Саяно-Шушенская ГЭС: клин в мозги?

04 Янв 2011, 11:33

Почему произошла авария на Саяно-Шушенской ГЭС? Однозначного ответа на этот вопрос нет до сих пор. Однако следствие, основываясь на ряде фактов, уже стало предъявлять обвинения причастным к этой катастрофе, а в ближайшее время будет обнародована экспертиза, которая сможет прояснить многие вещи.

Почему произошла авария на Саяно-Шушенской ГЭС? Однозначного ответа на этот вопрос нет до сих пор. Однако следствие, основываясь на ряде фактов, уже стало предъявлять обвинения причастным к этой катастрофе, а в ближайшее время будет обнародована экспертиза, которая сможет прояснить многие вещи.

Впрочем, далеко не все полагают, что данные экспертизы действительно прольют свет на произошедшее. В качестве аргумента оппоненты указывают на акт Ростехнадзора о причинах аварии, который опубликован в октябре 2009 года. В нем, в частности, использованы сохранившиеся показания одного из датчиков вибрации, при том, что сохранились не сами показания виброперемещений, а максимальные значения показаний датчика, зафиксированные с периодичностью 2-3 секунды. С одной стороны — это особенности терминологии. С другой — нужно называть вещи своими именами, чтобы никого не вводить в заблуждение. Кроме того, все ждут от экспертизы системности и глубины анализа, чтобы помимо точной причины (и даже — первопричины), приведшей к катастрофе, понять масштабность этого явления. Ведь на станции работало десять одинаковых агрегатов, и многие задают себе вопрос: а могло ли то, что вывело из строя гидроагрегат № 2, произойти на другом агрегате станции? Ответа на него в акте Ростехнадзора нет.

О необходимости контроля

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС произошла в штатных условиях. Эту точку зрения, озвученную представителями самых разных направлений гидроэнергетики (в том числе — от проектировщиков до собственно эксплуатационщиков станции), неоднократно транслировали СМИ. В частности, главный инженер «Ленгидропроекта» Борис Юркевич в феврале 2010 года на Всероссийском съезде гидроэнергетиков заявил, что «авария произошла, когда все работало исправно, выполнялись регламенты по ремонту, выполнялись требования по эксплуатации. Никто ничего не нарушил, станция полностью соответствовала всем нормам и требованиям, эксплуатационный персонал выполнял все предписанные регламенты. И, тем не менее, это произошло». Возникает вопрос — а почему же это произошло?

В документации завода-изготовителя не было указаний о необходимости особых мер контроля шпилек крышки турбины

Простого ответа на этот вроде бы простой вопрос быть не может, именно потому, что если бы все было так просто, то и аварии бы не случилось, поскольку — скорее всего — проблема выявилась бы в ходе текущей эксплуатации, как и многие другие дефекты, регулярно возникающие и устраняемые на электростанциях в установленном порядке. Но проблема «многомерна» и имеет множество аспектов. Один из аспектов состоит в том, что в документации завода-изготовителя не было указаний о необходимости особых мер контроля шпилек крышки турбины. Были указания и требования по контролю крепежа вращающихся деталей, а этот статический узел вниманием обделен.

Несколько недель назад корреспонденту Тайги.инфо в неформальной обстановке удалось познакомиться с мнениями сотрудников СШГЭС на эту тему. По словам одного из собеседников, «в 80-е годы завод проводил исследования в четвертой запрещенной зоне нагрузки, когда агрегат ради рассмотрения возможности получения повышенной мощности загружали свыше максимально установленного значения 640 Мвт — до 700 Мвт и исследовали, как это влияет на ресурс рабочего колеса. Внимание обращали именно на рабочее колесо, поскольку там прежде всего проявляли себя усталостные кавитационные явления, возникали трещины. В отчетах этих исследований указан ресурс рабочего колеса при перегрузках — 4-5 лет, после чего его нужно было менять. А вот крышка турбины, вал и даже фланцевые соединения, согласно отчетам, могут работать длительное время даже в этих сверхкритичных запредельных режимах».

Вообще, контролю металла на гидростанциях никогда не уделялось такого значительного внимания, как на тепловых или атомных станциях, где это — штатная операция, поскольку существуют гораздо более опасные технологические участки высоких температур, давлений, приводившие в свое время к многочисленным жертвам в истории тепловой энергетики(взрывались котлы, разрывались трубопроводы, срывались задвижки и гибли люди). Чтобы этого не происходило, была разработана система мер металлоконтроля сварных стыков, крепежных болтов, которая широко охватывает все технологические узлы. На гидростанциях объемы металлоконтроля были значительно меньше. Кроме того, предписывалось наблюдать за вращающимися узлами. Никто (в том числе, завод-изготовитель и проектные организации) не предусматривал такой контроль статических узлов гидроагрегатов, потому что в принципе не предполагалось, что может произойти то, что произошло.

Совершенно секретно

В открытом доступе информации об этой аварии так и не появилось, уроки из нее извлечены не были

В истории мировой гидроэнергетики зафиксированы минимум две аварии, схожие с той, что произошла на Саяно-Шушенской ГЭС в августе 2009 года. В Канаде в провинции Манитоба примерно 30 лет назад на станции Гранд Рэпидс (низконапорная ГЭС с четырьмя большими турбинами Каплана, которая эксплуатировалась 25 лет, причем, два гидроагрегата использовались диспетчером для автоматического частотного регулирования с целью поддержания оптимального режима) разрушились шпильки крепления крышки турбины, саму ее подняло вверх, а станцию затопило. К счастью, это случилось вечером, когда в машинном зале никого не было. Владельцы станции подали судебный иск против изготовителя турбины и строителей, что предотвратило общественную дискуссию, но до суда дело не дошло, иск был урегулирован много лет спустя во внесудебном порядке. А в открытом доступе информации об этой аварии так и не появилось, уроки из нее извлечены не были.

Второй случай такого рода произошел в 1983 году в Таджикистане на Нурекской ГЭС, где напор турбин на 55 метров выше, чем на СШГЭС (275 метров против 220). И снова — та же усталость металла шпилек крепления крышки турбины, срыв крепления и затопленный машзал. Минэнерго СССР информацию об аварии засекретило. А глава Ростехнадзора Николай Кутьин, общаясь с журналистами в октябре 2009 года, заявил, что из-за режима секретности материалы по аварии на Нурекской ГЭС «не попали ко многим специалистам, и они не смогли правильно оценить ситуацию». Тогда Кутьин не стал утверждать, что снятие грифа секретности предотвратило бы аварию на Саяно-Шушенской ГЭС 2009 года, но отметил, что «многие факторы рисков могли быть сняты». Естественно, возникает вопрос целесообразности засекречивания информации подобного рода, причем — не только в гидроэнергетике.

Металл устал

Усталостные явления шпилек, которые привели к потере ими несущей способности, — следствие. Что стало причиной их возникновения? В акте Ростехнадзора в разделе «Технические причины и организационные события, повлиявшие на развитие аварии» говорится об изменении мощности гидроагрегата № 2, который 16 августа в 23:14 был ввведен в работу с регулируемой нагрузкой (по заданию филиала ОАО «Системный оператор единой энергетической системы» — ОДУ «Сибири») и назначен персоналом станции приоритетным для изменения нагрузки при исчерпании диапазонов регулирования мощности. На момент аварии срок эксплуатации турбины составлял 29 лет и 10 месяцев при сроке службы в 30 лет.

«Данная гидротурбина имеет узкий регулировочный диапазон при напорах выше расчетных в зоне высоких КПД. При выходе из регулировочного диапазона гидроагрегат попадает в не рекомендованную для эксплуатации зону.Работа в данной зоне сопровождается переходными гидродинамическими процессами, пульсациями давления в проточном тракте и повышенной вибрацией гидроагрегата. Ограничения по работе турбины в не рекомендованной зоне эксплуатации заводом-изготовителем не установлены», — говорится в акте Ростехнадзора и там же отмечается: «Вследствие многократного возникновения дополнительных нагрузок переменного характера на гидроагрегат, связанных с переходами через не рекомендованную зону, образовались и развились усталостные повреждения узлов крепления гидроагрегата, в том числе крышки турбины. Вызванные динамическими нагрузками разрушения шпилек привели к срыву крышки турбины и разгерметизации водоподводящего тракта гидроагрегата».

«Надо как-то прояснить ситуацию с зафиксированной якобы повышенной вибрацией, которая была на втором гидроагрегате, потому что данные Ростехнадзора, приведенные в акте, это данные без серьезной обработки, — говорит один из сотрудников станции. — Если взять накопленные данные, в том числе — по сохранившимся показаниям датчиков вибрации, без определенной трактовки, то можно получить те результаты, которые получены в акте Ростехнадзора. А именно — вибрация увеличивалась непрерывно в течение длительного времени! Если провести математическую обработку этих параметров, тем более — учесть особенности режима, поскольку вибрация — это сложный параметр, который зависит от нагрузки агрегата, напора, который на нем есть, от режимов (установившийся или переменный)... Если по этому провести анализ вибрационных параметров, то видно, что, по крайней мере, в течение месяца, с 15 июля по 15 августа, вибрация на ГА № 2 была на одном уровне и не изменялась, что не стыкуется с выводами Ростехнадзора. Такой вот клин в мозги».

По словам сотрудников СШГЭС, аналогичные показания по вибрации зафиксированы и на других агрегатах, а те же самые параметры, обработанные математически для четвертого гидроагрегата, свидетельствуют, что на нем показания датчиков вибрации были еще хуже, чем на втором.

Пытаются свести два факта: разломанные шпильки и повышенные показания вибрации. Связь есть, но она — не прямая!

«Отсюда напрашивается вопрос: а в каком состоянии там шпильки? А шпильки на четвертом ГА мы проверили — они в нормальном состоянии. Здесь уже взаимосвязь причинно-следственных явлений, — считает собеседник. — У нас сейчас пытаются свести два факта, зафиксированные в акте Ростехнадзора: разломанные шпильки и повышенные показания вибрации. Их связывают между собой, поскольку не имеют других фактов. А мы берем аналогичные показания вибрации на другом агрегате — нормальные шпильки! Вывод какой? Нельзя связывать эти два явления между собой прямо. Безусловно, там есть связь, но она не прямая, потому что точно такие же условия работы на соседнем агрегате, где шпильки все целые. Значит, и это — не первопричина?»

По информации экспертов, которые делали заключение Ростехнадзору и участвовали в разборе засекреченной аварии на Нурекской ГЭС, такие усталостные явления шпилек вызывают не низкочастотные колебания, которые фиксировала система, установленная до аварии на Саяно-Шушенской ГЭС (и даже не та, которая стоит сейчас), а вибрации высокой частоты и малой амплитуды. Они возникают в результате кавитационных явлений при сходе потока воды с кромки рабочего колеса и схлопывания — так назваемые вихри Кармана. Мощные сильные удары на рабочем колесе (фиксируются на ГЭС) связаны с вихревым схождением жгута из рабочего колеса, а это — маленькие вихри на лопастях. Но их много, и идут они с высокой частотой (которую, впрочем, можно фиксировать, нужна лишь особая настройка виброкомплекса и специальные схемы).

Почему авария началась с ГА № 2?

Одна из гипотез рассматривает период с 1979-го по 1983 год, когда на гидроагрегате № 2 было установлено временное рабочее колесо (в 1983 его заменили на второе рабочее колесо, которое простояло до 1987 года). Дело в том, что станцию начинали эксплуатировать, не завершив до конца ее строительство (такая, в некотором смысле, техническая политика времен Советского Союза — быть впереди планеты всей и начать немедленную выработку электроэнергии на объекте, если на то есть хотя бы какие-то технические возможности). Плотина была не готова, а водохранилище — не набрано. Однако решение приняли: начать эксплуатацию агрегата при низких напорах.

Вибрация, возникавшая на ГА №2 в начале 80-х, регулярно приводила к разрушениям

Поскольку проточный тракт гидроагрегата проектируется под определенные напоры и зоны, то колесо, установленное в зону других напоров, работает в непроектном режиме. Рабочее колесо любого из десяти гидроагрегатов СШГЭС при низких напорах практически неработоспособно (оно попадает в такие вибрационные режимы, которых не может выдержать). Поэтому в те годы было сделано специальное рабочее колесо, которое имело проточный тракт для высоких напоров, но могло эксплуатироваться в условиях напоров низких. Этакий гибрид кошки с собакой. Остались научные отчеты, где отмечается недопустимая вибрация на ГА № 2 с временным рабочим колесом, которая приводила к регулярным разрушениям опорных узлов направляющего подшипника турбины (его просто срывало с места) и других элементов.

Есть предположение, что первоначальный надлом шпилек ГА № 2 заложен именно в тот период. Аргументы против — ГА № 1 тоже работал с временным рабочим колесом (сейчас оно установлено при въезде на станцию) и тоже — с повышенными вибрациями (правда, вибрации на втором были гораздо больше). Однако проверка шпилек ГА № 1 показала, что они находятся в нормальном состоянии. Возможно, был дефект самого временного рабочего колеса ГА № 2, сделанного по тому же проекту и работавшего практически в тех же условиях, но с исключительно высокими вибрациями. Однако сейчас какие-либо особенности его изготовления установить невозможно — колесо давным-давно переплавлено на металлолом. Остались только свидетельства того, что ГА № 2 в 70-80 годы находился в недопустимых по расчетным усилиям условиях.

В настоящее время делается попытка смоделировать ситуацию по оставшимся наблюдениям того периода, чтобы понять, могли ли силы, возникавшие тогда, привести к износу шпилек и их надлому, который позже усугубили высокочастотные кавитационные явления? Удастся ли найти ответы на открытые вопросы, покажет время. Но уже сейчас Саяно-Шушенская ГЭС получила проект новой турбины, в котором шпильки — совершенно других размеров (длиннее и толще). И это — один из главных практических результатов, демонстрирующий, что в первоначальном проекте агрегатов все-таки что-то не было учтено.

Елена Шкарубо, Тайга.инфо

От редакции: уважаемые гидроэнергетики, проектировщики, эксплуатационщики ГЭС. Если у вас есть желание поделиться своей точкой зрения на данную тему, пишите по адресу info@taygainfo.ru. Мы готовы рассмотреть и опубликовать ваши отзывы, в том числе и анонимные.