Фонтан над Саяно-Шушенской ГЭС

Развитие аварии агрегата № 2 на Саяно-Шушенской ГЭС до масштабов катастрофы с гибелью людей произошло вследствие того, что затопление происходило не снизу (как следовало ожидать), а мощным фонтаном сверху. Этот фонтан образовался из-за внезапного перекрытия потока слива воды в нижний бьеф СШГЭС через отсасывающую трубу. Внезапное перекрытие потока произошло через две минуты и восемь секунд с момента начала аварии агрегата № 2. К таким выводам приходит инженер Геннадий Рассохин в своей новой статье, любезно предоставленной им редакции «Плотина.Нет!»:

Семнадцатое августа 2009 года. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Разрушился гидроагрегат № 2. Вода хлынула в машинный зал, круша оборудование, и заполнила его за считанные секунды. Погибли 75 человек. 13 получили травмы. На СШГЭС были уничтожены три гидроагрегата и повреждены остальные семь.

Сведений о подобных авариях в практике мировой гидроэнергетики нет. Авария уникальна. Уникальна по масштабам, по числу человеческих жертв. Но уникальность её и в том, что до сего времени, спустя четыре с половиной года, нет официальных вразумительных объяснений её причин. И это притом, что расследование причин аварии проводили комиссии Российского технического надзора («Ростехнадзора») и Государственной Думы. К расследованию были привлечены около сотни специалистов разного уровня и разных ученых степеней, кандидатов и докторов наук, академиков.

Но, несмотря на это, выводы комиссий порождают больше вопросов, чем ответов. Согласиться с выводами комиссий о том, что причина всему — усталость металла шпилек крепления крышки турбины из-за превышения горизонтальной вибрации турбинного подшипника с двойной амплитудой свыше 160 микрон может только ничего не понимающий в технике – технический идиот.

Не выдерживает критики официально обнародованная причина разрушения шпилек. Но самое основное, что не установлены причины развития аварии на одном агрегате до разрушения и повреждения остальных 9-и агрегатов станции с гибелью людей. Такого количества людей! По всей вероятности, этим вопросом никто и не задавался.

Можно говорить о героическом разборе завалов после аварии, о героических работах по восстановлению Саяно-Шушенской ГЭС. О том, что за эти четыре с лишним года эта самая мощная в стране гидроэлектростанция уже близка к завершению восстановления. Но при этом следует ли забывать о том, что не получен ответ, почему погибли почти все люди из обслуживающего и ремонтного персонала СШГЭС. Почему авария на одном агрегате развилась до масштабов техногенной катастрофы с выводом из строя самой мощной в стране гидроэлектростанции.

Почему погибли люди, ответ известен. Они утонули при разгерметизации проточной части гидроагрегата СШГЭС.

Но была ли неминуема их гибель при разгерметизации водоводов агрегата?

I. На Рис.1 показана схема Саяно-Шушенской ГЭС.

В соответствии с требованиями компоновочных решений строительной гидротехнической части ГЭС:

• — Здание станции разбивается на агрегатные секции;
• — Затопляемыми (условно) считаются только помещения, расположенные ниже уровня нижнего бьефа;
• — Помещения подсобно-производственного назначения, в том числе масляного хозяйства, при отсутствии специальных требований выносятся на дневную поверхность;
• — Для осмотра и ремонта турбинных камер и отсасывающих труб в подводной части здания предусматриваются служебные галереи, проходы, лазы и лифты (при глубине 12 м и более). В начале и конце галереи предусматриваются выходы, изолированные от других помещений и имеющие лестничные клетки. Верх лестничных клеток размещается выше максимального расчетного уровня воды нижнего бьефа на 0,5 м. При этом должны быть предусмотрены герметичные люки или двери, исключающие возможность затопления галерей.

Все перечисленные компоновочные решения по размещению помещений здания ГЭС рассчитаны на то, чтобы:

• — при внештатных ситуациях угроза затоплений помещений машинного зала могла быть только СНИЗУ. И только до уровня НЕ ВЫШЕ УРОВНЯ НИЖНЕГО БЬЕФА;
• — при повреждении агрегата с разгерметизацией проточной части затопление локализовалось только в ПРЕДЕЛАХ ДАННОЙ АГРЕГАТНОЙ СЕКЦИИ.

Всем этим требованиям машинный зал СШГЭС удовлетворяет.

II. На Рис. 2, 3, 4, 5, 6, 7 приведены характеристики проточной части (водотоков) гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС.

Весь напорный водовод имеет диаметр 7,5 м.

Перед входом в спиральную камеру (СК) в водовод вварен конусный переход D=7,5 м/6,5 м. Таким образом, вход воды в спиральную камеру имеет диаметр 6,5 м (Рис. 3).

Выход воды из спиральной камеры в камеру рабочего колеса турбины (КРК) за счет колонн статора имеет вид сопел. Общая площадь проходного сечения сопел составляет 29 м² (Рис. 4, 5).

Из камеры рабочего колеса турбины поток воды отводится в нижний бьеф СШГЭС через отсасывающую трубу (ОТ).

Отсасывающая труба имеет конфигурацию загнутого на 90°диффузора (Рис. 1, 2, 6, 7).

Диаметр входного участка отсасывающей трубы составляет 6,5м.

При ремонтах агрегата с осушением отсасывающей трубы диффузор перекрывается ремонтным затвором (ЗОТ).

По умолчанию комиссий проточная часть гидроагрегата № 2 после его аварии не претерпела никаких изменений.

При нормальной работе водоток перекрыт турбиной. Расход воды по водотоку регулируется в зависимости от мощности агрегата.

При аварии ротор агрегата поднялся, турбина покинула камеру рабочего колеса. Препятствие для выхода потока воды из статора турбины в отсасывающую трубу и в нижний бьеф ушло.

В таком состоянии весь тракт потока воды с верхнего бьефа в нижний можно рассматривать как канал, имеющий один «пережим» в месте выхода воды из спиральной камеры. Площадь живого сечения «пережима» 29 м².

Уравнение Бернулли для потока воды в месте пережима:

,

где — давление на «стенки» потока-канала, Па (Н/м², кг/сек²м),

— плотность воды, кг/м³,

— ускорение свободного падения, = 9,81 м/сек²,

— скорость потока, м/сек,

— напор (разность величин уровней воды на верхнем и нижнем бьефах), =212,04 м.

Первый член в уравнении () — гидростатический напор потока, второй () — скоростной напор.

На уровне «пережима» весь напор потока переходит в скоростной напор, скорость потока будет максимальной:

— формула Торричелли. = 64,5 м/сек.

Расход воды через «пережим» в этом аварийном режиме составит:

В соответствии с условием неразрывности потока скорость потока через отсасывающую трубу будет: ,

где 33,16 м² – площадь сечения потока на входе в отсасывающую трубу.

(Примечание: расчеты выполнены без учета коэффициентов расхода и коэффициентов трения).

Происходит свободный слив воды из верхнего бьефа «под уровень» нижнего бьефа Саяно-Шушенской ГЭС. Уровень воды в секции аварийного агрегата не должен поднимается выше уровня нижнего бьефа.

При этих условиях авария гидроагрегата № 2 СШГЭС должна была закончиться с объемом разрушений не более, чем изображенном на Рис. 8. Все разрушения должны были локализоваться в пределах только секции этого агрегата.

Но фактически всё пошло не так. Вместо свободного слива воды «под уровень» нижнего бьефа из шахты агрегата ударил МОЩНЫЙ ФОНТАН.

III. На Рис. 9 первый момент фонтана из шахты аварийного агрегата № 2. Фонтан выше отметки 335 м. (Отметка уровня нижнего бьефа – 325,07 м, отметка пола машинного зала – 327,0 м).

Обращает на себя внимание время первого момента выброса воды из шахты. Разность во времени первого момента выброса воды и момента отрыва крышки турбины, указанного в официальном заключении комиссии, составляет ДВЕ МИНУТЫ ВОСЕМЬ СЕКУНД.

На Рис. 10 фонтан поднимается выше верхней отметки перекрытия машинного зала.

Фонтаном сняты три пролёта перекрытия (Рис. 11, 12).

Вода заполнила машинный зал Саяно-Шушенской ГЭС «до краёв» (до отметки 335 м) (Рис. 1), и мощным потоком переливалась через «край» в Енисей и на прилегающую территорию. При этом по прилегающей к СШГЭС территории поток воды был такой, что «смывал» припаркованные автомобили (Рис. 13).

IV. На видео с камер видеонаблюдения фонтан стабильный во времени, следовательно, в камере рабочего колеса турбины создалось устойчивое давление. Давление могло создаться только в результате образования «подпора» на сливе воды в нижний бьеф. В отсасывающей трубе образовался второй «пережим» намного больший, чем первый по тракту водотока – на выходе воды из статора турбины.

Величину этого второго «пережима» можно приблизительно определить:

На видео высота мощного фонтана над уровнем статора турбины не менее 80-и метров. Следовательно, напор на выходе воды из статора турбины будет: 212 -80+11=143 м (11 м – величина «заглубления» меридиональной плоскости турбины).

Скорость воды через первый пережим ; расход —.

Скорость воды через второй пережим остается равной: = 64,5 м/сек. Площадь поперечного сечения второго пережима: .

Живое сечение отсасывающей трубы внезапно перекрылось не менее чем на 30%.

Таким образом:

1. Развитие аварии агрегата № 2 до масштабов катастрофы с гибелью людей произошло вследствие того, что затопление Саяно-Шушенской ГЭС происходило не снизу (как следовало ожидать), а мощным фонтаном сверху.
2. Мощный фонтан образовался из-за внезапного перекрытия потока слива воды в нижний бьеф через отсасывающую трубу.
3. Внезапное перекрытие потока произошло через две минуты и восемь секунд с момента начала аварии агрегата № 2.

Что это было? Что перекрыло трубу?

На эти вопросы ответить надо. От этого зависит безопасность обслуживания агрегатов ГЭС. От этого зависит надежность ГЭС.

Геннадий Рассохин,
специально для «Плотина.Нет!»