Уроки аварий на Саяно-Шушенской и Нурекской ГЭС

Случаи «самопроизвольного подъема» роторов радиально-осевых гидротурбин давно известны. Достаточно исследованы и причины таких случаев. К сожалению, комиссия Ростехнадзора, расследовавшая аварию на Саяно-Шушенской ГЭС, не учла ни имевшиеся ранее факты происхождения таких случаев, ни материалы исследования их причин, считает почетный энергетик России Геннадий Рассохин:

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года по масштабу и объемам разрушения уникальна. Аналогов ее ни в российской, ни в мировой практике энергетики не просматривается.

Нет аналогии и с аварией на Нурекской ГЭС в 1983 году. И не только по объемам повреждений, но и по причине происхождения.

Авария на Нурекской ГЭС

Конструкция аварийного гидроагрегата ГА-1 Нурекской ГЭС существенно отличается от конструкции ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС. В нем упорный подшипник – подпятник ПП, на котором висит весь ротор агрегата, расположен выше крышки турбины и опирается на самостоятельную мощную крестовину.

«… в 1983 году после отключения гидроагрегата № 1 из-за ударов и появления большого количества воды на крышке турбины при осушении и обследовании проточной части и крышки турбины обнаружено:

– срыв 50 шпилек из 72, крепящих крышку турбины;

– рифленка обслуживающего мостика направляющего аппарата в районе лопаток № 7?16 сорвана и перевернута на регулировочные тяги направляющего аппарата;

– на лопатках направляющего аппарата № 11, 12, 13 увеличенные нижние торцевые зазоры до 3,5 мм.

В результате выброса воды из-под крышки турбины произошло затопление помещений шарового затвора на 1,75 м.» [Обзор аварий и других нарушений в работе на электростанциях и в электрических сетях энергосистем за 1983 год М, СПО «Союзтехэнерго», 1984].

Из статьи заслуженного работника РТ, академика Международной инженерной Академии, кандидата технических наук Бахрома Сирожева:

«При аварии на Нурекской ГЭС в 1983 г. „отрыв“ крышки турбины был обусловлен ослаблением крепления крышки и аварийным износом верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса, при этом „отрыв“ крышки турбины (конструктивно не связанной с ротором генератора), не оказал непосредственного влияния на работу генератора, который продолжал работать в нормальном режиме.

Количество энергии, выделившейся при аварии на Нурекской ГЭС, в сравнении с энергией аварии на СШГЭС, ничтожно мало…

Таким образом, несмотря на внешние признаки (разрушение шпилек крепления крышки турбины), катастрофа на СШГЭС кардинально отличается от аварии на Нурекской ГЭС в 1983 г.»

Как видим, и ротор агрегата, и крышка турбины оставались на своих отметках, генератор оставался в сети. При перекосе крышки турбины произошла разгерметизация и выброс воды. Три лопатки направляющего аппарата поднялись на 3,5 мм.

Усилия от давления воды, действующие на крышку РО-турбины снизу, зависят от состояния верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса [см. Грановский С.А., Малышев В.М., Орго В.М., Смоляров Л.Г. Конструкция и расчет гидротурбин Л., «Машиностроение», 1978]. При аварийном износе уплотнения величина этих усилий увеличивается ? на 50% по сравнению с усилиями при новых уплотнениях.

Таким образом, причинно-следственная цепочка аварии на ГА-1 Нурекской ГЭС «раскладывается» так: износ верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса до аварийного состояния ? увеличение усилия от давления воды на крышку снизу ? рост вибрации (горизонтальной) ? усталость металла шпилек  ? срыв 50 шпилек из 72 установленных.

По действующему Закону №116–ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» от 21 июля 1997 г. данный случай не подпадает под определение «авария». Это – «инцидент».

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС

17.08.2009 г. в 8 час. 13 мин. 25 сек. «При входе в зону эксплуатационной характеристики гидроагрегата, не рекомендованной к работе, произошел обрыв шпилек крышки турбины. Под воздействием давления воды в гидроагрегате ротор гидроагрегата с крышкой турбины и верхней крестовиной начал движение вверх…» [Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро – «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего»].

В аварийном ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС подпятник ПП расположен на крышке турбины и передает на нее всю осевую нагрузку через установленную на ней опорную конструкцию.

Эта нагрузка (Рос.г) слагается из:

• усилий от веса всех вращающихся частей агрегата Рв.а;
• осевой компоненты давления на верхний обод рабочего колеса Рв.об;
• осевой компоненты давления на нижний обод рабочего колеса Рн.об;
• гидродинамического воздействия потока воды на лопасти рабочего колеса Рпр.ч.

Рос.г= Рв.а+ Рв.об+ Рн.об +Рпр.ч

17.08.2009 г. ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС работал при напоре 212,4 м,  ГА-1 Нурекской ГЭС (в 1983 г.) – при напоре 275 м.

Учитывая диаметры крышек турбин, диаметры их рабочих колес и валов роторов обоих агрегатов, а также вес ротора ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС, можно подсчитать, что усилие «поднимавшее» крышку турбины ГА-1 Нурекской ГЭС было в 5 (пять) раз больше усилия на ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС. Тем не менее, крышку полностью не сорвало, она оставалась на своей отметке на 22-х оставшихся шпильках.

На крышке ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС было 80 шпилек. 2 шпильки были без гаек [см. Акт технического расследования Ростехнадзора]. В сравнении со случаем на ГА-1 Нурекской ГЭС невероятно, что давлением воды могло сорвать разом все 78 шпилек. Не оказалось тех, 22-х (вернее, 22:5=4,4) «геройски устоявших» шпилек. А крышку не только сорвало, но агрегат вместе с крышкой подняло и выбросило на высоту более 10-и метров над уровнем пола машинного зала.

Не крышка турбины подняла ротор агрегата, а ротор агрегата поднял крышку.

Спрашивается: если тысячетонный вращающийся ротор поднимается и упирается в крышку, которая не предназначена быть «упорным подшипником вверх», могут ли устоять ее шпильки? Разработана ли методика прочностного расчета шпилек, учитывающая одновременное воздействие на них ударных растягивающих, ударных изгибающих и ударных срезающих напряжений от таких нагрузок?

Шпильки диаметром 80 мм (80 шт.) и верхние цапфы лопаток направляющего аппарата диаметром 300 мм (20 шт.) были первыми «пострадавшими» при подъеме ротора ГА-2 СШГЭС. Далее – вся электростанция. И люди.

Радиально-осевая турбина обладает свойством обратимости. На гидроэлектростанциях (ГЭС) она используется как собственно турбина и синхронный компенсатор, на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС) – как турбина и как насос.  17 августа 2009 г. на Саяно-Шушенской ГЭС РО-турбина «продемонстрировала» себя в самом опасном качестве – превратилась в «торпеду» с «гребным винтом» диаметром 6,77 м.

О случаях «самопроизвольного подъема» роторов радиально-осевых гидротурбин давно известно [см. Орахелашвили М.М. О случаях самопроизвольного подъема роторов радиально-осевых гидротурбин – «Электрические станции», 1958, № 7]. Достаточно исследованы и причины таких случаев. К сожалению, комиссия, расследовавшая аварию,  не учла ни имевшиеся ранее факты происхождения таких случаев, ни материалы исследования их причин.

Подпятник ПП ГА-2 Саяно-Шушенской ГЭС рассчитан только на положительные осевые усилия. (За положительное направление принимается направление, совпадающее с осевой скоростью потока воды в нормальном турбинном режиме). В приведенной выше формуле по определению величины осевого усилия Рос.г все слагаемые не всегда положительны. При некоторых режимах последние два слагаемых могут быть отрицательными. В основном это Рпр.ч.  -  гидродинамическое воздействие потока воды на лопасти рабочего колеса. В некоторых (опасных) режимах гидродинамические усилия, перейдя в зону отрицательных значений, превышают вес ротора. Это аварийный режим.

«При малых открытиях направляющего аппарата, а также при всех открытиях в разгонных и близких к ним режимах осевые усилия, действующие на проточную часть, отрицательны» [Орахелашвили М.М. О случаях самопроизвольного подъема роторов радиально-осевых гидротурбин – «Электрические станции», 1958, № 7].

«… могут встретиться случаи, когда при переходных процессах произойдет изменение знака и суммарного осевого усилия, которое приведет к подъему ротора агрегата (при отсутствии обратной пяты)» [Орахелашвили М.М. О случаях самопроизвольного подъема роторов радиально-осевых гидротурбин – «Электрические станции», 1958, № 7].

«… и при малых открытиях направляющего аппарата. Это создает опасность подъема вращающихся частей агрегата при быстром закрытии турбины, так как в этих условиях действующее вверх гидродинамическое осевое усилие Рг может превысить вес вращающихся частей. Такие аварийные случаи на ГЭС возникали.» [Кривченко Г.И. Гидравлические машины. Турбины и насосы М., «Энергия», 1978].

«Раздел 2-7. Подъем роторов гидротурбин» [Владиславлев Л.А. Вибрация гидроагрегатов гидроэлектрических станций М., «Энергия», 1972].

Нет сведений о состоянии  отсасывающей трубы (ОТ) и ее затвора (ЗОТ) на момент аварии ГА-2 на Саяно-Шушенской ГЭС. Возможно, там возникли обстоятельства, в результате которых резко снизился расход воды через турбину, рабочее колесо перешло в тормозной режим (режим гребного винта) и Рг превысило вес вращающихся частей агрегата.

Но приведенные в Акте технического расследования Ростехнадзора данные по регулированию мощности перед аварией [стр. 61] похожи не на «регулирование», а на «русскую рулетку»:

В интервалах времени:

• 23 час. 30 мин. – 23 час. 31 мин. мощность снижена на 35 МВт
• 07 час. 29 мин. – 07 час. 30 мин. мощность снижена на 430 МВт
• 08 час. 12 мин. – 08 час. 13 мин. мощность снижена на 100 МВт

В течение одной минуты мощность падает на 430 МВт! Через некоторое время – на 100 МВт! Это, естественно, сопровождается прикрытием направляющего аппарата с такой же скоростью.

Очень похоже на переходные процессы, при которых происходят «самопроизвольные подъемы роторов радиально-осевых гидротурбин».

К сожалению, заявленные автором в заголовке данной статьи уроки по  катастрофе на Саяно-Шушенской ГЭС извлечь пока не из чего (в техническом плане).  Истинная причина превращения ГА-2 СШГЭС в «торпеду» пока не установлена. А неопознанный, не обнаруженный противник опасен вдвойне…

Геннадий Рассохин,
Почетный энергетик России