Проектирование, строительство и эксплуатация ГЭС

Опыт возведения на глинистых и песчаных грунтах крупных бетонных напорных гидросооружений (канала имени Москвы, Свирских и Верхневолжских ГЭС) и полученные к началу 1950-х годов результаты исследований по проекту Куйбышевского гидроузла, обосновавшему возможность строительства на песчаном основании мощной бетонной водосливной плотины, позволили спроектировать использование водных ресурсов Нижней Волги с учетом строительства ГЭС на любых нескальных грунтах.

При выборе створа Сталинградского гидроузла были приняты во внимание особенности Волго-Ахтубинской поймы — ее затопление нанесло бы крупный ущерб сельскому хозяйству, в связи с чем, в первую очередь, изучались условия возведения гидроузла выше Волгограда, в непосредственной близости к городу, который после восстановления вновь становился крупнейшим промышленным центром страны.

Было намечено построить Сталинградский гидроузел, имеющий на тот момент более выгодные по сравнению с Саратовским водно-энергетические показатели.

6 августа 1950 г. на основании разработанной Гидропроектом схемы использования нижнего течения Волги было принято, а 31 августа опубликовано постановление Совета Министров СССР №3555 о сооружении в створе выше г. Сталинграда ГЭС мощностью 1,7 млн кВт с НПУ 30,0 и выработкой около 10 млрд кВт·ч электроэнергии в средний по водности год. Как и в отношении других волжских и камских гидроузлов, предусматривалось, что при строительстве Волжской ГЭС будут комплексно решены вопросы энергетики, водного речного и железнодорожного транспорта, а также орошения.

17 августа 1950 г. в соответствии с приказом № 0558 МВД СССР для обслуживания работ Сталинградгидростроя был создан Ахтублаг. Сталинградстрой и лагерь при нем возглавил знаменитый гидростроитель, начальник восстановления Днепровской ГЭС, генеральный директор 2 ранга электростанций Федор Георгиевич Логинов.

ГЭС проектировалась специализированными отделами Гидропроекта, судоходные шлюзы — его ленинградским отделением. Параллельно с проектными работами в научно-исследовательском секторе Гидропроекта и на открытой модели гидроузла — так называемой «малой ГЭС», построенной у подножия знаменитого Мамаева кургана в Сталинграде в пропорции 1:150, были развернуты исследования по выбору компоновки основных сооружений, производству работ по перекрытию русла Волги, гашению энергии в нижнем бьефе и др.

Поскольку Волгоградский гидроузел проектировался с учетом опыта, накопленного в ходе строительства и начальной эксплуатации Волжской ГЭС имени В.И. Ленина, проектировщикам удалось избежать многих «подводных камней» и принять ряд рациональных решений. Не случайно в 1956—1957 гг., после смерти Сталина и расформирования Ахтублага на строительство гидроузла, объявленное ударной комсомольской стройкой, потянулись вольнонаемные, в основном, с Куйбышевгидростроя. Во многом этому способствовала политика руководителя строительства. Впервые в истории отечественного гидростроения на Сталинградской ГЭС отказались от строительства временного жилья.

В 1950—1951 гг. силами заключенных Ахтублага начались разработка котлованов будущих гидросооружений, строительство Волго-Ахтубинского канала и жилья для вольнонаемных строителей гидроузла.

В мае 1951 г. проектное задание ГЭС было представлено в правительство. Экспертную комиссию Госстроя СССР возглавил доктор техн. наук, проф. К.А. Михайлов. А 3 мая 1952 г. Совет Министров СССР утвердил проектное задание Сталинградского гидроузла, в составе сооружений: ГЭС с 17 гидроагрегатами общей мощностью 1,785 млн кВт и выработкой электроэнергии около 10,0 млрд кВт·ч в средний по водности год (с дополнительным блоком для установки в дальнейшем 18-го гидроагрегата); бетонной и земляной плотин с устройством по ним железнодорожной и автомобильной дорог через Волгу; двух линий двухкамерных бетонных шлюзов с камерами 290x30 м и глубиной на порогах 4 м; Волго-Ахтубинского канала для обводнения р. Ахтубы, часть которой перекрывалась сооружениями гидроузла.

Проектным заданием предусматривалось также сооружение высоковольтных ЛЭП напряжениям 400, 220 и 110 кВ.

5 сентября 1954 г. в основание Сталинградского гидроузла уложен первый кубометр бетона.

Под защитой перемычек в сухих котлованах началось возведение здания ГЭС, водо­сливной плотины, судоходного шлюза и пойменного участка земляной плотины. Одновременно способом гидромеханизации велись работы по устройству подводящих и отводящих каналов.

В ноябре 1954 г. Ф. Г. Логинова назначают министром строительства электростанций. В 1956 г. стройку возглавил А.П. Александров, переведенный со строительства Куйбышевской ГЭС.

В проектировании и сооружении гидроузла приняли участие 11 ведущих научно-исследовательских институтов страны, а в общей сложности (помимо Гидропроекта и его филиалов) около 100 проектных институтов, НИИ, учебных заведений и заводских конструкторских бюро. Академия наук СССР неоднократно проводила на строительстве заседания по конкретным вопросам гидротехнического строительства.

В техническом проекте, утвержденном 21 сентября 1956 г. коллегией Министерства строительства электростанции СССР, предусматривалось вместо 18 гидроагрегатов мощностью по 105 тыс. кВт каждый установить 22 агрегата (в 1957—1958 гг., опираясь на результаты энергетических и кавитационных исследований, проведенных на крупномасштабной мо­дели гидроузла, и натурных испытаний, установленных к тому времени гидротурбин Волжской ГЭС им. В.И. Ленина, была выявлена возможность повысить мощность гидроагрегатов со 105 до 115 тыс. кВт, что увеличило установленную мощность Волгоградской ГЭС до 2563 тыс. кВт). Было предложено также построить отдельное сороудерживающее сооружение, а низкий машинный зал полуоткрытого типа заменить закрытым.

Впоследствии, с учетом опыта эксплуатации Куйбышевской ГЭС, в проекте Волгоградского гидроузла было дополнительно внесено строительство рыбопропускных сооружений: рыбоподъемника и межшлюзовой ГЭС с двумя гидроагрегатами общей мощностью 22 МВт.

Благодаря упрощению конструкций основных сооружений гидроузла и некоторым другим решениям в ходе рабочего проектирования удалось снизить его сметную стоимость на 7%. На удешевлении строительства сказался и новый партийный курс — «на устранение... всякого рода архитектурных излишеств и внедрение индустриальных методов строительства». Из проекта были убраны башни, шпили, скульптуры и прочие «украшения».

Из Технического отчета о проектировании и строительстве Волжской ГЭС им. ХХII съезда КПСС: «При строительстве Волжской ГЭС имени В.И. Ленина мощностью 2,3 млн кВт одновременно прокладывались линии электропередачи напряжением 400 кВ Куйбышев - Москва и напряжением 500 кВ Куйбышев - Урал. Это позволило объединить энергосистемы Центра, Поволжья и Урала и повысило надежность их работы. Однако в дальнейшем эти действующие гидроэлектростанции не смогут покрывать пиковую и полупиковую зоны суточных графиков нагрузок в Единой энергетической системе Европейской части СССР как в средние по водности, так и в маловодные годы. Значительную долю этой работы должна была взять на себя Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС, которая обеспечит заме­ну около 3,2 млн кВт мощности тепловых электростанций и станет крупнейшим регулятором мощности в Единой энергетической системе Европейской части СССР.

Для нормальной эксплуатации гигантского энергообъединения Европейской части СССР и поддержания в нем постоянной частоты переменного тока требуется специальный резерв мощности. Значительную долю резервных функций в системе должна выполнять Волжская ГЭС имени ХХП съезда КПСС. Суммарный резерв мощности на ней, необходимый для поддержания частоты тока и замены при необходимости агрегатов, работающих в Единой энергетической системе тепловых электростанций, мог достигать, по данным проектных проработок, 400-500 тыс. кВт (в маловодные годы) ...

Таким образом, Волжская ГЭС имени XXII съезда КПСС является не только крупнейшей гидроэлектростанцией Волжске Камского каскада, но до ввода в эксплуатацию Братской ГЭС на Ангаре бы­ла также в самой мощной гидроэлектростанцией в мире».

23 октября 1958 г. после возведения бетонных сооружений гидроузла и окончания навигации были затоплены котлованы. Волга перекрывалась в две очереди: сначала отсыпкой банкета было сужено основное русло, затем был перекрыт 300-метровый проран. 31 октября в 10 часов вечера Волга была перекрыта.

Чтобы ускорить ввод ГЭС на полную мощность, проектировщики и строители сделали немало нововведений. Так, при строительстве Волжской ГЭС, впервые в стране разработаны и применены вибрационные машины (катки, погружатели, молоты), крупноблочные и крупнопанельные керамзито-бетонные конструкции, гидровибробурение скважин и многие другие новые в гидростроительстве механизмы и технологии. Машинный зал (длиной свыше 730, шириной 24 и высотой 27 м) был полностью выполнен из сборного железобетона. Арматурные металлоконструкции. Гидроагрегаты и другое техно­логическое оборудование монтировались крупными элементами. При этом уровень комплексной механизации земляных, бетонных и монтажных работ со­ставил 97—100%. На монтажной площадке и в двух первых секциях ГЭС был организован поточный метод монтажа нескольких агрегатов одновременно. Не случайно, уже в декабре 1958 г. при частично наполненном водохранилище были пущены три первые гидроагрегата с диаметром рабочего колеса турбины 9,3 м, удостоенные в том же году Большого приза на Всемирной выставке в Брюсселе.

Именно 1958 год в истории строительства Сталинградского гидроузла был самым напряженным и ответственным. Если еще точнее, то время с 23 октября по 22 декабря. В этот короткий промежуток спрессовано несколько исторических событий: затопление котлована, перекрытие Волги и, на­конец, пуск первых гидроагрегатов ГЭС.

Практически одновременный, да еще и досрочный пуск агрегатов на год раньше установленного правительством срока создавал дополнительные трудности. Требовалась не только круглосуточная работа тысяч людей, но и неординарные организационные меры, технические решения.

По предложению главного инженера Сталинградгидростроя К. С. Иванова монтаж гидроагрегатов был начат с пятого, а место, отведенное под пер­вый, второй, третий и четвертый, использовано для расширения монтажной площадки. Это позволило вести укрупнительную сборку всех трех агрегатов одновременно. Собственно, монтаж как таковой пусковых гидроагрегатов начался в августе 1958 года укрупненными узлами весом до 730 тонн. Напряженно работали строители, монтажники «Гидромонтажа», «Спецгидроэнергомонтажа» и «Гидроэлектромонтажа». Без их ударного труда успех был бы невозможен.

Заводы-изготовители не поспевали за строителями, не могли обеспечить поставку проектного оборудования. В их числе был и Запорожский трансформаторный завод силовых трансформаторов, Всесоюзный электротехнический институт, изготовлявший, выпрямители ИВС-500, необходимые для возбуждения генераторов.

Из тупикового положения вышли так: приняли решение выдачу электроэнергии в Сталинградскую энергосистему произвести через временную группу силовых трансформаторов (поставка «Сталинградэнерго»), а возбуждение генера­торов осуществить от машинных возбудителей.

Только 5 декабря платформы с электрооборудованием для машинного возбуждения были поданы на монтажную площадку, монтаж начался немедленно.

И вот наступило 15 декабря 1958 года. Пятый агрегат и схема выдачи от него электроэнергии в Сталинградскую энергосистему подготовлены для пуска. Под шатром - столпотворение. Здесь собрались строители, монтажники, наладчики, эксплуатационники, руководители стройки, корреспонденты. Под вспышки фотообъективов и стрекот телекамер начальник электроцеха СГЭС А. А. Милютин поворачивает ключ управления - и 1400-тонная махина вращающихся частей гидроагрегата, словно нехотя, сдвинулась и стала медленно набирать обороты... Сталинградская ГЭС дала свой первый электрический ток! Сколько радости, аплодисментов, поздравлений!..

Но торжество было недолгим. Следивший за режимом работы гидроагрегата В. В. Охрименко с тревогой стал замечать повышение температуры подпятника. Когда она достигла аварийной отметки 90 градусов, он доложил об этом главному инженеру СГЭС М. А. Иванову.

Что делать? Ситуация экстраординарная. М. А. Иванов принимает самостоятельное решение: термоконтроль отключить. И агрегат продолжает работать уже без термоконтроля!

И только после праздничного мероприятия гидроагрегат остановили, подпятник демонтировали и приняли немедленные меры для его восстановления. Оказалось, всему причиной - некачественное масло и большое удельное давление на подпятник.

Подобного допустить в будущем ни в коем случае было нельзя. И на следующих гидроагрегатах - шестом и седьмом - ванны подпятников залили турбинным маслом марки УТ, а не компрессорным, как прежде, а также более тщательно вы­полнили шабровку и притирку на баббитовых сегментах под­пятников.

22 декабря 1958 года в 23 часа 45 минут пущен в эксплуатацию агрегат № 6, 24 декабря - агрегат № 5 после восстановления подпятника и 30 декабря - агрегат № 7.

«В первой половине 1959 года напряжение работ на строительной площадке не уменьшилось, так как к апрелю надо было подготовить к постоянной эксплуатации судоходные сооружения, - писал впоследствии начальник строительства Сталинградской ГЭС А.П. Александров. – В первом квартале 1959 года пришлось форсировать работы по судоходным сооружениям: шлюзам, аванпорту, креплениям откосов низового судоходного канала… Одновременно велись работы на всех сооружениях напорного фронта гидроузла с целью доведения их до начала весеннего половодья до отметки +27,00 м. Этот уровень был определен из условия пропуска паводка обеспеченностью 5% (47800м³/с) через 26 пролетов водосливной плотины с порогом, пониженным на 8 м против проектного, а также водосбросы и работающие агрегаты ГЭС. Предполагалось, что отметка воды в водохранилище при пропуске весеннего паводка будет 24 м.

Отличительной особенностью этого этапа явилось и наибольшее развитие работ по монтажу гидросилового и электротехнического оборудования. В 1959 году было смонтировано и введено в промышленную эксплуатацию 9 агрегатов вместо 5 по государственному плану. Достигнутая на Сталинградгидрострое высокая интенсивность монтажа гидроагрегатов способствовала выполнению обязательств коллектива гидростроителем смонтировать и ввести в эксплуатацию в 1960 году Волжскую ГЭС на полную проектную мощность за исключением одного опытного гидроагрегата.

Строительство сооружений, формирующих напорный фронт гидроузла со стороны верхнего бьефа до проектной отметки, было завершено в мае 1960 г. Уровень воды в водохранилище впервые достиг проектной отметки 17 июня 1960 г.

9 декабря 1960 года коллектив Сталинградгидростроя выполнил свои обязательства. К этому сроку все агрегаты ГЭС были введены в эксплуатацию. ГЭС достигла мощности 2415 тыс. кВт и стала крупнейшей электростанцией мира».

9 сентября 1961 г. ГЭС, работавшая уже на полную мощность, была принята государственной ко­миссией. По этому случаю в Волжском и Сталинграде состоялся всенародный праздник, очень похожий на торжества по случаю пуска Куйбышевской ГЭС.

За успешное выполнение задания по строительству ГЭС и большие достижения в развитии отечественного гидростроительства Управление строительства «Волгоградгидрострой» и «Гидропроект» им. С.Я. Жука были награждены орденами Ленина.

Орденами и медалями СССР отмечены 2013 проектировщиков и гидростроителей. Начальник строительства А.П. Александров стал дважды Героем Социалистического Труда. Звания героев были удостоены: главный инженер проекта Сталинградского гидроузла А.В. Михайлов, первый главный инженер Сталинградгидростроя А.Я. Кузнецов, электролинейщик треста «Волгоэлектросетьстрой» А.В. Деньжонков, бригадир комплексной бригады бетонщиков И.Г. Демейко, шофер Я. К. Музыка и бригадир И.П. Стриженок.

С 15 сентября по 10 октября 1961 г. правительственная комиссия под председательством президента Академии строительства и архитектуры СССР В.А. Кучеренко детально освидетельствовала все предъявленные к сдаче сооружения и устройства гидроузла.

В апреле 1962 г. Совмин СССР рассмотрел выводы правительственной комиссии и утвердил акт приемки сооружений гидроузла в промышленную эксплуатацию. Было отмечено, что ввод в эксплуатацию Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС имеет большое значение для развития обширных и важных районов страны, играет решающую роль в энергоснабжении Москвы, Нижнего Поволжья и Донбасса и объединяет между собой крупные энергосистемы Центра, Поволжья и Юга, а через Волжскую ГЭС им. В.И. Ленина объединяет эти энергосистемы с энергосистемами Урала и Татарии. Железнодорожный и автодорожный переходы че­рез Волгу, проложенные через сооружения гидроузла, обеспечивают кратчайшую связь районов Поволжья между собой и с районами Прикаспия и Средней Азии. В результате образования Волгоградского водо­хранилища коренным образом улучшились условия судоходства на большом участке Волги и появились широкие возможности для орошения и обводнения засушливых земель Заволжья и Прикаспия.

Уже в 1962 г. Волжская ГЭС выработала более 10,9 млрд кВт·ч, или около 98% проектной выработки электроэнергии. По рас­четам авторов технического отчета экономическая эффективность ГЭС для энергетики доказана. Вырабатываемая ею электроэнергия в 9 раз ниже себестоимости энергии ТЭС Центра и Поволжья, которые пришлось бы построить в 1955 —1960 гг. при отсутствии ГЭС, их создание освободило народное хозяйство от капиталовложений в строительство ТЭС и топливных баз на сумму 470 млн руб., к тому же известно, что замена ТЭС на ГЭС позволяет ежегодно экономить до 5 млн т дальнепривозных донецких углей.

Экономическая эффективность гидроузла в целом без учета трудного для оценки влияния на рыбное хозяйство будет возрастать из года в год, и к 1966—1967 гг. капитальные вложения по Волгоградскому гидроузлу будут покрыты.

Масштабы крупнейшей в мире ГЭС поражали не только советских людей. Иностранцы, побывавшие на строительстве и на открытии ГЭС, не скрывали своего интереса к опыту ее возведения и эксплуатации. Не случайно, Волжская ГЭС долгие годы служила испытательным полигоном для электротехнического и гидромеханического оборудования строившихся сибирских и зарубежных ГЭС.

Эксплуатация

Второе рождение Волжской ГЭС

Компания РусГидро уделяет большое внимание модернизации своих объектов. Замена устаревшего оборудования позволяет повысить эффективность, надежность и безопасность электростанций. В настоящее время на Волжской ГЭС происходит масштабная замена устаревшего и изношенного оборудования - комплексная модернизация гидростанции.

Наиболее крупное направление модернизации – замена всех гидротурбин и генераторов на новые. Эта работы была начата еще в конце 1990-х годов, и к настоящему времени на Волжской ГЭС заменены все 22 турбины и 17 генераторов. Новые гидроагрегаты имеют более высокий КПД и повышенную мощность, что уже позволило увеличить мощность Волжской ГЭС с 2541 МВт до 2734 МВт. Производитель гидросилового оборудования – российский концерн «Силовые машины». Полное завершение проекта по замене генераторов планируется в 2026 году.

Отдельно стоит остановиться на модернизации уникального гидроагрегата со станционным № 1. Его турбина и генератор являлись экспериментальными. Они предназначалась для натурных испытаний передовых конструктивных и технических решений. Именно на нем впервые было опробовано водяное охлаждение обмотки статора генератора, которое позднее было внедрено на агрегатах Красноярской ГЭС. Так что первый по номеру агрегат был введен в эксплуатацию последним по счету - в ноябре 1962 года и прослужил почти четверть века. В 1986 году назрела необходимость реконструировать турбину, поскольку одни экспериментальные узлы исчерпали свой эксплуатационный ресурс, а другие оказались недостаточно надежными и требовали больших трудозатрат во время ремонтов. К тому же рабочее колесо турбины повредили бревна во время сильнейшего паводка 1979 года. Поэтому агрегат не выдавал установленную мощность 115 МВт во всем диапазоне напоров.

Энергомашиностроители создали другую, опять же принципиально новую конструкцию - новое рабочее колесо пропеллерного типа ПР-30/587а-В-930 с безмасляной втулкой и переменным углом установки лопастей. Экологически чистая турбина отработала почти 30 лет. К сожалению, из-за поломки уникального механизма, поворачивающего лопасти, они были зафиксированы в одном положении, что позволило эксплуатировать агрегат только в узком диапазоне нагрузок от 100 до 115 МВт. Поэтому он не мог полноценно участвовать в системе автоматического регулирования частоты и активной мощности.

Эксперименты с гидроагрегатом завершились в 2017 году, после замены турбины, генератора, вспомогательного оборудования, системы автоматики и управления. В результате мощность машины выросла на 10,5 МВт, а станция получила гидроагрегат, идентичный по конструкции другим новым машинам, что упрощает эксплуатацию.

Модернизация станции не ограничивается гидроагрегатами и охватывает весь спектр оборудования, а также гидротехнические сооружения.

В 2004-2007 годах произведена реконструкция оборудования ОРУ-220 кВ с заменых выключателей на элегазовые. Планируется реализация проекта полной замены оборудования ОРУ-500 кВ на современное КРУЭ-500 кВ.

В 2016 году на Волжской ГЭС произведена реконструкция автотрансформаторной группы 10Т. Старые трансформаторы были введены в эксплуатацию в 1972 году и почти в два раза переработали свой нормативный срок. Автотрансформаторная группа 10Т состоит из трех однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ и мощностью 267 МВА. Они обеспечивают перетоки мощности между открытыми распределительными устройствами 220/500 кВ. Новое оборудование изготовлено по заказу РусГидро российско-японским совместными предприятием «Силовые машины – Тошиба. Высоковольтные трансформаторы». В планах – замена и других трансформаторов станции.

В 2019 году на Волжской ГЭС реализован уникальный для России проект: в опытную эксплуатацию введен фазоповоротный трансформатор (ФПТ), который в режиме максимальной нагрузки позволяет перенаправлять вырабатываемую электростанцией мощность с более загруженных линий на менее загруженные. Ранее в нашей стране такое оборудование не использовалось.

Для обеспечения надежности работы Волжской ГЭС станции и безопасности ее сооружений эксплуатационный персонал станции регулярно проводит инструментальный и визуальный контроль состояния сооружений (натурные наблюдения) и необходимый комплекс ремонтно-восстановительных работ.

В 2013-2014 годах была проведена работа по замене пьезометров в рамках проекта «Реконструкция пьезометрической сети земляных плотин». Для обеспечения надежности и безопасности гидротехнических сооружений взамен пьезометров, вышедших из строя за время эксплуатации (а это около 30 % всей пьезометрической сети) было установлено 133 новых пьезометра.

Для оперативности мониторинга фильтрации в теле и основании грунтовых плотин на ГЭС в 2013-2015 годах была установлена автоматизированная система диагностического контроля (АСДК) фильтрационного режима, в состав которой вошли – информационно диагностическая система (ИДС) «БИНГ-3» и автоматизированная система опроса датчиков в пьезометрах (АСО КИА) грунтовых плотин. Система позволяет в режиме реального времени контролировать фильтрационный режим в теле и основании грунтовых плотин. В рамках следующего этапа реконструкции КИА ГТС Волжской ГЭС запланировано создание АСДК фильтрации и деформации здания ГЭС и водосливной плотины, с последующим объединением с АСДК грунтовых плотин в единую АСДК ГТС.

В плановом режиме ведется замена гидромеханического оборудования – затворов и сороудерживающих решеток. К началу 2022 года заменено 40 комплектов сороудерживающих решеток, осталось заменить 16 комплектов. Данная работа запланирована в период с 2020 по 2028 гг. Общий объем заменяемых металлоконструкций составляет свыше 2,5 тысяч тонн.