СШГЭС: череда ошибок ведет к катастрофе на Енисее

Может сложиться благостное представление, что после завершения всех восстановительных работ по Саяно-Шушенской ГЭС, при наличии берегового водосброса, сравнительно благополучном состоянии водобойного колодца эксплуатационного водосброса после длительной работы и удовлетворительном состоянии плотины, можно вполне обойтись без создания регулирующих емкостей. Но это не так.

8 октября 2010 года был опубликован график наполнения Саяно-Шушенского водохранилища — своего рода отчет Межведомственной комиссии по регулированию, целиком совпадающий с прогнозным режимом и вполне способный создать впечатление, что мы полностью овладели ситуацией на Енисее.

Может сложиться благостное представление, что после завершения всех восстановительных работ по Саяно-Шушенской ГЭС, при наличии берегового водосброса, сравнительно благополучном состоянии водобойного колодца эксплуатационного водосброса после длительной работы и удовлетворительном состоянии плотины, можно вполне обойтись без создания регулирующих емкостей.

В действительности же серьезной аварии при пропуске половодья и дождевого паводка в 2010 году удалось избежать только благодаря маловодью и наличию водосброса с глубинным водозабором, физически способному пропускать до 7700 м³/с, причем еще до начала заполнения полезного объема водохранилища.

Но для будущего Саяно-Шушенского гидроузла, для обеспечения гарантии гидрологической безопасности на Енисее, куда большую ценность имеет не график наполнения водохранилища, а анализ баланса притока, аккумуляции и сброса воды по объемам, расходам и времени (приводится ниже). А этот анализ показывает на то, что дисбаланс в системе площадь водосбора, водохранилище, водосбросы, турбины и нижний бьеф запредельный и требует принятия экстренных мер со стороны руководства страны.

Исключительной особенностью Саяно-Шушенского гидроузла является череда ошибок в расчетах и нарушений правил проектирования, которые привели к авариям на плотине, в ее основании, на водосбросе и ГЭС и, в итоге, к следующим ограничениям:

— по состоянию плотины скорость заполнения объема водохранилища до уровня 520 м не ограничивается, до уровня 530 м не должна превышать 1,5 м в сутки, далее до уровня 539 м не должна быть выше 0,7 м в сутки;

— по состоянию плотины запрещено заполнение водохранилища выше уровня 540 м (ранее объем 3 км³ между уровнями 540 и 544,5 м считался резервным);

— водобойный колодец водосброса не обладает необходимой надежностью при пропуске расходов более 5000 м³/с (существуют расчеты, якобы допускающие увеличение расхода до 7500 м³/с, но испытания не проводились);

— расход воды через турбины снижен до 1020 м³/с в 2010 году, в 2011 году не будет выше 1360 м³/с, в 2012 году – не будет выше 1700 м³/с;

— схема выдачи мощности ГЭС не позволяет работать одновременно всем турбинам с максимальным расходом воды; расход воды через турбины ограничен 2100 м³/с;

— береговой водосброс имеет ограниченный диапазон работы между уровнями 527-540 м, поэтому в пропуске половодья в самый ответственный момент при срезке пика расхода притока воды участия принимать не может;

— допустимый гидравлический режим в водопроводящем тракте водосброса внутри плотины ограничен уровнем 497 м, до которого еще возможна глубокая сработка водохранилища;

— из-за понижения НПУ и ФПУ для создания резерва порожней емкости водохранилища на случай пропуска дождевого паводка редкой повторяемости заполнение водохранилища после пропуска половодья ограничено уровнем 533 м;

— в случае остановки всех турбин санитарный попуск воды в нижний бьеф через водосбросы не должен быть меньше 700 м³/с;

— Майнский гидроузел при ФПУ и одновременной работе всех трех турбин может пропустить только 13300 м³/с (турбины пропускают 2100 м³/с).

Эти ограничения, в свою очередь, привели к необходимости холостого сброса воды ежегодно независимо от прогноза притока воды с повышенным расходом по расчетному гидрографу в самом начале половодья. Фактическое регулирование в 2010 году выполнялось крайне рискованно по гидрографу года средней водности, полученному из числа гидрографов в самые многоводные годы: 1916, 1936, 1966, 2006.

В течение 12 месяцев, начиная с октября 2009 года по 30 сентября 2010 года, приток воды в Саяно-Шушенское водохранилище составил всего около 63,11 км³ (таблица 1), а максимальный расход притока воды 7 июня достиг всего 9100 м³/с (обеспеченность примерно 5,2%), то есть год по притоку воды может характеризоваться как год чуть ниже средней водности.

Но за период с 01.X.2009 по 30.IX.2010 в водохранилище при уровне 534,54 м было аккумулировано 12,15 км³, на выработку электроэнергии израсходовано примерно 12 км³ воды и мимо турбин было сброшено около 38,8 км³ (более 61% объема притока воды), при этом нагрузка на водобойный колодец водосброса практически достигла предельной величины.

Таблица 1

Ввод в работу каждого очередного гидроагрегата за период май-сентябрь будет снижать объем холостого сброса воды примерно на 5 км³ вплоть до суммарного расхода воды через турбины, который обеспечит пропускная способность схемы выдачи мощности Саяно-Шушенской ГЭС.

Если последующие годы будут близки по притоку воды 2010 году, то в 2011 году объем холостого сброса воды не будет меньше 33, 8 км³, а в 2012 году не будет меньше 28,8 км³.

Если не будет увеличена пропускная способность схемы выдачи мощности, то после восстановления всех гидроагрегатов и сохранении нынешней параллельной схемы регулирования в годы средней водности, аналогичные 1916, 1936, 1966, 2006, 2010 годам, холостой сброс воды не будет меньше 15 км³ и вся нагрузка при пропуске половодья будет ложиться на водосброс с глубинным водозабором и его водобойный колодец.

В случае притока воды меньшей вероятности неминуемо будет перегружаться водобойный колодец и возникнут сложности с регулированием скорости заполнения водохранилища.

Последствия перегрузки плотины и водобойного колодца могут оказаться технологически и технически непоправимыми в короткую паузу, которую отводит река, что приведет к катастрофе на Енисее.

Все проблемы появились исключительно в результате применения параллельной схемы регулирования, по технологии которой в срезке пика половодья (максимального значения расхода притока воды) может участвовать только действующий водосброс с глубинным водозабором.

При последовательной схеме регулирования пик половодья сначала трансформируется (снижается) при аккумуляции воды в водохранилище (в нашем случае в водохранилищах), а затем уже сниженный пик быстро срезается за счет пропуска воды через оба водосброса и максимальное количество одновременно работающих турбин.

Саяно-Шушенский гидроузел как сооружение первого класса должен быть безопасным при пропуске расходов обеспеченностью 0,01% + ? (таблица 2).

Таблица 2

При параллельной схеме регулирования вынуждены срезать два пика (таблица 2): расчетного половодья и расчетного дождевого паводка, мощность сбрасываемого расхода каждого может достигать 25000 МВт, которую невозможно без больших разрушений бетона погасить в водобойном колодце эксплуатационного водосброса.

Эта колоссальная энергия в форме знакопеременных динамических усилий, вакуума и вибрации будет продолжительное время воздействовать на конструкцию дна колодца без возможности какого-либо регулирования величины и характера этих воздействий. Разрушения дна колодца могут оказаться настолько большими, что на восстановление просто не останется технологического времени.

Было также установлено, что знакопеременные усилия от водобойного колодца передаются в форме колебаний и вибрации основанию сооружений, плотине, машинному залу, скальным берегам с образованием резонансных явлений и могут представлять реальную угрозу целостности этих объектов. Например, могут привести к обрушению потенциально неустойчивых скальных массивов левого берега и тяжелым последствиям.

При пропуске расчетного дождевого паводка береговой водосброс будет способен на 7500 МВт снизить мощность сбрасываемого в водобойный колодец потока воды, но нижний бьеф не сможет пропустить повышенный расход воды 16300 м³/с (а при катастрофическом притоке даже выше 16300 м³/с), пропускаемый через оба водосброса и турбины. Ведь резервный объем водохранилища, необходимый для трансформации (снижения) расхода в дождевой паводок, отсутствует.

Возможность формирования двух пиков расхода притока воды в одном и том же году следует считать вполне обоснованной огромной площадью водосбора 180000 км², на которой проектные и научно-исследовательские институты предлагали построить минимум девять водохранилищ и ГЭС. В половодье, которое на Енисее обычно длится полтора месяца, учитывалась вероятность наложения дождевого паводка, а в июле – сентябре – вероятность формирования дождевого паводка с повышенным притоком воды.

Расчет по графику (В.И.Брызгалов “Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций”, Сибирский издательский дом ”Суриков”, Красноярск, 1999, стр.150) и совпадающий с ним мой расчет показывают, что в течение примерно 46 суток расчетного половодья обеспеченностью 0,01% + ? приток воды составляет 45,65 км³, из них при условии создания резерва порожней емкости для безопасного пропуска дождевого паводка на уровне 533 м может быть аккумулировано 11,32 км³, на выработку электроэнергии в 2011 году может быть израсходовано 5,4 км³, а сбросить через эксплуатационный водосброс вынуждены 29,93 км³ со средним расходом воды 7530 м³/с в течение всех 46 суток через водобойный колодец водосброса.

Если учесть, что регулирование выполняется по гидрографу года средней водности и прогнозу притока воды, а прогнозы имеют низкую достоверность (особенно метеорологические прогнозы), то трудно себе представить, чтобы при опорожненном объеме водохранилища кто-то решился сбрасывать воду мимо турбин со средним расходом 7530 м³/с, который является предельным для водобойного колодца.

На практике можно выдержать средний расход сброса воды 7530 м³/с, если сброс воды вести по расходу притока воды, который, очевидно, будет ниже среднего, а затем, чтобы выйти на средний расход, соответственно, увеличивать расход сброса воды выше 7530 м³/с, то есть еще более перегружать водобойный колодец.

Пропуск половодья средней водности нельзя сравнивать с пропуском расчетного половодья. Например, в 2010 году за 46 суток с 28 мая по 12 июля объем притока воды составил всего около 25 км³, средний расход притока воды за этот период — около 6300 м³/с, средний расход воды через водосброс за этот период – около 3050 м³/с, но максимальный 7 июня, равный 4906 м³/с, был близок к критическому для водобойного колодца. Иначе говоря, половодье 2010 года – любая половина максимального расчетного притока воды, поэтому на него не следует ориентироваться в ближайшем будущем.

Также следует обратить внимание на то, что для уникального гидроузла гарантийная поправка ? = 11% к обеспеченности расхода притока воды 0,01%, а могла быть поднята до максимума 20% согласно СП 33.01-2003, п. 5.31.

Таблица 3

Где: Q_пр – среднемесячный расход притока воды, м³/с; W – месячный объем притока воды, км³; V_А¹ – объем аккумуляции воды в регулирующих емкостях (водохранилищах) верховья за месяц, км³; V_А — объем аккумуляции воды в Саяно-Шушенском водохранилище за месяц, км³; V_X – объем холостых сбросов воды за месяц, км³.

Регулирующие емкости (водохранилища – регуляторы) на притоках Енисея в верховье в Туве позволят перейти с параллельной схемы регулирования на последовательную схему, которая будет обеспечиваться по воле человека. И этот переход является наиважнейшей задачей на сегодня.

В таблице 3 сознательно представлены расчеты различных вариантов регулирования при использовании последовательной схемы для самого напряженного периода года на Енисее май – сентябрь в годы, близкие по водности к годам средней водности с единственной целью показать масштаб той проблемы, которая связана с пропуском расчетного притока воды, не говоря уж о катастрофическом притоке, который нельзя исключать в наше время.

Расчет холостых сбросов воды по известным гидрографам 1936, 1966, 2006 года выполнен с учетом заполнения полезного объема водохранилища в объеме 15,3 км³ при НПУ 540 м, среднем гарантированном расходе воды через турбины 2100 м³/с и при использовании последовательной схемы регулирования.

Расчет холостых сбросов воды по гидрографу 2010 года выполнен по трем вариантам регулирования:

— вариант 2010 — 1 — при среднем гарантированном расходе воды через турбины 2100 м³/с, с учетом заполнения полезного объема водохранилища до уровня 536 м в объеме 12,955 км³ при НПУ 539 м и использовании последовательной схемы регулирования;

— вариант 2010 — 2 — при повышенном среднем расходе воды 3060 м³/с в мае, при максимальном расходе воды через турбины 3400 м³/с в июне, при среднем гарантированном расходе воды через турбины 2300 м³/с в июле, августе, сентябре, при аккумуляции 7,5 км³ воды в регулирующих емкостях верховья в июне, последующем их опорожнении в июле, августе и заполнении водохранилища в объеме 12,75 км³ до уровня 535,6 м в сентябре;

— вариант 2010 — 3 – отличается от предыдущего варианта тем, что средний гарантированный расход воды через турбины в течение мая-сентября сохраняется равным 2100 м³/с, регулирующие емкости верховья остаются заполненными до октября, а водохранилище к концу сентября заполняется в объеме 12,51 км³ до уровня 535,2 м.

Вариант 2010 – 2 выполнен исключительно с целью показать возможность пропуска катастрофического притока воды в половодье и дождевой паводок, если обеспечена возможность выдачи всей установленной мощности Саяно-Шушенской ГЭС в энергосистему, поскольку в этом варианте регулирования сохраняются порожними регулирующие емкости и сохраняется запас порожней емкости основного водохранилища.

Вариант 2010 -3 выполнен исключительно с целью показать, что даже при нынешней схеме выдачи мощности Саяно-Шушенской ГЭС наличие регулирующих емкостей в верховье гарантирует использование всего притока воды на выработку электроэнергии и мощности во все годы до средней водности включительно, то есть без проведения холостого сброса воды. Но при притоках воды меньшей вероятности объем холостого сброса воды будет расти вплоть до максимума при расчетной обеспеченности.

К средней водности на Енисее за весь период наблюдений с 1908 года можно отнести только 1916, 1936, 1966, 2006 и 2010 год (последний с некоторой натяжкой), то есть все прошедшие годы эксплуатации гидроузлов на Енисее при наличии регулирующих емкостей в верховье общим объемом всего 7,5 км³ и возможности выдачи всей установленной мощности ГЭС холостые сбросы воды были не нужны.

Напомню, что только в одном 2006 году Саяно-Шушенская ГЭС и Майнская ГЭС сбросили мимо турбин по 15 км³, а Красноярская ГЭС даже более 17,5 км³ воды, что эквивалентно выработке 10,5 млрд. кВт?ч электроэнергии. Для сравнения, такое рекордно большое количество электроэнергии выработали все ГЭС Волго-Камского каскада в IV квартале 2007 года.

Вариант пропуска расчетного половодья обеспеченностью 0,01% + ? сознательно выполнен по графику В.И.Брызгалова, но для более тяжелого случая последующего пропуска дождевого паводка аналогичной обеспеченности, хотя такая вероятность чрезвычайно мала. Заполнение водохранилища в мае начинается при расходе притока воды выше 3060 м³/с, то есть выше расхода воды через девять одновременно работающих турбин с максимальной нагрузкой, который сохраняется до августа. В конце июня при срезке пика половодья 15 суток работают одновременно все турбины.

В июле заполняются регулирующие емкости (водохранилища – регуляторы) и остаются заполненными до конца сентября. В июне до уровня 527 м работает один эксплуатационный водосброс со средним расходом воды 5000 м³/с, а затем оба водосброса. В августе работает один Береговой водосброс со средним расходом воды 2340 м³/с.

Экономический эффект при пропуске половодья и дождевого паводка обеспеченностью 0,01% + ? колоссальный: только за период май – сентябрь выработка электроэнергии может составить около 19 млрд. кВт?ч при сохраненном запасе воды на осень и зиму в обоих водохранилищах.

Объем холостого сброса воды за год составит всего 20,5 км³ и может изменяться в зависимости от величины расхода воды через турбины в большую сторону, а в зависимости от обеспеченности расхода притока воды – только в меньшую сторону вплоть до нуля в годы средней водности.

Регулирующие емкости в верховье следовало создавать в первую очередь еще до строительства Берегового водосброса для регулирования скорости наполнения Саяно-Шушенского водохранилища при пропуске половодий и для пропуска половодий в щадящем режиме нагрузок водобойного колодца ныне действующего водосброса с глубинным водозабором.

Только после создания регулирующих емкостей на притоках в Туве (водохранилищ – регуляторов) общим объемом 7,5 км³:

— появится возможность вычислять расчетное время заполнения водохранилищ при различной обеспеченности расхода притока воды и составить график расчетного времени заполнения водохранилищ, по форме кривой совпадающий с кривой обеспеченности годового стока реки в створе Саяно-Шушенского гидроузла;

— гидрологическая безопасность Саяно-Шушенского гидроузла будет обеспечиваться при использовании последовательной схемы регулирования, то есть холостой сброс воды можно будет начинать после заполнения водохранилищ, контролируя заполнение по расчетному времени;

— будет полностью восстановлен резерв гидрологической безопасности, гарантирующий пропуск катастрофического притока воды (притока выше расчетного), приход которого будет определять минимальное расчетное время заполнения водохранилищ;

— гидрологическая безопасность Саяно-Шушенского гидроузла и других гидроузлов на Енисее будет гарантирована при максимальном сбросном расходе воды 11400 м³/с (5300 – эксплуатационный водосброс, 4000 – береговой водосброс, 2100 – турбины);

— после выполнения схемы выдачи мощности в полном объеме, обеспечивающем возможность кратковременной одновременной работы всех турбин, средний гарантированный расход воды через турбины может быть увеличен до 3000 м³/с, а максимальная нагрузка на водобойный колодец соответственно снижена на 700 м³/с;

— появится возможность (при необходимости) снизить НПУ и ФПУ Саяно-Шушенского гидроузла;

— за счет снижения холостого сброса воды увеличится выработка электроэнергии и мощности, в том числе в зимнее время года;

— холостой сброс воды будет вероятен только при притоке воды выше средних значений.

На сегодня не существует единого мнения относительно допустимого уровня заполнения Саяно-Шушенского водохранилища и нельзя исключать, что расчеты по новой расчетной математической модели покажут необходимость дальнейшего снижения НПУ и ФПУ.

В этом случае вынуждены будем построить в верховье суммарный объем регулирующих емкостей больше 7,5 км³, например, построить в полном объеме Сейбинскую плотину на Большом Енисее, которая создаст водохранилище общим объемом 12,6 км³. Объемы работ по созданию плотины примерно равны первоначальным проектным объемам по строительству Берегового водосброса, но гораздо проще по исполнению, поэтому вполне могут быть выполнены к 2014 году.

Анализ показывает, что регулирующие емкости в верховье в Туве необходимы, прежде всего, для перехода на последовательную схему регулирования, при которой оба водосброса Саяно-Шушенского гидроузла будут начинать работу одновременно и с допустимыми для них максимальными расходами: 5300 м³/с – эксплуатационный водосброс, 4000 м³/с – береговой водосброс, если средний расход воды через турбины не будет меньше 2100 м³/с.

На мой взгляд, совершенно неоправданно затягивается создание регулирующих емкостей для Саяно-Шушенского гидроузла, которые полностью восстанавливают резерв гидрологической безопасности, позволяют справиться с катастрофическим притоком воды и комплексно решают многие другие застарелые проблемы на Енисее.

В моей статье "Кто ответит по итогам регулирования?", опубликованной 26 мая 2010 года, речь шла не об одном годе, а главным образом о перспективе. Повторяю: необходимо сделать все возможное, чтобы не перегрузить плотину СШГЭС, водобойный колодец, нижний бьеф, и не создать себе непреодолимые трудности по ремонту. Мы сегодня не готовы к таким событиям по тому времени, которое может выделить река.

Прошло более десяти лет с тех пор, как я стал активно доказывать крайнюю необходимость первоочередного создания регулирующих емкостей (водохранилищ-регуляторов) в верховье на притоках в Туве. Когда мне стало ясно, что будет проектироваться и в первую очередь строится береговой водосброс с завышенными порогами на уровне 524 м, то делал все, на мой взгляд, необходимое для понижения порогов до уровня 500 м. Но и эту очередную ошибку мне предотвратить не удалось.

Теперь обеспечить гидрологическую безопасность на Енисее возможно только путем создания регулирующих емкостей. Только так можно осуществить переход на последовательную схему регулирования и сделать береговой водосброс действительно эффективным при пропуске половодья. Если в самое ближайшее время решение о строительстве регулирующих емкостей не будет принято на самом высоком уровне, то нельзя будет избежать катастрофы на Енисее.

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
ветеран труда и энергетики, участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее с 1962 по 2001 год,
специально для "Плотина.Нет!"