Этот печальный день – 17 августа 2009 года – навсегда, наверное, войдет в нашу историю. На крупнейшей в России гидроэлектростанции, считавшейся величайшим достижением нашей инженерно-конструкторской мысли, произошла техногенная катастрофа, унесшая на тот свет 75 жизней. Многие из нас помнят видеозапись, облетевшую весь мир: всплеск воды, подозрительные всполохи света. Что это было?
Как мы знаем, согласно официальной версии Ростехнадзора причиной аварии стало разрушение шпилек крышки турбины гидроагрегата. Из-за динамических нагрузок крышка сорвалась, и машинный зал затопило водой. Чтобы сильно не напрягать общественность, аварию вообще объявили «уникальной». Дескать, законы физики непредвиденно помножились на безалаберность, вот и результат. В сухом остатке от такого объяснения в сознании остаются только незакрученные гайки, из-за которых и хлестанул поток воды.
Не удовлетворяясь столь простым (на первый взгляд) объяснением, разного рода «специалисты» стали создавать свои версии, одна другой страшнее. Одни говорили про взрыв трансформатора, другие – про террористический акт. Версия с террористами оказалась самой ходовой. Якобы на плотину проникли диверсанты чуть ли не с гор Кавказа, и с помощью водолазного снаряжения установили где-то внутри боевой заряд. За диверсантами, понятное дело, стояли какие-то темные силы из зарубежья, и якобы было всё это «предупреждением» нашему правительству (типа, если что, будем рвать плотины).
На самом деле причина аварии имеет чисто научное объяснение, не требующее привлечения внешних сил в виде террористов. Злую роль здесь сыграли законы физики. Именно такой версии придерживаются специалисты Института теплофизики СО РАН. Казалось бы, какое отношение имеет теплофизика к гидроэлектростанциям? Дело в том, что в свое время, в 1974 г., в Институте теплофизики был сформирован Отдел прикладной гидродинамики, в который перешли специалисты из Института гидродинамики. Именно в этом отделе в начале 1990-х годов были начаты научные исследования процессов, происходящих в проточных частях гидроагрегатов. Работы велись в тесном взаимодействии с Ленинградским металлическим заводом (ЛМЗ) – лидером отечественного машиностроения по проектированию и производству гидротурбин (он даже входит в четверку мировых лидеров).
В чем конкретно заключается упомянутое сотрудничество? В частности, ученые Института теплофизики СО РАН занимаются разработкой аналитических моделей, позволяющих описывать очень сложные вихревые течения за рабочим колесом гидротурбин. Разработана серия моделей, соответствующих различным режимам эксплуатации гидроагрегатов. Немногие из нас знают, что работа такого агрегата сопряжена с целым рядом проблем и сложностей, которые необходимо понимать и предвидеть как производителям гидротурбин, так и работникам гидроэлектростанций. Это только дилетанту кажется, будто тут нет ничего сложного – раскрутил турбину, и все в порядке. Получай ток! На самом деле в проточных частях гидроагрегатов могут возникнуть такие явления, что запросто приведут к серьезной аварии. Именно это, по мнению специалистов Института, занимающихся исследованием данных процессов, и привело к аварии на Саяно-Шушенской ГЭС.
Как считает доктор физико-математических наук Павел Куйбин, непосредственно занимающийся разработкой упомянутых аналитических моделей, одной из важных проблем здесь являются резонансные явления. «То, что случилось на Саяно-Шушенской ГЭС, – говорит ученый, – это, безусловно, резонанс, хотя многие еще пытаются это оспаривать». Что такое резонанс? Это когда вынужденная частота совпадает с собственной частотой. «Мы полагаем, – говорит Павел Куйбин, – что вынужденная частота была наведена вот таким вихрем, а собственная частота – это гидроакустическая частота всего водовода». Резонанс приводит к появлению сильнейших вибраций – и вертикальных, и горизонтальных – со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Многие, наверное, помнят из школьного курса физики хрестоматийный пример с колонной солдат, марширующих по подвесному мосту. Маршировка вызвала резонансное явление, из-за которого мост рухнул. Если аналогичное явление возникает в зоне гидроагрегата, то вполне можно ожидать катастрофы. Сотрудники СШГЭС, мягко говоря, прозевали резонанс. И, возможно, не по своей вине. Гидроэлектростанции, как правило, включены в единую систему энергорегулирования, что отражается на общем режиме эксплуатации каждой станции (когда нужно часть энергии постоянно «перебрасывать» туда-сюда). Иными словами, гидроэлектростанции работают не в оптимуме, а постоянно от него отклоняются в ту или иную сторону. И время от времени происходит так, что приходится работать в нежелательном (то есть опасном) режиме. Так, перед самой аварией второй агрегат Саяно-Шушенской ГЭС прошел через нежелательную фазу более десяти раз, подвергаясь воздействию очень сильных вибраций!
«Однозначного вывода о причинах аварии, – говорит Павел Куйбин, – пока еще нет. Но я для себя сформулировал версию, что это все-таки резонанс. Почему он там произошел, еще предстоит выяснить». В отличие от большинства ГЭС на Саяно-Шушенской система регулирования расхода (лопатки направляющего аппарата) управляется индивидуальными сервомоторами. Есть версия, что на втором агрегате заклинило одну лопатку, из-за чего пошел нештатный режим закрутки, образовался нештатный вихрь с нештатными частотами, который попал в резонанс с длинным водоводом. Амплитуда колебаний увеличилась до опасных значений, турбину вместе с генератором раскачало и выбросило.
В этой связи, как мы понимаем, существенно возрастает важность аналитических моделей, над которыми работают новосибирские ученые. Модель объясняет саму физику данного процесса, показывая, что на что действует в рабочей системе гидроэлектростанции. Соответственно, она показывает, как можно избежать этих разрушительных явлений. Например, по ряду достаточно простых и понятных параметров аналитическая модель позволяет оценить частоту, генерируемую вихрем. И даже амплитуду этих колебаний. А дальше уже можно предсказать, будет ли данная частота входить в резонанс с гидроакустикой или собственными механическими частотами строительных конструкций зданий и самой плотины.
Здесь следует отметить, что любая модель, любая компьютерная программа требуют проверки (верификации). А единственный способ проверки – физический эксперимент. По всем направлениям – и по разработке аналитических моделей, и по созданию компьютерных кодов, и по экспериментальному изучению явлений в гидротурбинах, и по созданию баз данных. Для верификации аналитических и численных моделей в Институте теплофизики СО РАН ведутся широкомасштабные работы. Самые большие надежды по экспериментальной проверке моделей ученые возлагают на Высоконапорную гидравлическую лабораторию (ВГЛ) при Красноярской ГЭС. Дело здесь в так называемом масштабном факторе. На небольших экспериментальных установках можно подробно изучить физику явлений. Но при переходе от лабораторных моделей с диаметром 100 мм к рабочим колесам диаметром 6-8 м могут возникнуть дополнительные неучтенные эффекты. Изучить масштабные эффекты помогли бы эксперименты на промежуточном масштабе порядка 1 м, которые под силу реализовать только на уникальной ВГЛ. В настоящее время ставится вопрос о восстановлении, реконструкции и запуске в эксплуатацию этой уникальной лаборатории, единственной в мире по параметрам.
Надо заметить, что авария многому научила наших менеджеров. По крайней мере, теперь к указанным вещам стали относится более серьезно. Соответственно, и деятельность новосибирских ученых в этом направлении становится более востребованной.
Олег Носков
Фото - http://ru.tsn.ua/svit/v-hakasii-proshchayutsya-s-22-pogibshimi-v-avarii-...
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии