Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций

Подождите немного. Документ загружается.

499

грузок от величины активной мощности гидрогенераторов, вошедшая

в инструкцию Красноярской ГЭС по их эксплуатации (табл. 90).

Таблица 90

Это позволило использовать красноярские гидрогенераторы в

режиме недовозбуждения в пределах указанных значений, что обес-

печило регулирование реактивной мощности в энергосистеме без

ограничений, т.е. повысило эксплуатационную эффективность ГЭС.

Представляет большой интерес режим регулирования актив-

ной мощности (плановое и непредвиденное регулирование) путём

пуска крупных агрегатов из состояния “покоя”.

В особенности остро эта проблема стоит там, где схема первич-

ных соединений построена так, что гидрогенераторы, синхронизи-

руясь с электрической сетью, включаются воздушными выключа-

телями высокого напряжения 220, 500 кВ. Опыт эксплуатации

выключателей неудачной серии ВВН (высокая вероятность само-

произвольных включений, частые повреждения и другие недостатки)

определил порядок ведения режима, при котором остановленные гид-

рогенераторы содержатся в резерве с разобранной электрической

схемой их присоединений (отключенных разъединителями). Такое

содержание гидрогенераторов не отвечает требованиям оперативного

резерва, так как для их ввода в работу необходимо собрать электри-

ческую схему разъединителями и визуально убедиться в наличии

замыкания их контактов, на что требуется значительное время.

Существуют, однако, схемы, где разъединители введены в состав ав-

томатических цепей управления, но с обязательным условием ви-

зуального осмотра разъединителей сразу же после того, как прошёл

цикл автоматического пуска гидроагрегата. И только после под-

тверждения, что разъединители надёжно замкнуты, разрешается

использование гидрогенераторов в необходимом нагрузочном

режиме. Контроль за положением контактов разъединителей про-

диктован низким уровнем надёжности этих аппаратов, к ним не

предъявляются при конструировании требования оперативного

управления, традиционно разработчиками отводится разъединителям

роль устройств ремонтного назначения. Очевидно, что такая “авто-

матика” носит чисто условный характер и не обеспечивает в действи-

тельности оперативного использования мощности гидрогенератора,

Полная мощность

гидрогенератора, МВ

0 100 200 300 400 500 590

Потребляемая мощность в

режиме недовозбуждения, МВар

275 255 235 200 140 80 0

500

находящегося в резерве. Кроме того, частые операции по включению –

отключению разъединителей особенно увеличивают вероятность их

отказов. Требованию оперативности отвечает такая схема автоматики,

которая построена на безоговорочных принципах без подстраховки

человеком выполнения каких-либо её действий, т.е. на безотказ-

ности. Такими свойствами будет обладать схема, в которой останов-

ленный гидрогенератор отключён от сети лишь выключателем, а

разъединители остаются включенными. В этом случае разъедини-

тели участвуют в операциях по переключениям только при ремонт-

ных работах на присоединении гидрогенератора. После их выполнения

разъединитель включается под специальным наблюдением высоко-

квалифицированного персонала, что гарантирует надёжное замыкание

контактов разъединителей на весь последующий период содержания

гидрогенератора в оперативном резерве.

Однако в такой схеме показатель надёжности выключателей

должен быть очень высоким, поскольку, решая поставленную зада-

чу, необходимо исходить из такого расчёта, чтобы не подвергать

гидрогенератор сильным динамическим воздействиям. Но, предпо-

ложив включение остановленного гидрогенератора в сеть, можно с

уверенностью сказать, что далеко не каждый такой случай может

привести к его повреждению, хотя и создадутся для него весьма

тяжелые условия. Наибольшее динамическое воздействие на об-

мотку статора гидрогенератора возникнет в первый момент после

включения в сеть, и оно будет того же порядка, что и при внутреннем

внезапном коротком замыкании, которое гидрогенератор по тех-

ническим условиям его изготовления должен выдерживать. Впо-

следствии по обмотке будет протекать установившийся ток КЗ

величиной 40-50 кА (для гидрогенераторов 500 МВт Красноярской

ГЭС), который определяется сопротивлением генератора и состоя-

нием схемы внешней коммутации. Следует считаться и с тем, что

такое включение может произойти как в момент максимального

значения напряжения сети (тогда возникнут максимальные динами-

ческие усилия в обмотке), так и в момент времени прохождения

вектора через нуль. Вероятность обоих случаев одинакова. И тем не

менее, не обеспечив надёжность выключателей, не убедившись в ней,

внедрять схему оперативного содержания гидрогенератора, отклю-

ченного от сети только выключателем, нельзя.

На Красноярской ГЭС в главной схеме электрических соедине-

ний на всех присоединениях 220 и 500 кВ установлены воздушные

выключатели новой серии ВВБ, всего 32 шт.

В период их освоения был выполнен ряд доводочных работ, о чем

сказано в разделе “Электротехническая часть ГЭС”, и это позволило пред-

ложить и реализовать схему полноценного содержания гидрогенера-

торов 500 МВт в резерве, отключенных от сети только выключателем.

501

Однако потребовалось обоснование высокой степени надёж-

ности выключателей.

С позиции теории надёжности такая схема была рассмотрена

как система, состоящая из элементов (выключатель, трансформатор,

генератор, шины, компрессорное хозяйство, сеть воздухопроводов и

т.п.) [78]

Выключатель был рассмотрен как невосстанавливаемый

элемент, отказ которого (самопроизвольное включение) в процессе

функционирования (состояния оперативного резерва) системы

приведет к непоправимым последствиям – повреждению гидрогене-

ратора, т.е. восстановление выключателя (устранение отказа) не

приведет к ликвидации последствий его отказа (гидрогенератор

останется серьезно повреждённым).

Была произведена ориентировочная оценка надёжности 32

выключателей типа ВВБ Красноярской ГЭС, исходя из времени их

наработки к внедрению схемы резерва гидрогенераторов, составляв-

шей t = 40000 часов. Ни одного отказа за это время в рассматривае-

мом смысле не было. Допустим, что предприятию “повезло” и что

вероятность такой ситуации составляет 5%, т.е. Р

(40000) = 0,05.

Тогда вероятность безотказной работы одного выключателя Р

по правилу умножения вероятностей для независимых событий

определяется из соотношения:

[Р

(40000)]

= Р

(40000) = 0,05, откуда

(40000) = 0,9107 или ≈ 90%

Зададимся широко применяемым в теории надёжности экс-

поненциальным законом распределения вероятности безотказной

работы объекта в течение заданного времени:

P(t) = e ,

где Т – среднее время безотказной работы выключателя.

Определим Т:

= 0,9107

T =

40000

= 428000 ≈ 430 тыс. часов.

0,0933

Определим вероятность безотказной работы одного выключа-

теля в течение одного года.

Число часов работы выключателя за год составляет около 8000 час.

(8000) = ;

502

lgP

(8000) = - 0,0186lge = - 0,0186

0,4343 = - 0,00807 =

∼

- 0,0081 = 1

,9919

(8000) = 0,9815 или ≈ 98%

Из этого видно, что показатель надёжности выключателя по-

лучился высоким даже при предположении, что имевший место на

Красноярской ГЭС факт безотказной работы выключателей является

результатом благополучного стечения обстоятельств (что выразилось

в принятии вероятности этого события равной лишь 5%). На

практике показатели надёжности ещё более высокие. Это позволило

внедрить на Красноярской ГЭС режим оперативного резерва гид-

рогенераторов 500 МВт, отключенных от сети только выключателем.

Однако содержание в таком режиме большого количества

агрегатов увеличит вероятность отказа выключателей.

Действительно, если вероятность отказа в течение года одного

выключателя равна Р

(8000), то для n генераторов, содержащихся

в резерве, она равна:

(8000) = [P

(8000)]

Если содержать в резерве два гидрогенератора, тогда надёж-

ность безотказной работы будет:

(8000) = 0,9815

= 0,9633 или ≈ 96%

Тридцатилетний период эксплуатации гидрогенераторов Крас-

ноярской ГЭС в оперативном резерве показал правильность приня-

того решения. За это время среднее число пусков – остановок

агрегатов из состояния “покоя” составило 13027. Во избежание

ошибочных действий персонала, сопровождающихся непосредст-

венным воздействием на релейную аппаратуру или соленоиды вклю-

чения, которые приведут к включению выключателя остановленного

гидрогенератора, были разработаны и внедрены специальные мето-

дические указания (например, запрещение допусков к работе на эти

присоединения). Кроме того, была введена специальная защита на

отключение гидрогенераторов (в случае включения остановленного

агрегата), действующая с уставкой по току прямой последовательности

27 кА и обратной последовательности 1,5 кА без выдержки времени.

С момента подачи “команды” на пуск агрегата от состояния

“покоя” до включения его в сеть проходит 20-40 с вместо 20-30 ми-

нут (по самой оптимистической оценке), имевших место до внедре-

ния рассмотренного режима.

Эта схема позволила ввести автоматику пуска агрегата, находя-

щегося в оперативном резерве по признаку аварийного снижения

частоты, что ещё усилило роль ГЭС в энергосистеме и соответственно

её эффективность.

503

Исследования и на их основе разработки, выполненные в пе-

риод освоения Красноярской ГЭС на гидроагрегатах 500 МВт, решили

задачу мобильности ГЭС в энергосистеме, сняли ограничения по

регулированию параметров электрической сети, вызванные не-

достатками проектно-конструкторских и технологических решений.

Опыт показал, что выявление возможностей оборудования с

целью повышения его эффективности на ранней стадии освоения

является одной из важнейших особенностей организации эксплу-

атации крупных ГЭС.

Опыт Красноярской ГЭС по решению изложенной задачи был

использован проектной организацией на Саяно-Шушенской ГЭС в

полной мере.

На Саяно-Шушенской ГЭС благодаря применению аппаратов

генераторного напряжения КАГ-15,75, через которые каждый ге-

нератор присоединен в укрупненном блоке к электрической сети,

проблема содержания агрегата в оперативном резерве решена, так как

при отключенном положении выключателя этого аппарата его разъ-

единитель остается включенным. Разъединитель КАГа отключается

для ремонтных работ. Конструкция КАГа исключает возможность

самопроизвольного включения выключателя, а также не содержит

каких-либо элементов, которые подвержены разрушению, как,

например, фарфор, находящийся под давлением воздуха в некоторых

конструкциях выключателей. Поэтому любой гидрогенератор Саяно-

Шушенской, отключающийся от сети в резерв, находится в состоянии

оперативного резерва и при необходимости вводится в работу с

помощью автоматики без предварительных операций по подготовке

схемы его присоединения, лишь поворотом ключа на ЦПУ. Этим

обеспечивается высокая мобильность гидрогенераторов в энерго-

системе и эффективность гидростанции в целом.

Автоматика пуска агрегата из резерва по признаку аварийного

снижения частоты тока в энергосистеме на Cаяно-Шушенской ГЭС

так же смонтирована и налажена и содержится в состоянии готовнос-

ти. Ввод её в работу по заданию диспетчера объединенной энергосис-

темы Сибири обеспечивается ключом выбора режима, находящегося

на центральном пульте управления (ЦПУ) ГЭС.

7.5 Социальная значимость гидроэнергетических узлов

Освоение гидроресурсов Енисейско-Ангарского бассейна сос-

тавляет всего одну треть от тех, которые было бы наиболее целесооб-

разно использовать. Работа введенных здесь в действие гидроэлектро-

станций за сравнительно небольшой период времени привела к

504

быстрому развитию Сибирского региона на базе самой дешевой в

России электроэнергии.

Однако темпы развития гидроэнергетики в России резко со-

кратились из-за критических настроений, возникших на основе все-

подавляющей концепции охраны окружающей среды. Такая критика

возникла не без основания, поскольку инженерная практика не

ставила своей целью проводить социальные исследования последст-

вий, которые возникали в результате выстроенных гидроэнерге-

тических узлов, а научных данных в этой области просто не было.

Отсутствие исследований не стимулировало образование норматив-

ных документов, регулирующих отношения гидроэлектростанций и

населения [36, 38, 61]. Таких норм проектирования нет и в насто-

ящее время, кроме соображений общего характера и большого

количества критических публикаций по вопросам экологии, по-

явившихся в связи с гидро- и мелиоративным строительством. Мы

отдаем себе отчет, что такого характера нормы проектирования

создать очень трудно. Но вместе с тем необходимо разработать

принципы проектирования и подходы к составлению сметно-фи-

нансовых расчетов строительства не просто гидроузлов, а энерговодо-

хозяйственных комплексов. Должны быть разработаны и приняты

нормативные и директивные документы, регулирующие социальные

и экономические отношения между пользователями гидроресурсов.

Они должны предполагать конкретное получение равных и выгод-

ных социально-экономических результатов от создаваемых энергово-

дохозяйственных комплексов для всех пользователей, обязывающее

их выступать равноправными и экономически ответственными за-

казчиками в создании комплексов.

Однако на практике в период создания гидроузлов почти у

всех отраслей энерговодохозяйственного комплекса, кроме элект-

роэнергетики и судоходства, необходимой заинтересованности нет.

Свидетельством этого могут служить, например, отзывы на представ-

ленное в свое время всем ведомствам для заключения проектное за-

дание Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС : ”…данный район

бассейна реки рыбопромыслового значения не имеет…”, или “…в

данном районе промышленного запаса товарной древесины нет…”,

или “…отсутствие достаточной изученности района не позволяет

сделать достоверного прогноза…”, и т.п.

Пользователи той или иной части энергетического и водохо-

зяйственного комплекса в большинстве своем проявляют интерес

только после возведения гидроэнергетического узла. А до этого всю

тяжесть и ответственность за сооружаемый комплекс несёт отрасль –

электроэнергетика, естественно, в меру своего понимания задач. После

возведения гидроузла обычно выясняется, что интересы в нем могли

бы быть разнообразней, а круг пользователей значительно шире, чем

это предусматривалось проектными предположениями. К поль-

505

зователям следует отнести и местные территории, строго говоря –

это население, организации здравоохранения, ихтиологические и

биологические учреждения, охотоведческие и рыбопромысловые

ведомства, органы разных видов государственного контроля, авиаци-

онного и автомобильного транспорта, лесного и сельского хозяйства

и ряд других. Проявление интереса у многих из них после стро-

ительства ГЭС зачастую носит только претензионный характер.

Некоторые требования заслуживают внимания и являются справед-

ливыми, но они в своем большинстве уже после возведения ГЭС

оказываются неосуществимыми. Так, например, различные идеи о

селективных водозаборах с целью снижения температуры воды в

нижнем бьефе для сокращения длины полыньи ниже ГЭС и другие.

Причина такого положения кроется в том, что у упомянутых

ведомств и организаций, у администраций территорий не культиви-

руется интерес к выгодным для них результатам, которые могут быть

достигнуты после создания ГЭС, и, что особенно важно, в интересах

населения близлежащих регионов.

Иначе говоря, необходимо формирование новой научно-

технической и социальной идеологии, чтобы обеспечить развитие

использования водных ресурсов с учетом многоукладной экономики.

При правильном подходе, т.е. равноправном, равнозаинте-

ресованном и ответственном объединении всех организаций, если бы

они выступали заказчиками наряду с энергетиками, были бы

обеспечены условия для создания полнокровного и гармоничного

проекта воднохозяйственного и энергетического комплекса. Тогда

понятие “комплекс” предстанет в истинном значении этого слова.

В коренное изменение существующего положения не вносят

радикальных предложений и сами проектировщики, хотя первым

шагом в этом могло бы быть создание у них специализированных

изыскательских партий по социальным, экологическим, этногра-

фическим и другим подобным вопросам. Аналог таких изыскательс-

ких партий издавна существует в Гидропроекте по исследованиям

геологического строения створа гидроузла и для гидрологических

исследований реки и ее бассейна. В такой же мере, если не большей,

давно назрела необходимость в специализированных социальных

исследованиях в регионе задолго до начала строительства там

гидростанций. Это позволило бы сформировать объективный реестр

проблем как близлежащих, так и отдаленных районов строительства,

вдумчиво проанализировать их и не наспех подготовить соответст-

вующие решения силами всех заинтересованных заказчиков в

прямой связи с сооружением энерговоднохозяйственного комплекса.

Иначе говоря, провести всестороннюю и серьезную общественную

экспертизу проекта. Такие целевые экспертные комиссии предстоит

образовывать, например, с участием научно-технических обществ.

506

Основной задачей такой экспертизы должно быть определение

наиболее важных запросов территорий и, может быть, в связи с этим

экологических ограничений, а с другой стороны, экспертиза должна

радикально повлиять на конструкцию сооружений, этапность их

возведения с целью получения максимальной в этих условиях

энергетической, экологической и социальной эффективности. При

этом экспертная комиссия не должна давать лишь оценку проекта

и иметь право на согласование, а может выступать в качестве

директивной структуры (в определённой мере) местных адми-

нистраций, имеющей право принимать решение. В процедуру выбора

проекта следует ввести соревновательность проектных организаций

между собой за право внедрения проекта. На основе обобщения

материалов таких экспертиз из разных регионов, где наиболее

целесообразно использовать гидроресурсы страны, можно будет

сформировать нормативную базу для рационального проектирования

энерговодохозяйственных комплексов.

Одними из многих предложений в интересах жителей района

сооружения ГЭС могли бы быть, например, такие проектные решения,

заложенные в смету ее строительства, как: затраты по компенсации

тарифа на электроэнергию, используемую для отопления домов,

приусадебных теплиц, гаражей; затраты, позволяющие жителям на

льготных условиях возводить индивидуальные комфортабельные

дома; затраты на приобретение древесины из ложа водохранилища

по льготной цене; затраты на строительство подъездных дорог к

объектам сельского хозяйства, а в некоторых случаях на создание

крупных собственных сельскохозяйственных подсобных хозяйств с

полной механизацией и автоматизацией животноводческих ферм, с

освоением новых земель для кормовой базы собственных подсобных

хозяйств, с цехами по переработке продуктов овощеводства, животно-

водства и зерноводства, т.е. энерговодохозяйственный комплекс,

осваивающий регион в округе будущей ГЭС, должен обеспечивать

себя продуктами питания сам и не ложиться бременем на сельское

хозяйство региона. Иными словами, проект ГЭС должен стимули-

ровать интерес людей в обширном районе расположения ГЭС и ее

водохранилища путем создания комфортных условий жителям для

работы и проживания. При таком подходе население станет со-

юзником строительства энерговодохозяйственных комплексов.

Безусловно, с ростом освоения природных ресурсов, в частности,

в связи со строительством водохозяйственных энергетических

комплексов, возрастают и масштабы вмешательства человека в су-

ществующее равновесие окружающей среды. С созданием комплек-

сов происходит формирование новых природо-технических систем

(ПТС), которое обусловливает изменение сложившегося состояния

водных систем и природной среды на прилегающих территориях.

507

Некоторые изменения физических, химических, биохими-

ческих, биологических процессов природной среды носят временный

характер, связаны с периодом возведения сооружений и могли бы

полностью прогнозироваться на стадии проекта на базе тех исследо-

ваний, о которых речь шла выше. И не только прогнозироваться, но

и быть основой для превентивных проектных организационно-

технических мероприятий.

Другие изменения природной среды являются долговремен-

ными, часто необратимыми и фиксируются лишь в процессе экс-

плуатации ПТС. Однако негативное проявление и таких изменений

также могло быть существенно уменьшено благодаря упреждающим

проект исследованиям.

Однако при этом важно понять, всё ли, что связано со строи-

тельством комплекса, несет в себе отрицательное влияние и насколь-

ко, и что оказывает благотворное влияние на среду обитания. Без

взвешенного и разностороннего подхода к исследованию этого

вопроса задолго до стадии проектирования гидроузла, а затем без

объективного отслеживания последствий на протяжении всей его

“жизни” и корректировки негативных проявлений, нельзя рассчиты-

вать на нормальное социальное развитие региона.

Многие стороны отрицательного влияния на окружающую

среду гидроузлов, создаваемых на реке Енисей, могли бы быть

исключены или сведены к минимуму при своевременной разработке

и осуществлении комплекса мероприятий, опирающихся на всесто-

роннее изучение природных и социальных закономерностей и на

прогноз возможных изменений в окружающей среде при намечен-

ных режимах эксплуатации водохранилищ и нижних бьефов Ени-

сейских ГЭС.

О режиме нижнего бьефа

Очень характерным подтверждением негативного влияния на

окружающую среду из-за отсутствия необходимой изученности

региона нижнего бьефа является вынужденно сложившийся зимний

режим Красноярской ГЭС, который сильно отличается от расчетного.

Расчеты должны были бы быть увязаны с соображениями о необхо-

димости охраны окружающей среды и обеспечения интересов водо-

пользователей и населения, проживающего у р. Енисей.

В интересах чистой энергетики осуществляется использование

водотока, обеспечивающего выдачу мощности и энергии в систему,

в наибольшей мере отвечающее графику электропотребления, т.е. с

максимальной пиковой энергоотдачей в зимний период и при сни-

жении её летом в маловодные годы, для чего необходимо сущест-

венное перераспределение водных ресурсов между сезонами. В

средние и многоводные годы этот процесс регулируется проще.

508

Интересы неэнергетических потребителей, напротив, сводятся к

сохранению в реке в теплый период значительного объема стока,

обеспечивающего четко определенный уровенный режим в реке.

Кроме того, не был учтен фактор строительства Красноярского гид-

роэнергетического узла на многоводной реке в суровых климати-

ческих условиях, когда зажорные явления не являются редкостью.

Более того, отсутствие изученности реального температурного режима

воды в нижнем бьефе привело к существенной ошибке в оценке

протяженности открытой полыньи от створа ГЭС – вместо ожидае-

мых 40 км полынья в теплые зимы достигает 180 км и более.

В результате возникла необходимость разработки режима ис-

пользования Красноярской ГЭС исходя из новых начальных условий.

Они сводились к тому, чтобы обеспечить базовые попуски воды –

летом для водного транспорта, а зимой для работы водозаборов

г. Красноярска. Возникли ограничения амплитуды суточных коле-

баний уровней в нижнем бьефе – летом по условиям работы при-

чалов речного транспорта, а зимой для обеспечения безаварийного

отстоя судов в затонах, а также исключения зажорных явлений в

русле реки. Участок бьефа, находящийся в зоне перемещения кромки

льда, отличается неустойчивым ледовым режимом. Под влиянием

суточного регулирования гидростанцией нагрузки на этом участке

в течение зимнего периода ледостав чередуется с ледоходом и шу-

гоходом. При перемещении кромки льда на участках с повышенными

скоростями течения под ледяной покров заносится масса шуги и льда,

вызывая стеснение русла, т.е. образуются зажоры и заторы, сопро-

вождающиеся значительным повышением уровня воды. Поэтому

установленная мощность ГЭС в этих условиях может максимально

использоваться только летом в многоводные годы с большой сред-

несуточной загрузкой.

В зимний период и среднесуточная загрузка ограничивается

из-за опасности затопления и подтопления населенных пунктов в

районе кромки ледостава, где создаются условия для возникновения

зажоров. Таким образом, потеряна возможность использования

мощности ГЭС и в качестве аварийного резерва, особенно это остро

ощущается, когда по тем или иным причинам в самое морозное

время сокращаются или затруднены поставки минерального топлива

на тепловые электростанции энергообъединения.

Так, в декабре 1984 года при суммарном расходе р. Енисей

7500 м

/с (4000 м

/с с Ангарских ГЭС и 3500 м

/с с Красноярской ГЭС)

ниже впадения р. Ангары в период активного ледообразования, когда

кромка ледостава достигла устья Ангары, произошло повышение

уровня воды у г. Енисейска более чем на 8 м. Была подтоплена часть

жилой застройки, пострадали подвалы домов, несколько промыш-

ленных предприятий, лесные и угольные склады, заготовленные на