Модернизация гидроэлектростанции

Потребность в модернизации гидроэлектростанций в мире растет, поскольку большинство крупных объектов данного типа были построены во второй половине ХХ века.

По некоторым данным, половина гидроэлектростанций в Африке эксплуатируются с устаревшими гидротурбинами, срок службы которых превысил 35 лет.

В России 8 из 10 крупнейших ГЭС были введены в эксплуатацию во времена СССР.

Преимущества гидроэнергетики, в частности, потенциал проточной воды, использовались с древних времен.

Энергия, получаемая из воды с помощью гидроэлектростанций, считается наиболее надежной и рентабельной технологией по сравнению с остальными возобновляемыми источниками энергии.

Гидроэлектростанции экологически чистые, они являются стабильным и безопасным источником производства электроэнергии.

Современные гидроагрегаты очень эффективны с точки зрения эксплуатационных расходов, которые относительно невысоки благодаря достаточной степени автоматизации энергоблоков.

Гидроэлектростанции используют наиболее эффективные технологии производства энергии с высокой эффективностью преобразования и быстрой рекуперацией энергии для поддержания энергосистемы. Однако технологии устаревают, и сегодня у многих компаний появилась потребность в недорогих, но важных улучшениях.

Некоторые из старейших гидроэлектростанций мощностью более 2 ГВт:

Название ГЭС	Годы строительства	Мощность, ГВт	Страна
Дамба Гувера	1936-1993	2,1	США
Гранд-Кули	1942-1991	6,8	США
Жигулевская ГЭС	1955-1957	2,5	Россия
Волжская ГЭС	1958-1961	2,7	Россия
Дамба Вождя Джозефа	1958, 1979	2,6	США
Ниагара-Фоллс	1961	2,6	США
ГЭС Симона Боливара	1961, 1996	3,2	Венесуэла
Братская ГЭС	1961, 1966	4,5	Россия
Клезон-Диксенс	1965, 1998	2,1	Швейцария
Асуанская ГЭС	1967, 1970	2,1	Египет

Во многих случаях модернизация старых электростанций гораздо более целесообразна, чем строительство новых.

Затраты, воздействие на окружающую среду, социальное воздействие и сроки реализации проекта могут оказаться более приемлемыми в этом случае.

Основная цель модернизационных и ремонтных работ — продление срока службы и улучшение эксплуатационных свойств машин, тем самым повышая эксплуатационную готовность и снижая эксплуатационные расходы гидроэлектростанции.

В некоторых случаях целью модернизации является увеличение мощности и производства энергии. Это можно сделать, заменив старое электромеханическое оборудование на новое с более высокими техническими характеристиками.

Помимо повышения безопасности и энергоэффективности, определяющей тенденцией модернизации гидроэлектростанций в России и во всем мире считается использование типовых конструкций гидроэнергетического оборудования. Также желательно использовать стандартизированные детали и узлы при проектировании оборудования, что будет способствовать снижению стоимости проектов и облегчит обслуживание ГЭС.

Среди новых требований к оборудованию эксперты выделяют использование систем автоматического управления для обеспечения стабильной работы даже при больших колебаниях скорости воды и давления.

ESFC с партнерами предлагает проектное финансирование, строительство и модернизацию гидроэлектростанций по ЕРС-контрактам.

Наша команда готова приступить к реализации вашего проекта в любой точке планеты.

Чтобы узнать больше, свяжитесь с нашими специалистами и закажите консультацию.

Последние тенденции в модернизации гидроэлектростанций

ESFC с партнерами всегда работают над усовершенствованием и внедрением новых технологий, систем и оборудования.

Чтобы сделать работу ГЭС надежной и эффективной, активно используется опыт других отраслей промышленности.

В ближайшие годы гидроэнергетику ожидают значительные улучшения, особенно с точки зрения размеров объектов, гидравлической эффективности и защиты окружающей среды.

Улучшение гидротурбинного оборудования

На протяжении последних десятилетий КПД гидроэлектрических турбин постепенно увеличивался, и на современных объектах он достигает 95%.

Эти значения достижимы независимо от того, новые это турбины или модернизация существующих турбин. Вычислительная гидродинамика упростила детальное изучение характеристик потока жидкости и оптимизацию конструкции рабочего колеса турбины.

Постоянное совершенствование гидротурбин преследует следующие цели:

• Увеличение номинальной мощности и повышение эффективности.
• Достижение высокой гибкости работы, соответствующей потребностям рынка.
• Повышенная доступности и снижение затрат на техническое обслуживание (снижение потребности в ремонте из-за повреждений, кавитации и абразивного истирания).
• Улучшение экологических характеристик (увеличение выживаемости популяций рыб, эффективное использование стока рек и поддержание качества воды).

Некоторые нововведения направлены на ограничение воздействия ГЭС на окружающую среду.

Так, в системах аэрации используется вода низкого давления для прохождения через турбины для обеспечения дополнительного воздушного потока. Это увеличивает концентрацию растворенного кислорода в водной среде обитания.



Чтобы исключить риск разливов масла, в турбинах используются обезжиренные ступицы и подшипники с водяной смазкой.

Помимо защиты окружающей среды, это обеспечивает более простое обслуживание и меньшее трение, чем в масляных ступицах.

Движущей силой инноваций является улучшение свойств материалов:

• Улучшение устойчивости к кавитации, коррозии и истиранию.
• Продление срока службы оборудования и снижения частоты повреждений.
• Уменьшение веса крыльчатки и повышение механической эффективности.
• Улучшение обрабатываемости материалов.

Эти факторы приводят к более широкому использованию уже проверенных и совершенно новых материалов, включая покрытия турбин из износостойкой нержавеющей стали, стекловолокна и пластиков с более высокими характеристиками.

Гидрокинетические турбины

В последнее время все большую популярность приобретают гидрокинетические турбины.

В отличие от обычных гидроэлектрических турбин, для которых необходима дамба, гидрокинетические турбины используют свободный поток воды.

Успешные прототипы уже созданы благодаря интенсивным исследованиям и многомиллионным инвестициям в технологии приливной энергии. Большая часть этого подводного оборудования представляет собой гидротурбины с горизонтальным валом, с фиксированным или переменным углом наклона лопастей. Электрогенераторы преимущественно имеют прямой или гидравлический механизм.

По мнению отраслевых экспертов, в следующие десятилетия высокоэффективные гидрокинетические турбины займут некоторые ниши в гидроэнергетике.

Инновации в строительстве

Затраты на строительство ГЭС могут достигать 70% от общей стоимости проекта.

Это повод постоянно искать инновационные методы, технологии и материалы для планирования, инженерного проектирования и строительства.

Например, строительство плотин из укатанного бетона (RCC) с низким содержанием воды занимает значительно меньше времени и требует меньших строительных затрат.

При строительстве трапециевидных стен плотины из сцементированного песка и гравия (CSG) затраты на строительство могут быть снижены примерно на 25%. Еще одним преимуществом этой технологии является то, что широкое основание стены обеспечивает повышенную сейсмостойкость.

Недавние усовершенствования в технологии строительства туннелей также снизили затраты, особенно для малых гидроэлектростанций.

Улучшения в управлении гидроэлектростанциями

Оборудование ГЭС со временем изнашивается и в какой-то момент необратимо повреждается.

Это происходит из-за ухудшения тепловых, электрических или механических свойств изоляционных материалов змеевиков, эрозии и коррозии, что приводит к усталости материалов, используемых для производства компонентов турбины.

Засорение оборудования, водных путей и отстойников приводит к постепенному снижению мощности ГЭС вплоть до ситуации, когда эксплуатационные расходы превышают выручку. Для поддержания нормального технологического режима требуется регулярное обслуживание и замена поврежденных и устаревших комплектующих.

Модернизация гидроэлектростанций также может включать модификации для сокращения воздействия на окружающую среду, такие как установка особых безопасных гидротурбин (так называемые дружественные для рыбы турбины) и введение мер по борьбе с наводнениями или землетрясениями в сейсмически активных районах.

В глобальном масштабе реальная производительность многих существующих гидроэлектростанций значительно ниже номинальной мощности. Чтобы создать условия для достижения максимальной производительности и окупаемости инвестиций в долгосрочной перспективе, необходимо правильно управлять активами.

Управление активами ГЭС направлено на эффективное поддержание или даже улучшение производительности до желаемого уровня с минимальными эксплуатационными расходами на протяжении всего жизненного цикла.

Если оценка показывает, что состояние активов неприемлемо, инвесторам необходимо предпринять наиболее подходящие действия для устранения проблем.

Для этого есть 3 варианта: ремонт и обслуживание, модернизация или реконструкция.

Когда ГЭС достигает возраста 30-40 лет, следует провести исследование на предмет возможной модернизации оборудования и комплектующих.

Развитие технологий позволило резко повысить эффективность турбин на многих существующих гидроэлектростанциях.

Если поток воды и существующая конструкция позволяет, можно рассмотреть вопрос об увеличении мощности гидроэлектростанции. Потребность в таком улучшении определяют несколько факторов, в том числе изменения на рынке электроэнергии.

Использование все большего количества энергии из возобновляемых источников с переменной мощностью повышают требования к управлению гидроэлектростанциями, особенно гидроаккумулирующими установками (ГАЭС).

Замена оборудования (рабочие колеса турбин, обмотки генератора, системы возбуждения, регуляторы турбин, панели управления) может обеспечить более высокую эффективность, надежность и гибкость, а также снизить эксплуатационные расходы.

В целом, потенциал повышения номинальной мощности существующих ГЭС составляет от 10 до 30%.

Модернизация турбин считается экономически оправданной, если она приведет к увеличению КПД на 4-8% и более.

Большинство из 45 000 крупных плотин в мире построены для борьбы с наводнениями, хранения воды, сельскохозяйственного орошения, рыбной ловли или отдыха. Лишь около 25% этих объектов используются для производства электроэнергии. Сочетание рыночных изменений и технических инноваций оправдывает расширение гидроэнергетических мощностей на некоторых существующих плотинах.



ГЭС могут быть построены на других водных сооружениях.

Но в большинстве подобных случаев перепад высот очень мал, а потому инжиниринговые компании должны внедрять инновационные технологии, такие как гидрокинетические турбины.

На сегодняшний день существуют реальные технические возможности для установки гидроэнергетического оборудования в системы водоснабжения и очистные сооружения, которые обычно имеют значительный гидравлический перепад.

Важность модернизации гидротурбин ГЭС

Благодаря развитию технологии турбин, модернизация ГЭС, помимо их адаптации к современным техническим стандартам, принесла реальные экономические выгоды в виде увеличения производства электроэнергии при снижении эксплуатационных расходов.

Это связано, в том числе, с более широким использованием турбин с двойным регулированием, характеризующихся высокой энергоэффективностью в широком диапазоне режимов.

Необходимость стандартизации гидротурбинного оборудования для гидроэлектростанций также упоминается как важный вопрос. Успешного развития в этом направлении можно достичь за счет широкого использования вычислительной гидродинамики, достижений в сфере исследования гидротурбин и применения стандартизированных конструкций.

В числе предпосылок к качественному улучшению отраслевые эксперты указывают уменьшение размеров турбин, использование современных технологий производства и создание условий для заводской установки гидротурбинного оборудования.

Модернизация гидротурбин включает комплекс мероприятий, направленных на продление срока службы и повышение эффективности эксплуатации турбины.

Основными причинами ее выполнения могут быть истечение срока службы, поломка, нарушение нормальной эксплуатации или кавитационный износ.

Истечение срока эксплуатации

Практикующим специалистам известно, что срок эксплуатации гидротурбин не превышает 50 лет при нормальных условиях.

После этого гидротурбина должна быть модернизирована для повышения ее эффективности и профилактики внештатных ситуаций, которые в некоторых случаях могут иметь катастрофические последствия.

Наглядным примером является авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году, которая привела к жертвам, убыткам и экологическим последствиям.

В принципе, износ любых элементов проточной части гидротурбины является поводом для модернизации.

Кавитационный износ гидротурбин

Известно, что современные гидротурбины предназначены для работы в начальной фазе развития кавитационных процессов в проточной части.

Иногда гидротурбины эксплуатируются вне установленных производителем режимов, что приводит к ускоренной кавитационной эрозии металла. Это сокращает, причем иногда весьма значительно, нормальный срок эксплуатации турбин, и потребность в модернизации проточной части становится очевидной.

Особенности модернизации гидротурбин

Независимо от состояния гидротурбины и ее основных характеристик, процесс модернизации чаще всего проходит нижеперечисленные этапы.

1. Анализ конструкции и состояния турбины, который включает следующие работы:

• Ознакомление с имеющейся проектно-конструкторской документацией.
• Измерения геометрических параметров элементов проточной части турбины.
• Подробный анализ информации о режимах работы оборудования.
• Анализ возможностей увеличения скорости потока и мощности турбины.
• Установление фактических значений внешних параметров.
• Экспериментальное определение характеристик турбины.

2. Подготовка подробного отчета с анализом и систематической оценкой технико-экономических аспектов модернизации гидротурбины. Подготовка предложения по необходимым объемам работ (решение принимает собственник).

3. Расчет, проектирование и изготовление элементов для объекта модернизации. При необходимости инженеры выполняют модельные испытания для уточнения параметров.

4. Изготовление модернизированных элементов и установка турбины.

5. Пусконаладочные работы, экспериментальное определение характеристик модернизированной турбины. Контроль работы гидроагрегата под нагрузкой.

Общие проблемы модернизации

При модернизации гидротурбин наиболее часто возникают следующие проблемы:

• Ограничения (особенно в старых конструкциях) геометрической совместимости модернизируемых элементов с существующими частями гидротурбины.

• Обеспечение соответствия кинематических параметров потока на входе в рабочее колесо таковым на выходе из направляющей части (для реактивных турбин).

• Ограниченные возможности изменения соотношения диаметров турбин Пелтона.

• Крайне ограниченные возможности уменьшения зазоров между рабочим колесом и рабочей камерой без модернизации подшипников турбины.

Преимущества периодической модернизации гидротурбин

После модернизации гидроэлектростанций можно ожидать значительного увеличения производства электроэнергии гидроагрегатом и повышения надежности его работы.



Преимущества модернизации гидротурбины следующие:

• Повышение эффективности рабочего процесса.
• Более эффективное управление турбиной и гидроагрегатом.
• Повышенное кавитационное сопротивление проточной части гидротурбины (результат современных методов расчета, а также новых материалов).
• Значительное снижение эксплуатационных расходов гидроэлектростанции.
• Уменьшение зазоров между крыльчаткой и рабочей камерой в турбинах Каплана, помимо уменьшения потерь, приводит к снижению опасности для рыбы.
• Современные технологии минимизируют вероятности загрязнения воды маслами и токсичными веществами (турбины Каплана и диагональные турбины).
• Повышение надежности турбины и гидроагрегата.
• Более эффективная аэрация воды.

Техническое состояние ротора, подшипников и уплотнений имеет первостепенное значение для правильной работы гидроагрегатов.

Многолетний опыт эксплуатации демонстрирует, что повреждение этих компонентов является наиболее частой причиной снижения эффективности и времени доступности ГЭС в энергосети.

По этой причине модернизация отдельных частей гидроэлектростанций должна осуществляться с одновременным проведением диагностики и ремонтных работ, затрагивающих все основные узлы и агрегаты.

Строительство и модернизация гидроэлектростанций по ЕРС-контракту

Роль ЕРС-контрактов в энергетическом секторе растет с каждым годом.

Это объясняется очевидными преимуществами данного типа отношений между заказчиком и подрядчиком в контексте реализации сложных проектов со множеством заинтересованных сторон.

ЕРС (проектирование, закупки и строительство) относится к форме управления проектом и связанного с ним контрактного проектирования, которая является самой распространенной в международном строительстве и особенно в гидроэнергетическом секторе.

Выступая в роли ЕРС-подрядчика, мы с партнерами предоставляем все необходимые услуги в рамках проекта модернизации гидроэлектростанций. Это включает полный инжиниринговый сервис, проектное финансирование, закупку и изготовление всех строительных материалов и деталей, сборку на стройплощадке и ввод в эксплуатацию под ключ.

Согласно ЕРС-контракту, необходимые разрешения (за исключением тех, которые заказчик обязан получить по закону) получает генеральный подрядчик.

Административные расходы для клиента при данном формате реализации проекта минимальные.

Преимущество для заказчика заключается в том, что ему не нужно выделять значительных кадровых и материальных ресурсов для постоянного контроля работ, заключения договоров с многочисленными мелкими субподрядчиками и других процедур. Для реализации проекта заказчику требуется относительно небольшое количество сотрудников.

Стоимость модернизации ГЭС по ЕРС-контракту может быть несколько выше, но для небольших компаний-заказчиков этот «упрощенный» подход несет явные выгоды.

Инжиниринговая компания берет на себя ответственность за реализацию проекта с согласованными техническими параметрами, соблюдая оговоренную в контракте стоимость и сроки ввода в эксплуатацию.

Чтобы узнать больше, свяжитесь с нами в любое время.