КПД инженерной мысли

Приливная энергетика, или энергия приливов, не только красиво называется и при произнесении вслух ли, про себя ли вызывает широкий ассоциативный ряд, но и является сегодня самым освоенным видом возобновляемых и экологически чистых источников энергии (ВИЭ).

Необходимость перехода на возобновляемые источники энергии закреплена в энергетической стратегии Российской Федерации, которой предусмотрено обеспечить до 2020 года производство энергии за счет ВИЭ на уровне 4,5% от общего объема выработки. Дальнейшее увеличение доли энерговыработки за счет ВИЭ обеспечит гармонизацию энергетического развития страны и может стать залогом ее энергобезопасности на долгие годы.

Главное положительное качество приливной энергии – возобновляемая постоянная величина в любом месяце года вне зависимости от природных условий и других факторов (в отличие от речной энергии, резко уменьшающейся в маловодные годы). Приливная энергия, отбираемая приливными электростанциями при отсечении плотиной морских заливов, экологически чистая для флоры и фауны и безопасна для человека (в отличие от угрозы возникновения волны прорыва и затопления земель на ГЭС, выбросов тепловых электростанций (ТЭС) и радиационной опасности АЭС).

Запасы приливной энергии Российской Федерации сопоставимы с речным гидроэнергетическим потенциалом страны и сосредоточены в основном в нескольких створах на побережьях Белого, Баренцева и Охотского морей.

При явном и объяснимом интересе к приливной тематике в стране и в мире ее развитие длительное время сдерживалось в первую очередь из-за негативного влияния значительных капитальных затрат на строительство гидросооружений и необходимости создания развитой инфраструктуры на месте эксплуатации станции. Не добавляли оптимизма сторонникам развития приливных станций и высокая стоимость и техническая сложность комплектации станции оборудованием при относительно низком КПД (37%) альтернативных ортогональных турбин двойного действия. Мировой финансовый кризис и дефицит больших и длинных денег, казалось бы, должны были задвинуть тему развития приливных станций в долгий ящик, но техническая мысль и логика развития энергоэффективных и энергосберегающих технологий в период мировой рецессии внезапно открыли новый угол взгляда на эту проблематику. Кризис и мир после кризиса, кризис как шанс, как время обновления – именно такой импульс получило развитие ВИЭ в общем и приливных станций в частности в России, и сегодня именно наша страна обладает уникальной возможностью вернуться к решению задачи широкомасштабного использования приливной энергии. Вектор развития ПЭС в России обретен за счет разработки и внедрения оригинальных технических решений, к числу которых относятся: создание новых строительных и конструкционных материалов, в полной мере соответствующих требованиям, предъявляемым к конструкциям и оборудованию ПЭС, а также способов антикоррозионной защиты и защиты от биологического обрастания. Этому новому импульсу способствует и рабочая разработка способа строительства крупных гидросооружений с использованием плавучих металло-бетонных блоков заводского изготовления. Создана более простая и дешевая, чем осевая, ортогональная гидротурбина, которая используется на станциях этого типа. Главным фактором можно назвать наличие расчетных обоснований возможности увеличения КПД ортогональных турбин до 70–75%. Перечень можно закрыть разработкой модели работы приливной электростанции в составе большой энергосистемы с полной компенсацией ее дискретной выработки.



В 60-х годах на Кислой губе Баренцева моря была введена в эксплуатацию первая в России приливная электростанция – экспериментальная Кислогубская ПЭС. В одном из двух ее водоводов был установлен капсульный гидроагрегат французского производства. Второй водовод был тогда специально зарезервирован для отечественного гидроагрегата нового типа. В 2004 году северодвинские корабелы вместе с московскими учеными создали гидроагрегат мощностью 0,2 МВт с ортогональной горизонтальной турбиной с диаметром рабочего колеса 2,5 м, который был смонтирован в свободном водоводе ПЭС «Кислогубская» и успешно прошел испытания в натурных условиях электростанции.

Продолжением этих работ стал совместный проект РАО «ЕЭС России» и ОАО «ПО «Севмаш» по созданию экспериментального наплавного энергоблока (НЭБ) со встроенным в него ортогональным гидроагрегатом мощностью 1,5 МВт с диаметром рабочего колеса турбины 5 м (ОГА-5).
Инженерами ОАО «ПО «Севмаш» были выполнены технический и рабочий проекты наплавного энергоблока (проект «Малая Мезенская ПЭС»), в конструкции гидроагрегата которого был учтен опыт эксплуатации ОГА-2,5 Кислогубской ПЭС. Вся документация, учитывая специфику объекта, прошла процедуру одобрения Российским морским регистром судоходства (РМРС). Научное руководство работами традиционно осуществляли специалисты ОАО «НИИЭС».

В крайне сжатые сроки был определен конструктив корпуса блока габаритами 33 м × 10 м × 15,35 м, произведены необходимые расчеты с учетом планируемых нагрузок, найдены схемно-компоновочные решения основного оборудования и электромеханических систем, выполнен подбор оборудования для их комплектации.

Проекты разового морского перегона наплавного энергоблока к месту эксплуатации и установки его на твердое основание были разработаны специалистами ОАО «ПО «Севмаш» с учетом необходимости выполнения всех морских операций в условиях высоких широт в осенне-зимний период года и согласованы с РМРС.



Через восемь месяцев после начала строительства в январе 2007 года осуществлены вывод блока на акваторию предприятия и последующий уникальный для северных широт перегон блока на место эксплуатации.

После промера глубин, водолазного обследования гидротехнического основания, очистки дна от посторонних предметов, мешающих установке блока, научно-производственной фирмой «ГТ Инспект» по методикам ОАО «ПО «Севмаш» была выполнена регулировка временных упоров, обеспечивающих гарантированный зазор между НЭБ и ПЭС «Кислогубская» и произведено окончательное позиционирование блока.
5 февраля 2007 года в сложных метеоусловиях (температура воздуха минус 28 °С, скорость ветра 3 м/с) осуществлена посадка блока на гидротехническое основание. Операция проводилась в период отлива и длилась около шести часов.

Наплавной энергоблок успешно прошел необходимые испытания в составе Кислогубской приливной электростанции, которые проводили ученые ОАО «НИИЭС» совместно со специалистами «Колэнерго» и ОАО «ПО «Севмаш». Испытания показали, что КПД ортогональной турбины превысил 64% и есть реальные пути его увеличения. Дальнейшая опытная эксплуатация энергоблока в течение гарантийного периода показала отсутствие каких-либо серьезных недостатков и правильность всех реализованных в проекте конструктивных решений.

Еще одной значимой работой «Севмаша» в создании оборудования для энергетических объектов стало участие в проекте по восстановлению гидроэлектростанции Соловецкого монастыря. Данная работа является частью совместного проекта администрации Архангельской области, Минтопэнерго и компании «РусГидро» по модернизации системы энергообеспечения уникального культурного и природного комплекса Соловецкого архипелага.

В начале прошлого века на самотечном канале из Святого озера в Белое море была построена первая в регионе и единственная в хозяйстве русских монастырей гидроэлектростанция. Гидротурбина английского производства приводилась в движение водой, которая подавалась из озера по кованому водоводу. Машинный зал ГЭС отвечал всем требованиям техники и эстетики того времени: высокий потолок, окрашенный в светлые тона, кафельные полы. К сожалению, это интересное техническое сооружение во второй половине ХХ века было превращено в руины – от здания ГЭС частично сохранились стены и разбитая водяная турбина. Сегодня энергетические потребности острова обеспечивает дизель-генератор, а вырабатываемая им электроэнергия с учетом стоимости топлива и его доставки – золотая. Осенью 2006 года «Севмаш» приступил к проектированию и изготовлению оборудования для гидроэлектростанции Соловецкой обители в виде горизонтального ортогонального гидроагрегата мощностью 50 кВт. В состав гидроагрегата входят: поперечноструйная гидротурбина, редуктор, генератор, тормоз, водоводы, рама и площадки. Гидротурбина состоит из корпуса, внутри которого выварен пластинчатый дефлектор, формирующий поток воды на лопасти рабочего колеса, двух подшипников и собственно самого рабочего колеса диаметром 600 мм.



Все необходимое оборудование и металлоконструкции для восстановления Соловецкой ГЭС были изготовлены ОАО «ПО «Севмаш», испытаны и летом 2008 года отправлены на Соловки. В настоящее время дирекция Соловецкого музея-заповедника занимается восстановлением электростанции.
Опыт успешной реализации проектов Кислогубской ПЭС, Малой Мезенской ПЭС и Соловецкой ГЭС позволил начать проектные работы по Северной (губа Долгая Баренцева моря) и Мезенской (Мезенский залив Белого моря) ПЭС.

Основной (генерирующий) элемент Северной ПЭС – наплавной железобетонный энергоблок мощностью 12 МВт. Комплектуется тремя ортогональными гидроагрегатами с трехъярусным расположением рабочих колес и устанавливается на тех же отметках основания, которые существуют в базовых створах Мезенской и Тугурской ПЭС.

По сути, ПЭС «Северная» является прототипом будущей Мезенской приливной электростанции, и результаты ее создания и эксплуатации позволят подтвердить возможность практического осуществления проекта, обосновать инвестиционную привлекательность этой крупной ПЭС. Северная и Мезенская ПЭС в настоящее время рассматриваются как неоспоримые приоритеты национальной приливной энергетики.

В 2008 году по техническому заданию ОАО «НИИЭС» специалисты проектно-конструкторского бюро ОАО «ПО «Севмаш» выполнили разработку технического и рабочего проектов трехъярусных ортогональных гидроагрегатов с вертикальным валом для энергоблока Северной ПЭС. За считанные месяцы были произведены необходимые расчеты основных элементов и узлов агрегатов с учетом планируемых нагрузок, найдены компоновочные решения по размещению оборудования, выполнены многочисленные проработки в поисках наиболее приемлемого варианта конструкций, определен их типовой облик.

Каждый из трех ортогональных агрегатов, несмотря на схожий облик, имеет в своем составе по три гидротурбины, различающиеся конструкцией рабочих колес. Такое решение продиктовано необходимостью на практике подтвердить теоретические расчеты эффективности их применения в составе гидроагрегатов с целью последующего серийного использования в комплектации энергоблоков приливной электростанции в Мезенском заливе.

С целью улучшения гидродинамических характеристик оборудования на валу рабочих колес турбин гидроагрегатов ПЭС «Северная» предусмотрены обтекатели каплевидной формы, устанавливаемые на подшипниках скольжения. Конструкция гидроагрегатов позволяет в процессе эксплуатации осуществлять обслуживание и ремонт наиболее важных узлов изделия на месте в условиях станции.

Продвижение проекта Мезенской ПЭС становится исключительно важной задачей в реализации энергетической стратегии России. Сегодня можно уверенно констатировать, что на завершающей стадии проектирования трехъярусного гидроагрегата ОГА-5 для ПЭС «Северная» найдены все основные компоновочные решения типового ортогонального гидроагрегата для комплектации энергоблоков крупных ПЭС. Спроектированная конструкция технически реализуема на ОАО «ПО «Севмаш», и основные конструктивные решения и технические характеристики гидроагрегата ОГА-5 подтверждены циклом испытаний и опытной эксплуатацией на ПЭС «Кислогубская». Опыт эксплуатации трехъярусных ортогональных гидроагрегатов на ПЭС «Северная» позволит окончательно довести их конструкцию до требований, удовлетворяющих условиям работы ПЭС «Мезенская».

Создание объектов отечественной приливной энергетики, безусловно, является новым инновационным направлением деятельности российской науки и промышленности, успешное продвижение которого обеспечит энергетическую независимость страны в обозримом будущем.