СШГЭС: пять секунд до катастрофы

Сегодня в редакцию "Плотина.Нет!" обратился почетный энергетик России Геннадий Рассохин. Поблагодарив за размещение своих материалов на нашем сайте, он, тем не менее, заявил: "Тему по катастрофе на Саяно-Шушенской ГЭС пока нельзя считать закрытой. Есть вопросы, есть сомнения". Некоторые из этих вопросов и сомнений мы представляем сегодня вашему вниманию:

Со дня аварии на Саяно-Шушенской ГЭС прошло больше года. Но технические причины ее происхождения до сего времени остаются загадкой.

Официальная версия основной причины аварии, изложенная в акте Государственной комиссии, — разрушение шпилек крепления крышки турбины второго гидроагрегата вследствие усталости металла.

Несмотря на то, что выводы комиссии рассмотрены и одобрены Государственной Думой РФ и Российской Академией наук, достоверность этой версии сомнительна.

В одном из интервью во время расследования председатель комиссии был озабочен тем, что:

«Надо понять, каким образом гидроагрегат, весом 2 тысячи 691 тонну, смог, нарушая все законы физики, вращаясь, подняться в воздух. Следы полета видны на конструкции здания. Колонна, подпиравшая подкрановые пути для двух пятисоттонных кранов стесана снизу доверху неоднократными вращениями конструкции второго гидроагрегата».

По опубликованным выводам видно, что понятие физики явления так и не пришло комиссии и на момент подписания акта. В акте причинами аварии назван набор неких невероятностей.

Можно сказать, что члены комиссии не стали вникать в сложности процесса, упростив все до крайности. Полуторатысячетонный агрегат мощностью 640 МВт (по мощности он равен крупной тепловой электростанции с поперечными связями) — гордость советской (российской) гидроэнергетики — был уподоблен пробке на бутылке шампанского: ослабили крепление, потрясли, пробка вылетела, содержимое вылилось.

Между тем гидроагрегат № 2 «смог, вращаясь, подняться в воздух», не «нарушая законы физики». Обстоятельства его подъема вполне соответствуют законам гидродинамики.

Уровень воды в нижнем бьефе СШГЭС — 325,07 м. Отметка рабочего колеса турбины — 314,6 м. «Заглубление» рабочего колеса составляет: 325,07-314,6=10,47 м. То есть, рабочее колесо вращается «в колодце» глубиной 10,47 м. Вращается, постоянно погруженное в воду. Если через «колодец» проходит вода, рабочее колесо работает как турбина. Но если поток воды прекращается, то рабочее колесо, вращаясь, переходит в режим гребного винта. В этом случае рабочее колесо является гребным винтом – «движителем», «двигателем» является вращающаяся масса ротора агрегата. Мощность вращения полуторатысячетонной массы, передаваемая на гребной винт диаметром 6,77 м с 16-ю лопастями при 142,8 оборотов в минуту, достаточна для поднятия агрегата и выхода его из этого «колодца» даже при отсутствии напора.

Подъем неизбежен при закрытии любого из трех затворов турбины (верхнего, нижнего или направляющего аппарата) при оставшемся во вращении роторе агрегата.

Подъем возможен и при других обстоятельствах, изученных и описанных ещё в середине прошлого века. Тогда же дано определение таких случаев как «случаев самопроизвольного подъема роторов радиально-осевых гидротурбин».

При анализе накопившихся в интернете материалов по аварии на СШГЭС обращает на себя внимание факт «скоротечности» произошедшего. По заявлению комиссии, ударов не было, но все происходило в «ударных темпах». Собственно, о течении времени и о «темпах» говорить не приходится. Все решали «мгновения» и «миги».

В акте отмечено время аварии – 08 часов, 13 минут, 25 секунд. Специалист по ГЭС ООО «Ракурс-Инжиниринг» уточняет: 08 часов, 13 минут, 24 секунды и 727 тысячных секунды. В этот «миг» агрегат пошел вверх — порвались шпильки.

Процесс разрушения детали (в том числе и шпильки крепления крышки турбины) при статическом нагружении (и при вибрации) – это процесс кинетический. Он проходит через несколько стадий: зарождение трещины, её развитие до критической величины и лавинное разрушение (долом детали). Стадии растянуты во времени, и иногда на их развитие уходят годы и даже весь жизненный цикл работы детали.

На ГА-2 было 80 шпилек крепления крышки, установленных по периметру окружности диаметром 8,65 м. Странно, что на всех шпильках, разбросанных в пространстве, разрушение во всех трёх его стадиях произошло в одну секунду (08 часов 13 минут 25 секунд), точнее в один миг – миллисекунду (08 часов 13 минут 24,727 секунд). Вряд ли где и когда в инженерной практике такое случалось.

В «шпилечно-усталостную» версию причины аварии не укладываются остальные 8 поврежденных агрегатов. Все они получили повреждения при работе. Наиболее разрушены ГА-7 и ГА-9. Особенно ГА-9. Он по сравнению с ГА-2 должен был иметь большую «усталость» шпилек, так как за 8 последних месяцев большее число раз переходил через нерекомендуемую зону и больше по времени в ней находился. Во время аварии при разрушении генератора и верхней крестовины, безусловно, удары передавались и на крышку турбины, и на шпильки ее крепления к статору. Амплитуды «вибрации» при этом имели явно не микронное значение. Однако шпильки под напором не порвались, агрегаты не «выброшены» из своих шахт.

И про «усталость». Из книги бывшего директора Саяно-Шушенской ГЭС В.И. Брызгалова:

«…Приходилось учитывать, что гидроэлектростанция ведет регулирование мощности и частоты в энергосистеме, поэтому гидроагрегаты при пусках и остановках по несколько раз в сутки переходят через запрещенные зоны длительной работы, где испытывают наивысшие гидродинамические воздействия».

Это обычная жизнь агрегатов на гидроэлектростанциях. Не регулировать же частоту и мощность в энергосистеме блоками на тепловых электростанциях, на пуск и останов которых уходят часы. «Учитывали» и работали 30 лет. А 17.08.2009 г. в 08 часов 13 минут 25 секунд на ГА-2 все 80 шпилек крепления крышки турбины в один миг «смертельно устали» и случилась авария.

Не выдерживает критики и описанный в акте механизм разрушения верхних цапф лопаток направляющего аппарата:

«При выходе обода рабочего колеса на отметку 314,6 рабочее колесо перешло в насосный режим и за счет запасенной энергии ротора генератора создало избыточное давление на входных кромках лопастей рабочего колеса, что привело к обрыву перьев лопаток направляющего аппарата».

Что за мифический «насосный режим»? «Избыточное давление на входных кромках лопастей рабочего колеса» в один миг обламывает все двадцать верхних цапф лопаток направляющего аппарата диаметром 300 мм каждая. И не выше и не ниже, а именно на отметке 314,6 м. Невероятно, но по акту – это факт.

Так не в этих ли секундах и миллисекундах следует искать причину?

Обратимся к трендам, где записаны во времени некоторые важные показатели режимов ГА-2 СШГЭС перед аварией и во время аварии.

На рис. 1 выделен график, показывающий вертикальную вибрацию опоры пяты ротора агрегата.

Рис. 1. Вертикальная вибрация опоры пяты ротора ГА-2

Как видно, до «мгновения Х» вертикальная вибрация опоры пяты (установленной на крышке турбины) была в норме. Амплитуда не превышала 120 мкм. (при норме – не выше 160 мкм). И вдруг в один миг она увеличилась до 2000 микрон.

Одни специалисты называют это «увеличение вибрации в 20 и более раз», другие – «началась катастрофическая вертикальная вибрация». И в том и в другом случае это мягко сказано.

Это удар. Удар снизу в крышку турбины, который сразу выбил показания датчика вертикальной вибрации за пределы шкалы.

«Диапазон замеряемых амплитуд колебаний в датчике должен находиться в пределах от 0 до 2000 мкм»
(Владиславлев Л.А. Вибрация гидроагрегатов гидроэлектрических станций М., «Энергия», 1972).

Ротор агрегата при своем подъеме вверх ударился в крышку.

Перед ударом вследствие подъема ротора агрегата опора подпятника, установленная на крышке турбины, разгрузилась от веса ротора. Напряжения на разрыв в шпильках от давления (напора) резко увеличились. Поэтому есть основание полагать, что на фоне этих резко возросших напряжений удар снизу в крышку «молотом» массой в полторы тысячи тонн сразу сбил и шпильки и гайки с них.

После разрушения шпилек были разрушены верхние цапфы лопаток направляющего аппарата. Они были сломаны, когда поднимающийся ротор, упершись в крышку, вовлек ее во вращение, а нижние цапфы лопаток НА ещё не полностью вышли из своих гнезд в нижней половине статора турбины. При изломе 20-и цапф диаметром 300 мм каждая создавался громадный изгибающий момент, поэтому, вполне вероятно, были повреждены и сорваны с бетонного основания элементы нижней половины статора турбины. (На некоторых фото аварии фрагменты этих элементов имеются).

Обломанные узлы и детали агрегата (лопатки направляющего аппарата и др.), упав в отсасывающую трубу, частично (или полностью) перекрыли ее сечение. Свободный слив воды через трубу в нижний бьеф прекратился, что увеличило объемы разрушений станции. Авария развилась до размеров катастрофы.

Что заставило ротор агрегата, работавшего «в штатном режиме», подниматься вверх? Что пошло не так?

При работе энергогидроагрегата создаются моменты: момент от потока воды, вращающий турбину (момент на турбине) и электромагнитный момент сопротивления вращению в зазоре ротор-статор генератора (активная мощность генератора). Эти моменты имеют между собой тесную связь и зависимость. Наряду с ними в постоянной готовности вступить в действие имеется вышеупомянутый момент инерции от вращения огромной массы агрегата.

Любое рассогласование между моментом на турбине и электромагнитным моментом на генераторе (активной мощностью) влечет за собой изменение в режиме работы агрегата. За их согласованностью постоянно «следит» момент инерции вращающейся массы ротора агрегата со своим «двигательно-движительным» механизмом, потенциально способным создать подъемную силу, превышающую вес агрегата.

На рис. 2 показаны тренды других параметров ГА-2 перед аварией и во время аварии, представленные ООО «НПФ «Ракурс».

Рис. 2 Параметры ГА-2 перед и во время аварии

AI_Y1 – открытие направляющего аппарата;
AI_PG_R – групповое задание мощности;
XG1 – частота вращения турбины по сигналу датчика тахогенератора;
XG2 – частота вращения турбины по сигналу частоты напряжения генератора;
AI_PG – активная мощность агрегата.

В 08:13:20 групповой регулятор активной мощности (ГРАМ) дает команду на снижение мощности ГА-2 (AI_PG_R — зелёная линия). Строго выполняя его команду, на ГА-2 закрываются лопатки направляющего аппарата (AI_Y1 — красная линия). Расход воды через турбину уменьшается, снижается момент на турбине. В соответствии со снижением момента на турбине должен снижаться и электромагнитный момент – активная мощность агрегата (AI_PG — фиолетовая линия). Но по каким-то причинам активная мощность агрегата не следует команде ГРАМ. Вместо снижения мощности идет её увеличение. В период времени 08.13.22 – 08.13.23 мощность повышается до 100% (640 МВт). В конце этого периода она начинает снижаться, а около 08.13.24 обвально падает. В один миг мощность падает более чем на 100 МВт.

Такой маневр в регулировании мощности гидроагрегата не может быть безопасным.

Рассогласование момента на турбине и электромагнитного момента на генераторе, выраженное в мегаваттах, ко времени 08:13:24 составляет уже более 100 МВт. За счет инерции массы ротора при вращении обороты не успевают упасть. Момент инерции массы «берет на себя» это рассогласование. (Пружина сжимается). И вдруг в один миг момент на турбине и электромагнитный момент на генераторе (активная мощность) ударно сравниваются. Рассогласование в более чем в 100 МВт в один миг исчезает. (Пружина разжимается). Момент инерции вращающееся массы, опять вступая в действие, «включает» свой «двигательно-движительный» механизм.

Через секунду в 08.13.24.717, после двух с половиной оборотов рабочего колеса, происходит удар ротора в крышку турбины.

Можно сказать, что система сработала по принципу: «чем сильнее сжатие, тем страшнее отдача». Мощности в 100 МВт, высвобожденной в один миг, было достаточно чтобы «подбросить» вращающийся ротор агрегата до неподвижной крышки турбины.

Именно такой «ударный» сценарий развития событий просматривается на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 г. Времени в «мгновениях» и «мигах» было недостаточно для реализации каких-либо защитных функций (наложение тормозов и пр.).

Отсюда возникает вопрос: по какой причине возникла такая несогласованность между моментами на турбине и на генераторе? Почему агрегат № 2, находящийся под управлением ГРАМ, «ослушался» его команды?

Из работы О. Башнина "Об интерпретации событий на Саяно-Шушенской ГЭС":

«В 08:13:23:(911-946) сервер блока получает сообщение о том, что регулятор частоты ПТК ЭГР МП потерял связь с управляющим режимом работы агрегатов ГЭС групповым регулятором ГРАМ (уход сигнала «Группа»), и перешел в режим индивидуального управления (выдача сигнала «Мощность») с фиксацией уровня мощности в момент отключения.

Между 08:13:23:946 и 08:13:25:094 сервер блока потерял связь с контроллером № 2 ПТК АУГ ГА2. Отключение от ГРАМ произошло по причине снятия сигнала управления со стороны ГРАМ «по косвенным признакам».

Очевидно, вот здесь и нужно разобраться, почему ГРАМ, под управление которого был переведен ГА-2, «отказался» управлять агрегатом при таком критическом переходном процессе – снижении мощности. И какие это «косвенные признаки», напрямую повлекшие за собой череду катастрофических событий?..

Геннадий Рассохин,
почетный энергетик России,
специально для "Плотина.Нет!"

Другие материалы автора:

Уроки аварий на Саяно-Шушенской и Нурекской ГЭС

Авария на СШГЭС: виноваты ли шпильки?