СШГЭС: Может ли это повториться снова и, если может, то где?

16 Мар 2011, 09:15

В рамках дискуссии о причинах аварии на Саяно-Шушенской ГЭС Тайга.инфо публикует четвертую статью инженера-физика Юрия Лобановского, по мнению которого, августовская катастрофа связана с возбуждением автоколебаний в напорной системе второго гидроагрегата станции.

В рамках дискуссии о причинах аварии на Саяно-Шушенской ГЭС Тайга.инфо публикует четвертую статью инженера-физика Юрия Лобановского, по мнению которого, августовская катастрофа связана с возбуждением автоколебаний в напорной системе второго гидроагрегата станции.

В четвертой статье серии (см. 1, 2 и 3) сначала вернемся к проблемам Саяно-Шушенской ГЭС. Как известно, Ленинградский металлический завод (входит в концернт ОАО «Силовые машины») изготовит и передаст энергетикам СШГЭС 10 новых гидроагрегатов: 6 – в 2011 году и 4 – в 2012 году, которые заменят восстановленные в течение 2010 года 4 старых агрегата, а также будут установлены вместо 6 разрушенных.

Сообщалось, что основные технические характеристики новых агрегатов (мощность, диаметр ротора, частота вращения и тому подобное) будут, как и следовало ожидать, такими же, как у старых. Единственное существенное отличие новых агрегатов от старых с точки зрения теории гидроакустического возбуждения автоколебаний состоит в том, что коэффициент их полезного действия должен составить 96.6 %, что на 0.8 % больше, чем у старых. Конечно, за прошедшие три десятка лет было достигнуто существенное продвижение в численных методах расчета обтекания гидротурбин, поэтому и без того высокую эффективность турбин СШГЭС конструкторам удалось еще более увеличить.

Конструкторы создали машины, которым для выработки той же мощности нужен меньший расход воды

Хорошо это или плохо? С абстрактной точки зрения, конечно хорошо, так как созданы машины, которым для выработки той же мощности нужен несколько меньший расход воды. А с конкретной, учитывающей реальные условия их работы, как ни странно, плохо. Оценим устойчивость напорных систем СШГЭС с новыми гидроагрегатами. Как следует из решений соответствующих уравнений, при прочих равных условиях частота собственных колебаний напорной системы уменьшается при уменьшении доли полного давления в потоке за турбиной. Это означает, что частота падает с ростом коэффициента полезного действия турбины. На СШГЭС частота собственных колебаний старых агрегатов в зоне A' (в области запрещенной работы) оказалась несколько выше, чем вихревая частота, то есть частота возбуждения. Поэтому на новых агрегатах эти две частоты окажутся еще ближе друг к другу, чем раньше, и резонанс станет сильнее. Различие собственных частот напорных систем с новыми и старыми гидроагрегатами по расчетам получается небольшим – 1.52 Гц против 1.55 Гц, однако это приводит к уменьшению и так недопустимо низкого индекса гидроакустической устойчивости σ еще на 0.2 – 0.15 в диапазоне напоров 170 – 210 м.

Конечно, если специально не заводить агрегаты в зону A' и не допускать возникновения бустинга, описанного в статье «Две тысячи слов о Саянской катастрофе», то опасность как будто бы не увеличивается по сравнению с той, что была раньше. Однако, посмотрим, что в случае, если это все-таки произойдет, будут говорить те, кто сейчас утверждает, что: «Турбины (новые – автор) будут оснащены более эффективной защитой, что позволит автоматически останавливать их работу в случае выхода на запредельные режимы». Работа агрегатов будет автоматически остановлена, если система управления будет рассчитана на предотвращение подобного режима, если она успеет это сделать и если при работе этой системы по предотвращению инцидента на экстремальных скоростях не возникнет что-либо вроде тривиального гидравлического удара, который по своему воздействию может оказаться ничуть не слабее бустинга. В конце концов, с самой общей точки зрения это почти одно и то же. Итак, возникает ситуация, когда лечение может оказаться ничем не лучше болезни. Таким образом, езда на одноколесном велосипеде, которую хочет заставить продолжать исполнять сотрудников станции руководство всех уровней, может выглядеть привлекательной, только если считать все это цирковым представлением. Особенно должна вдохновлять эксплуатантов перспектива оказаться вслед за падением с этого велосипеда на скамье подсудимых, если, конечно, они останутся после этого живы.

Перейдем теперь к более общим вопросам. Ранее в статьях этой серии говорилось о том, что для определения гидроакустической устойчивости станции необходимо провести соответствующие расчеты, а для этого нужно знать с десяток ее технических характеристик. За прошедшее время с той или иной степенью точности подобная работа была проведена для полутора десятков гидро- и гидроаккумулирующих станций, а в мире их сотни. Поэтому хотелось хотя бы приблизительно очертить тот круг станций, с которыми разобраться следует в первую очередь.

Существует диапазон напоров и высот плотин, в котором наиболее вероятно возбуждение автоколебаний

Как известно, частота вращения ротора коррелирует с напором воды на номинальном рабочем режиме агрегата – чем выше напор, тем, как правило, больше эта частота. Частота прецессии затурбинного вихря (вихревая частота) в свою очередь зависит от частоты вращения ротора, тогда как собственная частота в основном определяется длиной водовода. В случае, когда водоводы расположены как на Саяно-Шушенской ГЭС на фронтальной поверхности плотины, их собственные частоты также коррелируют с напором, но противоположным образом – чем выше напор, тем длиннее водоводы, и тем ниже частоты собственных колебаний напорной системы. Отсюда следует, что, если не рассматривать случаи с кратностью частот, требующие бóльшей степени их согласования, снижающей вероятность инцидентов, то существует некоторый диапазон напоров, а, значит, и высот плотин, в котором наиболее вероятен этот опасный процесс – возбуждение автоколебаний. Если водоводы пробиты в окружающих станцию скалах, как на Нурекской ГЭС, то их удлинение может быть скомпенсировано переходом на более высокие моды собственных колебаний.

Таким образом, вполне естественно считать, что высоконапорные станции типа СШГЭС или Нурекской ГЭС с агрегатами достаточно большой единичной мощности следует рассматривать на гидроакустическую устойчивость в первую очередь, и их можно отнести к своеобразной «группе риска». Тем более, что в этом случае и последствия инцидентов могут быть самыми тяжелыми. Из этих простых соображений и был составлен список действующих напорных ГЭС всего мира, высота плотин которых не ниже 200 м, а мощность агрегатов не меньше 100 МВт, общей мощностью 37 ГВт, что, примерно, эквивалентно шести СШГЭС. После некоторых уточнений в него вошли 23 станции, см. таблицу 1:



Оценки для пяти из них (в таблице они показаны косым шрифтом) были проведены, на двух (показаны жирным шрифтом), как известно, произошли инциденты, связанные с гидроакустической неустойчивостью. Можно отметить, что Саяно-Шушенская ГЭС превосходила по мощности любую из станций этого списка почти вдвое. Гидроэлектростанция Гувер (Hoover) работает с 1936 года, Карун 3 (Karun 3) была введена в строй последней в 2005 году. Многие станции из этого списка работают достаточно давно, и, скорее всего, их гидроакустические характеристики вполне приемлемы для безопасной эксплуатации, но 2 из 23 все-таки продемонстрировали свою неустойчивость, причем Саяно-Шушенская ГЭС – через 30 лет после начала эксплуатации.

Следует отметить, что первое десятилетие XXI века характеризуется невиданным ранее ростом интенсивности строительства гидроэлектростанций, относимых к группе риска, притом, что незадолго до начала ввода в строй этих станций произошла катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС, которую следует рассматривать как грозное предупреждение о возможном будущем некоторых станций из этого списка (см. таблицу 2). Общая мощность таких гидроэлектростанций составляет около 130 ГВт, что примерно равно мощности 20 Саяно-Шушенских ГЭС, и планируется, что все они должны войти в строй во втором десятилетии XXI века.



Гидроэлектростанция Лунтань (Longtan) уже начинает работать (двадцать шестой номер в таблице 2). Первый агрегат очередной китайской ГЭС – Сяовань (Xiaowan) (восьмой номер в таблице 2) должен был быть запущен в конце 2010 года. Некоторые из станций данного списка, например, Рогунская, Siang Upper или Худони в реальности, быть может, не будут построены так быстро, как планируется сейчас. Однако есть мало сомнений в том, что конвейер по постройке 17 китайских гидроэлектростанций с высотой плотины более 200 м и общей мощностью примерно эквивалентных 14 Саяно-Шушенским ГЭС, не собьется с графика, если его организаторы не столкнутся с неожиданными для них явлениями, подобными тем, что произошли на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года. А возможность этого, как представляется из сопоставления таблиц 1 и 2, существует – вполне можно ожидать, что 2-3 станции из таблицы 2 и из них 1-2 китайские могут оказаться гидроакустически неустойчивыми. Тогда — рано или поздно — их может ждать судьба Саяно-Шушенской ГЭС. Общие потери от катастрофы в Саянах оцениваются в три миллиарда долларов, так что возможные потери от таких инцидентов могут быть порядка нескольких миллиардов долларов, не говоря уже о возможных человеческих жертвах.

Более точное представление о будущих рисках гидроэлектростанций из таблицы 2 можно получить после расчета их индексов гидроакустической устойчивости. Необходимая для этого информация может быть предоставлена, по-видимому, только компаниями, занятыми их постройкой, причем именно эти компании более чем кто-либо и должны быть заинтересованы в том, чтобы эти расчеты были сделаны. Следует отметить, что не вхождение какой-либо гидроэлектростанции в эти списки, особенно если она деривационного типа или является гидроаккумулирующей, или имеет мощность агрегата ниже 100 МВт, совершенно не гарантирует ее гидроакустическую устойчивость.

Данные по ГЭС Тери (Tehri) (четырнадцатый номер в таблице 2) были получены, и оказалось, что с гидроакустической точки зрения она является абсолютно устойчивой. Ее машинный зал – подземный, и потребовалось, чтобы вместо относительно коротких отсасывающих труб там были построены отводящие водоводы, длина которых соизмерима с длиной напорных водоводов. А как показали расчеты соответствующей системы уравнений, при близости длин напорных и отводящих водоводов, колебательное решение на первой моде вообще не может реализоваться. На более высоких модах абсолютного запрета на колебания нет, однако на практике и там автоколебания, как правило, возникнуть не могут. Подобный результат, полученный «на кончике пера», конечно, хорошо бы подтвердить экспериментально, но примерно то же самое получилось при гидроакустических расчетах вьетнамской деривационной ГЭС Яли (Yali), которая успешно работает с 2002 года.

В самое последнее время, уже в 2011 году, возникло новое развитие рассматриваемого сюжета. Как может быть известно читателям, в самом конце 2010 года здесь, на сайте Тайга.инфо, началась и вскоре завершилась дискуссия о причинах Саянской катастрофы между автором и главным инженером ОАО «Ленгидропроект» Борисом Юркевичем. Нечто аналогичное происходит сейчас в материалах, частично опубликованных в журнале «Гидротехническое строительство», а частично только еще посланных в его редакцию. И там г-н Юркевич, спросил, почему автор рассматривает только высоконапорные станции с радиально-осевыми турбинами? По его мнению «в средне- и низконапорных ГЭС эти (оборотная и лопастная – автор) частоты близки и могут совпадать с собственными частотами водоподводящего тракта. Почему автор там не ищет предвестников будущих катастроф?» А параллельно в это же время на сайте Тайга.инфо в статье «Саяно-Шушенская ГЭС: клин в мозги» появилась информация об отрыве турбинной крышки на канадской средненапорной гидроэлектростанции Гранд Рэпидс (Grand Rapids), оснащенной поворотно-лопастными турбинами. Возникает мысль, что главный инженер в этом может быть и прав, и что нужно расширить сферу действия теории гидроакустического возбуждения автоколебаний напорных систем и на такие типы станций.

Из предварительного рассмотрения следует, что, если и на средненапорных станциях возможны подобные инциденты, то они, видимо, должны быть гораздо более редкими, чем на высоконапорных ГЭС. Однако канадский пример, возможно, доказывает, что совсем исключены они быть не могут. Таким образом, формируется представление о том, что те или иные гидроакустические инциденты могут происходить на гидроэлектростанциях различных типов, как высоко-, так и низко- и средненапорных. Однако наибольшую вероятность их возникновения и тяжесть последствий можно ожидать на высоконапорных станциях из описанной в данной статье группы риска.

Юрий Лобановский, специально для Тайги.инфо