Электрические пещеры
В «Энерговекторе» мы уже рассматривали гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС). В № 5 за 2012 г. речь шла о традиционных наземных станциях, которым необходимы два открытых водохранилища - верхнее и нижнее, соединённые наклонными напорными водоводами. Такой вариант станции, кроме очевидных достоинств, обладает рядом существенных недостатков. Главный из них - неприменимость в тех регионах нашей страны, где ГАЭС наиболее востребованы, из-за отсутствия рельефа, позволяющего создать высокий напор воды (500, 1000 м и более). Так, перепад высот у практически единственной в России действующей Загорской ГАЭС не превышает 200 м. А энергоёмкость потока воды, вращающего турбины ГАЭС, определяется не только её объёмом, но и напором, то есть высотой столба. И если проектировщики могли бы увеличить перепад высот на Загорской ГАЭС до 1000 м, для её работы потребовалось бы в пять раз меньше воды.
Тоннели вместо гор
А можно ли разместить нижний бассейн вместе с гидромашинами (турбогенераторами и насосами) и другим оборудованием под землёй, на значительной глубине? Вообще говоря, идея строительства гидроузлов в подземных сооружениях не нова. Во многих странах существуют гидротехнические тоннели, шахтные турбинные водоводы, уравнительные шахты и резервуары, подземные машинные залы, камеры затворов и трансформаторные, наконец, подземные бассейны ГАЭС. В мире насчитывается более 400 подземных ГЭС и ГАЭС. Самое интересное, что расчётные затраты на строительство наземных и подземных вариантов станций отличаются не более чем на 5-10%, причём как в ту, так и в другую сторону.
При этом подземная компоновка станций имеет следующие преимущества:
* компоновочные: минимальные нарушения природной среды, сокращение длины напорных водоводов, защита сооружений от неблагоприятных природно-климатических и инженерно-геологических явлений и процессов, удешевление эксплуатации;
* конструктивные: облегчение конструкций и снижение удельного расхода бетона за счёт использования несущей способности скального массива;
* технологические: возможность применения единых технологических схем производства работ, не зависящих от климатических условий.
Глубинная анатомия
Рассмотрим основные элементы подземной ГАЭС.
Водоприёмник (поверхностный или глубинный). Это напорный или безнапорный тоннель переменного сечения, проложенный в бортовом склоне водохранилища и перекрытый на входе затворами и сороудерживающими решётками. Площадь его поперечного сечения на входе определяется допустимыми скоростями движения воды перед сороудерживающими решётками. По мере заглубления в массив она плавно уменьшается до площади сечения деривационного водовода. Водоприёмник используется и в качестве водовыпуска при работе ГАЭС в насосном режиме.
Деривационный тоннель - это протяжённый гидротехнический тоннель, предназначенный для подвода или отвода воды и создания напора на гидроагрегаты. Деривационные тоннели бывают верховые и низовые. Первые используются для подвода воды к гидроагрегатам и отвода воды в насосном режиме ГАЭС; вторые - для отвода воды в турбинном режиме и её подвода в насосном. При использовании глубинного водоприёмника верховая деривация выполняется напорной и в конце сопрягается с уравнительным резервуаром. При применении поверхностного водоприёмника подводящий тоннель проектируется безнапорным. Выбор типа отводящего тоннеля определяется диапазоном колебания уровня воды в нижнем бьефе гидроузла.
Энергетические водоводы используются для распределения водного потока от подводящего тоннеля к гидроагрегатам.
Уравнительные резервуары - шахты, размещаемые как на подводящих, так и на отводящих деривационных водоводах для их защиты от гидравлических ударов. Причиной изменения давления может быть изменение режима работы станции, внезапная остановка турбины, различные нештатные ситуации.
Аэрационные шахты предназначены для подачи воздуха в водоводы в случае их отключения от водоприемника, для поддержания атмосферного давления на поверхности воды при колебании уровня в уравнительном резервуаре, для обеспечения гарантированной работы безнапорного деривационного тоннеля большой протяжённости в безнапорном режиме, для подачи чистого воздуха с поверхности в подземные машинные залы, камеры затворов, трансформаторные и пр.
Подземный нижний бассейн используют для накопления воды, прошедшей через турбоагрегаты станции в генераторном режиме её работы. Этот бассейн представляет собой крупную камерную выработку пролётом около 20 м и высотой около 30 м, расположенную на значительной глубине (порядка 1-1,2 км) под землёй, либо систему протяжённых параллельных безнапорных тоннелей, объединённых общей сборной галереей. Существуют также системы круговых или перекрёстных тоннелей и другие варианты компоновки.
Подземный машинный зал предназначается для размещения и обслуживания основного гидросилового оборудования (гидротурбин, генераторов, насосов, повышающих трансформаторов). Размеры таких залов определяются характеристиками основного гидросилового и гидромеханического оборудования. При неблагоприятных геологических условиях проектировщики вынуждены уменьшать пролёт выработки, что, в свою очередь, ведёт к изменению мощности и размеров основного энергетического оборудования или к увеличению числа агрегатов при фиксированной установленной мощности станции.
Кроме инженерно-геологических условий на габариты подземного машинного зала влияет размещение силовых трансформаторов и затворов на турбинных водоводах. Существуют два основных варианта компоновки машинного зала. В одном случае в нём размещаются только гидроагрегаты. Силовые трансформаторы выносят на поверхность земли либо размещают под землёй в отдельной камерной выработке; затворы на энергетических водоводах совмещают с водоприёмниками или также размещают в отдельных помещениях. Во втором случае в машинном зале устанавливают силовые трансформаторы или затворы на подводящих водоводах, либо вместе и то, и другое.
Помещения силовых трансформаторов предназначены для размещения повышающих трансформаторов. Эти выработки должны располагаться как можно ближе к машинному залу и сообщаться с ним кабельными тоннелями или шахтами. Наземное или подземное размещение трансформаторов определяется расстоянием от машинного зала до поверхности земли. При удалении гидрогенераторов от трансформаторов на расстояние более 100-200 м резко возрастают потери на передачу электроэнергии. В этом случае для трансформаторов проектируют отдельные камерные выработки, по размерам соизмеримые с машинным залом. Силовые трансформаторы могут также располагаться в верхней части низового уравнительного резервуара, в специальных нишах в скальном массиве, примыкающем к машинному залу, а также под полом машинного зала между генераторами.
Помещения затворов располагают за глубинным водоприёмником и уравнительным резервуаром, перед машинным залом на энергетических водоводах, за машинным залом на отсасывающих трубопроводах. Эти выработки соединяются с поверхностью посредством тоннелей или шахт для подвоза оборудования и доступа персонала.
Половина работы уже сделана
Значительно снизить стоимость строительства подземных ГАЭС можно, использовав заброшенные рудные разработки. В России, например, они существуют уже много десятилетий на территории Курской магнитной аномалии (КМА). В 1990-х годах был разработан проект строительства крупной подземной ГАЭС с использованием старой Губкинской шахты на Коробковском железорудном месторождении КМА. Там на глубине 260 м находятся отработанные шахты и штольни общим объёмом около десяти миллионов кубометров, пригодные для применения в качестве нижнего бассейна подземной ГАЭС. По объёму они немного не дотягивают до Саратовского водохранилища, которое питает Балаковскую ГЭС. Проект предусматривал строительство Губкинской ГАЭС мощностью не менее 1200 МВт, а это более половины мощности Куйбышевской ГЭС - одной из крупнейших на Волге. При этом расчётные капитальные затраты на строительство оказались очень невелики по всем стандартам: не более 600 долл. за киловатт мощности.
Читайте другие наши материалы
