Кто ест киловатты по ночам

Ирик Имамутдинов
19 марта 2012, 00:00

Развитые энергетические системы не могут обойтись без гидроаккумулирующих электростанций. Россия игнорировала мировой тренд и теперь вынуждена наверстывать упущенное

Фото: ИТАР-ТАСС
Развитые энергетические системы не могут обойтись без гидроаккумулирующих электростанций

Интервью откладывалось. Заседание штаба строительства 2-й Загорской гидроаккумулирующей электростанции (ЗаГАЭС-2) шло уже на три часа дольше запланированного, и в ожидании топ-менеджеров Алексея Маслова, заместителя председателя правления «Русгидро», и Владимира Магрука, совмещающего должности директоров действующей ЗаГАЭС и строящейся рядом с ней ЗаГАЭС-2, мы неторопливо объезжали по заснеженным мартовским дорогам обе станции. Расположены они на небольшой реке Кунья, за Сергиевым Посадом, в сотне километров к северо-востоку от Москвы. «Что-то особенное происходит сегодня на штабе?» — спрашиваю я у сопровождающей нас Анны Бутусовой, пресс-секретаря станции. Нет, обычная текучка, традиционный разнос подрядчиков.

Первую очередь ЗаГАЭС-2 собираются пустить к Дню энергетика, в конце этого года. Но сейчас, когда смотришь со стометровой высоты дамбы будущего верхнего бассейна на муравейник стройки; разглядываешь единственный полностью забетонированный водовод — а всего их должно быть четыре; когда обходишь недостроенный машинный зал, тщетно обдуваемый тепловыми пушками, слишком слабыми для такого большого, открытого всем ветрам помещения, где в морозном неуюте лежат два многотонных гидравлических колеса, — одним словом, сейчас совсем не верится, что в декабре здесь вообще что-то можно будет запустить в работу. Пытаюсь поделиться своими сомнениями с рабочими, возящимися с оплеткой арматуры бетонной стены будущего машзала. Товарищей врасплох не застать. Оказывается, подобные сомнения гидростроители просто игнорируют — моему пессимистичному любопытству противостоит их профессиональное суеверие, накладывающее табу на любое высказывание относительно сроков окончания строительства объекта. В утешение мне монтажники уверенно обещают, что на открытие станции приедет сам президент Путин, а для него, как известно, все всегда делается вовремя.

О пользе отрицательного КПД

Гидроаккумулирующие станции — забавные на первый взгляд системы. В ночные часы ГАЭС использует «избыточную» электроэнергию, вырабатываемую недогруженными электростанциями для перекачивания насосами воды из нижнего водоема в верхний, аккумулирующий, бассейн. В периоды пиков нагрузки, наоборот, вода из верхнего бассейна по трубопроводу подводится к гидроагрегатам ГАЭС, включенным на работу в турбинном режиме, выработанная при этом электроэнергия отдается в сеть, а вода накапливается в нижнем водоеме. Понятно, что вырабатывают ГАЭС электричества меньше, чем потребляют, то есть работают с отрицательным КПД. Эффективность в минус 20% считается отличным показателем, у Загорской ГАЭС с ее невысоким равнинным напором КПД минус 25% — тоже неплохой результат. Сам этот факт противоречит, казалось бы, любой экономической и технической логике, между тем таких станций в мире построено более 460, и их общая мощность, по данным International Energy Statistics, превышает 104 млн кВт. Это у нас в стране мощность ГАЭС составляет 0,5% от всей установленной мощности, а во Франции и Германии — около 4%, в Японии, к примеру, почти 8%, а в Австрии и вовсе 20%. Китай всего за одно десятилетие ввел более 6 млн кВт гидроаккумулирующих мощностей. Для чего же они нужны?

Есть такой технический трюизм: момент производства электрической энергии должен совпадать с моментом ее потребления. Как только это равновесие нарушается, в сети возникают неполадки, а у генератора и потребителя — неприятности. Если производимый объем электроэнергии превосходит потребляемый, то параметры сетевого электрического тока начинают прыгать: повышается частота, растут уровни напряжения. На роторе машины уменьшается тормозной момент, и турбогенератор идет вразнос, заставляя срабатывать автоматику, которая уменьшает мощность, выдаваемую машиной, и при худшем варианте развития событий — к счастью, такое случается нечасто — останавливает ее, сажая весь энергоблок «на ноль», а потребителя оставляя и вовсе ни с чем.

Когда, наоборот, потребляется электроэнергии больше, чем генерация может обеспечить, проблем также хватает: частота и напряжение падают, что в условиях дефицита производства электроэнергии и плохого регулирования баланса между производством и потреблением случается нередко. По этому поводу энергетики всегда вспоминают анекдот из советских времен: частота в сети все время 49,7 герца, и ЦК КПСС принимает решение поднять, но частота не поднимается. Владимир Магрук рассказывает быль из более близкого прошлого. Капиталисты, по его словам, купили в Орехове-Зуеве ткацкую фабрику, обновили ее, но вопреки всем модернизациям и навороченным бизнес-планам она недодавала 3% ткани в год. Стали разбираться, и оказалось, что частота в сети всегда была меньше номинальной, поэтому электродвигатели крутились медленнее положенного, в результате чего станки и теряли в производительности.

Все прекрасно понимают, говорит Магрук, что можно обеспечить безопасность и гарантированное электроснабжение и поддерживать качество самой электроэнергии, только имея сбалансированную энергетику, где должно хватать мощностей, которыми можно оперативно маневрировать — быстро подключать их к сети и так же быстро отключать от нее по мере необходимости. Возникающий дисбаланс между производством и потреблением электроэнергии нужно регулировать — чем-то таким, что функционирует в противофазе работе энергосистемы: когда есть избыток мощности, может ее «съесть», а когда мало — добавить. Из-за инерционности работы и низкой маневренности крупные энергоблоки для этого не годятся. Регуляторы, у нас это Системный оператор, даже в периоды ночного провала потребления стараются избегать дорогостоящих отключений или маневрирования мощными ТЭС и АЭС. Для этого есть маневренные газотурбинные станции (их можно завести за 15–20 минут до номинальной мощности), так называемые пиковые тепловые и самые быстрые в управлении — гидравлические и гидроаккумулирующие станции. У ГТЭС и пиковых ТЭС небольшая мощность и технически ограниченный ресурс на циклы «включение—выключение». ГЭС почти идеально подходят для регулирования мощности, так как могут работать в пике потребления, а на его провале быстро отключаться. Но и водные, и территориальные ресурсы, необходимые для строительства гидроэлектростанций в развитых странах и в европейской части России, выбраны, и их доля в региональных энергосистемах все время снижается, соответственно понижая и безопасный уровень доли маневренных мощностей. ГАЭС же занимают в сравнении с ГЭС мало места, и площадок для их строительства еще хватает — поэтому в отличие даже от малых ГЭС их продолжают возводить и в Западной Европе, и в Японии. Гидроаккумулирующие станции обладают еще одним несомненно важным качеством, присущим только им: диапазон регулирования более чем вдвое превышает их установленную мощность по номиналу за счет умения не только производить электроэнергию в пик потребления, но и поглощать ее в часы ночных провалов, аккумулируя для последующей выработки, — причем в объемах мощности, сопоставимых с мощностью региональной энергосистемы, это могут делать только ГАЭС.

Дочка прядильно-энергетического комплекса

Первые гидроаккумулирующие комплексы, устраиваемые в горах в Швейцарии и Италии в 80–90-х годах еще позапрошлого столетия, создавались при фабриках для обеспечения приводов прядильных и ткацких станков удобной энергетикой — если ее не могла обеспечить проточная вода. Своим появлением в это время они обязаны не столько электричеству, сколько распространению мощных, способных поднять воду на десятки метров центробежных насосов — сперва на паровом, а с начала XX века и на электрическом приводе. Напор гидроаккумулирующей установки Леттем в Швейцарии, заработавшей в 1882 году и считающейся первым сооружением такого рода в мире, к примеру, превышал 150 метров. Работали подобные сооружения так: ночью или в выходные дни через водовод воду закачивали из нижнего бассейна в верхний. В рабочее время створки верхнего водоема открывались, и вода текла в обратном направлении, запасенная ее энергия срабатывалась на лопастях турбин, расположенных у кромки нижнего водоема, вал которых служил приводом движителей различных станков, а вода сливалась обратно в нижний бассейн. Позже энергетикам оставалось только срисовать общую схему устройства ГАЭС с этих прядильно-энергетических комплексов.

В 1912 году в Германии, Австрии и Италии насчитывалось уже семь ГАЭС с единичной мощностью агрегатов до 3 МВт, служивших в целях наполнения водохранилищ для увеличения выработки ГЭС. В первой половине XX века они понемногу набирали популярность, абсолютный же рост числа ГАЭС в мире пришелся на послевоенные годы. Достоинства гидроаккумулирующих электростанций как надежного источника маневренной мощности предопределили их быстрое развитие в 1960–1970-е годы. Во многом это развитие завязывалось на грандиозные планы строительства атомных энергоблоков и тепловых электростанций с блоками большой единичной мощности. Скачок числа ГАЭС — с 72 в 1960 году почти до 280 в 1980-м — происходил не только из-за расширения сети атомных электростанций. По словам заместителя председателя правления «Русгидро» Алексея Маслова, всегда существующая в энергосистемах неравномерность графика производства и потребления электроэнергии ярче всего выражена в так называемых центрах нагрузки — мегаполисах, в местах концентрации промышленных предприятий. Здесь особенно важно наличие мощных маневренных электростанций. Их недостаток повышает риск региональных блэкаутов. Так, в 1965 году на северо-востоке США резкий скачок потребления оказалось нечем компенсировать, из-за чего отключились сразу несколько ЛЭП, большинство электростанций в регионе сели «на ноль», и многие города, включая Нью-Йорк, на долгие часы остались совсем без электричества. После этого случая в непосредственной близости от мегаполиса начали строить сразу четыре ГАЭС общей установленной мощностью в 4,6 млн кВт.

Первую очередь ЗаГАЭС-2 собираются пустить в конце этого года exp_794_056.jpg Фото: Олег Слепян
Первую очередь ЗаГАЭС-2 собираются пустить в конце этого года
Фото: Олег Слепян

В 1990-х годах спад строительства АЭС и реформирование электроэнергетики, проведенное в ряде стран с либерализацией рынка и разделением сетевых услуг и генерации (вскоре по похожему сценарию пошла и Россия), привели к стагнации в развитии ГАЭС, ставших с точки зрения таких преобразований маргинальными предприятиями. Из-за того, что чистая выработка электроэнергии таких станций отрицательная, их не хотели относить к генераторам, но они не имеют никакого отношения и к сетевикам. Со временем положение удалось выправить за счет механизмов госрегулирования, но в России похожая ситуация с маргинальным статусом ГАЭС сохраняется и сегодня.

Любопытно, что Советский Союз, который считался безусловным мировым технологическим лидером в области электроэнергетики, в деле создания технологий гидроаккумулирования плелся в самом хвосте. Первая в стране Кубанская ГАЭС (19 тыс. кВт) была построена только в 1960-х годах. Но ее нельзя отнести к классическим ГАЭС, которые предназначены для работы именно в пиковых частях суточного графика нагрузок, так как ее строили для сезонного регулирования уровня воды Кубанского водохранилища. В 1970 году была пущена небольшая Киевская ГАЭС. Долгое отсутствие внимания к гидроаккумулирующим станциям объясняется принципиальным отличием энергосистемы СССР от других энергосистем, объясняет Алексей Маслов, а именно тем, что она могла управляться директивно, поэтому сам характер потребления электроэнергии был более ровным, чем сейчас. Чтобы не было ночных провалов потребления, предприятия, к примеру, вынуждали работать в третью смену, даже если этого не требовали технологические циклы. Больше загружали ночью энергоемкие производства: металлургию, химию. К тому же существовала возможность, пусть и ограниченная, межсистемных перетоков электроэнергии, благодаря той же разнице в часовых поясах. Существенную роль в регулировании суточного энергобаланса играл тогда Волжско-Камский каскад ГЭС. До определенного времени все это в значительной степени решало проблемы возникающих дисбалансов между производством и потреблением электроэнергии. Но уже к 1970-м годам, рассказывает Владимир Магрук, ставилась задача по подготовке строительства целой сети мощных ГАЭС на территории всей европейской части страны. В 1970-е институт Гидропроект и его подразделения изучили и выбрали два десятка потенциальных площадок под строительство ГАЭС. Была разработана вся техническая документация на шесть ГАЭС суммарной мощностью около 9 млн кВт, велась работа еще по семи крупным станциям общей мощностью 17 млн кВт. Эти документы дали отмашку Ленинградскому металлическому заводу и свердловскому «Уралэлектротяжмашу» для начала работ над совершенно новым для наших энергомашиностроителей оборудованием ГАЭС. Но надо сказать, что энергосистема страны, даже в европейской части, имела резервы прочности, достаточные для того, чтобы власти могли не беспокоиться, поэтому решение о каком-то форсированном развертывании ГАЭС не принималось. Первую на территории России классическую Загорскую ГАЭС было решено строить в 1974 году, начались изыскательские работы. К строительству же основных сооружений приступили только в 1980-м году. Почти в то же время началось возведение мощных Круонисской ГАЭС в Литве и Ташлыкской — на Украине, технологически завязанных на работу Игналинской и Южно-Украинской АЭС.

Наследие инженерной настырности

О ЗаГАЭС мне рассказывает ее директор Владимир Магрук. Технократ до мозга костей, он на станции с 1984 года и пускал все ее блоки — видно, человек не пообвыкся, не затерся в профессии, а по-настоящему любит свою станцию, технику.

К концу 1970-х годов в Московском регионе сложилось особо острое положение дел с маневренными мощностями. Считается, говорит Магрук, что доля маневренных установок — гидроэлектростанций, ГАЭС, пиковых ТЭС — в крупных энергосистемах должна составлять не менее 12% от общей мощности электростанций. К моменту начала строительства станции эта доля в Московской энергосистеме не превышала 5%. Поэтому именно Мосэнерго стало застрельщиком проекта, который во многом реализовался благодаря энтузиазму и профессиональной настойчивости Нестора Ивановича Серебряникова, главного инженера, а потом и генерального директора Мосэнерго. Первый блок станции был пущен в 1987 году. Но на последнем этапе ЗаГАЭС строилась очень тяжело. После развала Союза бюджетное финансирование прекратилось, и Мосэнерго, в чью структуру входила ЗаГАЭС, пришлось привлекать кредиты для достройки станции, которая в результате вышла на проектную мощность только в 2000 году.

Загорская ГАЭС с двумя водохранилищами и всеми строениями занимает всего 974 гектара, рассказывает Владимир Магрук. Так что ГАЭС — достаточно компактное сооружение, говорит он, не такое, как тепловая станция, но, конечно, гораздо компактнее, чем ГЭС. К тому же гидроаккумулирующая электростанция построена там, где земля никак не использовалась, а ее нижний бассейн вообще обустроен на месте непригодных к хозяйственной деятельности болот. Интересуюсь, можно ли ГАЭС той же мощности устроить на меньших площадях. Можно, в мировой практике известны и другие компоновки, когда в качестве нижнего бассейна используются места выработок шахт, карьеров, такие станции очень распространены в США и Японии. В Мособлгидропроекте в свое время даже прорабатывался, вспоминает Владимир Магрук, вариант станции с нижним бассейном (верхним должна была служить Москва-река) на глубине 1000 метров, с просверливанием спиралевидной шахты. Представьте, говорит Магрук, что здесь у нас, по сути на равнинной территории, напор 100 метров, и нужно 22,5 млн кубометров воды, чтобы в течение четырех часов выдавать электроэнергию всеми гидроагрегатами. Но если бы напор был, к примеру, 700 метров, а многоступенчатые технологии подачи больших объемов воды на такую высоту очень хорошо развиты в Италии, Австрии, в Швейцарии, то необходимый оборотный объем воды для нашей станции уменьшился бы в пять раз — примерно до 4 млн кубов. За счет такой высоты напора энергоемкость воды становится очень высокой, а ее удельный расход — весьма скромным, это позволяет создать компактную станцию высокой мощности.

Директор Загорской ГАЭС и генеральный директор Загорской ГАЭС-2 Владимир Магрук exp_794_057.jpg
Директор Загорской ГАЭС и генеральный директор Загорской ГАЭС-2 Владимир Магрук

Машинный зал Загорской ГАЭС, по которому мне устроили экскурсию, на непрофессиональный взгляд мало чем отличается от помещений любой другой ГЭС, по крайней мере тех, на которых я побывал. Но начинка тут принципиально другая. На станции установлено шесть обратимых, или реверсивных, гидроагрегатов. В отличие от своих чисто гидротурбинных собратьев, предназначенных для ГЭС, они могут работать не только как гидротурбины, приводящие в движение генераторы, но и как насосы, нагнетающие воду в верхний бассейн станции. В генераторном режиме вместе они выдают мощность 1,2 млн кВт, в насосном, наоборот, съедают 1,32 млн кВт. Это большие мощности, для сравнения: установленная мощность всех 15 электростанций Мосэнерго немногим превышает 12 млн кВт. Это специально разработанное для ЗаГАЭС оборудование, которое, пройдя здесь обкатку, должно было устанавливаться и на серии последующих таких же низконапорных гидроаккумулирующих станций. На Западе подобная техника уже существовала, с 1960-х годов там на ГАЭС стали устанавливать экономичные двухмашинные гидроагрегаты, на одном валу которых соединяются обратимая электрическая машина (двигатель-генератор) и обратимая же гидромашина: в зависимости от направления вращения они могли работать как насос или как турбина. Такая компоновка значительно экономит место и удешевляет процесс строительства по сравнению с отдельным обустройством насосов и гидротурбины, но само оборудование технологически очень сложное в освоении. Чтобы представить, какие трудности пришлось преодолеть разработчикам, достаточно сказать, что регламентное время подготовки всего гидроагрегата и раскрутки его рабочего колеса весом 103 тонны и диаметром в 6,3 метра в генераторном режиме составляет всего четыре минуты. В насосном режиме разгон занимает 10 минут, столько уходит на раскрутку этой махины автономным пускателем с уникальным частотным преобразователем мощностью 24 тыс. кВт до момента синхронизации машины по частоте с сетью, когда она начинает работать от этой сети в качестве электродвигателя. В новой ГАЭС используют такое же по габаритам оборудование, но каждый турбоагрегат будет мощнее примерно на 10% за счет применения более современных технологий и материалов.

Спасибо подпятнику

Как в свое время нью-йоркский блэкаут 1965 года стал толчком для запуска программы строительства ГАЭС в США, так и решение о строительстве ЗаГАЭС-2 было принято после оценки причин чагинского блэкаута в Москве в мае 2005 года. Рассказывают, что сразу после аварии Анатолий Чубайс вызвал председателя ГидроОГК Вячеслава Синюгина и потребовал от него начать строительство ЗаГАЭС-2. «Ко мне пришли и сказали, что одна уважаемая западная фирма (речь идет об Alstom. — Эксперт”), — вспоминает Владимир Магрук, — готова построить станцию “под ключ”, и спросили, как я смотрю на это дело. Если мы не хотим иметь своих инженеров и конструкторов, ответил я, пусть строят западные компании. Кому-то нравится, что нас воспринимали как страну третьего мира, а мне — нет, потому что я уважаю свою профессию и знаю: мы не третий мир, а в гидротехнике, пожалуй, и первый. Новый же объект потребует проектировщиков, конструкторов, инженеров, гидростроителей, поможет возродить их как класс профессионалов». Решение о заказе именно российского оборудования для станции было принято благодаря одной технологической детали. Когда был объявлен конкурс на генератор-двигатель, нашим инженерам в технические условия удалось вписать простое и очевидное для них требование: подпятник генератора должен быть на гидравлической опоре с фторопластовыми сегментами. Дело в том, что с конца 1970-х на всех генераторах большой мощности советского производства использовались именно такие подпятники. Фторопласт в отличие от распространенного баббита — легкого сплава на основе олова или свинца — мог работать при температуре 120 градусов (а не при 60, как баббит), не требовал отдельного насосного маслоагрегата, на профессиональном жаргоне — «клизмы», так как сам обладал достаточной скользкостью. К тому же он гораздо менее требователен в эксплуатации и обслуживании, его легко заменить, при использовании подпятника c фторопластовыми сегментами надежность работы гидроагрегата резко повышается, поэтому отказываться от этого достижения не захотели. Alstom генераторы с такими подпятниками не изготавливал, и заказ на гидроагрегаты ушел российским производителям.

Строительство ЗаГАЭС-2, начатое в 2007 году, шло очень нелегко, по ходу работ были отстранены четыре подрядчика. Похоже, сейчас дело заладилось, хотя понятно — по тому же штабу, который шел подряд девять часов, что класс профессиональных строителей еще не возродился, а само строительство управляется во многом в ручном, директивном режиме, как когда-то советская энергосистема. Рассказывают, что, когда строили первую загорскую станцию, висел плакат «Сдадим ЗаГАЭС в 1984 году!». Теперь, кроме как на сайте, на станции не увидишь ни одного упоминания о сроках окончания стройки. Когда новая ГАЭС полностью будет введена в эксплуатацию в 2014 году, весь Загорский комплекс с установленной мощностью более 2 млн кВт станет самой крупной электростанцией в Московском регионе. Но от разговора о сроках ввода ее первой очереди Владимир Магрук все же уклонился — думается, что только из суеверия.

Сейчас понятно, где еще стоит построить ГАЭС, — в Ленинградской, Тверской областях, на Кавказе. Изыскательские работы на этих площадках были проведены еще в советское время.

Недавно «Русгидро» приняло решение приостановить строительство новых гидроаккумулирующих станций, прежде всего Ленинградской ГАЭС, несмотря на то что она включена в Генеральную схему размещения объектов энергетики до 2020 года, одобренную правительством РФ. Связано это с неясным рыночным статусом ГАЭС и отсутствием механизмов инвестиционного регулирования в отношении таких станций (см. «Оцените ГАЭС по достоинству»).