Ставка на приливы

Россия имеет шансы вернуть себе мировое лидерство в области приливной энергетики.
В. Зубакин

В сентябрьском номере «Энерговектора» за 2018 г. в интервью с профессором Василием Зубакиным мы кратко рассказали об известном советском инженере Льве Борисовиче Бернштейне и упомянули главное его детище – Кислогубскую приливную электростанцию. Выполняя данное читателю обещание, сегодня мы подробнее расскажем о проектировании, строительстве и уникальных разработках, которые позволили возвести первую и единственную приливную электростанцию в условиях Заполярья.

Правильное место

Кислогубская ПЭС была пущена в эксплуатацию 50 лет назад – 28 декабря 1968 г. Этому знаменательному событию предшествовала длительная и кропотливая работа большой команды советских учёных и инженеров под руководством Л. Б. Бернштейна, буквально «сконцентрировавших» все имевшиеся на тот момент опыт и знания о гидротехническом строительстве в суровых северных условиях.

Идеальное место для размещения станции Лев Бернштейн, тогда ещё недавний выпускник Московского инженерно-строительного института, присмотрел в 1938 г., когда руководил экспедицией по рекогносцировочному обследованию Мурманского побережья Баренцева моря. Отбросив десятки бухточек и фьордов как неподходящие, Лев Борисович остановил свой выбор на губе Кислой (восточный берег губы Ура). (Губа – это узкий морской залив, глубоко вдающийся в сушу).

В 1995 г. Кислогубская ПЭС обрела статус Памятника
науки и техники РФ, а в 2007 г. ей было присвоено
имя Л. Б. Бернштейна

И действительно, длинная горловина Кислой губы будто самой природой была создана для строительства приливной электростанции! Конфигурация бассейна позволяла построить её с относительно малыми затратами, а небольшая величина приливов (1,1–5 м) давала возможность испытать работу гидроагрегатов при минимальных напорах. Кроме того, створ будущей Кислогубской ПЭС расположен близко к Мурманску, а значит, и к необходимым промышленным мощностям, и к существовавшим линиям энергосистемы.

Группа Бернштейна провела все необходимые обследования и расчёты. Обуздать энергию холодных приливных волн Баренцева моря, как оказалось, было вполне реально. И в том же 1938 г. проект строительства ПЭС был представлен заместителю председателя Совнаркома СССР А. И. Микояну.

Станции быть!

Предложение Л. Б. Бернштейна о строительстве опытной Кислогубской ПЭС оказалось очень интересным для руководителей страны, и уже летом 1939 г. оно было рассмотрено и утверждено государственной квалификационной комиссией под председательством академика Б. Е. Веденеева. В том же году институт «Гидроэнергопроект» приступил к исследованиям и разработке проекта. Однако грянувшая вскоре война внесла свои жёсткие коррективы: работы были приостановлены и к вопросу строительства приливной электростанции не возвращались почти 20 лет – вплоть до 1958 г., когда в институте «Гидроэнергопроект» (с 1962 г. – «Гидропроект») был создан отдел приливных электростанций.

Эскиз из первоначального проекта

Новый отдел возглавил Л. Б. Бернштейн, собравший команду из молодых талантливых инженеров, уже прошедших школу строительства крупных гидроэлектростанций (в проектировании участвовали инженеры И. Н. Усачёв, Н. Н. Нехорошев, В. И. Платов, В. Г. Гаврилов, С. Г. Гельфер, гидрологи М. Л. Моносов, Н. В. Павлихин и др.). Однако проект Кислогубской ПЭС значительно отличался от проектов всех станций, с которыми до этого момента имели дело учёные и инженеры.

Вообще говоря, конструкция станции довольно проста. Всё генерирующее, гидромеханическое и вспомогательное оборудование смонтировано в прямоугольном железобетонном блоке размерами 36?8,3 м в плане и 15,35 м в высоту. Слева и справа здание ПЭС обрамляют небольшие каменные насыпи, перекрывающие вход в губу Кислую. В прилив вода поднимается, проходит в бассейн, вращая турбину. В отлив вода идёт назад и опять-таки работает в турбине. Вот и всё.

К тому времени в мире уже работали несколько приливных электростанций и активно шло строительство самой большой ПЭС на реке Ране в Ла-Манше (её ввели в строй в 1966 г.). А самая первая ПЭС была построена в Англии еще в 1913 г., так что какой-никакой мировой опыт в этой области уже был.

Однако не стоит забывать, что створ Кислогубской ПЭС, в отличие от предшественниц, находился в отдалённой и необжитой местности, к ней не вела и не ведёт ни одна дорога, климатические условия – чрезвычайно суровы, а воды Баренцева моря агрессивны по отношению к бетону и металлу. Поэтому проектирование и строительство станции были незаурядным делом. Кислогубская ПЭС стала общепризнанным передовым инженерным и научным объектом, где впервые отрабатывались конкретные технические решения – не только для энергетики, но и для всего морского гидротехнического строительства в Арктике.

Энергоблок плывёт на место

Проектировщики ПЭС отказались от классического способа строительства, коим были возведены все предыдущие приливные станции в мире – в осушенном котловане за перемычками. Выбрали наплавной способ: блок здания ПЭС, изготовленный в мурманском доке на мысе Притыка, транспортировали по морю с помощью буксиров за 99 км в губу Кислую и «самопосадкой» устанавливали на заранее подготовленное основание.

Смелое решение -- доставка готового энергоблока по морю

Уникальная операция по перегонке готового блока была проведена всего за два дня: 28 августа 1968 г. в пять часов утра мощные дизель-электрические буксиры подошли к мысу Притыка, а уже 29 августа в 23:20 блок был с ювелирной точностью установлен на основание в гирле Кислой губы.

Наплавной способ строительства, считавшийся многими специалистами до возведения Кислогубской ПЭС нереальным, позволил в итоге на треть сократить стоимость станции. В дальнейшем его стали широко применять в гидростроительстве при сооружении ГЭС, ЛЭП, подводных тоннелей и защитных гидротехнических комплексов (например, в устье Рейна, в Лондоне и Санкт-Петербурге), а также при освоении шельфа Северного Ледовитого океана.

Мороз нипочём!

Ещё одной сложнейшей проблемой для инженеров стала разработка бетонной смеси для тонкостенной (всего 15–30 см) железобетонной конструкции здания ПЭС с уникальными морозостойкими качествами. Опыт эксплуатации бетонных сооружений на арктических побережьях Европы и Америки говорил: в зоне прилива бетон начинает разрушаться уже в первую зиму со скоростью 0,01 мм за каждый цикл замораживания и оттаивания. Между тем на Кислогубской ПЭС число таких циклов могло достигать 450 в год!

Бетон для здания ПЭС подбирали в течение нескольких лет. Испытания бетонов различного состава проводились как в натурных условиях, так и на специальных стендах, ускоряющих циклы замораживания и оттаивания. В результате были выбраны оптимальные (по морозостойкости и прочности) составы бетонной смеси для различных элементов конструкции ПЭС.

Бетонирование наплавного блока длилось два года вместо трёх месяцев, предусмотренных проектом. Оно началось 31 июля 1965 г. и закончилось лишь в августе 1967 г. Наплавной блок состоял из 72 малых железобетонных блоков объёмом по 25 куб. м каждый.

Качество бетона в итоге значительно превзошло ожидания проектировщиков. Бетон Кислогубской ПЭС на всех участках превысил проектную прочность более чем на 70%, а его морозостойкость – проектную сверхвысокую величину F 1000. Здание Кислогубской ПЭС на тот момент было признано самым долговечным железобетонным сооружением в районах Арктики.

А начинка?

Согласно первоначальному плану, мощность станции должна была составить 0,8 МВт. Для генерации электроэнергии планировалось использовать две турбины – французского и отечественного производства. Фактически же в эксплуатацию был запущен только французский обратимый капсульный гидроагрегат с четырьмя поворотными лопастями S-образного профиля, изготовленный фирмой Neyrpic-Alsthom. Конструкция агрегата обеспечивала шесть режимов работы (двусторонние турбинные, насосные и водопропускные). В отличие от французской ПЭС Ране, на Кислогубской турбина соединена с генератором через мультипликатор, повышающий частоту вращения с 72 до 600 об./мин. Установленная мощность гидроагрегата – 0,4 МВт. Водовод, предназначенный для присоединения советского гидроэнергетического оборудования, остался незаполненным.

Кран опускает заслонки на время, пока разница уровней
в море и заливе не достигнет величины, необходимой
для пуска гидроагрегатов

Выработка электроэнергии на приливных электростанциях – величина предсказуемая, не зависящая от сезонов, природных условий и других факторов, так что включение Кислогубской приливной электростанции в энергосистему Кольского полуострова было весьма ценным для его энергообеспечения. Прерывистая энергоотдача ПЭС в суточном цикле и колебания во внутримесячном периоде нивелировались каскадом Туломских ГЭС, работавших совместно с ПЭС. Годовая выработка Кислогубской ПЭС составляла около 308 тыс. кВт•ч.

Капсульный агрегат Кислогубской ПЭС послужил основой для проектирования и создания похожих агрегатов для ряда советских гидроэлектростанций. Отечественные машиностроители не только освоили их изготовление, но и обеспечили установку 54 агрегатов на Киевской, Каневской, Череповецкой, Ингурской и других ГЭС.

Виражи нового времени

После пуска в эксплуатацию Кислогубская ПЭС была передана на баланс управления «Колэнерго», а также использовалась в качестве экспериментальной базы НИИЭС. Станция штатно работала вплоть до 1994 г., выработав за это время более 8 млн кВт•ч электроэнергии. Однако из-за тяжёлой экономической ситуации 1990-х и износа оборудования «Колэнерго» было вынуждено законсервировать станцию.

В те времена географическая удалённость и труднодоступность в какой-то мере сыграли в пользу ПЭС, уберегая её от вандализма и мародёрства. А в начале 2000-х руководство РАО «ЕЭС России» приняло решение восстановить Кислогубскую ПЭС в качестве экспериментальной базы для отработки новых ортогональных гидроагрегатов для приливных электростанций, а также технологий подготовки оснований и установки типовых модулей. В этом, кстати, прямая заслуга А. Б. Чубайса, уделявшего особое внимание развитию приливной энергетики.

Под крышкой – ортогональный гидроагрегат
отечественной разработки

В конце 2004 г. на станции вместо старого капсульного гидроагрегата был установлен новый экспериментальный ортогональный гидроагрегат, изготовленный ФГУП «ПО Севмаш», мощностью 0,2 МВт с диаметром рабочего колеса 2,5 м. А 5 мая 2006 г. на «Севмаше» состоялась закладка нового экспериментального наплавного блока для Кислогубской ПЭС. По сути, тот блок – это опытно-промышленный экземпляр ортогонального гидроагрегата с колесом диаметром 5 м, типового решения для будущих модульных приливных электростанций. Блок выполнен в виде параллелепипеда длиной 33 м, шириной 10 м и высотой 15,35 м. В его центральной части установлены одноярусное ортогональное рабочее колесо, вал, мультипликатор и генератор. Из набора модулей подобной конструкции (одно-, двух- или трёхъярусных) в будущем планируется создавать крупные ПЭС.

Новый блок для Кислогубской ПЭС изготовлен на «Севмаше» в 2007 г.

В ноябре 2006 г. блок был спущен на воду и в начале 2007 г. отбуксирован по морю на Кислогубскую ПЭС, где и был установлен напротив второго (пустого) водовода станции. Испытания новой ортогональной турбины мощностью 1,5 МВт прошли успешно, проектные параметры подтвердились. КПД ортогональной турбины превысил 64%, обнаружились и реальные пути его увеличения. Как показала эксплуатация энергоблока в течение гарантийного периода, каких-либо серьёзных концептуальных недостатков не обнаружено, а конструктивные решения реализованы правильно.

С прицелом на будущее

Сегодня Кислогубская ПЭС – это, прежде всего, научная площадка для изучения работы ортогональных гидроагрегатов, методов защиты оборудования, бетона и арматуры конструкций в чрезвычайно суровых климатических условиях, а также влияния приливных электростанций на хрупкую экосистему северных морей. На станции копится опыт, бесценный для проектирования новых больших ПЭС не только в России, но и в остальном мире, что особенно актуально с учётом возрастающего интереса в возобновляемым источникам энергии.

* * *

Суммарная мощность гидроагрегатов Кислогубской ПЭС в настоящее время составляет 1,7 МВт. Казалось бы, это совсем неплохо для объекта альтернативной энергетики, однако характеристики Кислогубской ПЭС буквально меркнут перед возможностями Мезенской ПЭС, предлагаемой к строительству в Мезенском заливе Белого моря. Планируется, что эта станция будет иметь мощность 8 ГВт, а годовая выработка электроэнергии на ней составит 38,9 млрд кВт•ч – столько же, сколько у всего Волжско-Камского каскада ГЭС. А это уже совсем не шутки! Отработанная на Кислогубской ПЭС технология строительства и эксплуатации типовых блоков с ортогональными турбинами позволяет доказать практическую осуществимость проекта по строительству Мезенской ПЭС и обосновать его экономическую целесообразность.

Об авторе: Анна Марченко – руководитель группы наблюдений за ГТС ООО «ЛУКОЙЛ-Экоэнерго».

распечатать     добавить в «Избранное»