для чего делают сброс воды на гэс
Что такое паводок, и как в это время работает ГЭС
Сотни комментариев в соцсетях, весёлые фотографии байдарочников на набережной и холмы намытого мусора, с которым ещё долго квитались работники «Управления городского хозяйства» — так в этом году выглядел неожиданно сильный паводок. Откуда взялась эта вода? Кто решает, когда реке придётся выйти из берегов, а когда нет? И как работает в этот период Рыбинская ГЭС? В сложных вопросах разбирался корреспондент «Черёмухи».
За наступлением паводка на водохранилище следит Станислав Кичапин, начальник участка диагностики гидротехнических сооружений службы мониторинга оборудования. Помимо него, в отдел входят всего три человека. Именно от этой четвёрки зависит, когда «наверху» узнают о паводке. Ответ может быть только один: вовремя.
Станислав Кичапин:
«Моя работа — это организация наблюдений за гидротехническими сооружениями (ГТС). В составе участка диагностики три обходчика гидросооружений. В обычное время они обходят сооружения раз в неделю, выискивают и наблюдают дефекты, измеряют некоторые показатели специальной аппаратурой, приборами и результаты заносят в журнал. Как только уровень воды в водохранилище достигает 101,61 метра, мы переходим к учащённым наблюдениям за ГТС каждый день».
Станислав Кичапин:
«Одна из задач участка — фиксировать уровни верхнего и нижнего бьефов, и передавать в службу, где происходят расчёты количества воды, поступающей в водохранилище. Есть определённая приточность, количество воды свыше этой приточности и есть начало паводка. Это зависит не только от времени года, но и от того, сколько воды пришло».
В этом году было две волны паводка: первая пришла от таяния снега, вторая — от обильных весенних дождей. Теоретически паводок может случиться и осенью, но за последние 15 лет такое произошло лишь однажды.
Станислав работает на Рыбинской ГЭС уже 17 лет. Отношение к паводку всегда было серьёзным, а вот подходы тогда и сейчас сильно отличаются.
Станислав Кичапин:
«Когда я пришёл, участка диагностики как такового не было, хотя были рабочие, которые время от времени занимались измерениями на ГТС. В те годы все вычисления проводили на бумаге, вручную рисовали графики. Это отнимало очень много времени. С 2003-го начал работать полноценный участок диагностики, его руководителем стал я. Сейчас мы всё делаем в программе “БИНГ” [Безопасность и надёжность гидросооружений]: работники заводят туда нужные данные с контрольно-измерительных приборов, и программа сама визуализирует информацию, строит графики».
Всего в распоряжении Рыбинской ГЭС больше пятисот приборов: пьезометры, щелемеры, треугольные мерные водосливы, высотные марки и другие. Часть аппаратуры автоматизирована: показатели отправляются сразу в систему без участия человека.
Приборы измеряют уровень воды, давление, осадку сооружений, относительное перемещение секций. Если появляется тревожный показатель, его перепроверяют: приборы тоже иногда ошибаются.
Станислав Кичапин:
«Когда стартует паводок, мы начинаем усиленно наблюдать за отметкой: смотрим за состоянием креплений откосов, берм [берма — горизонтальный участок между двумя откосами]. Мы переходим на ежедневный режим, включая выходные и праздники. Но решение об открытии затвора для сброса воды принимает только Федеральное агентство водных ресурсов с участием заинтересованных федеральных и региональных органов власти. Оно даёт команду гидростанции, и люди здесь приступают к работе. ФАВР опирается на данные, которые собираем мы и не только. Информация от Рыбинской ГЭС – всего лишь капля в море. Потому что водохранилище большое, водомерных постов очень много. Моя задача — не допустить эксплуатацию гидротехнических сооружений в опасных условиях».
Здесь мы подбираемся к важному вопросу: какой может быть «небезопасная эксплуатация», и не она ли привела к выходу Волги из берегов в этом году? Станислав Кичапин говорит: прошедший паводок, оказывается, вполне входил в норму.
Станислав Кичапин:
«Это не самый серьёзный паводок. Он затопил набережную, но сама набережная построена на затопляемом участке. Если посмотреть на биржу [здание рыбинского музея-заповедника], то по стене, выходящей к Волге, видно, на какой уровень она рассчитана. Её построили не просто так. События могли быть ещё более серьёзными: максимальная отметка, которую может достигать вода по нормам — 94 метра, а мы этой весной наблюдали всего 89. То есть, вода могла подняться выше метра на четыре, и даже это не было бы предельно страшным, потому что и подобный сценарий запроектирован. Раз в тысячу лет такое может произойти».
Но зачем сбрасывать сразу столько воды? Может, стоило сливать меньше, но дольше? Специалист качает головой. Такое решение чревато куда более неприятными последствиями: вода в искусственном море поднялась бы до такого уровня, что под неё ушли бы строения на его берегу — немало зданий построены ниже уровня затопляемости.
Станислав Кичапин:
«Мы отслеживаем показания: если они превышены, нужно принимать меры. Наверное, не зря нас называют докторами-терапевтами для ГТС. Мы проводим первичный анализ состояния сооружений. Если видим, что есть непорядок, говорим, что нужны специалисты, которые вынесут сооружению более точный диагноз и назначат лечение».
Поэтому когда датчики показывают начало паводка, доктор выписывает направление в Федеральное агентство водных ресурсов, где замеряют все показатели и в какой-то момент дадут команду: пора сбрасывать.
Но выполняет её уже не Станислав Кичапин, а Сергей Смирнов, инженер группы турбинного гидромеханического оборудования. Под его руководством бригады поднимают и опускают затворы, разделяющие водохранилище и Волгу.
Сергей Смирнов:
«На самом деле, работы по подготовке к паводку начинаются задолго до наступления самого паводка. В ходе плановой подготовки мы проверяем и готовим всё оборудование водосбросной плотины к открытию, чтобы не было внеплановых ситуаций. Мы подготавливаем грузоподъёмные краны на плотине, проводим ревизию всего электрооборудования и вспомогательного механического оборудования затворов — подхватов».
И только после этого плотина готова к пропуску паводка. Специалистам поступает команда с точным временем и количеством затворов, которые нужно открыть. Для этого к ним отправляется бригада из четырёх-шести человек. Её составляют из числа подрядчиков ГЭС, и туда обязательно входят крановщики, слесарь – электрик кранового оборудования и рабочие.
Сергей Смирнов:
«Мы с ними выдвигаемся на плотины и открываем затворы. Это нужно делать на месте, а не нажатием кнопки».
Когда нужное количество воды ушло в Волгу — это тоже рассчитывается по показаниям приборов специальной службой — поступает новая команда, и затвор закрывают. Всё проделывается в обратном порядке: кран — бригада — затвор — проверка агрегатов и электрооборудования.
Как поясняет Станислав Кичапин, паводок — один из самых ответственных периодов работы ГЭС, перед ним и сразу после него идёт напряжённая работа. К нему готовятся ежегодно, и крайне важно, чтобы это оставалось рутиной. Это значит, что всё работает верно. Каждую неделю обходчики снимают десятки показаний, чтобы в программе на компьютере Станислава после нажатия кнопки «Рассчитать» появлялось успокаивающее:
180 кубометров в секунду! Зачем на гидроэлектростанциях сбрасывают воду «вхолостую»?
To view this video please enable JavaScript, and consider upgrading to a web browser that supports HTML5 video
В Кольском крае больше 110 тысяч озёр и 18 с лишним тысяч рек. Это больше, чем во всех остальных регионах России. Не удивительно, что и гидроэлектростанций у нас тоже много. Чтобы получить электричество, человеку, порой, приходится спорить с природой, менять русла рек, строить плотины. Но овладеть искусством управления водой в совершенстве, наверное, не возможно. Кому хорошо, а кто страдает от холостых водосбросов…
Водосброс – зрелище мощное. Каждый год на заполярных гидроэлектростанциях открывают затворы, чтобы спустить лишнюю воду. Лишней она становится тогда, когда уровень воды начинает превышать допустимые отметки. Происходит это, как правило, после таяния снегов или во время обильных дождей.
ГЭС Нива-2 – старейшая в Мурманской области. Вода на водосброс поступает с Пинозеро, которое, в свою очередь, берёт её из Имандры. А полноводность Имандры – самого большого озера на Кольском полуострове, зависит от Хибин – когда в горах растает снег и сколько его будет. Этой зимой осадков было много, таял снег долго и поэтому водосбросы на Нивских ГЭС открыли только на прошлой неделе.
Олег Тяпинов, заместитель главного инженера филиала Кольский ТГК-1: «Вот такая поздняя весна, размазанная по времени, привела к тому, что Хибины стали таять гораздо позже, и уровень Имандры поднялся очень быстро. В этих условиях мы должны были открыть водосбросы на всех нивских станциях, на ГЭС-1,2,3, для того, чтобы обеспечить сохранность наших гидротехнических сооружений».
А вот многие кандалакшские дачники понадеялись, что водосброса в этом году уже не будет. Для них это почти катастрофа. Нива из мелкой речушки превращается в огромную протоку и смывает небольшой мостик, по которому ходят люди и ездят машины.
Это кратчайший путь для кандалакшан к дачным участкам. Но каждое лето люди сталкиваются с одной и той же проблемой – дорогу перемывает. Как говорят жители – год на год не приходится. Иногда водосброс длится неделю, две, иногда и целый месяц. В этом году воды особенно много, дорогу ни вброд не перейти, ни на хорошем внедорожнике не переехать.
Хороший внедорожник всё же пригодится – если очень нужно добраться к дачам, сделать это можно объездными путями – 12 километров разбитой грунтовки. Пётр Панов приобрёл домик по ту сторону берега в этом году. Сейчас в процессе ремонта, перевозил стройматериалы в прицепе, и оставил его на даче. Хотел забрать, да не успел – объявление о водосбросе пропустил, так что прицеп на даче остался надолго.
Пётр Панов, житель Кандалакши: «Есть ещё через этот… через центр. Там тоже есть дорога, но там плохая дорога. Я на своей машине не проеду».
Когда водосброс не очень большой, можно и вброд реку перейти, делится воспоминаниями кандалакшанка Евгения Соловьёва. В этом городе она прожила всю жизнь и к подобным ситуациям привыкла.
Евгения Соловьёва, жительница Кандалакши: «Раньше, особенно, мы ходили, молодые. По колено. Ещё и здесь дети на плечах».
А ещё до строительства ГЭС река была полноводной всё время. И кандалакшанам это было только в радость.
Евгения Соловьёва, жительница Кандалакши: «У меня муж здесь ходил и рыбу ловил. И вот поймает такую сёмжину, и вот идёт – на плече голова и хвост по земле вот так тащится».
Рыбные времена далеко в прошлом, Нива ГЭС-3 работает с декабря 49-го года. За это время жители протоптали дорожку, соорудили мост и ходят по нему не только к дачам, но и на родник за водой.
Раиса Киселёва, жительница Кандалакши: «Хотели 10 литров. Две канистры по 5 литров. Ей 5, мне 5. Теперь на родник мы не ходим по воду. Люди не ходят на дачу».
Руководство ТГК в курсе ситуации, этот мост – не единственная жертва большой воды. Люди делают в нижней части рек огороды, ставят хозяйственные постройки. По закону, всё должно быть согласовано с владельцами гидротехнических сооружений, но по факту – многие закон игнорируют, а потом причитают.
Олег Тяпинов, заместитель главного инженера филиала Кольский ТГК-1: «Что касается нивских территорий – большинство построек не согласованы. Это,так называемый, самострой. Поэтому люди строят на свой страх и риск, и когда открываются холостые водосбросы, мы заранее предупреждаем и органы власти, и муниципалитеты, водников, рыбников и так далее, заранее, за определённый срок, от 3-х до 5-ти дней».
Приводить в порядок объездную дорогу к дачам администрация Кандалакши не торопится. Вот и приходится людям либо гробить машины, либо наматывать километры пешком, либо вовсе отказываться от поездки на дачу. А пока огородники сетуют на несправедливость, каякеры готовят свои плавсредства. Водосброс для них – повод устроить соревнования, ведь бурлящая речка с большими перепадами, валами и бочками – отличная трасса, Ниву в этот период спортсмены считают одной из лучших водных трасс. Так что мощная стихия к людям вполне благосклонна. Главное – относиться к природным капризам с пониманием.
Водосброс, водосливная плотина
Водосброс, водосливная плотина — устройство в гидротехническом сооружении
Сброс воды осуществляется в случае переполнения водохранилища из-за паводка, сильных дождей и тд.
Другие часто используемые названия водосброса и сопутствующие термины:
Пропуск воды через водосливные отверстия на гребне плотины чаще всего регулируется затворами.
Водосливные отверстия ограничены быками и устоями, направляющими поток в отверстия и используемыми одновременно в качестве опор для затворов, подъемных механизмов и мостов.
ВП бывают бетонные, железобетонные, деревянные; проводятся исследования возможности перелива воды через земляные плотины и каменнонабросные плотины.
ВП рассчитывают на пропуск «расчетного» максимального расхода реки при нормальном подпорном уровне (НПУ) верхнего бьефа (с учетом пропускной способности др. сооружений гидроузла), затем проверяется возможность пропуска макс, расхода при чрезвычайных условиях эксплуатации и определяется форсированный подпорный уровень (ФПУ).
Макс. расходы реки определяют методами гидрологии. Пропускная способность водосливной плотины рассчитывается по формулам гидравлики.
Величина напора на гребне водослива назначается из условий: достижения возможно больших удельных (на 1 м длины плотины) расходов воды в конце крепления русла (на рисберме) в нижнем бьефе (однако с допустимыми в отношении защиты сооружения от подмыва скоростями течения воды), получения минимальной общей стоимости сооружения, приемлемой высоты затворов и недопущения опасной вибрации тела водослива.
На построенных ВП величина напора на гребне обычно составляет от 2 до 8 м, достигая в отдельных случаях 15-18 м.
Общая длина водосливного фронта разбивается на ряд пролетов, в тч рассчитанных на величину хода судов.
ВП имеют также глубинные отверстия (водоспуски).
Величина кинетической энергии потока, сбрасываемого через водосливные плотины (зависящая от расхода воды и напора), может быть весьма значительной.
Эта энергия гасится частично в процессе разрушения дна и берегов нижнего бьефа, частично затрачивается на внутреннее сопротивления воды (вихреобразование, удары струи и др).
По мере увеличения размыва русла его интенсивность уменьшается и с течением времени размывы прекращаются.
Основные виды сопряжения потока, прошедшего через плотину, с нижним бьефом:
донный режим, когда струя плавно опускается с плотины и движется у дна, растекаясь кверху, и вихревой валец затопленного прыжка располагается сверху;
поверхностный режим, когда струя сходит с повышенного уступа или носка плотины и движется у поверхности нижнего бьефа, образуя поверхностный прыжок и растекаясь книзу, покрывая собой вихревой валец у дна;
свободно падающая струя, когда струя свободно падает с гребня или носка-трамплина, размер которых выбирают, исходя из условий пропуска льда, леса, судов, производства работ, экономических показателей и тд.
Дно нижнего бьефа (водобой и рисберма) крепится на таком протяжении от плотины, чтобы возможный размыв русла не угрожал ее устойчивости и прочности. Для удешевления крепления стремятся погасить избыточную энергию потока и довести его скорости до приемлемых величин на кратчайшем расстоянии от плотины. Это достигается регламентированным маневрированием затворами (равномерное открытие их- по длине водосливной плотины) и сооружением на водобое спец. устройств для гашения энергии потока.
При сходе с рисбермы скорости течения доводятся до неразмывающих или до почти неразмывающих русло.
В ряде случаев для этой цели рисберма заканчивается углублением (ковшом), на дно которого отсыпается камень.
Режим сопряжения бьефов, тип и размеры крепления нижнего бьефа для крупных сооружений
Фильтрация воды из верхнего бьефа в нижний происходит под подошвой ВП и в обход ее в грунте берега или примыкающей земляной плотины. Для борьбы с фильтрацией воды в обход плотины устои снабжают открылками и диафрагмами.
Против фильтрационных деформаций (суффозии, выпора) грунта основания под подошвой плотины устраивается рациональный подземный контур гидросооружения. В состав последнего при нескальных основаниях входит подошва понура, тела водослива, водобоя и рисбермы, шпунты или зуб, дренажи.
ГЭС изнутри
Теоретически с гидроэлектростанциями все понятно — вода идет из верхнего бьефа в нижний, крутит рабочее колесо турбины. Турбина вращает генератор, а тот вырабатывает электричество…
Интересны детали.
Хозяйке на заметку: чтобы получить 1 киловатт-час электроэнергии, надо спустить с высоты 27 метров 14 тонн воды.
(Детали подсмотрены в процессе посещения девяти разных гидроэлектростанций).
Перефразируя классика: все тепловые электростанции похожи друг на друга, каждая гидроэлектростанция устроена по-своему. Иными словами, типовых ГЭС не существуют, все ГЭС разные. У каждой свой расход воды, напор, рельеф, грунт, климат, близость моря, объем водохранилища…
Вот, например, вроде бы обычный машинный зал станции. За исключением того, что все окна в нем — искусственные, с подсветкой.
Все потому, что машинный зал находится в скале на глубине 76 метров.
Это первая в СССР подземная гидроэлектростанция, с поверхности к ней идут четыре водовода диаметром 6 м. А это шахта, также вырубленная в скальном основании, для извлечения из глубинного машзала оборудования в случае его ремонта/замены:
Затворы и сбросные сооружения
В идеале вся вода должна идти через турбины и давать энергию. Но не всегда это возможно.
Часть воды приходится сбрасывать мимо ГЭС:
— при ремонте гидроагрегатов;
— при весенних паводках, если нет водохранилища многолетнего регулирования (а его часто нет);
— бывает, что в каскаде ГЭС (станций, стоящих на одной реке) пропускная способность верхней станции больше, чем нижней; тогда нижняя должна пустить часть воды мимо турбин, иначе ее просто затопит;
— иногда открывают холостой водосброс по запросу рыбзаводов для пропуска мальков вниз по течению;
— и т.д.
Холостой водосброс Беломорской ГЭС — это три затвора.
Довольно много внимания уделено вопросу резервирования, потому что не суметь вовремя понизить уровень в водохранилище — это чревато. Любой из затворов здесь можно опустить/поднять козловым краном, два из трех — электрическими лебедками. В крайнем случае можно и вручную (со скоростью, правда, 3 см/мин).
Затвор поднят, идет холостой сброс для водозабора города Беломорска, находящегося ниже по течению:
Для борьбы с обледенением затворов применяют индукционный подогрев. На обогрев данного экземпляра, например, требуется 150 кВт:
Иногда для этого же делают барботаж — пропускают воздух из глубины вдоль затвора; видим шланг системы сжатого воздуха:
На сбросе предусматривают мероприятия для гашения кинетической энергии потока — водобойные колодцы, столкновение потоков, ступени или, как здесь, на Волховской ГЭС — водобойная плита с гасителями:
О рыбе
На Нижнетуломской ГЭС сделан специальный рыбоход для семги, поднимающейся на нерест вверх по течению. Конструкция имитирует собой полукилометровый горный ручей с камнями на дне, зигзагообразными проходами и местами для отдыха рыбы.
Интересно, что в период нереста на ГЭС отключают ближний к рыбоходу 4-й гидроагрегат, чтобы семга могла услышать шум рыбохода и направиться именно туда.
На Верхнетуломской станции рыбоход сделали в виде 2-километрового тоннеля с подсветкой и специального рыболифта, но такая конструкция оказалась неудачной, рыба не пошла. Из положения вышли — тоннель превратили в рыбзавод и пускают в него теплую воду от охлаждения генераторов. И малькам хорошо, и энергоэффективность налицо. Откуда в генераторе теплая вода — см.ниже.
Безопасность
Напомню, что при аварии-2009 на Саяно-Шушенской ГЭС после прорыва воды в машинный зал было быстро потеряно электропитание собственных нужд станции, в результате чего сброс затворов на водоприемниках пришлось производить вручную. По следам этого происшествия на ГЭС активно занялись резервным питанием — аварийные дизель-генераторы, аккумуляторы.
Это тоже элемент безопасности — аэрационные трубы в верхней части водоводов Кондопожской ГЭС:
Толщина стальных стенок водоводов сравнительно небольшая — 12 мм. Кольца водоводов рассчитаны на большое внутреннее давление или небольшой вакуум. Но если закрыть верхние затворы и водовод резко опорожнить, то внутри них возникнет глубокий вакуум, и трубы могут деформироваться. Аэрационные трубы впустят воздух при опорожнении, и все будет хорошо.
Остатки деревянного водовода 1930-х годов:
На случай, если во время работы турбинный водовод все же прорвется, предусмотрена защитная стенка (в центре кадра):
Благодаря ей вода пойдет не направо — на административное здание, а обойдет станцию слева и по выемке уйдет в нижний бьеф.
Управление и контроль
Сейчас мы находимся между турбиной и генератором и наблюдаем соединяющий их вал. Слева видна схема гидроагрегата с выведенными на нее манометрами, показывающими давления в системе смазки.
Под ногами — гидравлические приводы направляющего аппарата:
Больше параметров можно увидеть в машинном зале.
Температуры воды и воздуха, уровни воды в бьефах:
Мнемосхема на дисплее.
Этот гидроагрегат не работает (мощность 0 МВт, направляющий аппарат закрыт, частота вращения ротора 0 %).
Хорошо видно, как из спиральной камеры турбины (внизу) вода отбирается и подается на охладители генератора (он в центре, красного цвета, охладители А и Б) и для смазки подпятника, верхнего (ВГП) и нижнего (НГП) генераторных подшипников. Да-да, они смазываются водой. Отсюда и берется теплая вода для рыбзавода.
В правой части виден красный бак с маслом — это гидравлическая система управления направляющим аппаратом. Здесь же показываются давления, расходы и уровни всех жидкостей.
Информация о вибрациях:
В скобках: официально причиной разрушения гидроагрегата на той же Саяно-Шушенской было названо усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины из-за вибраций, возникавших при переходах гидроагрегата через диапазон «запрещенной зоны» (есть и другие мнения, но сейчас не об этом).
Где находится «запрещенная зона», увидим на центральном пульте управления ГЭС:
Гидроагрегаты Г1, Г3, Г4 в работе, Г2 остановлен. На черном фоне — мощность, которую вырабатывают генераторы 38,1/38/38 МВт соответственно. У Г3 и Г4 столбики красные, потому что они работают на полную мощность, у Г1 еще есть резерв. За столбиками видна красная зона — это как раз тот диапазон мощности, в котором гидроагрегату нежелательно работать и который при пуске/останове надо побыстрее проскочить.
Кстати, знающий человек еще снаружи здания скажет, какой из гидроагрегатов не работает:
Вторая пара противовесов поднята — значит, затворы на турбинных водоводах агрегата номер 2 опущены.
Весьма активно внедряют удаленное управление.
Так, например, эта станция на 60 МВт работает круглосуточно, но персонал на ней бывает только днем и в рабочие дни, в остальное время — управляется по телемеханике с головной ГЭС:
ГЭС работают по т.н. диспетчерскому распоряжению, которое регламентирует когда и сколько станции выдавать электроэнергии. Поскольку ГЭС — самые маневренные источники энергии (быстро запускаются и быстро останавливаются), то они служат для покрытия пиковых нагрузок и их выработка меняется в зависимости от времени суток и дня недели. В отличие от тепловых и атомных электростанций, которые обеспечивают базовую часть потребления и работают в относительно стабильном режиме.
Диспетчерское распоряжение на экране (сорри за космическое качество снимка; по оси абсцисс — часы, по оси ординат — мощность):
Диспетчерское задание учитывает взаимное влияние ГЭС в каскаде, уровни воды в их водохранилищах, запросы потребителей по воде и электричеству и т.д. и на основании этого распределяет выработку энергии между станциями. Любопытно, что на реке Паз на границе между Норвегией и Россией работает 5 российских и 2 норвежских ГЭС, а сама река вытекает из финского озера. И ничего, как-то договорились.