Поиск по запросу "ленгидропроект"

Представители правительства Иркутской области прокомментировали организованный усть-илимским комитетом «Ангара-185» сбор подписей под обращением к Владимиру Путину с требованием обеспечить соблюдение санитарных норм, экологического и культурного законодательства при подготовке ложа водохранилища Богучанской ГЭС на территории Иркутской области. Напомним, решение об организации сбора подписей комитет принял на своем заседании 31 марта.

[Читать дальше →]

Историю с актуализированным техническим проектом Богучанской ГЭС вспомнили на прошедшей 21 марта сессии Законодательного Собрания Иркутской области. Год назад депутаты согласились включить 325 млн. рублей на его разработку в региональный бюджет при условии, что эти расходы компенсируют федеральные власти, финансирующие подготовку ложа водохранилища БоГЭС. Однако эти деньги так и не были внесены в федеральный бюджет.

[Читать дальше →]

Наполнение водохранилища Богучанской ГЭС, начало которого было запланировано на первую декаду марта, отложено. Причиной тому угроза паводков в Красноярском крае и тот факт, что Министерство культуры РФ пока не дало «добро» на перекрытие временных донных отверстий на станции. О пересмотре сроков запуска первых трёх гидроагрегатов БоГЭС, намеченного на конец второго квартала 2012 года, речь пока не идёт. Между тем у Иркутской области появилась месячная фора на подготовку ложа водохранилища: окончательная дата подписания акта его готовности перенесена на 1 ноября.

[Читать дальше →]

Наряду с Нижне-Ангарской ГЭС в Красноярском крае группа компаний En+ под контролем Олега Дерипаски планирует построить еще одну ГЭС для широкомасштабного экспорта электроэнергии в Китай – Транссибирскую ГЭС на реке Шилка. В связи с этим Всемирный фонд дикой природы (WWF России) объявляет «Неделю действий в защиту реки Шилка». С 14 марта, Международного дня действий против плотин, и до 22 марта, Всемирного дня воды, в пяти регионах бассейна Амура пройдут круглые столы, пресс-конференции, заседания общественных советов и сборы подписей в защиту Шилки.

[Читать дальше →]

Как сообщает пресс-служба ОАО "РусГидро", на Саяно-Шушенской ГЭС состоялось заседание рабочей группы по мониторингу сейсмологической ситуации в районе станции. Участники совещания проанализировали данные, полученные по итогам визуального осмотра объектов и сооружений Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса, а также рассмотрели показания автоматизированной системы контроля за состоянием плотины СШГЭС. По результатам анализа изменений в состоянии сооружений после землетрясения не обнаружено.

[Читать дальше →]

После вчерашнего землетрясения уже сегодня на Саяно-Шушенской ГЭС должно состояться экстренное рабочее совещание первых лиц федеральных ведомств, научных организаций и отраслевых предприятий по вопросам дальнейшего развития сейсмологической сети в районе СШГЭС. Как выяснилось, вчерашнее землетрясение в районе плотины СШГЭС составила 4-4,5 балла по шкале MSK-64 и привело к отключению гидроагрегата ГА-1.

[Читать дальше →]

Меня часто упрекают в излишнем нагнетании напряженности обстановки на Саяно-Шушенском гидроузле и некомпетентности. Тогда что мешает выполнить независимую экспертизу расчетов "Ленгидропроекта", в том числе с участием специалистов московского "Гидропроекта"? Тем более, что, по моему глубокому убеждению, ошибки тиражируются на всех других объектах, проектируемых "Ленгидропроектом":

[Читать дальше →]

График затопления ложа водохранилища Богучанской ГЭС может быть изменён. О технических и социальных причинах этого в четверг на заседании правительства Иркутской области сообщил первый заместитель председателя правительства Приангарья Владимир Пашков.

[Читать дальше →]

В декабре стало известно, что жители попадающего под затопление поселка Кеуль отказываются жить в домах каркасного типа, которые собирается построить для переселенцев из зоны затопления Богучанской ГЭС подрядчик «ВостСибСтрой». На днях на запрос редакции пришел официальный ответ из министерства строительства, дорожного хозяйства Иркутской области за подписью Александра Орешкова, теперь уже бывшего министра, недавно отправленного в отставку губернатором Дмитрием Мезенцевым:

[Читать дальше →]

С самого начала эксплуатации из-за применения холостого сброса воды с пониженного уровня водохранилища Саяно-Шушенская ГЭС постепенно превращалась в водосброс. И, наконец, после катастрофы 17 августа 2009 года СШГЭС окончательно стала опаснейшим водосбросом – этакой саморазрушающейся машиной уничтожения всего вокруг по принципу домино, утверждает Владимир Бабкин, заместитель генерального директора Саяно-Шушенской ГЭС с 1978 по 2001 год, в своей новой статье, написанной специально для «Плотина.Нет!»:

[Читать дальше →]

Отдельные проектные решения в проектной документации по зоне затопления Богучанской ГЭС не соответствуют экологическим, санитарно-эпидемиологическим и другим требованиям, установленным федеральным законодательством, уверен депутат Законодательного Собрания Иркутской области Валерий Лукин, направивший соответствующее письмо в адрес руководства Главгосэкспертизы РФ.

[Читать дальше →]

Представленная статья Ю.И. Лобановского является продолжением большого количества публикаций автора в интернете, на его собственном сайте sinerjetics.ru и электронных копий этих материалов, разосланных Ю.И. Лобановским в различные организации и отдельным специалистам. Это позволяет рассмотреть взгляды автора несколько шире, чем представлено в исходной статье.

Свой целью автор ставит доказательство предложенной им версии причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и, построенной на основе этой версии, теории «гидроакустической неустойчивости напорных систем». Далее автор распространяет действие этой теории на другие существующие и строящиеся ГЭС и делает выводы о возможности возникновения на них аварий, аналогичных Саяно-Шушенской.

Для понимания причин возникновения многочисленных версий произошедшей аварии, одной из которых является версия Ю.И. Лобановского, полезно вспомнить хронологию развития событий после 17 августа 2009 года.

Немного истории.

В первоначальный период, 1–2 недели после аварии, в СМИ было много противоречивых заявлений о причинах аварии. Высказывались предположения о гидроударе, электродинамичских ударах различного происхождения, взрыве трансформатора и другие. Это объяснялось тем, что на этом этапе расследования, действительно, не было единой версии, объясняющей произошедшее. Здание ГЭС было затоплено до уровня НБ и недоступно для осмотра. Помещение АСУ, где хранились архивы информации, серьезно пострадало от потока воды, изливающейся из здания ГЭС. Именно в этот период в СМИ появились многочисленные публикации о неких таинственных причинах катастрофы.

В этот период большинство экспертов, прибывших на место аварии, склонялись к версии гидроудара. Предполагалось, что гидроудар сопровождался сильнейшим разгоном агрегата. Вопрос стоял только в том, что послужило причиной этого гидроудара.

По мере осушения затопленной части здания ГЭС, разбора завалов и получения доступа к частям разрушенного гидроагрегата, эксперты вынуждены были признать, что никакого гидроудара не было. Не было и разгона гидроагрегата. Об этом свидетельствовали и данные инструментального контроля, которые начали поступать после восстановления серверов системы АСУ ТП. Следы гидроудара искались очень тщательно, но не было ни одного признака, подтверждающего сверхнормативное повышение давления в проточной части. В частности, были зафиксированы следующие основные факты, свидетельствующие об отсутствии гидроудара:

• Ни один прибор, контролирующий давление в проточной части агрегата №2 повышения давления в момент аварии не показал. То небольшое повышение давления в спиральной камере перед моментом аварии является обычным следствием движением на закрытие направляющего аппарата (н.а.) при снижении нагрузки.
• Лопатки н.а., первыми принимающими гидроудар, практически не повреждены, у всех обломана только одна цапфа – верхняя. Невозможно себе представить, что гидроударом выбило одну цапфу, а вторая этот удар выдержала. На лопатках н.а. нет следов схлопывания, трещин и изгибных деформаций, возникающих при ударных воздействиях. Такая же ситуация и с лопастями рабочего колеса (р.к.).
• Никаких, даже малейших, повреждений в проточной части агрегата обнаружено не было. Люк лаза в спиральную камеру, облицовка водовода и др. элементы проточного тракта совершенно не повреждены. Сварные соединения элементов спиральной камеры, статора и водовода находятся в идеальном состоянии. Наружная поверхность железобетонных водоводов, не получила ни малейших повреждений, несмотря на то, что еще до аварии имела многочисленные трещины бетонной облицовки, «заштукатуренные» цементным раствором.
• Режим гидроагрегата, в момент которого произошла авария, имел место на гидроагрегатах СШ ГЭС тысячи раз, причем никаких выбросов давлении никогда не наблюдалось.
• Сейсмостанция «Черемушки», регистрировавшая процессы, происходившие во время развития аварии, никакого толчка в момент срыва крышки турбины не зафиксировала, несмотря на то, что основные моменты аварии — разгон гидроагрегатов, их остановка затворами водоприемника и др., на сейсмограммах четко просматриваются.

Эти, и ряд других фактов, вынудили экспертов отказаться от версии гидроудара. После этого, в течение примерно одной недели, никакой однозначной версии произошедшего не было вообще. В этот период высказывались самые фантастические версии, отголоски которых мы до сих пор можем встретить в интернете. Причем наибольший интерес и массовые обсуждения вызывают наиболее «экзотические» версии.

Только после проведения всех необходимых расследований, в том числе расшифровки и анализа записей систем контроля, тщательного осмотра и лабораторных исследований узлов и деталей гидроагрегата, появилась основная версия, изложенная впоследствии в акте Ростехнадзора. Но к ней вернемся чуть позже.

Исходные предпосылки.

По словам автора, заняться разработкой новой теории, объясняющей причины аварии, его побудили сообщения в СМИ о неизвестной природе произошедшего и неубедительность доводов официального заключения Ростехнадзора. В качестве исходных предпосылок создания новой теории, автором было принято следующее:

1. В результате аварии гидроагрегат был «выброшен» в машинный зал под действием силы, происхождение которой установить до него никому не удалось. В подтверждение этого приводятся высказывания в СМИ и фотографии разрушения машинного зала.

2. Единственной силой, способной привести к «выбросу» гидроагрегата, могло быть внезапное повышение давления в результате возникшего явления гидроакустического резонанса в напорном водоводе.

3. Гидроакустический резонанс возник как проявление автоколебательного процесса в водопроводящем тракте гидротурбины, вызванном наличием ниспадающих участков на рабочей характеристике гидротурбины. Первичным возбудителем колебаний является жгутовая частота, возникающая под рабочим колесом в некоторых режимах гидротурбины.

Рассмотрим эти исходные предпосылки:

1. «Полет» гидроагрегата.

Во многих СМИ неоднократно упоминалось явление «полета» агрегата. В качестве факта преподносится якобы имевший место «вылет» гидроагрегата массой 1.5 тыс. т на высоту до 14 метров. Утверждается, что в ходе «полета» гидроагрегат разрушил колонну подкрановой эстакады и другие строительные конструкции.

В действительности, осмотр места аварии не подтверждает этой версии. Разрушения агрегата носят достаточно специфический характер, позволяющий судить о последовательности протекания аварии (Рис.1).

Нижняя часть гидроагрегата – рабочее колесо, крышка турбины, опора подпятника и другие узлы получили минимальные разрушения. Линия вала не нарушена и даже зеркало подпятника не имело серьезных разрушений. Спицы остова генератора скручены под действием тангенциальных сил и не имеют признаков деформации в осевом направлении. Остов ротора с оторванными полюсами отделен от спиц и в целом сохранил свою форму. Статор генератора сорван с фундамента и в виде ленты сконцентрирован со стороны ВБ (на фотографии не виден). Такого рода повреждения совершенно не характерны для тела массой 1500 т., упавшего с высоты 14 м. В этом случае, безусловно, было бы полностью уничтожено рабочее колесо, смята крышка турбины и опора подпятника, искривлен вал, деформирован остов ротора генератора.

Несостоятельна и версия о соударении ротора агрегата с подкрановой колонной. В плане колонна расположена на расстоянии 3,6 м от крайней точки ротора. Для контакта с ней ротор гидроагрегата, вместе с крышкой турбины, должен был бы подняться на высоту не менее 9 м, наклониться примерно на 40⁰ , «отфрезеровать» колонну, затем вернуть ось в исходное положение и плавно опуститься в кратер агрегата, не задев при этом строительных конструкций рабочим колесом или крышкой турбины. Причем этот «маневр» должен был бы выполняться под воздействием потока воды с напором 200 м, вырывающегося из кратера агрегата.

2. Гидроудар.

Другой ключевой предпосылкой автора является его утверждение о невозможности объяснить появление силы, «выбросившей» агрегат. Это также не соответствует действительности. В рабочих режимах на крышку турбины постоянно действует сила гидростатического давления, результирующая которой направлена вверх и составляет величину порядка 7 тыс. т. С учетом массы гидроагрегата, осевого гидравлического усилия и прочих составляющих, к элементам крепления крышки постоянно приложена направленная вверх сила порядка 4 тыс. т.

Безусловным фактом является наличие в шпильках крепления крышки турбины усталостных разрушений, достигающих в некоторых из них 90% сечения. Процесс развивался длительное время, но когда несущая способность элементов крепления снизилась до величины приложенной нагрузки, произошел подъем крышки турбины вместе с опертыми на нее узлами гидрогенератора. Для этого величина силы гидростатического давления вполне достаточна без гидроудара и иных динамических составляющих.

3. Гидроакустический резонанс.

Значительная часть работ автора посвящена математическому описанию автоколебательных процессов в водоводе, приводящих к катастрофическому росту давления в проточном тракте. Необходимым условием возникновения автоколебаний автор, совершенно справедливо, ставит наличие ниспадающих участков на рабочей характеристике гидротурбины H = f(Q) (автор почему-то называет ее «стационарной»).

Для иллюстрации наличия характеристики нужной формы, автор приводит график зависимости ?p/p = f(q), заимствованный из статьи В.Л. Окулова и И.М. Пылева «Неустойчивость напорных систем». В действительности, к зависимости Q = f(H) этот график не имеет никакого отношения. На настоящих рабочих характеристиках Q = f(H) ниспадающих участков (участков с отрицательной производной) нет ни у одной турбины во всем диапазоне расходов и открытий н.а. Они всегда монотонно возрастающие. Тем не менее, принимая как данность наличие «горбов» и ниспадающих участков, автор пытается решить дифференциальные волновые уравнения, и делает далеко идущие выводы. Но поскольку они основаны на ложных предпосылках, то и достоверными признаны быть не могут.

В последнее время автор начал утверждать, что ниспадающие участки появляются в процессе изменения открытия н.а. Это утверждение лишено физического смысла, поскольку открытие н.а. жестко задается управляющим сигналом и не является прямой функцией Q или H. Поскольку при любом открытии н.а. участки с отрицательной производной отсутствуют, то и в процессе его изменения условия для возникновения автоколебаний не создаются. В широко используемых автором радиотехнических аналогиях открытие н.а.- это переменный резистор в колебательном контуре. Если в этом контуре нет элементов с ниспадающим участком вольтамперной характеристики, то поступательное перемещение движка переменного резистора возбудить автоколебания не может.

Таким образом, все исходные предпосылки, заложенные автором в разрабатываемую им теорию, несостоятельны.

Считая свою теорию абсолютно верной, автор пытается распространить ее на другие ГЭС, используя при этом достаточно своеобразные методологические приемы оперирования данными. Один из них в пошаговом изложении:

1. Предлагается некий эмпирический коэффициент ?, который назван «индексом устойчивости гидроакустической системы». Априори утверждается, что при значении ? близком к критическому, создаются условия возникновения гидроакустического резонанса.

2. Далее приводятся сведения о нескольких ГЭС, у которых были проблемы с повышенной вибрацией гидроагрегатов, или имели место аварии. Несмотря на отсутствие у автора информации о причинах проблем, делается вывод о несомненном проявлении гидроакустического резонанса, поскольку для этих ГЭС ? близко к критическому. (Необходимо отметить, что повышенная вибрация гидроагрегатов достаточно распространенное и, как правило, вполне объяснимое явление.)

3. На основании первых двух пунктов делается вывод: «теория достаточно адекватно отражает реальные процессы». Таким образом, эмпирическое предположение подтверждается непроверенными фактами. В итоге считается доказанным и справедливость применения показателя ? и распространенность «гидроакустического резонанса» на ГЭС, и, как следствие, доказанность всей теории в целом.

Можно привести еще много примеров некорректного обращения автора с фактическим материалом. Так, например, автор много внимания уделяет жгутовым явлениям под рабочим колесом. Но при этом он игнорирует (или не знает?) тот факт, что пульсации давления потока со жгутовой частотой локализованы, главным образом, в камере рабочего колеса и конусе отсасывающей трубы. А в турбинных водоводах жгутовые частоты вообще не фиксируются. В спиральной камере, как правило, преобладают другие частотные составляющие – оборотная, лопастная и др. В средне- и низконапорных ГЭС эти частоты близки и могут совпадать с собственными частотами водоподводящего тракта. Почему автор там не ищет предвестников будущих катастроф?

Вообще резонансное усиление как результат совпадения возмущающих сил и собственных частот в гидроагрегатах (как и других сложных механизмах) явление рядовое и достаточно изученное. Так, например, та же «любимая» автором жгутовая частота в зависимости от режима турбины может меняться иногда в 2 и более раз, неизбежно попадая в какой-нибудь резонансный пик. При пуске и остановке гидроагрегата частота вращения изменяется от нуля до номинальной, проходя при этом все пики собственных частот гидравлического тракта. Но к катастрофам это не приводит. Именно постоянное взаимодействие многочисленных частот спектра возмущающих сил – механических, гидравлических и электрических, с собственными частотами агрегата (той же природы), формирует вибрационный фон агрегата. При конструировании гидроагрегата учитывается необходимость «разнесения» основных видов возмущающих сил и главных форм собственных колебаний. Но рассчитать теоретически все многообразие этих процессов невозможно. Поэтому наиболее достоверным способом определения вибрационного состояния гидроагрегата является проведение натурных испытаний. На основании этих испытаний определяются границы допустимых режимов работы, выявляются и устраняются источники повышенных вибраций, определяется ресурс отдельных узлов и агрегата в целом. Организация систематического проведения таких испытаний в объеме, позволяющем решить или приблизиться к решению указанных задач позволит существенно снизить вероятность возникновения аварий, подобных Саяно-Шушенской.

В заключение хочется пожелать автору – В.И. Лобановскому, успехов в решении сложных технических проблем. К сожалению, предпринятый им анализ причин возникновения аварии Саяно-Шушенской ГЭС, основан на неверных предпосылках и не может претендовать на истинность трактовки произошедшего. Отчасти, это вызвано отсутствием у автора фактических данных обследования места аварии, результатов экспертиз и исследований. Так же хотелось бы пожелать автору глубже ознакомиться с основами современной гидроэнергетики и гидромашиностроения, поскольку из его работ создается впечатление о недостаточной его подготовленности в этих вопросах.

В заключение в качестве приложения приводим хронологию развития аварии на СШ ГЭС, в основном соответствующую акту Ростехнадзора.

Хронология развития аварии на ГА №2 СШ ГЭС 17 августа 2009 г.

Переменные напряжения, вызываемые вибрацией в элементах крепления, главным образом в шпильках, привели к развитию усталостных трещин. Процесс этот продолжался постепенно. 17 августа 2009 г., на ГА №2 произошло «снижение несущей способности ниже уровня нагрузок». Далее события развивались следующим образом:

• Последним толчком к обрыву ослабленных усталостными трещинами шпилек послужило динамическое воздействие от вибрации, возросшей в результате вхождения в не рекомендованную зону. Сначала оборвались наиболее слабые шпильки, под крышкой турбины образовалась щель, через которую вода под напором стала поступать в шахту турбины. Вибрация агрегата в этот момент резко возросла. Возможно, эту вибрацию и зарегистрировала сейсмостанция «Черемушки» до момента аварии.
• Ножевыми потоками воды из-под крышки турбины сорвало воздухоразделительный щит и вода попала на обмотки генератора, вызвав короткое замыкание (к.з). Электродинамический удар от к.з. послужил толчком к обрыву остальных шпилек. Сигнал на сброс аварийно-ремонтных затворов на водоприемнике не прошел, т.к. частота вращения до момента к.з. была синхронной.
• Гидроагрегат начал медленно (учитывая инерцию масс) подниматься. В этот момент баланс гидравлических сил, действующих на крышку, составлял около 4000 тонн с направлением вверх. Подъем происходил вместе с лопатками н.а., «аккуратно» вынутыми из нижних подшипников, поэтому нижние цапфы на всех лопатках остались целы. Впоследствии лопатки были выломаны из верхних подшипников в результате соударений и под действием потока воды. Никакого «выброса» гидроагрегата не было. Подъем скорее носил характер движения поршня в гидроцилиндре, где роль поршня выполняла крышка турбины, а внутренней поверхностью цилиндра – шахта турбины.

• После подъема на величину 1,5 – 2 м верхняя крестовина генератора вышла из зацепления с опорными домкратами. Этому способствовал и поток воды, проходящий сквозь ротор генератора. На верхней крестовине закреплен верхний подшипник гидроагрегата. Перекос корпуса подшипника привел к его заклиниванию, в результате чего на крестовину стал передаваться вращающий момент от вала и она начала вращаться. Потеря верхней опоры привела к прецессии оси гидроагрегата и выбросу вращающейся верхней крестовины вместе с элементами подшипника, возбудителя и др. общей массой до 100 т в машинный зал. Там она вступила в контакт с колонной подкрановой эстакады, перерубив рабочую арматуру, «отрикошетила» и «успокоилась» в блоке соседнего агрегата №1.
• После потери верхней радиальной опоры ротор генератора вступил в зацепление со статором и в течение нескольких секунд уничтожил не только обмотки, но и активное железо, кожух генератора, железобетонную «бочку» и окружающие строительные конструкции. Ротор вращался с нарастающей прецессией верхнего конца оси. Увеличение углов наклона вала привело к резкому увеличению площади зазоров между крышкой турбины и облицовкой шахты турбины. Произошла разгрузка гидростатического давления и движение ротора на подъем прекратилось (рис.3). Во время всего процесса р.к. с крышкой не выходило за пределы шахты турбины, чем и объясняется их хорошая сохранность. Обод ротора под воздействием тангенциально направленных сил соударения, скрутил спицы и, отделившись от них, упал в кратер (рис.4).

• Практически вся энергия, запасенная во вращающихся частях, ушла на разрушение строительных конструкций. Все описанное выше происходило одновременно с истечением из кратера агрегата потока воды с напором 50 – 100 м. Часть напора была «разгружена» отсасывающей трубой, но насколько – определить уже невозможно. «Фонтан» воды диаметром 10 м разрушил шатер машзала в блоках агр. 1 – 4 и захлестнул трансформаторную площадку. Возможно, он и довершил разрушение колонны, оставшейся без арматуры. Все системы защит и автоматики ГА №2 были уничтожены потоком воды в течение примерно одной секунды.
• Вода, хлынувшая в машзал, за считанные секунды распространилась до агр. №10, вызвав короткие замыкания и мгновенно уничтожив все оборудование. Дальнейшее описано в акте Ростехнадзора и к причинам аварии отношения не имеет.

Борис Юркевич,
первый заместитель генерального директора,
главный инженер ОАО «Ленгидропроект», к.т.н.

(«Гидротехническое строительство», № 1, 2011 год)

Продолжение темы

Ю.И. Лобановский. Анализ рецензии Б.Н. Юркевича на статью «Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов»

Правительство Иркутской области направило в Министерство регионального развития РФ письмо с просьбой выделить дополнительные средства в размере 3,5 млрд рублей, которые будут направлены на подготовку к затоплению ложа водохранилища Богучанской ГЭС.

[Читать дальше →]

При сравнении двух крупных гидроузлов – Саяно-Шушенской ГЭС в России и ГЭС "Три Ущелья" ("Санься") в Китае – совершенно очевидно громадное различие в обеспечении гарантии гидрологической безопасности самих гидроузлов и их нижних бьефов при освоении крупных рек – Янцзы и Енисея. По сути дела, у нас все происходит, как в Китае, но с точностью до наоборот: и собственная безопасность гидроузлов никогда не обеспечивалась и, тем более, не обеспечивалась безопасность нижних бьефов:

[Читать дальше →]

В своем недавнем интервью главный инженер «Ленгидропроекта» Борис Юркевич утверждает, что Саяно-Шушенская ГЭС обеспечивает пропуск расчетных паводков, и потому нет никакой необходимости наращивать сверхнадежность гидроузла на Енисее. Однако это утверждение не соответствует действительности.

[Читать дальше →]

С тех пор я не обращаю внимания ни на что из того, что утверждают «специалисты». Я все вычисляю сам.
Р. Фейнман

Краткое содержание

В работе Ю.И. Лобановского представлен простейший алгоритм расчета сил, действовавших на турбинную крышку второго гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС во время инцидента 17 августа 2009 года, а также прочности шпилек на момент их разрыва. Показано, что даже с учетом максимально возможных пульсаций давления в водоводе на переходных режимах при штатной работе второго гидроагрегата турбинная крышка оторваться не могла.

I. Введение

Как известно, официальные итоги технического расследования причин катастрофы, произошедшей 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС, были подведены в Акте Ростехнадзора, ставшем доступным общественности в начале октября 2009 года [1]. В нем было представлено большое количество фактических данных о расследуемом событии, однако нигде явно не была указана причина инцидента со вторым гидроагрегатом станции, который стал спусковым крючком всего произошедшего. Было только заявлено:

«При входе в зону эксплуатационной характеристики гидроагрегата, не рекомендованной к работе, произошел обрыв шпилек крышки турбины. … Вызванные динамическими нагрузками разрушения шпилек привели к срыву крышки турбины и разгерметизации водоподводящего тракта гидроагрегата».

А также:

«По результатам комплексных исследований основной причиной разрушения шпилек является развитие усталостных трещин, зарождение которых происходило с внутренней поверхности резьбовой канавки».

Как показали дальнейшие исследования, эти заявления оказались достаточно взвешенными, они правильно описали основные черты произошедшего. Однако причины обрыва шпилек экспертной комиссией к тому моменту выявлены не были. Это, в немалой степени, было вызвано тем, что никаких количественных оценок сил, действовавших на турбинную крышку второго гидроагрегата, а также прочности шпилек, комиссией сделано не было. Поэтому ничего определенного о деталях процесса разрушения крепления турбинной крышки она сказать не смогла. В последующем этот пробел постарались восполнить некоторые представители отраслевой науки, пытаясь доказать, что рост трещин в шпильках, действительно происходивший при развитии катастрофического процесса, привел к отрыву турбинной крышки на нормальном, штатном режиме работы второго гидроагрегата. Вкратце это можно назвать концепцией «гнилых шпилек».

Квинтэссенцией всей этой деятельности явились заявления главного инженера ОАО «Ленгидропроект» Б. Н. Юркевича:

«Не нагрузки превысили несущую способность элементов крепления, а наоборот – несущая способность снизилась до уровня ниже нагрузок. … Но произошло все в абсолютно штатном режиме» [2].

Аналогичные утверждения были сделаны им в пленарном докладе на научно-практической конференции «Повышение эффективности системы управления безопасностью ГЭС» [3]. Попыткой внедрить эти тезисы в умы всех гидроэнергетиков явилась статья в корпоративном издании «Вестник РусГидро», посвященная итогам этой конференции [4]. В ней написано:

«Остаточная несущая способность шпилек фактически соответствовала штатным нагрузкам на турбину, то есть была исчерпана. Авария могла произойти в любой момент при обычной эксплуатации турбины».

И все эти заявления о «гнилых шпильках» как будто бы опираются на расчеты сил и нагрузок на крышке второго гидроагрегата в момент инцидента [3].

Однако автор данной работы провел соответствующие расчеты еще осенью 2009 года [5], и убедился в обратном – остаточная прочность шпилек турбинной крышки второго гидроагрегата была такой, что ни о каком их разрушении в штатном режиме работы говорить нельзя. Если это так, то отсюда следует, что вся вытекающая из концепции «гнилых шпилек» стратегия предотвращения повторения подобных событий как на Саяно-Шушенской ГЭС, так и на некоторых других станциях, является ошибочной. И это неизбежно должно привести в дальнейшем к новым авариям, а, может быть, и к катастрофам с человеческими жертвами. В связи с этим автор решил вернуться к этому довольно простому вопросу и посчитал целесообразным снова провести в данной работе оценки нагрузок и остаточной прочности шпилек так, чтобы любой человек, способный обращаться с калькулятором, мог бы повторить их и самостоятельно убедиться в том, кто прав. При знании основ физики и материаловедения эти расчеты совершенно элементарны, так что продолжающуюся уже не менее года лет кампанию, проводимую сторонниками «гнилых шпилек», автор может объяснить либо полным отсутствием их способности делать простейшие численные оценки физических явлений, либо иными причинами, выходящими за рамки науки.

II. Оценка сил, действовавших на турбинную крышку второго гидроагрегата в момент инцидента

Итак, приступим к расчетам. Для этого необходимо знать некоторые геометрические и физические (на момент катастрофы) параметры рассматриваемого объекта – напорной системы, состоящей из напорного водовода, гидроагрегата и отсасывающей трубы. Геометрические данные по водоводам СШ ГЭС приведены в источнике [1], нужные параметры гидроагрегата вместе со спиральной камерой и направляющим аппаратом можно найти на рис. 2-26 источника [6]. Нам необходимо рассчитать силы, действующие на турбинную крышку. При этом удобно разделить крышку на 2 зоны: внешнюю, кольцевую, от окружности за крепежным фланцем (диаметром 8.75 м), на которой поток воды начинает непосредственно действовать на поверхность крышки, до внутренней, круговой зоны диаметром 6.50 м, равным диаметру вертикальной отсасывающей трубы, по которому вытекает отработанный на турбине поток воды. Расчеты сил в этих зонах производятся по-разному.

Поверхность воды в Саяно-Шушенском водохранилище 17 августа 2009 года перед плотиной находилась на отметке 537 м над уровнем моря [7], отметка оси входа в спиральную камеру – 314 м [1]. Разность уровней – 223 м (при номинальном напоре 212 м). Потери в водоводах СШ ГЭС на интересующих нас режимах работы, по оценкам, были близки к 1 м. Таким образом, напор воды на входе в спиральную камеру в момент инцидента составлял около 222 м. Если мы умножим эту величину на плотность воды (1000 кг/м³) и ускорение свободного падения (9.81 м/с²), то получим давление неподвижной воды (полное давление или давление торможения, p₀) на входе в спиральную камеру. Оно составляет величину p₀ = 2.18 МПа.

Однако вода там не неподвижна, она там течет с некоторой скоростью. Средняя скорость течения незакрученного потока несжимаемой жидкости, например, воды в трубе при отсутствии в потоке разрывов сплошности и утечек легко оценивается из закона сохранения расхода [8]:

        (1)

где v – средняя скорость потока, Q – объемный расход воды, S – площадь поперечного сечения трубы. Давление движущейся жидкости вычисляется при указанных условиях с помощью интеграла Бернулли, являющегося формой представления для потока жидкости закона сохранения энергии [8]:

           (2)

где p – статическое давление, ? – плотность, h – высота потока воды (по оси каналов направляющего аппарата h = 0), g – ускорение свободного падения. Второе слагаемое в формуле (2) называют скоростным напором или динамическим давлением. Но силы на твердых стенках создаются только статическим давлением, которое обычно называют просто давлением.

Рассмотрим ситуацию на 8:00 17 августа 2009 года. Мощность агрегата – 600 МВт, расход воды в напорной системе второго гидроагрегата – 312 м³/с, площадь входа в направляющий аппарат – 28.6 м² (длину окружности диаметром 8.75 м нужно умножить на 1.04 м – высоту отверстия, вход в которое является цилиндрической поверхностью [6]). Тогда скорость потока воды – 10.9 м/с, и из интеграла Бернулли (2) следует, что (статическое) давление на входе в направляющий аппарат будет равно 2.12 МПа. На выходе из него при открытии 72.5 % [1] площадь поперечного сечения канала 8.14 м² (20 каналов высотой 1.04 м и шириной 0.3915 м [9]). Тогда скорость потока на выходе из направляющего аппарата – 38.3 м/с, и давление – 1.44 МПа. Определим среднее давление под внешней кольцевой частью крышки как полусумму давления на входе и на выходе – 1.78 МПа (то есть, приняв статистические весовые коэффициенты обеих величин по 0.50). Следует отметить, что, как очевидно из этих расчетов, здесь рассматриваются давления, избыточные над атмосферным, для того, чтобы при расчете баланса сил не учитывать силы атмосферного давления, действующие на верхнюю поверхность турбинной крышки. Умножив среднее давление на площадь кольца, равную 26.9 м², получим силу, равную 47.9 МН.

Однако эту предварительную и довольно грубую оценку легко уточнить. Во-первых, всем аэродинамикам хорошо известно, что при дозвуковом обтекании профиля основное изменение давления на их поверхности происходит в носовой части, там, где велика кривизна его поверхности. Для тонких профилей на малых углах атаки теоретически было получено, что изменение сил и давлений на первой четверти профиля точно равно изменению этих параметров на оставшихся ? профиля. Тогда, среднее значение давления в спиральной камере во втором приближении можно получить, взяв весовые коэффициенты 0.25 для давления на входе и 0.75 – на выходе. Это эквивалентно признанию значительной вогнутости соответствующей эпюры давления.

Но площадь поверхности кольца уменьшается при уменьшении его радиуса, и давления, близкие к давлению на входе, за счет этого распространяются на б?льшую площадь, чем в плоском течении, для которого была бы хороша эта оценка весовых коэффициентов. Поэтому в третьем приближении в качестве более точной оценки весовых коэффициентов следует взять доли площадей до и после точки, находящейся на расстоянии ? ширины рассматриваемого кольца. Эти площади оказываются равными 7.5 и 19.4 м² соответственно, а их доли, то есть весовые коэффициенты в расчете среднего давления, – 0.28 и 0.72. Среднее значение давления составит тогда 1.63 МПа, а сила давления воды, действующая на внешнюю кольцевую часть крышки – 43.8 МН.

Во-вторых, под внешним кольцом турбинной крышки находятся лопатки направляющего аппарата, имеющие ненулевое поперечное сечение. Хотя и есть некоторый зазор между их верхними и нижними торцами и верхней и нижней поверхностями канала, но он мал. А при втекании воды в такие зазоры, как и при протекании, например, через лабиринтные уплотнения турбины, давление из-за очень больших гидравлических потерь сильно (обычно, в несколько раз) снижается. Например, давление под турбинной крышкой за верхним лабиринтным уплотнением второго гидроагрегата составляло 0.33 МПа [1], а давление перед уплотнением, как следует из представленных выше расчетов, близко к 1.54 МПа (с учетом добавки от атмосферного давления величиной 0.1 МПа). Таким образом, отношение давлений перед и за лабиринтным уплотнением близко к 5. А ведь линейная скорость движения кромок лопастей турбины в щели этого уплотнения близка к 50 м/с. При этом скорость перемещения лопаток направляющего аппарата на 3 – 4 порядка меньше, значит и щели между лопатками и стенками могут быть намного более узкими. Так что и давление в этих зазорах не должно быть больше, чем 10 – 20 % от давления потока вокруг лопаток.

Длину направляющей лопатки оценим в 1.3 м, толщину ее профиля по имеющимся рисункам – в 22 %, коэффициент заполнения (отношение реальной площади профиля к площади описывающего его прямоугольника) – порядка 70 %, число лопаток – 20, и суммарную площадь их поперечного сечения можно оценить величиной 5.2 м², то есть в 18.5 % от площади кольца. А это значит, что при 15 % давления в зазорах от давления внешнего потока сила на внешней части крышки будет примерно на 16 % меньше, чем на «чистом, незатененном лопатками» кольце. Таким образом, сила давления воды, действующая на внешнюю кольцевую часть крышки не превысит 36.5 МН.

Определим теперь величину силы, действующей на внутреннюю, круговую зону турбинной крышки. Гидроэнергетики эту силу обычно получают интегрированием давления по данной зоне, и вычитанием из полученной величины осевой силы, возникающей на турбине, и через узел крепления передающейся на крышку. Эта осевая сила определяется либо экспериментально, либо с помощью приближенных аппроксимационных формул с эмпирическими коэффициентами, которые могут почти произвольно выбираться из некоторого диапазона, в котором, обычно, возможно не менее чем двукратное изменение этих коэффициентов, см., например [10]. Однако, вместо всех этих операций с плохо определяемыми величинами, силу, действующую на центральную зону крышки, легко вычислить напрямую из закона сохранения импульса.

Как известно, поток воды входит в радиально-осевую турбину по радиусу, а выходит по оси вертикально расположенной турбины. Поэтому вертикальная компонента импульса потока воды на входе равна 0, а на выходе – отлична от 0. Все это делает радиально-осевой гидроагрегат вместе с частью турбинной крышки, расположенной над ним, с точки зрения баланса сил полным аналогом ракетного двигателя, у которого имеется подобное же распределение вертикальных импульсов. Небольшим отличием в расчетной схеме является отсутствие у гидроагрегата (в отличие от ракетного двигателя) боковых стенок на выходе из направляющего аппарата. Однако вследствие того, что эти поверхности являются вертикальными, а силы давления нормальны к ним, наличие или отсутствие там твердых стенок никоим образом не может повлиять на вертикальные силы, приложенные к рассматриваемым объектам. Таким образом, формула, по которой рассчитывается сила тяги ракетного двигателя, может быть с успехом использована и для определения вертикальной силы, действующей на центральную зону турбинной крышки радиально-осевого гидроагрегата. Так как давление в отсасывающей трубе второго гидроагрегата в интересующий нас период было практически равно атмосферному, то подобный случай соответствует так называемому расчетному режиму работы [8], когда для определения вертикальной силы об объекте не нужно знать ничего, кроме площади поперечного сечения его выходного канала и расхода. Тогда формула для расчета этой силы R оказывается совершенно элементарной:

      (3)

Вертикальная компонента скорости потока воды в этом канале диаметром 6.5 м равна v = 9.4 м/с (см. формулу (1)), и сила реакции воды на верхние элементы конструкции гидроагрегата (центральная зона крышки вместе с турбиной) составляла на 8:00 17 августа 2009 года величину R = 2.9 МН.

В итоге, полная гидродинамическая сила, действующая на всю турбинную крышку при мощности 600 МВт и расходе 312 м³/с, округленно равна 39.5 МН. Вычтем вес частей гидроагрегата, приходящихся на крышку – 17.5 МН [3, 5], и тогда выходит, что сила, отрывающая турбинную крышку на нормальном рабочем режиме и растягивающая шпильки ее крепления, была равна 22 МН. Суммарная сила на момент времени 8:13:26 при мощности агрегата 475 МВт и расходе воды 256 м³/с в итоге получилась такой же. Только на внешнем кольце сила увеличилась на 1 МН, вследствие снижения скорости в направляющем аппарате, а в центральной зоне сила реакции, как ясно видно из формулы (3), уменьшилась на тот же 1 МН из-за уменьшения расхода.

Итак, равнодействующая стационарных гидродинамических сил и силы веса, действовавшая на турбинную крышку второго гидроагрегата непосредственно перед и в момент инцидента 17 августа 2009 года, составляла 22 МН и была направлена вверх. Однако, в этом расчете не были учтены нестационарные силы от пульсаций потока, которые возникают при уходе агрегата из рабочей области (в том числе и рост давления вследствие закрытия направляющего аппарата). Известно, что при нормальной работе агрегата пульсации давления не должны превышать 20 % от его уровня [9]. Поэтому максимальное увеличение гидродинамических сил на крышки вследствие пульсации потока в области не рекомендованной работы не может быть больше 7 – 8 МН, а равнодействующая сила на крышке, которая растягивает ее шпильки, с учетом этого фактора, составит не более 29 – 30 МН.

III. Проверка оценки сил, действовавших на турбинную крышку

Несмотря на всю прозрачность этих простых выкладок и, следовательно, на их очевидную адекватность, было бы целесообразно проверить полученные результаты, используя данные производителя этого оборудования. Оказалось, что это легко было сделать, для чего следовало воспользоваться интервью с техническим директором ОАО «Силовые машины» Ю. К. Петреней [11]. В нем он сообщает о том, что проектное напряжение затяга шпилек турбинных крышек гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС составляло 120 МПа. Далее им было сказано, что если напряжения затяга шпилек снизится до 80 МПа, то при 30 % пульсаций давления «коэффициент прочности становится меньше единицы – и тогда шпилька разрушается». Общая площадь поперечного сечения шпилек по резьбе составляет 0.36 м², и полная сила на шпильках при силе затяга 80 МПа составит 28.8 МН.

Сказанное Петреней, очевидно, означает, что в этом случае сила, действующая на турбинную крышку, начинает превышать силу затяга шпилек. Крышка начинает «елозить» по опоре, и высокочастотные вибрации, создающие в таком случае срезающие нагрузки, приводят к быстрому развитию в шпильках усталостных трещин, и, в конце концов, через некоторое время, к их разрушению [5]. То есть, при снижении напряжения затяга шпилек в 1.5 раза по сравнению с проектным, может реализоваться именно тот механизм, о котором пишут сторонники концепции «гнилых шпилек». Но этот процесс усталостного разрушения шпилек не может быть мгновенным.

Значит, по данным производителя при 30 % пульсаций подъёмная сила на крышке составляет около 29 МН. Для какого напора делались эти оценки, Петреня не сообщил. Будем считать, что для расчетного, то есть для напора в 194 м. При этом в спиральной камере напор будет где-то около 205 м, что на 8 % ниже, чем в ранее рассмотренных здесь случаях. Это приводит только к тому, что подъёмная сила на внешнем кольце крышки уменьшится на такую же величину, то есть с 37.5 МН до 34.5 МН. Увеличим эту силу на 30 %, получится 44.9 МН. Добавим подъёмную силу на центральной части крышки в области не рекомендованной работы – 1.5 – 2 МН, вычтем вес – 17.5 МН и придем к силам на крышке 29 – 29.5 МН, что прекрасно согласуется с данными Петрени.

Таким образом, полученные выше оценки показывают, что даже с учетом пульсаций давления потока в штатном режиме останова гидроагрегата, сила, растягивающая шпильки турбинной крышки при напоре 212 м, не превышает 30 МН, что подтверждаются и данными от производителя турбин.

IV. Оценка остаточной прочности шпилек турбинной крышки

В соответствии с данными Акта Ростехнадзора [1], «в изломах шпилек выделены две зоны: зона усталостного излома и зона долома». Следует указать на то, что приводимая доля «площади усталостного излома» в Акте Ростехнадзора, неправильна. В этом акте были приведены в таблице и данные по всем 49 найденным шпилькам. Если аккуратно их сложить, учтя одну потерянную там шпильку, и поделить на число шпилек, то получим, что эта доля площади усталостного излома составит в среднем на самом деле не 64.9 %, а 58.3 % [5].

Однако, такая процедура экстраполяции данных с 49 найденных шпилек на их полное количество – 80 штук не учитывает того, что все шпильки с отвинченными гайками (6 штук), известны, и экстраполировать данные следует только на 74 разорванные шпильки. По данным Акта Ростехнадзора у 43 найденных разорванных шпилек доля площадей усталостного разрушения составила 52.5 %, а пятна долома – 47.5 % соответственно. Естественно считать, что эти данные можно отнести ко всем 74 разорванным шпилькам. Тогда площадь пятен долома оценивается в 0.16 м², что составляет 44 % от полной площади поперечного сечения шпилек. Отсюда можно заключить, что в момент разрушения шпильки мгновенно разорвались на площади, составлявшей около 44 % от исходного поперечного сечения. Такой режим разрушения материала реализуется только при превышении предела его прочности. По данным ЦНИИТМАШ материал шпилек был идентифицирован как сталь 35 [1], предел прочности которой составляет 530 МПа [12]. Если предел прочности перемножить на остаточную площадь 0.16 м², то получим, что сила, необходимая для разрыва шпилек, составит около 85 МН.

Эта сила в 3.9 раза больше, чем вычисленная нами ранее сила, действовавшая на шпильки на рабочем режиме (22 МН), и в 2.8 раза больше, чем практически такая же постоянная сила в зоне не рекомендованной работы, но увеличенная вследствие воздействия максимально допустимых при штатной работе пульсаций давления в потоке (максимальная результирующая сила на крышке в этом случае составляет 30 МН). Таким образом, минимальный запас остаточной прочности шпилек был близок к 3, и без дополнительных факторов, которые привели к не менее чем трехкратному увеличению сил натяжения шпилек, произошедший 17 августа 2009 года инцидент с отрывом турбинной крышки второго гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС в том виде, в каком он произошел, был бы невозможен. С кратким описанием этого фактора – возбуждением гидроакустических автоколебаний напорной системы станции – можно ознакомиться в статье [13], с более подробным – в работах [14, 15].

Выводы

1. В работе представлен, по-видимому, наипростейший из возможных алгоритм расчета сил, действовавших на турбинную крышку второго гидроагрегата во время инцидента 17 августа 2009 года, а также прочности шпилек на момент их разрыва.
2. Приведены все необходимые данные для самостоятельно расчета по представленному алгоритму рассматриваемых характеристик любым желающим.
3. Продемонстрировано, что алгоритм дает результаты, хорошо согласующиеся с данными производителя гидроагрегата.
4. Показано, что с учетом максимально возможных пульсаций на переходных режимах (в области не рекомендованной работы) равнодействующая сил на турбинной крышке при штатной работе второго гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС не могла превышать 30 МН.
5. Показано также, что остаточная прочность шпилек турбинной крышки была такова, что для их разрыва требовалась сила около 85 МН.
6. Из п. 4 и 5 следует, что при штатной работе второго гидроагрегата Саяно-Шушенской ГЭС турбинная крышка оторваться не могла.
7. На основе п. 6 можно сделать вывод о полной несостоятельности концепции «гнилых шпилек», которую ее сторонники пытаются выдать за официальную.

Ссылки

1. Акт технического расследования причин аварии, произошедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро» – «Саяно-Шушенская ГЭС имени П. С. Непорожнего»

2. Б. Н. Юркевич – Что все-таки произошло на Саяно-Шушенской ГЭС. Стенограмма (подготовила Е. Шкарубо). Тайга.инфо, 16.12.2010

3. Б. Н. Юркевич – О причинах аварии на гидроагрегате № 2 СШГЭС. Доклад на научно-практической конференции «Повышение эффективности системы управления безопасностью ГЭС», 19.05.2011

4. И. Слива – Саяно-Шушенская ГЭС: выводы сделаны. Вестник РусГидро, N 5, май 2011

5. Ю. И. Лобановский – Технические причины катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС (итоги расследования), ноябрь 2009

6. Г. И. Кривченко – Гидравлические машины. Турбины и насосы. Москва, Энергия, 1978

7. С. Е. Беднарук – Управление режимами работы Саяно-Шушенского водохранилища в непроектных условиях после аварии на Саяно-Шушенской ГЭС. Доклад на Международной конференции, май, 2011, Ташкент

8. Л. И. Седов – Механика сплошной среды, т. 2. Москва, Наука, 1976.

9. В. И. Брызгалов – Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС. Производственное издание, 1998

10. И. Н. Смирнов – Гидравлические турбины и насосы. Москва, Высшая школа, 1969

11. И. Имамутдинов – На черной частоте. Эксперт, N 39 (676), 12.10.2009

12. ГОСТ 20700-75. Болты, шпильки, гайки и шайбы для фланцевых и анкерных соединений, пробки и хомуты с температурой среды от 0 до 650 °С. Технические условия

13. Ю. И. Лобановский – Две тысячи слов о Саянской катастрофе. Тайга.инфо, 22.02.2011

14. Ю. И. Лобановский – Критерий возбуждения гидроакустических автоколебаний напорной системы. Январь – февраль 2010

15. Ю. И. Лобановский – Автоколебания напорных систем и разрушение гидроагрегатов. Гидротехническое строительство, N 7, 2010.

Юрий Лобановский,
кандидат физ.-мат. наук
12.09.2011

Саяно-Шушенский гидроузел подает сигнал SOS с самого начала его проектирования, но этот сигнал бедствия не был услышан даже после катастрофы 17 августа 2009 года. Большинство проблем Саяно-Шушенской ГЭС рождено еще в ходе проектирования. Их решали расчетным путем на бумаге, не придавая значения тому, что эти расчеты в принципе нельзя реализовать на практике.

[Читать дальше →]

Месяц назад главный инженер ОАО «Ленгидропроект» Борис Юркевич заявил о перспективах строительства крупнейшей гидроэлектростанции в стране – Эвенкийской ГЭС – на реке Подкаменная Тунгуска. Вчера генеральный директор ОАО «Ленгидропроект» Сергей Воскресенский в официальном ответе на запрос «Плотина.Нет!» фактически дезавуировал заявление своего подчиненного.

[Читать дальше →]