Как "оптимизировали" Саяно-Шушенскую ГЭС

Настоящая статья написана специально для пояснения особо опасного положения, сложившегося на Енисее в результате нарушения последовательности возведения гидроузлов и последующей противоправной “оптимизации” режима работы водохранилища Саяно-Шушенской ГЭС в его верхней зоне в период проектирования, строительства и временной эксплуатации этого уникального гидроузла. В дальнейшем такие нарушения вполне могут привести к серьезным последствиям, вплоть до разрушения всего каскада ГЭС на Енисее.

“В условиях эксплуатации режим работы водохранилища в его верхней зоне является заданным и оптимизации не подлежит до тех пор, пока условия трансформации паводка в системе не изменятся. Например, если выше данного гидроузла будет построено новое водохранилище, позволяющее в паводок уменьшить максимальный сбросной расход воды.

Изменение режима работы водохранилища должно быть тщательно обосновано. При каскадном расположении водохранилищ оптимизация режимов пропуска паводков через сооружения не может рассматриваться изолированно для различных ступеней каскада, так как величина расчетного сбросного расхода нижележащей ступени каскада существенно зависит от правил управления режимом работы (трансформацией паводка) вышележащей ступени и т.д.

При выбранных параметрах сооружений гидроузлов любое сколько-нибудь существенное отклонение от разработанных при этом выборе правил управления режимами работы водохранилища в верхней его зоне при эксплуатации чревато серьезными последствиями, вплоть до разрушения всего каскада” [1], стр.602.

Эти утверждения в полной мере согласуются с требованиями строительных норм и правил (СНиП). В них речь идет о порожнем объеме водохранилища, расположенном в верхней части водохранилища межу уровнем мертвого объема (УМО) и форсированным подпорным уровнем (ФПУ), режим работы которого является заданным и оптимизации не подлежит до тех пор, пока условия трансформации паводка в системе не изменятся.

Схемой освоения гидроэнергетических ресурсов реки Енисей на площади водосбора 288200 км² предусматривалось строительство 21 (двадцать одного) водохранилища с ГЭС, в том числе на площади водосбора 180000 км², которая расположена в Саянских горах в Туве 9 (девяти) водохранилищ с ГЭС: на Большом Енисее – Хамсарийское, Сейбинское, Уюкское, Шевелигское и Кызыльское, на Малом Енисее Буренское ([1], стр.50), на Верхнем Енисее ниже Кызыла 7 (семи) водохранилищ с ГЭС – Элегестское, Баянкольское, Хайраканское, Саяно-Шушенское, Майнское, Очурское, Минусинское ([2], стр. 243).

На Среднем Енисее предусматривалось создать Красноярское водохранилище с ГЭС и на его боковом притоке на реке Туба предлагалось построить Артемовское водохранилище с полезной емкостью 4,15 км³ , Сретенское — 8 км³ , Бурутакское – 0,4 км³ , Кавказское – 1,49 км³ , на реке Абакан: Крутогорское – 0,71 км³ , Осиновское – 0,3 км³ , Абанское – 0,33 км³ и Анское водохранилище емкостью 3,2 км³ – все с ГЭС, ([3], стр. 253).

Когда разрабатывается схема использования водных ресурсов, то определяются наиболее удобные створы и нормальные подпорные уровни (НПУ). Полезный объем между уровнем мертвого объема (УМО) и НПУ, резервный объем между НПУ и форсированным подпорным уровнем (ФПУ), максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф (максимальный расход воды через водосбросы + средний надежно гарантированный расход воды через турбины ГЭС) рассчитываются позже при технико-экономическом обосновании (ТЭО) проекта.

Расчеты ведут последовательно от верхнего водохранилища к расположенному ниже по течению водохранилищу по максимальным величинам объема и расхода притока воды с площади водосбора каждого водохранилища в отдельности. Максимальный сбросной расход воды в нижний бьеф первого в каскаде гидроузла определяется после заполнения порожнего объема водохранилища до ФПУ.

Согласно СНиП расчеты пропуска половодий и дождевых паводков обязаны исходить из выполнения обязательного условия: заполнение порожнего объема водохранилища от УМО до НПУ должно начинаться и проходить при надежно гарантированном среднем расходе воды через турбины ГЭС, но без выполнения холостого сброса воды.

Для обеспечения гарантии безопасного пропуска максимального расчетного притока воды с гарантийной поправкой и неожиданного дождевого паводка при заполненном до НПУ водохранилище расчеты обязаны предусматривать кратковременное заполнение порожнего объема водохранилища до ФПУ и кратковременную одновременную работа всех турбин ГЭС.

Расчеты максимального сбросного расхода воды в нижний бьеф каждого последующего гидроузла обязаны выполняться по максимальному объему и расходу притока воды с боковой площади водосбора водохранилища с учетом максимального сбросного расхода гидроузла, расположенного выше по течению.

Использование в расчетах пропуска половодий и дождевых паводков холостого сброса воды и кратковременной одновременной работы всех турбин ГЭС с пониженного уровня воды в водохранилище при проектировании, строительстве и временной эксплуатации гидроузлов запрещается.

Холостой сброс воды с пониженного уровня водохранилища является основным резервом, а кратковременная одновременной работы всех турбин ГЭС с пониженного уровня водохранилища – дополнительным резервом гидрологической безопасности гидроузла, его верхнего и нижнего бьефов.

Основной и дополнительный резервы гидрологической безопасности предназначаются для постоянной (промышленной) эксплуатации гидроузла на случай пропуска катастрофического притока воды (притока выше принятого в расчетах) и на непредвиденные случаи: отказы в работе оборудования, аварии на гидроузле, ГЭС, в нижнем бьефе, схеме выдачи мощности ГЭС и энергосистеме.

Если в ходе эксплуатации гидроузла приток воды в водохранилище окажется выше принятого в расчетах или возникнет непредвиденное обстоятельство (отказ в работе оборудования или авария), то холостой сброс воды и кратковременная одновременная работа всех турбин ГЭС начинаются немедленно с пониженного уровня воды в водохранилище.

Из-за нарушения очередности создания Саяно-Шушенского гидроузла создание порожнего объема водохранилища необходимого объема стало невозможным. Из-за недостаточного развития схемы выдачи мощности ГЭС средний расход воды через турбины снизился с 3400 до 2100 м³/с.

В ходе проектирования и временной эксплуатации Саяно-Шушенской ГЭС возникли непредвиденные обстоятельства: сначала авария на водосбросе, а чуть позже на плотине.

С 1997 года по состоянию плотины СШГЭС порожний объем водохранилища около 3,0 км³, расположенный выше уровня 540,0 м, заполнять запретили. Дефицит порожнего объема водохранилища только по этой причине увеличился до 6,0 км³.

“Разуплотнение основания и последующие ремонтные работы наложили на режим наполнения водохранилища в 1997 году существенные ограничения, призванные обеспечить безопасность эксплуатации плотины:

— наполнение водохранилища допускается до отметки 538,0 м не ранее конца августа и 539,0 м (уточненная отметка НПУ) – во второй декаде сентября по условиям недопустимости превышения отметки 540,0 м (уточненный форсированный подпорный уровень);

— продолжительность удержания НПУ 539,0 м не должна превышать трех-четырех недель по условиям сезонного охлаждения плотины;

— допускается интенсивность наполнения водохранилища: до отметки 520,0 м – без ограничений; в диапазоне отметок 520,0 – 530,0 м – не более 1,5 м в сутки (среднее значение за 5 дней); выше отметки 530,0 м – не более 0,7 м в сутки (средний показатель за 3 дня).

Правилами установлены условия заполнения водохранилища в зависимости от прогнозируемого притока весеннего половодья (май-июнь):

— объем притока менее 30 км³ (обеспеченность p > 1%) – расходами, превышающими Qгэс (расход воды через турбины), до отметки 520,0 м, после чего открываются водосбросы;

— объем притока более 30 км³ (обеспеченность p < 1%) – также расходами, превышающими Qгэс, но до отметки 510,0 м, при которой включаются в работу водосбросы” ([4], стр. 451-455).

“Водобойный колодец, восстановленный после разрушений крепления его дна в 1985 и 1988 годах, не обладает необходимой надежностью при пропуске расходов более 5000 м³/с”, [5] — таково было решение ведомственной комиссии в 2000 году.

“Ввод в эксплуатацию дополнительного водосброса, рассчитанного на пропуск расхода 4000 м³/с, не снижает актуальности мероприятий по обеспечению безопасности использования основных водосбросов при прохождении паводков обеспеченностью менее 5%. Таким мероприятием является устройство пирсов-растекателей. Следует отметить, что отсутствие пирсов-растекателей, разработанных в соответствии с решением комиссии Минэнерго СССР (п.10.1), до сих пор не позволяет обеспечить необходимое повышение надежности крепления колодца в его активной зоне”, — подчеркивают проектировщики в самом конце своего труда, изданного в 2008 году, ([4], стр. 485-487).

При заполнении порожнего объема водохранилища в период временной эксплуатации уникального гидроузла проектом в нарушение требований СНиП предусмотрено заведомое использование всего резерва гидрологической безопасности, то есть выполнение холостого сброса воды по контрольным уровням наполнения водохранилища на конкретную дату, зависящую от прогноза объема притока воды, таблица 1, ([4], стр. 456):

Таблица 1

На практике такое регулирование нельзя осуществить, тем более невозможно при заниженном прогнозе притока воды. Любое непредвиденное обстоятельство, любая задержка начала холостого сброса воды ведет к увеличению сбросного расхода, вплоть до максимальной величины 19190 м³/с и выше, поскольку резерв гидрологической безопасности у Саяно-Шушенской ГЭС отсутствует.

Проектом СШГЭС предусматривается длительная работа водосброса с максимальной нагрузкой. Если учесть, что водосброс кратковременно пропускал не более 5260 м³/с ([4], стр. 461) и не был испытан, то становится очевидной вся опасность его длительной перегрузки.

О чрезвычайном положении Саяно-Шушенского гидроузла можно судить по итогам пропуска половодья и дождевого паводка в 2006 году. При обеспеченности притока воды 54% в мае (вероятность события 1 раз за 1,85 лет), 8% в июне (1 раз за 12,5 лет), около 1% в июле (до 5 раз за 100 лет) холостые сбросы воды достигли 15 км³. Вынуждены были практически транзитом пропускать весь приток воды в нижний бьеф Саяно-Шушенской ГЭС: расход притока достигал 7900 м³/с, а сбросной расход – 7700 м³/с.

2006 год объявили многоводным, хотя по методике расчёта гидрологической безопасности он относится к году ниже средней водности. К сожалению, итоги пропуска половодья и дождевого паводка 2006 года и катастрофа на СШГЭС 17 августа 2009 года не стали предметом для разработки экстренных мер по повышению гидрологической безопасности гидроузлов на Енисее и их нижних бьефов.

Даже после катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС регулирование продолжали выполнять, как и ранее, с большим риском по графику года средней водности. К сожалению, отказались от предложения центра регистра и кадастра России по созданию порожнего объема 17,3 км³ путем сработки водохранилища СШГЭС до уровня 495 м и последующего его заполнения до уровня 540 м.

Мои расчеты показали, что при регулировании заполнения Саяно-Шушенского водохранилища строго в соответствии СНиП в течение мая – сентября 2006 года, то есть при условии начала холостого сброса воды после заполнения объема водохранилища, объем холостого сброса воды снизился бы с 15,0 км³ до 10,0 км³. При задержании объема 7,5 км³ в верховье объем холостого сброса воды снизился бы в 2006 году до 3,0 км³.

При создании возможности увеличения выдачи мощности Саяно-Шушенской ГЭС в энергосистему Сибири всего на 430 МВт и, соответственно, увеличении среднего расхода воды через турбины на 230 м³/с и задержании объема притока 7,5 км³ в верховье в мае –сентябре в течение 153 суток до октября (230 ? 153 ? 24 ? 60 ? 60 = 3 км³) объем холостого сброса воды в 2006 году оказался бы нулевым.

Энергосистема Сибири должна иметь надежные связи со всеми ГЭС, внутри себя и с другими системами, обеспечивая выдачу всей установленной мощности ГЭС даже в случае выхода из работы одной линии электропередачи от ГЭС, то есть по международному стандарту (критерию n-1). К сожалению, ГЭС Сибири большую часть своей мощности напрямую передают в энергоемкие предприятия.

Именно по этой причине после катастрофы на СШГЭС 17 августа 2009 года для увеличения пропускной способности линий электропередачи от энергосистемы до алюминиевых заводов потребовалась компенсация реактивной мощности.

До создания Саяно-Шушенского водохранилища в 1988 году через Красноярский водосброс в 1970, 1972, 1984, 1985, 1988 годах было сброшено мимо турбин 29 км³. Всего холостые сбросы выполнялись в 14 годах, но особенно большими были в 2006 году в объеме около 17,9 км³, а сбросной расход воды достигал 10500 м ³/с.

В результате воронка размыва в нижнем бьефе увеличилась на 4,6 м в глубину. По результатам обследования 2007 года воронка размыва имеет распластанную форму в плане длиной 378 метров, шириной 205 метров и две четко выраженные воронкообразные впадины глубиной 32,7 и 23,70 метра.

В 2006 году объем холостого сброса воды на Енисее оказался эквивалентным выработке электроэнергии около 10 млрд. кВт?ч. Такое количество электроэнергии вырабатывают все ГЭС Волжско-Камского каскада в течение квартала.

По моему глубокому убеждению, гидрологическая безопасность обязана обеспечиваться без участия турбин ГЭС только водосбросными сооружениями, имеющими резервные источники питания.

В новые СНиП 33.01-2003 внесены изменения: например, в последнем расчете пропуска половодий и дождевых паводков Саяно-Шушенского гидроузла [5] включен пониженный до 1800 м³/с расход воды через турбины.

Но такой подход к обеспечению гидрологической безопасности не должен стать основанием для снижения выдачи установленной мощности ГЭС в энергосистему, поскольку расход воды через турбины является дополнительным резервом гидрологической безопасности на реке.

Ведомственная приемка Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса в 2000 году [6] без ее утверждения Правительством России не стала документом для обязательного исполнения. Решения Центральной комиссии 2000 года обязывали ограничить пропускную способность водосброса 5000 м³/с, построить дополнительный водосброс для Майнского гидроузла, обеспечить замену турбин Саяно-Шушенской ГЭС и много других мероприятий.

Вместо этого выполнили работы по автоматизации управления гидроагрегатами, заставили их участвовать во вторичном регулировании частоты и мощности в энергосистеме, имеющей слабые связи как внутри самой, так и с внешними энергосистемами. В итоге получили катастрофу.

В ходе проектирования, строительства и временной эксплуатации Саяно-Шушенского гидроузла (этот статус сохраняется до сих пор), были допущены очевидные вопиющие многочисленные отклонения от правил управления режимами работы водохранилища в верхней его зоне, которые в период постоянной эксплуатации гидроузла вполне могут привести к серьезным последствиям, вплоть до разрушения всего каскада на Енисее.

По моим расчетам после восстановления Саяно-Шушенской ГЭС дефицит порожнего объема водохранилища составит 15 км³. При создании возможности выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему вполне достаточно будет создать в верховье в Туве суммарную порожнюю емкость 7,5 км³.

Оперативно поправить тяжелейшее положение можно только регулированием притока воды в водохранилища, восстановлением использованного резерва гидрологической безопасности и созданием условия для выдачи всей установленной мощности ГЭС в энергосистему по международному критерию.

Наличие многочисленных дополнительных ограничений на проектную схему регулирования по ходу проектирования, строительства и временной эксплуатации уникального гидротехнического сооружения (СШГЭС), которая сама по себе изначально выполнялась с нарушением требований СНиП, не дает правовых оснований для приемки объекта в промышленную эксплуатацию Государственной комиссией.

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!"

Список использованной литературы:

[1] Под редакцией Д.С. Щавелева, “Использование водной энергии”, Энергия, Ленинград, 1976г.

[2] “Гидроэлектростанции Советского Союза”, Часть 1, Справочник, типография института Гидропроект, М., 1967г.

[3] “Гидроэнергетические ресурсы”, М., 1967г.

[4] А.И.Ефименко, Г.Л.Рубинштейн “Водосбросные сооружения Саяно-Шушенской ГЭС”. СПб: Изд-во ОАО «ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева», 2008.

[5] Саяно-Шушенская ГЭС на реке Енисей. “Уточнение пропускной способности водосбросных сооружений с учетом дополнительного водосброса”. Ленгидропроект, инв.№ 1047-1-126т, 2003 г.

[6] Акт приемки в эксплуатацию законченного строительством Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса на реке Енисей, п.Черемушки, 2000/РАО “ЕЭС России”. Центральная комиссия по приемке в эксплуатацию Саяно-Шушенского гидроэнергетического комплекса.