СШГЭС: хроника катастрофы и версии аварии

О трагической аварии на Саяно-Шушенской ГЭС уже высказано множество мнений в самых разных аспектах – экономическом, политическом, социальном, техническом. В данном выпуске газеты мы ограничимся вопросом «что произошло», отодвигая в сторону вопрос «кто виноват», и сосредоточимся на технических фактах и попытках их интерпретации.

Может, это звучит кощунственно, но любая техногенная катастрофа дает важнейшую информацию, ценнейшую в том плане, что она позволит избежать следующих катастроф и новых жертв. И не только информацию. Катастрофа мобилизует разум: множество специалистов и просто неравнодушных людей вольно или невольно втягиваются в расследование причин либо как участники, либо как «болельщики».

В данном случае за дни после трагедии многие узнали о гидроэнергетике больше, чем за всю предшествующую жизнь. Это знание, как впечатанное в сознание специалистов, так и рассеянное в головах множества посторонних людей, бесценно – оно поможет избежать не только аналогичных аварий в будущем, но и вообще заставит более уважительно относиться к энергоемкой технике всех видов. Именно это произошло после Чернобыльской катастрофы и должно произойти сейчас.

Интерес человека к катастрофам, вопреки расхожему мнению, не является нездоровым. Это как раз одно из самых здоровых проявлений человеческой любознательности, гарантирующих человеку более высокий уровень безопасности. Именно благодаря этому интересу техника, в отличие от общественной истории и частной жизни человека, является той сферой, где на ошибках учатся.

Однако из средств массовой информации мы знаем очень мало достоверных фактов об аварии и не удивляемся этому. Как это часто происходит в последние годы, основной источник информации переместился в Интернет, причем не в сетевые СМИ, а в блоги и форумы. В данном случае главным источником информации стал региональный раздел Хакасии на форуме автомобилистов Drom.ru. Почему, причем тут автомобилисты? Видимо, просто случайно: кто-то из местных открыл там тему про аварию, несколько человек, включая очевидцев, поместили туда свои сообщения, появились сообщения специалистов, и потянулись другие специалисты и любопытствующие со всей страны – своего рода нелинейный динамический эффект.

На форуме есть и свидетельства очевидцев, и комментарии профессионалов, и техническая информация, и гипотезы специалистов, и, конечно, масса информационного мусора, превалирующая по объему. Все это нелегко читать (к середине дня 27 августа число сообщений достигло 7000, и большинство из них – мусор), было несколько попыток сделать компиляции из ключевых сообщений, но ни одна не была доведена до конца. Тем не менее, если потратить много времени и сил, а также если глаз наметан на выделение достоверных данных из информационного шума, узнать из форума можно очень многое.

Итак, мы представляем хронику развития событий при аварии, в порядке ликбеза даем общие сведения о Саяно-Шушенской ГЭС, включая цитаты из книги классика гидроэнергетики В.И.Брызгалова, публикуем сводку версий возможных причин аварии и завершаем подборку личным комментарием ее автора.

Хроника катастрофы и ее версии

Данный материал подготовлен на основании сообщений на форуме автомобилистов в Хакасском разделе, в ветке, посвященной аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, а также с учетом ряда материалов других СМИ.

Среди сообщений форума есть много свидетельств очевидцев и комментариев специалистов-энергетиков, как имеющих, так и не имеющих отношения к Саяно-Шушенской ГЭС. Никакое отдельное свидетельство не может считаться абсолютно достоверным. Большинство фактов, приводимых ниже, подтверждено многими свидетельствами. Там, где число свидетельств невелико, они перечисляются. Участники форума выступают анонимно, хотя многие из них знают друг друга. Некоторые указывают место работы и должность. По ходу дискуссии ее профессионализм возрастал, поскольку к ней присоединялись новые грамотные специалисты.

Хроника

1. В январе 2009 г. гидроагрегат №2 был остановлен на плановый ремонт, в ходе которого была модернизирована его автоматика. В марте ГА2 был запущен, однако его работа вызывала нарекания. По одному из свидетельств, были докладные о недопустимом нагреве каких-то узлов агрегата. По другому свидетельству, сбоила автоматика, но было решено, что все войдет в норму в процессе постепенной притирки.

2. В выходные 15-16 августа поведение ГА2 ухудшилось, возросла вибрация (одно свидетельство). В 3 часа ночи с воскресенья на понедельник была попытка остановить агрегат, но при этом возникли проблемы, и останов был отложен (другое, независимое свидетельство). Ситуация оценивалась как серьезная, о чем есть свидетельство: одного из начальников цехов, бывшего в отпуске, в 6 утра вызвали на ГЭС. Утверждают, что в понедельник на ГЭС ожидался прием высоких персон, что могло добавить нервозности и способствовать лишним ошибкам. Однако по числу и качеству свидетельств достоверность последнего факта не слишком высока.

3. Утром, с началом новой смены (8 час. утра, 4 часа по Москве), начали снова выводить ГА2 из-под нагрузки. Выключение решили делать штатным образом. Многие участники форума задним числом утверждают, что были предпосылки для аварийного выключения (с закрытием затворов на верхнем бьефе) – тогда катастрофы не было бы.

4. Катастрофа развивалась в течение нескольких секунд. По словам одного из очевидцев (не видевшего машинный зал в момент аварии), сначала появилась сильнейшая вибрация, затем два хлопка один за другим, после этого шум воды. Более точная информация содержится в данных (трендах), отображенных на графике. Аутентичность этих данных не доказана, но данные очень правдоподобны и совпадают с описаниями очевидцев, видевших их в первый день после аварии. (Теперь они подтверждаются и комментариями сотрудников «Ракурса».) К сожалению, временной бин в отображении данных слишком велик, но из них видно достаточно много.

Фрагмент данных (трендов) автоматизированной системы управления в момент аварии.

1. Мощность, выдаваемая генератором. Начальное значение 570 МВт, конечное – 0.
2. Частота вращения ротора в процентах от номинала. Начальное значение 100%, конечное – 0.
3. Угол раскрытия лопаток направляющего аппарата в процентах от максимального. Значения 70% – 0.
4. Ток на одной из шин генератора. 22 кА – 0.
5. Напряжение одной из фаз генератора 16 кВ – 0.
6. Амплитуда вертикальной вибрации гидроагрегата. Десятки микрометров – 2000 мкм.

Итак, в 08 час. 13 мин. 21 с лопатки направляющего аппарата (третья сверху кривая) начали плавно закрываться, мощность генератора – падать с некоторой задержкой (верхняя кривая). На 24.5-й секунде генератор вошел в так называемую «запрещенную зону» – неполная мощность, при которой поток на рабочее колесо пульсирует и развиваются вибрации (см. цитату 1 из книги В.И. Брызгалова). Через полсекунды вибрации резко (быстрей чем ширина секундного или полусекундного бина) возрастают до недопустимых и, возможно, предельных значений – 2000 мкм (нижняя кривая).

Еще через полсекунды датчик оборотов показал скачок скорости вращения ротора на 25%. Этого в реальности быть не может; соответствующее приращение энергии вращающегося ротора – порядка двух гигаджоулей: что-то произошло с датчиком. Еще через секунду отрубаются датчики раскрытия лопастей направляющего аппарата, но датчики, снимающие токи и напряжения с генератора, еще живы, и они показывают картину, которая может быть интерпретирована как короткое замыкание внутри генератора. Ток чуть подскакивает, напряжение и мощность сильно падают, но не до нуля. Видимо, остаточное напряжение (около киловольта или меньше) обусловлено сопротивлением электрической дуги, каковая является основным механизмом короткого замыкания при таких мощностях.

5. В результате еще не понятой цепи событий гидроагрегат вместе с рабочим колесом и крышкой турбины выбило из колодца вверх, и вода из спиральной камеры хлынула в машинный зал. Следует напомнить, что напор воды – около 200 м. Струя воды за секунды снесла часть стен и перекрытия машинного зала и в течение десятков минут била гигантским фонтаном с переменной силой, меняя направление из-за того, что в образовавшемся кратере болталась махина гидроагрегата. Эта струя и разрушение машинного зала зафиксировано очевидцем с помощью камеры мобильника.

6. Поток воды, хлынувший в зал, привел к основным жертвам и вызвал дальнейшие разрушения. Похоже, автоматика нескольких гидроагрегатов (именно ГА1, 3, 4, 5, 8, 10) успела дать команду на останов до того, как была сметена водой, и эти агрегаты в той или иной степени отключились, потому остались более-менее целыми. Шестой находился в ремонте, потому пострадал меньше других. ГА7 и ГА9 не отключились к моменту, когда в них хлынула вода.
На упомянутой выше видеосъемке очевидца видно, как из-за короткого замыкания выгорает ГА9. Он и ГА7 получили огромные разрушения, но, к счастью, остались на месте.

7. В течение первого часа после аварии вручную закрыли аварийный быстропадающий затвор второго агрегата на верхнем бьефе, и вода остановилась. Автоматически он по каким-то причинам не сработал: то ли автоматика не выработала соответствующей команды, то ли его заклинило. К 9.20 были закрыты затворы остальных гидроагрегатов.

8. Через несколько часов открыли водосброс плотины. На этом аварийная цепь событий остановлена, но проблемы и угрозы не исчезли, и основная из них связана именно происшествие с водосбросом. Во-первых, он проблематичен изначально: вода регулярно разбивает бетонные водобойные колодцы (см. цитату 2 из книги В.И. Брызгалова). Во-вторых, его пропускная способность недостаточна: он рассчитан на то, что в параллель с ним вода сбрасывается через работающие агрегаты.

Угроза придет с весенним паводком: имеющийся водосброс в одиночку может с ним не справиться.Строился еще один, обводной водосброс, но работы на нем приостановлены. Сейчас они, вероятно, будут возобновлены, но к весне его достроить не успеют. Из этого следует, что к весне совершенно необходимо запустить несколько гидроагрегатов.

Благодаря аварии 1979 г. опыт по реанимации агрегатов Саяно-Шушенской, залитых водой, имеется (см. цитату 3 из книги В.И. Брызгалова). Это значит, что шестой агрегат точно и какие-то еще из оставшихся не разрушенными, вероятно, могут быть введены в строй до паводка.

9. Угрозы разрушения плотины нет. В этом сходятся как официальные лица, так и квалифицированные участники форума.

Цитата 1. Режимы работы турбин

По данным измерений пульсации давления в проточной части, вибрации опорных частей, биения вала и пульсации мощности во всем нагрузочном диапазоне выявились три характерные зоны.

В зоне 1 (мощность – ниже 230 МВт при напоре 190 м, границы зон зависят от напора. – Б.Ш.) уровень пульсаций давления в проточной части не превышал 0.1 МПа, вибрационное стояние допустимое. В этой зоне гидроагрегат как правило не работал из-за низкого КПД.

В зоне 2 (мощность – от 230 МВт до 470 МВт. – Б.Ш.) уровень пульсаций в проточной части высокий, со жгутовой частотой 0.4 – 1.2 Гц. […] Гидравлический режим отличался сильными ударами, пульсация мощности достигала 30 МВт, вибрация опорных частей была выше допустимой. Было рекомендовано достаточно быстро проходить этот режим при наборе нагрузки, длительная работа агрегата в этом диапазоне запрещалась.

В зоне 3 (выше 470 МВт) наблюдался достаточно благоприятный уровень гидродинамических воздействий. […] Она была рекомендована для длительной работы агрегата.

[Из книги «Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций» (2003) Валентина Брызгалова, генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС]

Версии

Начнем с общепризнанного факта: вырывание крышки турбины и выталкивание гидроагрегата вверх не были предусмотрены ни в каких проектных аварийных сценариях. Подобная авария казалась совершенно невероятной, и специалисты в большинстве вряд ли бы поверили в ее возможность, если бы она не произошла.

Среди выдвинутых версий выделяется два основных сценария:

1. Авария развивалась снизу, ее причиной было огромное давление воды (20 атмосфер в спиральной камере) и разрушение каких-то элементов конструкций в проточной части, в результате чего генератор вытолкнуло вверх потоком воды.

2. Авария развивалась сверху. Первопричиной стало фатальное «происшествие с ротором генератора, после чего началось тотальное разрушение, включавшее механический срыв крышки турбины, и воде открылся путь наверх.

Версия гидроудара, высказанная официальными лицами, относится к первому сценарию. От нее со временем отказались, поскольку сейсмографы не зарегистрировали ничего, что могло быть интерпретировано как гидроудар, да и второй агрегат был в работе; «сочинить» в таких условиях сценарий гидроудара не так просто – для него нужно пустое пространство или внезапное появление препятствия.

Впрочем, было: на Памирской ГЭС в проточную часть гидроагрегата с верхнего бьефа засосало воздух… Последствия тяжелые, но не трагические. Здесь воздуху взяться неоткуда: вход в водоводы – глубоко под водой.

Вообще с первым сценарием проблема в том, что снизу на крышку турбины давит вода, прошедшая через лопасти направляющего аппарата, при этом давление падает на порядок, а реакция потока воды скорее направлена вниз, чем вверх. Давления воды заведомо не хватает, чтобы поднять крышку с опирающимся на нее гидроагрегатом весом под 2000 тонн.

Была версия о разрушении стенки спиральной камеры, так что вода под давлением 20 атмосфер хлынула в гидроагрегат поверх крышки турбины и подняла всю конструкцию, ударив в ротор. Однако спиральная камера смонтирована из 40 мм стали…

Эта версия легко может быть опровергнута или подтверждена первым же человеком, попавшим в спиральную камеру после откачки воды. Это уже произошло в воскресенье 23 августа, и если бы спиральная камера была разрушена, мы бы об этом уже знали.

Цитата 2. Восстановление затопленного агрегата

По ряду объективных и субъективных причин в период освоения Саяно-Шушенской ГЭС 23 мая 1979 г., при пропуске половодья через недостроенные водосбросы плотины произошло затопление здания ГЭС, где был в работе первый агрегат, введенный в эксплуатацию в декабре 1978 г. […] Гидрогенератор пробыл под водой 8 суток. […]
Среди специалистов, рассматривавших вопрос восстановления работоспособности гидрогенератора, мнения разделились. С крайней позицией о полной замене гидрогенератора на новый эксплуатационники не согласились и взяли на себя ответственность за обеспечение работоспособности существующего агрегата. […]
Через 34 дня, 4 июля 1979 г., с момента, когда гидрогенератор был высвобожден из воды, он был поставлен на обороты для сушки изоляции с нагревом её за счёт потерь энергии вентиляционного потока. Начальный этап продолжался с 4 по 30 июля 1979 г., в течение этого времени нагрев генератора до 750С чередовался с его охлаждением до 4000С (1-30 С в час). […]
Второй этап сушки изоляции, с 11 по 27августа 1979 г., проводился в режиме короткого замыкания гидрогенератора также с чередованием нагрева меди до 750 С и охлаждением до 400 С с той же продолжительностью циклов с током в обмотке статора 7000 А.[…]
Все работы по восстановлению, от момента высвобождения гидрогенератора из воды и до включения его в сеть, заняли 112 дней; предположения о возможности восстановления агрегата оказались правильными. Впоследствии гидрогенератор работал успешно около 5 лет. Он был остановлен для замены опытного сердечника статора, наработка его составила 34,5 тыс. часов.

[Из книги «Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций» (2003) Валентина Брызгалова, генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС]

Пока среди участников дискуссии больше популярен второй сценарий: авария развивалась с ротора генератора. Ротор весит 800 тонн, основная часть этой массы сосредоточена в ободе радиусом около 6 метров. Кинетическая энергия ротора при номинальной частоте вращения (около 2.4 оборотов в секунду) составляет около 4 гигаджоулей и достаточна, чтобы зашвырнуть его на 400 метров в высоту.
Кроме кинетической есть еще энергия магнитного поля в обмотках: она гораздо меньше – порядка 10 мегаджоулей, но все равно достаточна, чтобы оказать сильное механическое воздействие на ротор при резкой рассинхронизации с сетью или коротком замыкании. Именно поэтому все генераторы, включенные в общую сеть, вращаются строго синхронно: пытающегося отстать подгоняют остальные.

По этой причине неоднократно выдвигалась гипотеза электромеханического удара на ротор в результате короткого замыкания. Однако короткое замыкание – штатная авария, неприятная, но не фатальная; они случались.

Нужен еще какой-то усугубляющий фактор. Таковым могло бы стать, например, касание между ротором и статором (зазор между ними – миллиметры), хотя это тоже случалось. Ротор генератора сконструирован по принципу велосипедного колеса: вал, спицы и обод, в котором и сосредоточены обмотки с сердечниками.

На снимках ГА2 после аварии мы видим, что обод генератора сорван со спиц, а сами спицы (огромные швеллера) порваны, и их остатки закручены в одну сторону (против направления вращения). Срыв обода ротора мог быть последствием фатального развития событий, а мог стать и триггером (спусковым крючком) аварии – эта версия рассматривается участниками дискуссии достаточно серьезно.

Обод держится на спицах с помощью стальных клиньев, крепление периодически проверяется. Однако из-за сильной вибрации, предшествующей аварии, они могли быстро ослабнуть и вылететь. Срыв обода в свою очередь мог дать экспоненциально растущие колебания, переходящие в разрушения.

Но почему при этом выбило крышку турбины? Если сверху произошли разрушения с разбалансировкой того, что осталось на валу, то вал будет передавать на крышку огромную вибрацию. А вибрация вовсе не обязательно сводится к колебаниям на месте. Все видели, как ползет по столу мобильный телефон…

Аналогично, крышка могла начать проворачиваться, срезав шпильки крепления к спиральной камере, а потом и валы лопастей направляющего аппарата. Нельзя исключить даже то, что крышку из-за вибраций вместе со всем гидроагрегатом начало тащить вверх. И то, и другое движение крышки разрушает направляющий аппарат.

Как только он разрушается, вся гидродинамическая картина под гидроагрегатом меняется: скорость потока падает, а гидростатическое давление резко возрастает – его уже хватает, чтобы поднять гидроагрегат, особенно если обода ротора на нем нет.

У такого сценария множество вариантов и «развилок». Например, обод мог не слетать со спиц, а просто перекоситься из-за вылета части клиньев. А мог сорваться и поползти вверх, «катаясь» по статору. Этот сценарий вкратце можно сформулировать следующим образом: фатальные разрушения или перекосы наверху, с огромной вибрацией, передаваемой на крышку турбины через вал, с регулярным движением крышки, вызвавшей срезание шпилек и разрушение направляющего аппарата. Сейчас этот сценарий выглядит лидирующим в дискуссии (это, конечно, еще не означает, что ответ найден).

Он преимущественно «механический», варианты, где первопричиной аварии явилась неправильная работа автоматики, тоже выдвигаются, но их статус в дискуссии маргинален: большинство участников такую возможность считают маловероятной.

Конечно, дискуссия сидит на голодном информационном пайке. Появляются важные снимки, но нет, например, снимков проточной части. Появляются данные АСУ, но не все. У комиссии по расследованию, конечно данных больше, но какой-то определившейся версии, судя по высказываниям официальных лиц, пока нет.

Цитата 3. Проблемы с водосбросом

В период пропуска половодья 1988 г. были проведены натурные исследования водобойного колодца […], с тем чтобы иметь возможность окончательно откорректировать проект реконструкции колодца, исходя из реальных условий.[…]
В результате была вновь разрушена часть восстановленной конструкции дна, площадь разрушений составляла 15% от общей площади дна колодца. Ширина зоны повреждения составляла 25-30 м, длина – 60-65 м, глубина – до 10 м. Объём вынесенного бетона составил около 10 тыс. м3. Общий объём разрушенного, вынесенного потоком и вывезенного бетона при разборке плит крепления за весь период ремонтно-реконструктивных работ составил 53,2 тыс. м3, или 12,3% из общего геометрического объёма водобойных устройств (431 тыс. м3). […]
В результате поиска путей решения противоречивых задач – обеспечения надёжной и эффективной эксплуатации гидроэнергокомплекса при несопоставимой долговечности водобойного колодца по сравнению с другими элементами гидроузла была сформулирована иная концепция режима водохранилища – щадящая, отличающаяся от проектных предположений. Пропуск половодий обеспеченностью 1% и менее должен начинаться значительно раньше, чем по проектным предположениям […]
Коренным решением проблемы является (в реальных условиях построенных плотины и водобойного колодца) сооружение дополнительного водосброса. Только это позволит не допустить превышения гидродинамического давления под днищем колодца, вели- чина которого не представляет опасности при удельном расходе около 30 м2/с.

[Из книги «Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций» (2003) Валентина Брызгалова, генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС]

Борис Штерн, газета "Троицкий вариант. Наука", №17 (36), 1 сентября 2009 г.