俄罗斯萨彦－舒申斯克水电站事故及启示

刘元秀，张光蓉

(1.中国水电建设集团四川电力开发有限公司;2.东方电机股份有限主任公司)

1 引言

俄罗斯萨彦－舒申斯克 (Саяно –Шушенская)电站位于西伯利亚的萨彦地区的叶尼塞河峡谷，因距列宁当年流放地舒申斯克不远，故电站取名为萨彦－舒申斯克。萨彦－舒申斯克水电站下属俄罗斯国有大型水力发电公司(RusHydro)，是俄罗斯最大的水电站。该水电装机10×640MW，年发电量240亿kWh，2006年发电量曾经达到过268亿kWh。电站提供西伯利亚地区10%的电力需求，还提供70%的附近铝业生产用电。

第一台机组于1978年11月开始运行。最后一台机组于1985年11月并网发电。2007年到2011年间，电站进行过现代化改造，改造时更换了控制和保护系统，并安装了综合分布控制系统。

2009年8月17日当地时间早上8:13，拥10台640MW机组的大型水电站——萨彦－舒申斯克水电站发出一声巨响，一道冲天水柱升起，发生了世界水电站最大的惨案。随后的67min(分钟)里，伴随着进水口闸门紧急落下，正在担负电网4400MW负荷的大电厂，在8:13＇25"瞬间变为零。3台机组严重毁坏(其中1台完全摧毁)，其余7台受到重创。在后来救援中，发现当时正在电厂工作的300多名员工，有75名不幸遇难，13人受伤。在此次举世瞩目的恶性事故中，电站瘫痪，约40t的变压器油泄漏到叶尼塞河中，造成两个养鱼场将近400t马哈鱼的死亡。叶尼塞河在静静哭泣、默默流淌(图1)。

图1 叶尼塞河

2 电站介绍

萨扬－舒申斯克水电站于1963年9月动工，1980年建成。1978年，首批2台机组采用临时进水口和临时转轮在低水头60m(相当于设计水头194m的32%)下提前发电，60m水头下出力155 MW，140m水头下出力400MW。在水库水位超过460m时更换为正式转轮，达到额定出力640 MW。这样取得了较好的经济效益，是前苏联水电站建设中的一项重要经验。2000年12月，全厂采用永久性转轮的10台机组投入永久性运行。图2为俯瞰的萨彦－舒申斯克电站;图3为事故前的萨彦－舒申斯克水电站厂房。

图2 萨彦－舒申斯克水电站俯瞰

图3 事故前的萨彦－舒申斯克水电站厂房

电站厂房内共布置有10台单机容量640 MW的立轴混流式水轮发电机组，水轮机由列宁格勒金属工厂设计制造，按前苏联国家标准，合同规定其使用寿命为30年。发电机由俄罗斯电力设备制造厂(简称“电力”工厂)设计制造，合同规定使用寿命为40年。转轮采用耐空蚀不锈钢制造。

水轮机参数:

型号 PO230/833－B－677

台数 10

容量 640MW

额定出力 650MW

最大容量 735MW

最大水头 212m

最小水头 175m

额定水头 194m

流量 358m3/s

转轮直径 6.77m

转轮出口直径为 6.5m

转轮叶片数 16(不锈钢板模压)

转轮重 156t

转速 142.8r/min

飞逸转速 280.0r/min

比转速 159m·kW

吸出高度 －7.5m

导叶中心高程 314.0m

水轮机总重 1400t

最高效率 96%

发电机主要参数:

型号 СВФ1285/275－42УХЛ4

单机容量 640MW

额定容量 711MVA

最大容量 736MVA

额定电压 15.75kV

转子重 935t

发电机总重 1860t

发电机转子绕组采用强制空冷，定子绕组采用水内冷，迄今在俄罗斯仍是较现代化的。

在发电机设计过程中，参考了克拉斯诺雅尔斯克水电站发电机的运行情况。萨彦－舒申斯克水电站发电机最主要的特点是:采用了无接缝的定子铁芯，其有效长度直接在现场安装成环状。此外，还实现了无磁极端部的磁极结构，从而在电网要求发电机发无功功率时降低定子铁芯的温度，同时增强发电机的调节能力。在发电机设备试制、开发期间，俄罗斯电力设备制造厂、全俄电工技术研究院等单位的研究和试验证实，设计时的推测与计算结果一致。将定子铁心安装成环状，在发电机长达30年的运行期间，保证了定子铁芯机械参数的稳定性。

变压器采用扩大单元结线，每两台发电机与一组容量为1600MVA的单相升压变压器相联。每台单相变压器为533MVA。电站生产的电能经变压器升压至500kV，经超高压输电线联入西伯利亚联合电力系统。

电厂发出的电能通过500kV和750kV高压输电线送到左岸露天配电站，然后输入电力系统。厂房侧主接线采用“两机一变”，通过四条500kV高压输电线送到左岸露天配电站后输入电力系统，变电站采用3/4主接线方式。

3 瞩目惊心的灾难

事故发生于2009年8月17日上午8时13分，附近布拉茨克水电站的通信室发生火灾，指令萨彦－舒申克亚水电站运行人员将该电站用作电网的调节。由于#2机组在最近一次维修后被认为是10台机组中最稳定的一台，故选定#2机为主调节机组。#8机组和#10机组为基础负荷机组，#6机组正在检修，其余6台机组都以较大固有转速降跟进#2机组的频率。所有机组都在部分负荷下都要承受持续的尾水管压力脉冲和较大的振动，在250MW～450MW之间特别厉害，因此机组经常运行在该危险区之外。图4为被摧毁的#2机及相邻机组。

图4 #2机损坏，#3、#4机也受牵连

#2机组在2009年进行改造时安装了振动监测装置，但不幸的是该装置已失效，而且在调度中心也没有将强振动运行作为决策的一部分予以考虑。毫无疑问，事故发生时，顶盖和尾水管振动是相当大的，远远超出了此类机组允许的振动值。

8时13分，#2机的顶盖的断裂飞开，萨彦－舒申克亚水电站发电机装在顶盖上的推力轴承支架上，当顶盖飞出后，静水力足以将重达1600t的旋转部件和推力轴承支架抛向空中，压力钢管中的水汹涌地冲进打开的水轮机，淹没了发电厂，造成其他机组和电站设施严重损坏。一台变压器爆炸，其他机组的所有控制装置全部失效，部分厂房屋顶跨塌。最后确定#2、#7和#9机组完全损坏，#3、#4和#5机组部分受损。图5～8为机组毁坏情况。

4 事故原因分析

图5 被摧毁和殃及的机组

图6 毁坏的发电机

图7 断裂的发电机定子

图8 损坏和淹没的机组

俄罗斯联邦有关方面认定水电站事故是由一系列原因造成的，既有水轮机水利设计不佳和结构设计特性不良、长期以来在强振动区运行时间较长而造成的空蚀、磨损、振动等疲劳破坏，也有使用维护不当、管理不善、检查不周、制度执行不力、维护费用不足、没有实时修复改造等各种因素。既有“先天不足”，又有“后天失调”。诸多因素导致了此次事故，其中包括瞬间水动力超出了极端电力作用下的设计应力，操作失误以及机械故障等。最终致使水轮机顶盖的把合螺栓已经腐蚀松动和疲劳老化瑕疵触发，6个螺栓的螺母全部丢失。

4.1 螺栓与人命

电厂内的#2机组是事发的严重受害者。人们发现，躺在#2机坑内的油混水中的“一串”机件，除了通常可理解的水轮机大轴、转轮、发电机转子等转动部件外，竟还有机组的承重部件顶盖和支持在顶盖上的发电机推力支架等固定部件。本应在水下工作，却从原来位置与浇灌在混凝土内的部件——座环——脱开了，窜升10m左右倒在发电机层楼板上!

640MW水轮机的顶盖，用80个螺栓紧固在水轮机座环上。在一百多年水轮机的发展史上，还没有发生过大水电机组的顶盖，能够脱离座环独自“飞起”的离奇事故!

事故发生后的调查、取证、试验、检验，确认了螺栓确是没有起到联结紧固的作用，并且正由于此，衍生成为重大惨案的关键之一。

螺栓螺母的设计没有问题，使用的材料合乎标准。这样很难解释为什么只有#2机的顶盖飞出，而其余9台机组却没有这种现象。那么，是安装(或拆卸检修后回装)的质量不合格吗?目测发现有6个螺栓上并无螺帽断裂的痕迹，这表明事故发生时这6个螺栓是没有螺帽紧固的，也就是说螺栓根本就没有套上螺母!

是运行有问题吗?是的。经肉眼检查，#2机组80个顶盖紧固螺栓，其断口可分为两个区域:疲劳断口区和彻底破坏区。也就是通常说的旧伤和新伤两部分。

“旧伤”就是疲劳破坏。螺栓破坏的主要原因是经过20多年运行后疲劳裂纹的发展，这些疲劳裂纹起自螺纹内表面。无损检查发现，螺纹表面有很多裂状的缺陷，它们是螺栓疲劳破坏发展的“源泉”，会降低这些零件的强度和承载能力，以及连接结构的整体承载能力。

“新伤”就是#2机在进入不推荐的机组运行工作区域时，振动摆度激增，水轮机顶盖把合螺栓被拉断。在水压力作用下机组转子带着水轮机顶盖以及上机架开始向上弹射，由于密封被破坏，涌水淹没水轮机室和其他机组部位。就这样，由于#2机组的螺栓的不作为，就夺去了75条人命!

4.2 还是机电设备惹的祸

“萨彦－舒申斯克惨案”震惊了世界，这与发生在俄罗斯这样的工业大国有关，与造成机毁人亡的重大惨案有关，也与始作甬者——机电设备引发的惨案有关。

人们怎么也没有想到是机电设备惹的祸。从媒体报导中，初始认为是人为事故，是“恐怖袭击”，很快被俄罗斯当局否定了。又说是“压力钢管爆裂了”，所以出现了冲天水柱。但10条背管式压力钢管却完好无损。后来又说是“检修中的变压器爆炸”，因为听到巨大响声，等等。人们怎么也不曾想到，正在电站厂房内运行的#2机组是惨案发生的“导火索”。摧枯拉朽整垮了电站厂用电系统、通信系统、保护系统、自动化系统，殃及其他9台机组，拉垮了3台机组的厂房。

人们也不曾想到，从工厂加工制造出来的机电设备，引发的事故竟比在萨彦电站已经发生过的水工建筑物的事故还要惨烈得多，竟直接导致75人死亡的重大事故。引起了国际媒体的轮番报导，俄罗斯总理亲临现场视察，国际水电界一片哗然。在水电工程建设中属“配角”的机电设备，在惨案中却成为了不光彩的“主角”。

混凝土大坝建成后，随着时间的推移，一般是必须更新换代的。而机电设备则大不一样，固定部件和运动部件都会发生老化、疲劳，使功能衰退，可靠性降低。特别是其中应用的电气、电子元件，由于材料进步、工艺改进，计算机技术的应用，性能和可靠性有极大的提升，升级换代更快。如果赶不上时代，没有及时将老化的可靠性差的设备更换下来，修复改造，重建系统，事故发生的几率就大为增加。“萨彦惨案”的发生，这些老化的设备和系统没有得到及时更新，就是明证。

机电设备惹出的“萨彦惨案”，直接给已建的水电工程敲起了警钟。水电工程惨案不仅仅会因水工大坝引发，机电设备也会造成如此惨重的灾难。

4.3 早期存在的隐患

国际电工委员会水轮机技术委员会一份文件说，水力发电设备运行稳定，可在很长时间内不需进行重要的修复而能维持连续运行。水轮机的可靠寿命可以长达30年～50年而不需进行重要的修复改造。这主要取决于机组的型式、设计、制造质量、运行条件和其他因素。当然，发电设备不可避免地会随着间的推移，出现性能、可靠性、可利用率下降。

萨彦电站10台640MW水轮机，从投入运行开始至1997年，在所有转轮叶片上均发现有裂纹，共127处，其中叶片与下环倒角处过渡焊缝周围出水边发现109处裂纹，叶片与下环接合部位进水边发现18处裂纹。部分叶片上已不止一次地出现裂纹。#2机组的#15、#16叶片已出现了4处裂纹，#7机组的#5叶片也出现了5处。

特别是惨案的元凶—— #2机组，由于转轮水力不平衡，强烈的径向不平衡力达90～95t(设计值60t)作用在水轮机导轴承上。在这些力的作用下，轴承座的径向振动达到450～500μm，水轮机顶盖为200μm。曾经由于轴承座和支撑件出现松动，一个月内不得不停机两次检修水轮机导轴承。经过维修处理，直到2000年才被批准正式投入永久运行，评价未达到“优”，而只是“良”。

设备自身带有缺陷，部件陈旧老化，虽经大修、中修，但隐患没有消除，长期带“病”运行可能是萨彦水电站“8·17事故”重要原因之一。

事故前的十年，俄罗斯处于国家体制改革和经济结构调整中，水电企业存在严重的经济困难，设备大修资金不足，连正常的设备维修都无法进行，更谈不上花钱更换设备了。早在1997年，俄罗斯就制订计划，提出对64座水电站进行设备更新，其中包括更换154台转桨式和29台混流式水轮机，更换115台水轮发电机、100多台水轮机调速器以及大量的励磁系统和其他设备的计划。此外，还有33台水电机组需要更新设备。可是，直到2002年，实际上只更换了8台机组。

5 “萨彦惨案”机电设计的思考

(1)水轮机在总体设计时，要合理选择机组性能参数，使水轮机具有较宽的稳定运行范围以及较好的运行调节能力。在运行水头范围、部件应力水平、试验标准、技术特性等方面突破现有工程经验时，需进行细致深入的论证和试验，重大技术问题还应专门经过专家评议和业主批准。萨彦－舒申斯克水电站机组在事故发生时可调范围只有70MW，调节性能差，在经过强振区时振动、摆度严重超标。

(2)在水轮机运行安全方面，应重视并做好水电站过渡过程的仿真计算，确保引水发电系统和机组的运行安全。水轮机调节保证计算，特别是高水头、长引水管、长尾水管过渡过程的计算，不但在可行性研究时要进行，在机组招标文件中也要明确提出必须进行计算的要求;在水轮机性能经过模型试验验收后，还应根据水工布置、水轮机性能的最新成果，复核计算各种危险组合工况下的压力上升、转速上升、水锤、反向水锤、抬机等是否在原先设定的安全范围内。还应制定可行的措施，保证截断事故水流的时效性和可靠性，防止事故进一步扩大。

(3)在机组总体结构方面，对于已证明是成熟的传统的结构形式不应轻易改变。水轮机已有一百多年的历史，近代计算机技术的快速发展，原型水轮机动静应力实测、结构应力的计算都已达到很高的水平，在其发展过程形成了经过运行考验的结构形式不宜改变。近年来，对叶道涡、卡门涡、尾水管压力脉动的研究，在工程实践中对此比以往有了更清楚的认识和解决的工程办法。一般来说，采用传统的结构形式，制造、运行、维护都十分熟悉，更能保证设备的安全。在常规的民用工业成套设备上，讲究的是安全，这点必须坚持。应该规定，未经运行检验的新结构形式不能在大机组上应用。

(4)在制订机组运行调度规范时，应要求在电力系统中担任负荷调节的机组，其水轮机必须具有良好的调节性能，有较宽的稳定运行范围。反之，如果机组调节性能差、稳定运行范围窄，就不应允许长期担任负荷调节的首选机组。

(5)高水头电站必须在电站机组的进水口设快速闸门，不应以任何理由，例如以设置圆筒阀为由取消进水口快速闸门。进水闸门的操作应有“双电源”并可远方和现地手动关闭。重要大型电站的备用电源应接至电厂保安自备电厂。自备柴油发电机作为紧急备用电源，必须如同检查消防系统一样，要建立定期检查、试运行检验的机制，确保紧急时能发挥作用。

(6)对顶盖与座环的联接螺栓，应考虑对其材料性能的取值和增加其安全系数的取值，并应规定螺栓的松紧次数，达到了规定的次数就必须更换，以防螺栓疲劳破坏。及时修订有关规程、规范实属必要。

(7)加强定期检查。机组大修拆卸的频率应该根据检查结果来确定，如果发现裂纹，大修频率就要增加。如果经常发现裂纹，就要格外警惕，考虑进行全面大修。对于裂纹检查要请专业人员进行，要请训练有素的人员对检测结果作出解释，再提出改进措施。要有长期无事故运行的维护程序。

(8)巨型水电站机组设备的修复，要及时得到安排。对有缺陷的大机组的修复工作，更新、修复、更换的安排计划要落实。对自动化元件、保护元件和系统，需升级换代的，要得到及时安排，确保自动化系统、保护系统正常动作。不言而喻，“萨彦惨案”是这些保护系统不能发挥正常动作所致。?

(9)对设备运行状况应了如指掌。对设备状况的把握、了解，要有记录，有专人负责。特别是新机组、大修后重新投运的机组，发现了问题还未安排大修的机组应成为重点定期巡视的对象。发现问题、缺陷，及时研究、修复，包括更换部件，进行现代化改造，绝不应该长期“带病”运行。

(10)重视风险评估。要对风险评估予以充分重视，对电站的歌星步骤更要予以重视，风险评估和评估管理要特别用于电力系统至关重要的机组上。

6 正在修复中的萨彦－舒申斯克电站

“萨彦惨案”震惊了俄罗斯和国际水电界。虽然惨案有一些不解之谜，留待人们慢慢思索，但灾后重建才是人们要面对的主要问题，人们期待见到一个继续给人们带来光明的崭新电站。

#4、#5和#6机组现在已恢复运行。2011～2014年间将重新安装6台新机组。2013～2014年间安装新的机组来更换修理的机组。俄罗斯水力开发公司(RusHydro)表示，根据俄罗斯能源部的计划，修复该水电站将共需款项约430亿卢布。

一年后正在施工中的机坑

2010年8月已恢复的部分机组

10台机组的单机容量均为640MW，其设计寿命为40年，较1980年代前后安装的机组寿命长25%。此合同总额约为3.97亿美元。俄罗斯动力机械股份有限公司于2010年初提供第1台水轮机和发电机，并于2011年提交6台水轮发电机组，其余计划于2012年投入运行，其运行效率将达到96.6%。

萨彦－舒申斯克机组不会因为“8.17惨案”而“寿终正寝”，经过修复与现代化改造，电站10台640MW机组还会重塑俄罗斯第一水电站的威名，成为一个符合现代安全要求的新水电站。大坝和其基础没有受到影响，完全修复则需花费约5年时间。2014年底前将全面修复萨彦－舒申斯克水电站。

7 结语

俄罗斯萨彦－舒申斯克水电站的惨案已经过去，当时震惊世界的“新闻”，早已被随后发生的印度的核电站工作人员受核辐射事件、日本大地震核电站泄漏事件的“新闻”代替，已成“旧闻”，人们已慢慢淡忘了。可是，作为水电工程开发、建设及机组制造的电力建设者们，对于此类惨重案例应该具有高度的警觉，这类悲剧绝对不要让它再次上演。

巨型水电站机组设备的状态必须达到“优良”。像萨彦－舒申斯克水电站、三峡水电站这样对国家和地区供电有重大影响的电站的机电设备，包括自动化和各类保护设备，必须时时保持良好状态。

萨彦电站的惨痛教训，不是技术负责人未曾发现设备存在问题，而主要责任人未安排资金实施改造，验收委员会负责人未能认真把关而“放行”。业主技术管理的严格与否，业主的决策正确与否，业主科学的措施落实与否，在市场经济中处于“强势”的业主，要有清醒的认识，并有能力勇于承担起堵塞在设计、制造、安装、运行、维修过程中不可避免会出现的某些安全漏洞，承担起全部的责任。

［1］赵秋云译.萨彦－舒申斯克水电站主要设备运行经验.水利水电快.2009(30)，12，27 －31

［2］黄源芳.萨彦－舒申斯克水电站事故对工程设计的启示.人民长江.2012(41)，4，89 －93

［3］刘峰 马莉译.萨彦－舒申斯克水电站事故回忆报告.东方电机(39)，5，76－78