Журнал Гидротехника. Потенциал Канала имени Москвы — возможности использования в качестве ГАЭС

По итогам выступления заместителя руководителя ФГБУ «Канал имени Москвы» В.В. Маркина на конгрессе «Гидротехнические сооружения и дноуглубление».

В статье рассмотрены особенности компоновки основных сооружений Канала имени Москвы, в том числе обращается внимание на гидроаккумулирующие возможности, связанные с полным набором сооружений, присущих гидроаккумулирующим станциям.

Анализируются сложности в вопросах рассматриваемого расширения эксплуатационных возможностей канала с добавлением функций работы в режимах ГАЭС. Приводится перечень исследований, необходимых для подтверждения принципиальной возможности эксплуатации Канала имени Москвы в режимах ГАЭС.

Краткое описание объектов Канала имени Москвы

15 июля 1937 г. был принят в эксплуатацию канал Москва — Волга, впоследствии переименованный в честь 800-летия столицы в Канал имени Москвы (далее КиМ). Строительство канала длилось 4 года 8 месяцев и способствовало развитию водоснабжения столицы, решило проблему обводнения Москвы-реки в санитарно-гигиенических целях и обеспечило кратчайшую связь Москвы и Волги технически совершенным магистральным водным путем.

ФГБУ «Канал имени Москвы» является крупнейшим воднотранспортным и водохозяйственным комплексом и выполняет функции органа государственного управления на внутренних водных путях в 12 субъектах Российской Федерации Центрального региона России. Объекты предприятия включают более 240 гидротехнических сооружений и 3842 км водных путей.

В ведении предприятия находятся 20 высоконапорных шлюзов, 5 насосных станций, 23 плотины, 8 аварийных и заградительных ворот, 2 тоннеля, 209 единиц флота, а также иное имущество на праве хозяйственного владения. На балансе канала — 7 гидроэлектростанций, ежегодно вырабатывающих до 200 млн кВт*ч электроэнергии. В состав энергетических предприятий КиМ также входят 7 подстанций и 167 км воздушных линий электропередач напряжением 35 и 110 кВ, 1,5 тыс. км кабельных линий.

Искусственная часть канала составляет 128 км. Начинается он от Иваньковского водохранилища (в районе г. Дубна), где находятся шлюз № 1 и Иваньковская ГЭС, а заканчивается в месте соединения с Москвой-рекой в районе Тушино.

Водохозяйственная система КиМ — уникальное сооружение с машинным подъемом воды на водораздел. Ежегодно ФГУП «Канал имени Москвы» перекачивает порядка 1,5 млрд м3 воды, из которых 700 млн кубов идет на водоснабжение населения и предприятий, обеспечивая более 60% всего водопотребления г. Москвы, более 500 млн кубов — на санитарное обводнение рек Москвы и Яузы, около 150 млн кубов используется для целей судоходства.

По своим фактическим возможностям Канал имени Москвы является крупным гидроаккумулирующим комплексом, который после соответствующей модернизации и достройки может быть интегрирован в единую систему накопления энергии.

Нижним бассейном КиМ, рассматриваемого в качестве гидроаккумулирующего комплекса, является Иваньковское водохранилище, образованное строительством плотины на р. Волге около г. Дубна. Основным назначением водохранилища является гарантированное обеспечение водозабора в КиМ. Полезный объем водохранилища составляет 550 млн м3. Максимальная отметка ВБ составляет 124 м, минимальная 119,5 м. В состав плотины Иваньковского водохранилища входит Иваньковская ГЭС.

Верхний (водораздельный) бассейн гидроаккумулирующего комплекса КиМ представляет собой систему верхних водохранилищ, состоящую из Икшанского, Клязьминского, Акуловского, Пестовского, Пяловского, Химкинского и Учинского водохранилищ, с общей полезной емкостью в 91 млн м3. Величина сработки верхнего бассейна составляет 1,5 м.

Общая протяженность участка КиМ от Иваньковского водохранилища до водораздельного бьефа составляет 75 км. На этом участке КиМ расположены шлюзы №№ 2–6 и насосные станции №№ 182–186.

На насосных станциях КиМ установлено по пять насосных агрегатов АОПВ 34-9/ВГ. Подача насосного агрегата при максимальных углах разворота лопастей составляет 34 м3/с. Насосные агрегаты №№ 1–5 укомплектованы двигателями-генераторами 2СДГВ-335-4000/3550-28. На агрегатах №№ 1–4 электрическая схема включения и управления позволяет их эксплуатацию как в двигательном, так и в генераторном режимах. На насосных агрегатах № 5 электрическая схема рассчитана только на работу в двигательном режиме.

Проектная подача воды из нижнего в верхний бассейн осуществляется по рассматриваемому участку КиМ, на котором расположены пять насосных станций и пять судоходных шлюзов. Общая высота подъема составляет 38 м.

Основным отличием рассматриваемого гидроаккумулирующего комплекса КиМ от классических ГАЭС является дробление канала между верхним и нижним бассейнами на пять отдельных ступеней, в каждой из которых присутствует насосная станция с насосными агрегатами, имеющими возможность работы в турбинном режиме, а также промежуточный канал и судоходный шлюз. Схема рассматриваемого участка КиМ представлена на рис. 1.

Такая многоступенчатость системы подъема и срабатывания воды не характерна для ГАЭС, где присутствуют нижний бассейн, здание ГАЭС с подводящими и отводящими трубопроводами и верхний бассейн.

Также следует отметить значительные отличия в оборудовании. На насосных станциях КиМ установлены низконапорные агрегаты с высотой подъема до 8 м, а на классических ГАЭС, как правило, применяются высоконапорные обратимые машины.

Особенностью КиМ при его рассмотрении как гидроаккумулирующего комплекса является наличие судопропускных шлюзов и осуществление судоходства в период с апреля по ноябрь. Работа шлюзов оказывает влияние на перетоки воды между промежуточными каналами, на скорости потока в каналах и изменение уровней воды в них.

Первоочередные вопросы по переводу КиМ в режим ГАЭС

При существующей технологии эксплуатации КиМ, когда выполняются задачи накачки воды в водораздельный бьеф и обеспечивается судоходство по акватории канала, отработаны и известны все особенности управления работой оборудования насосных станций и судоходных шлюзов в любых возможных режимах.

Рассмотрение возможностей расширения эксплуатационных функций КиМ с включением дополнительных опций по работе в режиме ГАЭС требует дополнительных исследований с решением технологических вопросов эксплуатации и подтверждением их экономической целесообразности.

Одним из первоочередных вопросов, дающих ответ на техническую возможность работы КиМ в режиме ГАЭС, являются проверка и подтверждение устойчивости береговых откосов промежуточных каналов при изменении режимов эксплуатации комплекса. К примеру, при существующей технологии эксплуатации КиМ с функциями подачи воды в водохранилища водораздельного бьефа колебания уровней воды в промежуточных каналах связаны с движением судов, работой судоходных шлюзов и расходами (с изменениями подачи насосных станций) в канале.

Влияние движения судов на эксплуатацию каналов и устойчивость их береговых откосов зависит от состава транспортного флота, курсирующего по каналу, водоизмещения судов, интенсивности их движения и скоростей, с которыми они проходят канал.

Уже на начальном этапе эксплуатации канала были выявлены недостатки в конструкциях креплений береговых откосов. После первого года эксплуатации были зарегистрированы разрушения около 8% от общей площади креплений откосов. Разрушениям подвергалась зона на 0,5 м ниже уреза воды и на 1,5 м выше него по откосу. В этот период эксплуатации канала, когда перевозка грузов осуществлялась, как правило, несамоходным флотом, который передвигался буксирами с мощностью двигателей в несколько сот лошадиных сил, влияние судоходства на устойчивость откосов было минимальным.

Следующий период эксплуатации канала связан с оснащением флота самоходными грузовыми и пассажирскими теплоходами грузоподъемностью до 2000 т, способными двигаться со скоростями, значительно превышающими скорости буксиров. При этом до середины 1950-х гг. скорости движения судов в каналах не ограничивались. В этот период объем ежегодных разрушений береговых откосов канала стал увеличиваться. Причинами разрушений являлись судовые волны, которые вызывались быстро движущимися крупнотоннажными судами.

В этот период разрушенные крепления откосов восстанавливались в основном укладкой однородного камня с расклинцовкой на слое гравия или щебня толщиной 15 см. Одновременно велись поиски способов усиления существующих креплений. С 1955 г. для крепления откосов каналов стали применять железобетонные плиты, которыми заменяли разрушившиеся каменные откосы. Но и такие крепления оказались, по существу, временными: откосы каналов, покрытые плитами, разрушались в течение 3–5 лет. Разрушения откосов происходили вследствие выноса частиц фильтра и грунта через щели между плитами бетона. В этот же период начал применяться способ крепления откосов канала дорожными плитами с перекрытием швов деревянными досками. Дополнительно швы проконопачивались паклей и проливались битумной мастикой. Такой тип крепления береговых откосов применяется и служит до настоящего времени.

Последний период эксплуатации КиМ связан с пополнением речного флота новыми крупнотоннажными грузовыми и быстроходными пассажирскими судами водоизмещением до 5000 т. Появление такого мощного флота потребовало научно обоснованного подхода к выбору оптимальных скоростей движения судов в судоходных каналах и выбору новых индустриальных типов берегоукреплений, устойчивых к воздействию судовых волн и которые можно устраивать в условиях действующего канала.

На основе результатов исследований, проведенных в лабораторных и натурных условиях, учитывающих возникновение и влияние судовых волн и потоков, обтекающих судно при его движении в канале, на берегоукрепление каналов, были определены оптимальные скорости движения судов в каналах. С навигации 1967 г. для искусственных участков судоходных каналов имени Москвы и Волго-Донского имени Ленина установлены следующие предельно допустимые скорости движения: для самоходных грузовых судов и составов грузоподъемностью свыше 3000 т — 10 км/ч; для самоходных грузовых судов и составов грузоподъемностью от 2000 до 3000 т — 12 км/ч; для пассажирских судов и мелкого флота, исключая суда на подводных крыльях, — 12 км/ч.

В этот период эксплуатации КиМ «Гипроречтрансом» разработана генеральная схема реконструкции креплений откосов канала. Проектом предусмотрено применение трех типов креплений: каменной наброски; железобетонных плит, омоноличенных по контуру; железобетонной шпунтовой стенки. Некоторые участки креплений, выполненных на каналах по проектам института «Гипроречтранс», находятся в эксплуатации с момента проведения реконструкции береговых откосов, что говорит об их достаточной устойчивости и надежности в условиях работы КиМ по принятой технологии эксплуатации.

Кроме влияния судовых волн на берегоукрепления каналов и интенсивность их разрушений, заметные возмущения с образованием волновых процессов в каналах вызывает работа шлюзов. Наиболее заметное влияние работы судоходных шлюзов на колебания уровней с образованием волновых нагонов наблюдается в коротких промежуточных каналах. Так, при сбросе воды из шлюза № 6 в промежуточный канал между насосными станциями № 185 и № 186 в указанном канале вблизи насосной станции № 186 наблюдается кратковременный подъем уровня до 23 см. При этом достоверных сведений по изменениям скоростей потока в канале и, соответственно, по времени добегания волны от одного сооружения к другому не имеется. Для борьбы с этими явлениями и уменьшения интенсивности их влияния на сооружения канала за годы эксплуатации разработан алгоритм управления работой шлюзами. Управление работой шлюзов осуществляется таким образом, чтобы верхние ворота нижерасположенного шлюза открывались к моменту добегания к нему волны, образованной от сброса воды с вышерасположенного шлюза.

Рассматривая динамику разрушений береговых откосов каналов и сравнивая ее с объемами восстановительных работ за годы эксплуатации КиМ, можно констатировать, что примерно с 1962–1965 гг. объем восстановлений откосов стал приближаться к объемам ежегодных разрушений, величина которых стабилизировалась на уровне менее 50 тыс. м2 в год.

Учитывая сказанное, можно сделать вывод о том, что с разработкой и применением более совершенных способов крепления береговых откосов, а также с совершенствованием эксплуатации сооружений на КиМ удалось минимизировать негативное влияние волновых явлений на устойчивость береговых откосов каналов.

При рассмотрении возможности эксплуатации КиМ в режиме ГАЭС гидравлические процессы в каналах рассматриваемого участка существенно изменятся. Изменения будут связаны прежде всего с тем, что при работе КиМ в режимах генерации направление течения воды в каналах изменится на противоположное. И здесь возникают вопросы. К примеру: на какую величину вырастут отметки в НБ станций при работе одного, двух или трех насосов в генераторном режиме? Насколько изменится время прохождения волны от верхнего к нижнему шлюзу при сбросе воды из верхнего шлюза? Какие коррективы необходимо внести в алгоритм управления работой каскада насосных станций и шлюзов при работе в новых условиях эксплуатации?

Следует также учитывать, что при изменениях режимов эксплуатации на концевых участках промежуточных каналов будут наблюдаться значительные колебания уровней. Амплитуда колебаний уровней составит для каждого канала двойную величину гидравлических потерь в нем. И если кратковременное повышение уровней воды в каналах с укрепленными берегами в связи с судоходством и работой судоходных шлюзов не приводит к их разрушению, то при работе в режиме ГАЭС ситуация может кардинально измениться. Здесь может возникнуть опасность обрушения береговых откосов из-за длительных удержаний высоких отметок в НБ станций при режимах генерации и последующих резких падениях уровней при переходах в режимы насосных станций. В ВБ станций, наоборот, низкие отметки будут наблюдаться в режимах генерации, а высокие — в насосных режимах. Также известно, что при высоких отметках воды в каналах их берега пропитываются водой и кривая депрессии начинается с уровня воды в канале. При быстром уменьшении уровня воды кривая депрессии оказывается выше уровня, и берега, пропитанные водой, начинают «плыть».

Решение вопроса по устойчивости береговых откосов, связанной с резкими колебаниями уровней в промежуточных каналах, потребует дополнительных исследований и, в случае необходимости, разработки дополнительных мероприятий по ее обеспечению.

На рассматриваемом участке КиМ находятся пять однотипных насосных станций. Каждая станция состоит из следующих основных сооружений: здание станции, в котором расположены пять насосных агрегатов; здание водоприемника, в котором расположены пять быстропадающих затворов с приводами. К зданию станции примыкает водозабор, имеющий со зданием станции общую строительную часть. Водозабор оборудован козловым краном грузоподъемностью 2×8/3,2 т. Входы во всасывающие трубы перекрыты сороудерживающими решетками. В разделительных бычках водозабора устроены пазы под ремонтные затворы, которыми перекрывается всасывающий тракт насосного агрегата во время проведения ремонтных работ.

Водоприемник насосной станции оборудован передвижной тележкой, с помощью которой осуществляется управление ремонтными затворами и сороудерживающими решетками. В рабочем режиме в пазы ремонтных затворов установлены сороудерживающие решетки, а при проведении ремонтных работ на насосном агрегате или на быстропадающем затворе вход в проточный тракт со стороны ВБ перекрывается ремонтными затворами. Управление быстропадающими затворами осуществляется специальными механизмами подъема. Каждый затвор оснащен отдельным механизмом.

Состав оборудования насосных станций позволяет производить их эксплуатацию как в насосном, так и в турбинном режиме. Технических проблем с переходами из режима в режим нет. Для оценки эффективности эксплуатации оборудования в турбинном режиме необходимо получить экспериментальным путем энергетические характеристики насоса ОПВ34-9/ВГ.

В 1990 г. после замены старого насосного агрегата ВП-250 на новый ВНИИГидромашем были выполнены приемочные испытания головного образца насосного агрегата АОПВ34-9/ВГ. В процессе проведения приемочных испытаний были определены энергетические и кавитационные характеристики агрегата в насосном режиме. Испытания работы агрегата в турбинном режиме были выполнены частично, без замеров расходов воды через насос и, соответственно, без определения КПД насоса в турбинном режиме.

Все вышесказанное позволяет сделать следующие выводы:

1. Канал имени Москвы имеет в своем составе гидротехнические сооружения и оборудование, позволяющие организовать его эксплуатацию, в том числе в режиме ГАЭС.
3. За годы эксплуатации техническими службами КиМ совместно с различными научными организациями проделана значительная работа по берегоукреплению каналов, определены наиболее оптимальные покрытия береговых откосов для применяемых режимов эксплуатации сооружений комплекса.
5. При расширении функций КиМ с добавлением режимов работы генерации электроэнергии необходимо выполнить дополнительные исследования и провести опытную эксплуатацию в новых режимах с целью подтверждения возможностей их применения.
7. Для подтверждения экономической целесообразности использования насосных агрегатов АОПВ34-9/ВГ в турбинных режимах необходимо выполнить их энергетические испытания.
10. Источник: Журнал «Гидротехника», выпуск 1 (50) 2018