Отвергнутая версия катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС

На Саяно-Шушенской ГЭС нельзя исключать повторения катастрофы и после замены оборудования и оснащения самыми современными следящими системами. Прежде всего потому, что расследование причин аварии на СШГЭС оказалось поверхностным, а его продолжение сейчас затруднено из-за утраты большей части вещественных доказательств, считает бывший заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС В.И. Бабкин:

В августе 2010 года была опубликована моя статья “Нужен новый направляющий аппарат для турбины Саяно-Шушенской ГЭС”, в которой я предположил захлопывание направляющего аппарата (НА) турбины СШГЭС в результате разрушения гидравлической системы поворота лопаток, приведшее к полному прямому гидравлическому удару.

В той статье я также предположил, что причиной резкого возрастания нестационарных гидравлических процессов в проточной части турбины является гидроакустический резонанс, который возникает при совпадении частот колебаний оси кавитационного жгута с собственной частотой упругих колебаний воды в напорном водоводе. А это явление, по моему мнению, в первую очередь провоцируется направляющим аппаратом турбины.

Мною в адрес комиссии по расследованию причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС было направлено письмо, в котором я утверждал, что первопричиной срыва крышки турбины и начала подъёма вращающей части гидроагрегата был полный прямой гидравлический удар, который был зафиксирован сейсмостанцией “Черемушки”, которую именно я в свое время предложил построить.

Мои рекомендации были полностью реализованы при создании нового оборудования. Но все прошедшие после трагедии на СШГЭС годы меня не покидало сомнение в достаточности предпринятых мер. Именно поэтому написана эта статья.

В основе моей первой версии было равновесие вертикальных усилий нормально работающего гидроагрегата, которое было нарушено в результате многократных изменений нагрузки, приведшей к рассогласованию работы лопаток НА и к разрушению гидравлической и рычажной систем управления лопатками направляющего аппарата турбины.

При рассогласовании работы лопаток направляющего аппарата турбины (даже одной пары лопаток) и увеличении нагрузки гидроагрегата до максимальной гидравлический момент превысил величину 6,3 МПа, гидравлическая система разрушилась, направляющий аппарат турбины оказался неуправляемым и под действием потока воды и благодаря импульсу ПИД – регулятора захлопнулся. В результате произошел полный прямой гидравлический удар.

Несинхронности работы лопаток направляющего аппарата турбины, безусловно, способствовала замена жёсткой (тросовой) обратной связи на гибкую электронную обратную связь.

Причин для мгновенного закрытия лопаток направляющего аппарата было множество: конструктивная особенность направляющего аппарата, характеризующего его как самозакрывающийся при сбросе нагрузки и неисправной системе регулирования; несинхронная работа лопаток с образованием повышенных усилий на лопатки, превышающих 6,3 МПа, и могущих мгновенно разрушить гидравлическую систему; расположение одной части системы регулирования на крышке турбины, а другой – на отметке машинного зала 327 м; слишком крутая характеристика ПИД – регулятора; скачкообразная запредельная величина изменения нагрузки гидроагрегата, нуждающегося в замене турбины со дня её установки.

Профиль лопатки НА выполняется с эксцентриситетом относительно оси вращения, от которого зависит величина гидравлического момента действующего на лопатку. Усилие на закрытие НА, передаваемое на сервомотор через тяги состоит из гидравлического момента, действующего на лопатку в закрытом положении (момент пропорционален заданной величине относительного эксцентриситета профиля лопатки и действует на открытие НА), момента упругих сил, возникающих вследствие натяга НА (момент соответствует обычно половине открытия НА и действует на его закрытие) за минусом момента трения в цапфах лопаток НА (у высоконапорных радиально-осевых турбин этот момент соответствует максимальному открытию НА и действует на закрытие НА). Сумма этих усилий умножается на коэффициент, учитывающий передаточное отношение кинематической связи между лопатками и сервомотором.

Таким образом, приведенные свойства направляющего аппарата турбины характеризуют его как самозакрывающийся, то есть, если при сбросе нагрузки окажется неисправной система регулирования, то он закроется до некоторой величины под действием гидравлического момента, действующего на лопатки.

Нельзя забывать, что сервомоторы служили в определенной мере демпферами по гашению вибраций лопаток НА. Лопатки имели люфты из-за истирания втулок подшипников, особенно нижних, и неплотное прилегание в закрытом состоянии, что вносило погрешность в систему регулирования при наладке АСУТП, которая использовала пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы.

Большие протечки воды через закрытый направляющий аппарат турбины имели место и являлись основной причиной, не позволившей давлением воздуха отжать воду от рабочего колеса турбины для работы гидроагрегата в режиме синхронного компенсатора.

При скачкообразном изменении регулируемой величины ПИД-регулятор в начальный момент времени оказывает мгновенное бесконечно большое воздействие на объект регулирования. Переходной процесс показан на рисунке.

Процесс мог развиваться по схеме: моментальный заброс оборотов со 100 до 125% (аварийный золотник с механическим устройством противоразгонной защиты непосредственно воздействует на сервомотор направляющего аппарата в сторону его закрытия при различных неисправностях регулятора, а это устройство имеет центробежный выключатель), мгновенное бесконечно большое воздействие ПИД-регулятора на закрытие направляющего аппарата, гидравлическая система не выдерживает нагрузки, давление в системе падает до нуля. Поток воды мгновенно закрывает НА, который уже шел на закрытие из-за момента, описанного выше, жгута, воздействующего снизу, и импульса ПИД- регулятора.

Итак. В результате многократного изменения нагрузки гидроагрегата № 2 Саяно-Шушенской ГЭС при вторичном регулировании частоты и мощности в энергосистеме произошло разрушение гидравлической и рычажной системы поворота лопаток направляющего аппарата турбины.

Направляющий аппарат турбины, имеющий момент на закрытие и получивший сигнал на закрытие, захлопнулся потоком воды (был слышен хлопок). Одновременно произошли обнуление гидравлического момента, разрыв потока воды и полный прямой гидравлический удар, в результате которого разрушилось крепление крышки турбины, крестовины и вращающаяся часть гидроагрегата вышла из зоны спиральной камеры.

В результате произошел запуск гидравлического тарана, то есть таранный насос вращающейся струей воды высокого давления разрушил перекрытие, стены машинного зала, вспомогательное оборудование и обустройство гидроагрегата и началось затопление машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС.

В разрыв потока произошел подсос воздуха. Совместным усилием прямого и обратного гидравлических ударов вращающуюся часть гидроагрегата вытолкнуло из кратера. Когда отверстие вверх достигло величины, примерно равной отверстию входа в отсасывающую трубу, то таранный насос прекратил работу, поток воды в машинный зал СШГЭС стал сопоставим с потоком в отсасывающую трубу, поэтому уровень воды в машинном зале быстро превысил отметку 333,0 м.

Обрыв шпилек и первоначальный подъём вращающейся части гидроагрегата произошел в результате полного прямого гидравлического удара, который произошел по причине мгновенного захлопывания НА. Закрываться он должен был в течение не менее 19 секунд. Таков заданный закон его закрытия при максимальном напоре воды и мощности турбины 755 МВт.

В результате полного прямого гидравлического удара крышку турбины заклинило на валу разрушившимся турбинным подшипником и за счёт усилия вращающихся масс были срезаны цапфы лопаток направляющего аппарата, была сорвана крестовина гидроагрегата.

Все произошло именно по законам физики: огромным усилием, значительно превосходящим массу вращающегося тела, гидроагрегат вытолкнуло из шахты турбины. При этом обод ротора генератора был сорван со спиц. И это еще хорошо, что вытолкнуло, иначе бы разрушенными оказались водовод и агрегатный блок.

От версии полного прямого гидравлического удара отказались по причине отсутствия разрушений напорного трубопровода и спиральной камеры. И совершенно напрасно. При полном прямом гидравлическом ударе фронт ударной волны движется в направлении, обратном первоначальному направлению движения жидкости в напорном трубопроводе.

При полном прямом гидравлическом ударе воду обязаны были рассматривать как сжимающуюся жидкость.

Наибольшее значение давления оказалось в ограниченном пространстве перед направляющим аппаратом, где наиболее слабым местом было крепление крышки турбины. Мощнейшее усилие было приложено к кольцу (крайняя часть крышки турбины в месте ее крепления).

Энергия полного прямого гидравлического удара была израсходована на отрыв крышки турбины, крестовины и подъём вращающейся части гидроагрегата из пространства спиральной камеры. Именно поэтому по напорному трубопроводу распространился ослабленный ударный фронт.

Вода в турбинном водоводе оказалась мощной преградой для разрушения водовода. Взрыв, а полный прямой гидравлический удар – это мощнейший взрыв, и все происходило как в стволе орудия, где вращающаяся часть гидроагрегата стала своего рода снарядом.

Первоначальный подъём вращающейся части гидроагрегата происходил при закрытом направляющем аппарате турбины без обода ротора генератора. Направляющий аппарат турбины в закрытом состоянии выходил из камеры рабочего колеса турбины благодаря креплению верхних цапф.

Именно поэтому шахта турбины не имела царапин. Вращающаяся часть гидроагрегата выходила из шахты турбины на водяной смазке, находящейся под большим давлением. Именно поэтому все лопатки направляющего аппарата турбины оказались разбросанными на разных верхних отметках вплоть до трансформаторной площадки.

Если бы все шпильки были целы и затянуты, как предусмотрено проектом, то это крепление все равно не выдержало бы, потому что не было рассчитано на такую нагрузку, которая рождена полным прямым гидравлическим ударом.

“В процессе испытаний и наладки системы отжатия воды из камеры рабочего колеса турбины при переводе агрегата в режим синхронного компенсатора было установлено, что давление в полости под крышкой гидротурбины в момент начала подачи воздуха с давлением 6,4 МПа достигает 1,7 МПа и превосходит допустимое по условиям прочности крышки на 0,7 МПа” [1], стр.263-264.

Эксплуатация турбин при максимально возможной нагрузке 755 МВт при максимальном напоре гарантировалась с заданным законом регулирования закрытия НА в течение 19 секунд. Именно мгновенное схлопывание лопаток НА – наиболее вероятная причина полного прямого гидравлического удара.

После разрыва потока воды и подсоса воздуха в этот разрыв произошел повторный прямой и одновременно обратный гидравлические удары, которые сжали воздух. Именно потому вращающуюся часть гидроагрегата вытолкнуло из кратера гидроагрегата.

Когда рабочее колесо турбины уходит из спиральной камеры, то все равно поток воды закручивается в спиральной камере (тормозится). Это означает, что начинает работать гидравлический таран, пропуская через себя бОльшую часть воды с высоты (разница высот между уровнями ВБ и НБ) через отсасывающую трубу и поднимая меньшую часть воды на бОльшую высоту.

При работе гидротаранного насоса происходят релаксационные колебания (автоколебания) потока воды, возникающие в системах, существенную роль в которых играет внешнее или внутреннее трение.

От версии прямого гидравлического удара отказались также по причине того, что приборы не зарегистрировали закрытие направляющего аппарата турбины. Они и не могли зарегистрировать такой быстротечный процесс.

Второй гидроагрегат (кроме десятого после его испытаний на повышенную мощность) всегда считался наиболее неблагополучным, поскольку работал со сменным рабочим колесом турбины. На пятом гидроагрегате направляющий аппарат турбины закрылся в штатном режиме, а на остальных (кроме шестого, который не работал) расход воды снижался, то есть перекрытие потока воды происходило по мере разрушения гидроагрегата без захлопывания направляющего аппарата турбины.

Скоротечность выброса вращающейся части гидроагрегата, затопления машинного зала и характер разрушений заставили меня вернуться к моей первой версии. Все большие разрушения второго гидроагрегата СШГЭС произошли в считанные секунды.

Потеря управляемости работой направляющего аппарата турбины также могла привести к его полному открытию и к возбуждению гидроакустических колебаний в напорной системе и к потере её устойчивости, которая согласно теории бустинга [2] при прочих равных условиях снижается при росте напора.

«Почему Саянская катастрофа произошла в августе 2009 года?» следует совершенно ясный ответ: «Потому, что в 2009 году была изменена система управления вторым гидроагрегатом Саяно-Шушенской ГЭС, и именно к середине августа был достигнут максимальный напор при его работе с новой системой управления, когда уровень возбуждающих колебаний превысил критический, что и привело к автоколебаниям»”, – обращает внимание автор теории бустинга [2]. Следовательно, необходимо дальнейшее снижение НПУ и ФПУ водохранилища СШГЭС.

В 1988 году на ГА-10 было установлено экспериментально, что при сбросах повышенной нагрузки переходный процесс отличается от расчетного: в разрешенном диапазоне работы турбины в момент сброса нагрузки от влияния гидравлического удара давление в спиральной камере на 15% превышает расчётное, в спиральной камере и отсасывающей трубе повышение давления от пульсационной составляющей достигает 36,5 м (допустимое 285 м).

Нельзя исключать повторения подобной катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС и после замены оборудования и оснащения самыми современными следящими системами, прежде всего потому, что расследование причин аварии на СШГЭС оказалось поверхностным, а его продолжение сейчас затруднено из-за утраты большей части вещественных доказательств.

Нельзя также исключать аварии из-за беспрецедентного снижения гидрологической безопасности на всём каскаде и, прежде всего, на Саяно-Шушенском гидроузле. Об этом я много раз писал письма до катастрофы, а после катастрофы статьи на сайте “Плотина. Нет!” и в журнале “Гидротехника XXI век”. Об этом я пишу в своей монографии, сигнальный экземпляр которой направил в 2010 году руководству “РусГидро” c краткой пояснительной запиской.

Необходимо не отрицать полный прямой гидравлический удар, а, наоборот, признать его, изучить этот процесс и внести коррективы в расчёты оборудования и инструкции по эксплуатации.

Тот, кто подписал в свое время договор на разработку нового АСУ ТП, тот во многом подписал приговор Саяно-Шушенской ГЭС – разумеется, что делал он всё это не сознательно, а по недомыслию.

Диспетчеры энергосистемы обязаны были хорошо знать оборудование, которым управляют (об этом прямо записано в их должностной инструкции). О необходимости замены оборудования турбин Саяно-Шушенской ГЭС я писал задолго до аварии руководству всех уровней, в том числе Совету Безопасности России.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

• – нельзя было поручать вторичное регулирование частоты и мощности гидроагрегатам Саяно-Шушенской ГЭС до замены, прежде всего, рабочих колес и направляющих аппаратов турбин;
• – нельзя было применять индивидуальный привод на каждую лопатку направляющего аппарата турбины, поскольку он приводит к рассогласованию работы лопаток, повышенной вибрации гидроагрегата и поломке гидравлической системы поворота лопаток;
• – необходимо было предусматривать дублирующую гидравлическую систему поворота лопаток направляющего аппарата турбин и другие меры, предотвращающие захлопывание направляющего аппарата;
• – необходимо изменить и усилить крепление обода ротора к спицам;
• – необходимо проверить все версии причин катастрофы на модели;
• – необходимо по возможности минимизировать недостатки в геометрии спиральной камеры гидроагрегата №2, на дефекты которой указал А.А.Клюкач в своих статьях;
• – новое оборудование гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС обязано пройти испытания на повышенную нагрузку.

Предвидеть и предотвратить катастрофу эксплуатационный персонал не мог и не сможет после восстановления ГЭС, если не будут продолжены научные исследования и эксперименты, если не будут выяснены истинные причины катастрофы.

Литература

[1]. Решение проблем Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. Материалы научно-технической конференции 1986 года, Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1987, стр.263-264.

[2] Лобановский Ю.И. Автоколебания напорных систем гидроэлектростанций и Саянская катастрофа, http://www.synerjetics.ru/article/autooscillations.htm

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС (1978 – 2001 гг.), участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее с 01.06.1962 года,
специально для "Плотина.Нет!"