происходили испытания оборудования. В этом ключе на первый план вышли вопросы организации грамотной логистики. На автомобильном и морском транспорте рабочее колесо преодолело маршрут почти в 4 тыс. км из Бланско (Чехия) через Киль (Германия) и Санкт-Петербург до поселка Верхнетуломский. Последним этапом доставки стал спуск автомобиля в машинный зал по вырубленному в скале транспортному туннелю. Начальник электромашинного цеха № 3 (сейчас — заместитель главного инженера Каскада) Максим Носач отметил, что вес рабочего колеса составлял 46 тонн. Его опускали краном в шахту. Поставка рабочего колеса с завода-изготовителя была произведена в собранном виде, что значительно сократило срок проведения монтажных работ. В целом весь путь рабочего колеса занял около двух недель. В октябре 2019 года испытания нового оборудование были успешно проведены, что ознаменовало начало второго этапа, в рамках которого специалисты приступили к реконструкции гидроагрегата № 1.

«Монетка на счастье»

Работы по модернизации гидроагрегата № 1 были начаты в 2020 году и заняли почти полтора года. Энергетики, как на первом этапе, обновили основное оборудование, а также системы регулирования и управления. Комплекс гидравлических испытаний рабочего колеса гидроагрегата был проведен специалистами АО «СЭМ».

Пуск гидроагрегата состоялся в торжественной обстановке при присутствии губернатора Мурманской области Андрея Чибиса и генерального директора ООО «Газпром энергохолдинг» Дениса Федорова. Запуск провели с планшета, и меньше чем за две минуты модернизированный гидроагрегат достиг новой номинальной нагрузки 75 МВт и синхронизировался с Единой энергосистемой.

Энергетики ТГК-1 рассказали об особом ритуале, который осуществляется во время проверки работы турбины. Он носит название «монетка на счастье». На генератор устанавливается на ребро монета: если оборудование работает без сбоев, она не должна упасть. Тест новый гидроагрегат прошел успешно.

Последовательно в июле 2021 года специалисты приступили к модернизации гидроагрегата № 3, которая продлилась до ноября 2022 года. Последним этапом стала реконструкция гидроагрегата № 2.

В рамках всех работ специалисты произвели замену гидрогенерирующего (турбины, генераторы) и электротехнического оборудования (выключатели, разъединители, трансформаторы) всех четырех гидроагрегатов с увеличением мощности каждого гидроагрегата на 8 МВт. В результате мощность гидроэлектростанции выросла с 268 до 300 МВт. Новые генераторы должны прослужить тридцать лет, а при надлежащем использовании — и дольше.

Запас прочности

Как пояснили в ТГК-1, дополнительной мощности на Верхне-Туломской ГЭС удалось добиться за счет увеличения диаметра рабочего колеса на 150 мм, оптимизации формы лопастей рабочего колеса, использования современных изоляционных материалов в обмотке статора генератора. При этом тип рабочего колеса не изменился и остался поворотно-лопастным.

Новые характеристики сильно превосходили старое оборудование. По словам директора Каскада Туломских и Серебрянских ГЭС Игоря Пацана, в ходе проекта применялись современные решения, отвечающие высоким экологическим стандартам. Рабочие колеса полностью выполнены из нержавеющей кавитационно-стойкой стали, что дает дополнительный запас прочности при максимальных нагрузках. Для увеличения мощности каждого гидроагрегата было принято техническое решение по применению высокого давления в системе регулирования турбин — в шесть раз выше предшественников. За счет использования современных полимерных материалов и перехода на более высокое давление в системе регулирования в несколько раз снижено количество масла в оборудовании, что исключает возможность его попадания в проточную часть агрегата и реку. Рабочее колесо дополнено смотровыми отверстиями, что облегчает обслуживание механизмов.

Обновление инфраструктуры

При модернизации были заменены и применяемые материалы на более износостойкие. Например, были использованы узлы скольжения направляющего аппарата, изготовленные из полимерного влагоустойчивого углепластика. Его применение исключает растрескивания и другие повреждения узлов трения, работающих в условиях интенсивных нагрузок. В узлах трения рабочего колеса применяли самосмазывающийся композитный материал с влагоустойчивыми свойствами и гарантированным сроком службы не менее двадцати лет. Уплотнение вала турбины нового типа — радиального — было выполнено из графита. До модернизации было установлено резиновое. Новое уплотнение имеет длительный срок службы и исключает протечки. Кроме того, оно оснащено индикаторами износа, что облегчает обслуживание.

В ходе реконструкции были заменены трансформаторы наземного комплекса и подземного машинного зала — с маслонаполненных на сухие, благодаря чему удалось повысить экологичность. За счет применения новых элегазовых выключателей удалось уйти от компрессорного хозяйства. До модернизации шесть компрессоров высокого давления обеспечивали воздухом маслонапорные установки гидроагрегатов и воздушные выключатели. Сейчас в маслонапорных установках используется азот, который не вступает в химическую реакцию с материалами гидроаккумулятора и обеспечивает повышенную пожарную безопасность, а потребности генераторов обеспечивают четыре элегазовых выключателя.

Энергетики позаботились и о надежности технологического процесса рыбзавода по выращиванию мальков радужной форели, который расположен в подземных помещениях. Были обновлены циркуляционные насосы, отвечающие за подачу воды, установлена новая автоматика, которая следит за температурой воды, подаваемой на рыбзавод. Энергетики даже дали ей имя: систему назвали «Форель».

Автоматизированная система

22 декабря 2023 года компания ТГК-1 ввела последний модернизированный гидроагрегат на станции, чем ознаменовалось завершение масштабной модернизации. Вместе с модернизацией последнего гидроагрегата заканчивается и наладка автоматизированной системы управления технологическими процессами общестанционного уровня. Начальник смены станции сможет не только видеть состояние всего оборудования, но и управлять им с главного щита управления.

Каждый гидроагрегат обвязан большим количеством датчиков и сигнализаций. На смену традиционным электромеханическим устройствам релейной защиты пришли современные микропроцессорные. Энергетики получили современную систему автоматического управления гидроагрегатами, удовлетворяющую самым актуальным требованиям в отношении точности поддержания частоты в энергосистеме, времени реакции, качества и диапазонов регулирования частоты и мощности во всех режимах работы ГЭС.

Системы управления гидроагрегатами, распределительными устройствами, система дренажа машинного зала, управление щитами водосброса и быстро падающими щитами теперь объединены в одно целое с помощью автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Это повысило доступность информации: теперь у оперативного персонала на главном щите управления есть все данные о состоянии оборудования, полный «рентген», позволяющий видеть, что происходит.

Новая электроэнергия

По словам Дениса Федорова, стратегия «Газпрома» в электроэнергетике предусматривает обеспечение высокого уровня надежности энергоснабжения потребителей. "Обновляя оборудование и увеличивая мощность наших объектов, мы обеспечиваем инфраструктурные условия для развития экономики Мурманской области, в том числе и для реализации арктических проектов",— комментировал в прессе господин Федоров.

За пять лет проведения реконструкции работы на гидростанции не прекращалась. Сроки не переносились даже несмотря на пандемию и иные сложности. Ранее глава Мурманской области Андрей Чибис заявлял, что это важнейший проект с точки зрения экологии и увеличения мощности, новая электроэнергия, способная обеспечить работу Мурманского транспортного узла, порта Лавна, железнодорожных подъездов и других важных объектов. "Четкое и плановое обновление агрегатов позволяет обеспечить совершенно другую по качеству экологическую защиту для Туломы и водохранилища и дать другие возможности для нашей энергетики«,— сказал на одной из встреч по случаю открытия гидроагрегата господин Чибис.

Алексей Миллер, председатель правления ПАО «Газпром»:

— Мы увеличили мощность Верхне-Туломской ГЭС, а значит, и всей Кольской энергосистемы, повысили надежность и экологичность работы оборудования. Это позволяет обеспечивать еще более эффективное энергоснабжение потребителей, а запас мощности создает дополнительные возможности для развития Северо-Запада России.