Поставка насосных агрегатов для мокрой потерны Волжской ГЭС

ООО «ЭнергоФронт» расширяет свое присутствие в энергетическом комплексе Российской Федерации. Имея десятилетний опыт работы в тепловой энергетике, наша компания приступила к освоению нового направления – гидроэнергетике.

Гидроэлектростанции России, при 40% загрузке, обеспечивают производство более 18-19% электроэнергии в стране. Наиболее мощные станции и каскады ГЭС расположены в Сибири и на Дальнем Востоке на таких реках как Енисей и Ангара. Один из крупнейших каскадов ГЭС является Волжско-Камского каскад расположенный, соответственно, на реках Волга и Кама. Данный каскад является крупнейшей транспортно-водно-энергетической системой в Европе. Состоит более чем из 20 ГЭС, одиннадцать из которых находится в собственности ПАО «Русгидро», в том числе Жигулевская ГЭС, Рыбинская ГЭС, Нижегородская ГЭС и крупнейшая гидроэлектростанция в европейской части России- Волжская ГЭС.

В свое время ввод в эксплуатацию Волжской ГЭС сыграл решающую роль в энергоснабжении Нижнего Поволжья и Донбасса и объединении между собой крупных энергосистем Центра, Поволжья, Юга страны. Экономический район Нижнего Поволжья также получил мощную энергетическую базу для дальнейшего развития народного хозяйства. Важную роль играет ГЭС и в создании глубоководного пути на всем протяжении Нижней Волги — от Саратова до Астрахани. Сооружения гидроузла использованы для устройства по ним постоянных переходов через Волгу железнодорожного и автодорожного транспорта. Они обеспечивают кратчайшую связь районов Поволжья между собой. Кроме своей основной функции — выработки электроэнергии — Волжская ГЭС создаёт возможность для орошения и обводнения больших массивов засушливых земель Заволжья.

Волжская ГЭС, расположенная рядом с городом Волгоградом, играет решающую роль в энергоснабжении Нижнего Поволжья и объединяет между собой крупные энергосистемы Центра, Поволжья и Юга страны. Мощность ГЭС — 2671 МВт, среднегодовая выработка — 11,1 млрд кВт·ч.

Напорные сооружения ГЭС, с общей длиной напорного фронта 4,9 км, образуют Волгоградское водохранилище.

Одним из важнейших элементов ГЭС является система ее осушения, предназначенная для осушения проточной части гидроагрегатов на период обслуживания, а также для сбора и удаления протечек на ГЭС. Вода из выводимого на ремонт гидроагрегата, а также все протечки сбрасывается в «мокрую» потерну – галерею, расположенную в нижней части плотины, проходящей по всей ее длине (650 м) на отметке минус 33 м от нижнего бьефа реки. Скапливающаяся в мокрой потерне вода удаляется насосной станцией, расположенной в «сухой» потерне на отметке минус 30 м. Насосная станция перекачивает скапливающуюся в мокрой потерне воду обратно в реку в низ по течению. Данная схема осушения ГЭС является стандартной для однотипных ГЭС таких как Жигулевской, Саратовская и др.

На данный момент насосная станция мокрой потерны оборудована двумя вертикальными центробежными насосными агрегатами марки 600В-1,6/100 2006 г. выпуска, производительностью 3600 м³/ч, 500 об/мин, напор 44 м и двумя аналогичными насосными агрегатами марки 28Б-12В 1956 г. выпуска, с такими же параметрами. Данные насосные агрегаты имеют низкую защиту от влаги и не предназначены для работы под затоплением. 

Надежность системы осушения ГЭС обеспечивает ее стабильную работу и безопасность обслуживающего персонала.

В 2009 году на расположенный выше по течению Волги Жигулевской ГЭС произошла аварийная ситуация на насосной станции мокрой потерны. На тот момент насосная станция ГЭС так же была оборудована вертикальными центробежными насосными агрегатами типа В. В ходе ремонта одной группы насосов уровень воды в сухой потерне резко начал повышаться, произошло ее затопление. Насосные агрегаты и электрооборудование сухой потерны оказались затоплены, и не смогли включиться в работу. Серьезных проблем удалось избежать благодаря слаженной работе персонала и оперативной установки дополнительного насоса. В дальнейшем насосная станция мокрой потерны Жигулевской ГЭС была модернизирована, насосные агрегаты были заменены на погружные со степенью защиты от пыли и влаги IP68.

Из-за риска затопления оборудования сухой потерны и всей станции, руководством Волжской ГЭС было принято решение о модернизации насосной станции мокрой потерны. Основной задачей модернизации являлось перевод работы насосной станции на автоматическую работу, а также установка оборудования, работающего под затоплением

Разрез Волжской ГЭС:
Синим показана мокрая потерна, красным - сухая потерна

Разработкой проекта модернизации занимался научно-исследовательский институт «Гидропроект» им. С.Я. Жука, входящий в структуру АО «Русгидро» и являющийся разработчиком проектов большинства ГЭС в России, в том числе и Волжской ГЭС. Данный проект предусматривал установку четырех погружных польдерных насосов с размещением их в герметичных напорных колоннах. Работа насосных агрегатов предусматривается в автоматическом режиме, для чего на насосной станции оборудуется АСУ. Насосы подключаются к сети 10 кВ, характер их работы переменный. Для снижения негативного воздействия частых пусков на электродвигатели на каждом насосе должны быть установлены устройства плавного пуска.

Генеральным подрядчиком данной модернизации является Научно-Исследовательский Институт электромашиностроения АО «НИИэлектромаш», занимающийся в том числе разработкой и производством систем возбуждения.

Погружные польдерные насосные агрегаты широко применяются в водоотведении, понижении уровня и нефтедобывающей промышленности, однако имеют сложную конструкцию и высокую стоимость. Насосы устанавливаются исключительно в шахту (колонну) или скважину. Данные насосы имели массу более 10 тонн, что потребовало бы увеличения грузоподъемности существующих кран-балок и талей до 12.5 тонн. К тому же схема размещения насосных агрегатов в герметичных напорных колоннах существенно затрудняла их обслуживание. В этой связи АО «НИИэлектромаш» совместно с Волжской ГЭС было принято решение об отказе от проектных насосных агрегатов и поиска новых решений, отвечающих всем требованиям станции. Было проработано несколько вариантов, в том числе рассматривалась возможность поставки погружных скважинных насосных агрегатов китайского производства, однако все предложенные решения не отвечали требованиям ГЭС по рабочим характеристикам, надежности, удобству эксплуатации и пр.

В 2017 году компания «ЭнергоФронт» подключилась к работе по данному проекту. Была поставлена задача поиска комплексного технического решения, включающего не только подбор конкретного насосного агрегата, отвечающего требованиям ГЭС, но и решение проблемы заполнения насоса водой (развоздушивания), охлаждения электродвигателя и организации водозабора насосов.

Основные требования к насосному агрегату:

Помимо указанных требований насосные агрегаты должны иметь независимую систему охлаждения электродвигателя, набор датчиков и защит, обеспечивающих их безаварийную работу, а так же простую конструкцию и высокую ремонтопригодность.

Специалистами ООО «ЭнергоФронт» было рассмотрено несколько типов насосных агрегатов и схем их размещения. Основной проблемой стало требование к вольтажу электродвигателя 10 кВ, а также наличие системы охлаждения двигателя. В результате технического анализа вариантов оборудования на рассмотрение заказчику было предложено решение на основе четырех центробежных насосных агрегатов KSN4.100.600.4500.8.M производства ООО «Грундфос», полностью соответствующее запрошенным требованиям с сохранением существующей схемы установки.        

Насосы KSN отличаются оптимизированной гидравликой, благодаря чему достигаются высокие значения КПД 84%. А наличие системы SmartTrim обеспечивает лёгкую и быструю регулировку щелевого зазора, поддерживая высокий КПД насоса в течение всего срока службы. Охлаждение двигателя осуществляется перекачиваемой средой через рубашку охлаждения. Движение воды через рубашку происходит за счет перепада давлений, создаваемого рабочим колесом насоса. Рабочее колесо расположено на одном валу с электродвигателем. Электродвигатель крепится непосредственно на спиральном корпусе насоса, посредством фланцевого соединения.

Особенностью данного насосного агрегата является высоковольтный электродвигатель мощностью 450 кВт, с частотой вращения 735 об/мин, напряжением 10 кВ, ИМЕЮЩИЙ интегрированную систему охлаждения перекачиваемой жидкостью и степень защиты IP68, что позволяет эксплуатировать насосный агрегат как в сухом состоянии, так и при затоплении. Двойное торцевое уплотнение вала патронного типа.

Два реле влажности обеспечивают непрерывный контроль за корпусом статора и клеммной коробкой, гарантируя автоматическое отключение в случае попадания жидкости.  Электродвигатель оборудован датчиками температуры обмоток Pt100 с трехкратным резервирование датчиков (по требованию ГЭС) и биметаллическими термореле, защищающими электродвигатель от перегрева. Подшипники качения электродвигателя так же оборудованы датчиками температуры.

Насосный агрегат оснащен комбинированным силовым и управляющим погружными кабелями длинной 10 м. Кабельный ввод пластичной конструкции, выполненный из нержавеющей стали с уплотнительными кольцами, позволяет защищать кабель от повреждений и предотвращает возможность протечки. Кабельный ввод имеет удобную конструкцию, позволяющую быстро отсоединить кабель. Для снятия кабельного ввода достаточно отвинтить два болта.

Спиральный корпус и рабочее колесо насоса изготовлены из высокопрочного чугуна, что обеспечивает дополнительную прочность при попадании в перекачиваемую среду крупных твердых включений. Самоочищающееся рабочее колесо со свободным проходом 200 мм обеспечивает эффективное перекачивание и снижает риск заклинивания. На спиральном корпусе имеются лючки для обслуживания и чистки, а также на напорном патрубке по требованию ГЭС будет размещен дополнительный штуцер для подключения штатной системы удаления воздуха.

Масса насосного агрегата не превышает 7 тонн, что на 3,5 тонны меньше проектного польдерного насосного агрегата и не требует увеличения грузоподъемности штатных кран-балок и талей.

Насосные агрегаты KSN устанавливаются на места существующих насосных агрегатов на отметке минус 30 м с переделкой фундаментов и всасывающих патрубков. Забор воды осуществляется с глубины минус 33 м, таким образом к насосу предъявляются жесткие требования по кавитационному запасу, который не должен превышать 4 м. Для оптимизации всасывающего патрубка и снижения его гидравлического сопротивления было выполнено математическое моделирование работы насосов, по результатам которого были выданы рекомендации по профилю и техническому устройству всасывающего патрубка. Напорные линии насосных агрегатов Ду600 оборудуются обратными клапанами. Пуск насосов будет осуществляться через УПП на открытые задвижки, которые в свою очередь, будут переквалифицированы в ремонтные. Система развоздушивания спиральных корпусов насосов сохраняется существующая. Удаление воздуха из насосов осуществляется посредством водяных эжекторов. Данная схема хорошо зарекомендовала себя в течении более 50 лет эксплуатации, является простой и не прихотливой.

В целом, предложенный вариант насосного оборудования и схемы установки помимо снижения стоимости самого оборудования существенно снижает затраты и время на СМР, а также сохраняет отработанные, привычные обслуживающему персоналу принципы эксплуатации насосной станции мокрой потерны.

В ходе нескольких совещаний с представителями Волжской ГЭС, АО «НИИэлектромаш», ООО «ЭнергоФронт» и АО "Институт Гидропроект" данное техническое решение было утверждено всеми участниками для реализации на Волжской ГЭС.

Разработанное ООО «ЭнергоФронт» техническое решение является наиболее оптимальным для ГЭС аналогичной конструкции, с точки зрения экономичности и достигаемого эффекта-увеличения безопасности и надежности работы станции.

Проектные достижения