俄羅斯薩彥－舒申斯克水電站事故及啟示

劉元秀，張光蓉

(1.中國水電建設集團四川電力開發有限公司;2.東方電機股份有限主任公司)

1 引言

俄羅斯薩彥－舒申斯克 (Саяно –Шушенская)電站位于西伯利亞的薩彥地區的葉尼塞河峽谷，因距列寧當年流放地舒申斯克不遠，故電站取名為薩彥－舒申斯克。薩彥－舒申斯克水電站下屬俄羅斯國有大型水力發電公司(RusHydro)，是俄羅斯最大的水電站。該水電裝機10×640MW，年發電量240億kWh，2006年發電量曾經達到過268億kWh。電站提供西伯利亞地區10%的電力需求，還提供70%的附近鋁業生產用電。

第一臺機組于1978年11月開始運行。最后一臺機組于1985年11月并網發電。2007年到2011年間，電站進行過現代化改造，改造時更換了控制和保護系統，并安裝了綜合分布控制系統。

2009年8月17日當地時間早上8:13，擁10臺640MW機組的大型水電站——薩彥－舒申斯克水電站發出一聲巨響，一道沖天水柱升起，發生了世界水電站最大的慘案。隨后的67min(分鐘)里，伴隨著進水口閘門緊急落下，正在擔負電網4400MW負荷的大電廠，在8:13＇25"瞬間變為零。3臺機組嚴重毀壞(其中1臺完全摧毀)，其余7臺受到重創。在后來救援中，發現當時正在電廠工作的300多名員工，有75名不幸遇難，13人受傷。在此次舉世矚目的惡性事故中，電站癱瘓，約40t的變壓器油泄漏到葉尼塞河中，造成兩個養魚場將近400t馬哈魚的死亡。葉尼塞河在靜靜哭泣、默默流淌(圖1)。

圖1 葉尼塞河

2 電站介紹

薩揚－舒申斯克水電站于1963年9月動工，1980年建成。1978年，首批2臺機組采用臨時進水口和臨時轉輪在低水頭60m(相當于設計水頭194m的32%)下提前發電，60m水頭下出力155 MW，140m水頭下出力400MW。在水庫水位超過460m時更換為正式轉輪，達到額定出力640 MW。這樣取得了較好的經濟效益，是前蘇聯水電站建設中的一項重要經驗。2000年12月，全廠采用永久性轉輪的10臺機組投入永久性運行。圖2為俯瞰的薩彥－舒申斯克電站;圖3為事故前的薩彥－舒申斯克水電站廠房。

圖2 薩彥－舒申斯克水電站俯瞰

圖3 事故前的薩彥－舒申斯克水電站廠房

電站廠房內共布置有10臺單機容量640 MW的立軸混流式水輪發電機組，水輪機由列寧格勒金屬工廠設計制造，按前蘇聯國家標準，合同規定其使用壽命為30年。發電機由俄羅斯電力設備制造廠(簡稱“電力”工廠)設計制造，合同規定使用壽命為40年。轉輪采用耐空蝕不銹鋼制造。

水輪機參數:

型號 PO230/833－B－677

臺數 10

容量 640MW

額定出力 650MW

最大容量 735MW

最大水頭 212m

最小水頭 175m

額定水頭 194m

流量 358m3/s

轉輪直徑 6.77m

轉輪出口直徑為 6.5m

轉輪葉片數 16(不銹鋼板模壓)

轉輪重 156t

轉速 142.8r/min

飛逸轉速 280.0r/min

比轉速 159m·kW

吸出高度 －7.5m

導葉中心高程 314.0m

水輪機總重 1400t

最高效率 96%

發電機主要參數:

型號 СВФ1285/275－42УХЛ4

單機容量 640MW

額定容量 711MVA

最大容量 736MVA

額定電壓 15.75kV

轉子重 935t

發電機總重 1860t

發電機轉子繞組采用強制空冷，定子繞組采用水內冷，迄今在俄羅斯仍是較現代化的。

在發電機設計過程中，參考了克拉斯諾雅爾斯克水電站發電機的運行情況。薩彥－舒申斯克水電站發電機最主要的特點是:采用了無接縫的定子鐵芯，其有效長度直接在現場安裝成環狀。此外，還實現了無磁極端部的磁極結構，從而在電網要求發電機發無功功率時降低定子鐵芯的溫度，同時增強發電機的調節能力。在發電機設備試制、開發期間，俄羅斯電力設備制造廠、全俄電工技術研究院等單位的研究和試驗證實，設計時的推測與計算結果一致。將定子鐵心安裝成環狀，在發電機長達30年的運行期間，保證了定子鐵芯機械參數的穩定性。

變壓器采用擴大單元結線，每兩臺發電機與一組容量為1600MVA的單相升壓變壓器相聯。每臺單相變壓器為533MVA。電站生產的電能經變壓器升壓至500kV，經超高壓輸電線聯入西伯利亞聯合電力系統。

電廠發出的電能通過500kV和750kV高壓輸電線送到左岸露天配電站，然后輸入電力系統。廠房側主接線采用“兩機一變”，通過四條500kV高壓輸電線送到左岸露天配電站后輸入電力系統，變電站采用3/4主接線方式。

3 矚目驚心的災難

事故發生于2009年8月17日上午8時13分，附近布拉茨克水電站的通信室發生火災，指令薩彥－舒申克亞水電站運行人員將該電站用作電網的調節。由于#2機組在最近一次維修后被認為是10臺機組中最穩定的一臺，故選定#2機為主調節機組。#8機組和#10機組為基礎負荷機組，#6機組正在檢修，其余6臺機組都以較大固有轉速降跟進#2機組的頻率。所有機組都在部分負荷下都要承受持續的尾水管壓力脈沖和較大的振動，在250MW～450MW之間特別厲害，因此機組經常運行在該危險區之外。圖4為被摧毀的#2機及相鄰機組。

圖4 #2機損壞，#3、#4機也受牽連

#2機組在2009年進行改造時安裝了振動監測裝置，但不幸的是該裝置已失效，而且在調度中心也沒有將強振動運行作為決策的一部分予以考慮。毫無疑問，事故發生時，頂蓋和尾水管振動是相當大的，遠遠超出了此類機組允許的振動值。

8時13分，#2機的頂蓋的斷裂飛開，薩彥－舒申克亞水電站發電機裝在頂蓋上的推力軸承支架上，當頂蓋飛出后，靜水力足以將重達1600t的旋轉部件和推力軸承支架拋向空中，壓力鋼管中的水洶涌地沖進打開的水輪機，淹沒了發電廠，造成其他機組和電站設施嚴重損壞。一臺變壓器爆炸，其他機組的所有控制裝置全部失效，部分廠房屋頂跨塌。最后確定#2、#7和#9機組完全損壞，#3、#4和#5機組部分受損。圖5～8為機組毀壞情況。

4 事故原因分析

圖5 被摧毀和殃及的機組

圖6 毀壞的發電機

圖7 斷裂的發電機定子

圖8 損壞和淹沒的機組

俄羅斯聯邦有關方面認定水電站事故是由一系列原因造成的，既有水輪機水利設計不佳和結構設計特性不良、長期以來在強振動區運行時間較長而造成的空蝕、磨損、振動等疲勞破壞，也有使用維護不當、管理不善、檢查不周、制度執行不力、維護費用不足、沒有實時修復改造等各種因素。既有“先天不足”，又有“后天失調”。諸多因素導致了此次事故，其中包括瞬間水動力超出了極端電力作用下的設計應力，操作失誤以及機械故障等。最終致使水輪機頂蓋的把合螺栓已經腐蝕松動和疲勞老化瑕疵觸發，6個螺栓的螺母全部丟失。

4.1 螺栓與人命

電廠內的#2機組是事發的嚴重受害者。人們發現，躺在#2機坑內的油混水中的“一串”機件，除了通常可理解的水輪機大軸、轉輪、發電機轉子等轉動部件外，竟還有機組的承重部件頂蓋和支持在頂蓋上的發電機推力支架等固定部件。本應在水下工作，卻從原來位置與澆灌在混凝土內的部件——座環——脫開了，竄升10m左右倒在發電機層樓板上!

640MW水輪機的頂蓋，用80個螺栓緊固在水輪機座環上。在一百多年水輪機的發展史上，還沒有發生過大水電機組的頂蓋，能夠脫離座環獨自“飛起”的離奇事故!

事故發生后的調查、取證、試驗、檢驗，確認了螺栓確是沒有起到聯結緊固的作用，并且正由于此，衍生成為重大慘案的關鍵之一。

螺栓螺母的設計沒有問題，使用的材料合乎標準。這樣很難解釋為什么只有#2機的頂蓋飛出，而其余9臺機組卻沒有這種現象。那么，是安裝(或拆卸檢修后回裝)的質量不合格嗎?目測發現有6個螺栓上并無螺帽斷裂的痕跡，這表明事故發生時這6個螺栓是沒有螺帽緊固的，也就是說螺栓根本就沒有套上螺母!

是運行有問題嗎?是的。經肉眼檢查，#2機組80個頂蓋緊固螺栓，其斷口可分為兩個區域:疲勞斷口區和徹底破壞區。也就是通常說的舊傷和新傷兩部分。

“舊傷”就是疲勞破壞。螺栓破壞的主要原因是經過20多年運行后疲勞裂紋的發展，這些疲勞裂紋起自螺紋內表面。無損檢查發現，螺紋表面有很多裂狀的缺陷，它們是螺栓疲勞破壞發展的“源泉”，會降低這些零件的強度和承載能力，以及連接結構的整體承載能力。

“新傷”就是#2機在進入不推薦的機組運行工作區域時，振動擺度激增，水輪機頂蓋把合螺栓被拉斷。在水壓力作用下機組轉子帶著水輪機頂蓋以及上機架開始向上彈射，由于密封被破壞，涌水淹沒水輪機室和其他機組部位。就這樣，由于#2機組的螺栓的不作為，就奪去了75條人命!

4.2 還是機電設備惹的禍

“薩彥－舒申斯克慘案”震驚了世界，這與發生在俄羅斯這樣的工業大國有關，與造成機毀人亡的重大慘案有關，也與始作甬者——機電設備引發的慘案有關。

人們怎么也沒有想到是機電設備惹的禍。從媒體報導中，初始認為是人為事故，是“恐怖襲擊”，很快被俄羅斯當局否定了。又說是“壓力鋼管爆裂了”，所以出現了沖天水柱。但10條背管式壓力鋼管卻完好無損。后來又說是“檢修中的變壓器爆炸”，因為聽到巨大響聲，等等。人們怎么也不曾想到，正在電站廠房內運行的#2機組是慘案發生的“導火索”。摧枯拉朽整垮了電站廠用電系統、通信系統、保護系統、自動化系統，殃及其他9臺機組，拉垮了3臺機組的廠房。

人們也不曾想到，從工廠加工制造出來的機電設備，引發的事故竟比在薩彥電站已經發生過的水工建筑物的事故還要慘烈得多，竟直接導致75人死亡的重大事故。引起了國際媒體的輪番報導，俄羅斯總理親臨現場視察，國際水電界一片嘩然。在水電工程建設中屬“配角”的機電設備，在慘案中卻成為了不光彩的“主角”。

混凝土大壩建成后，隨著時間的推移，一般是必須更新換代的。而機電設備則大不一樣，固定部件和運動部件都會發生老化、疲勞，使功能衰退，可靠性降低。特別是其中應用的電氣、電子元件，由于材料進步、工藝改進，計算機技術的應用，性能和可靠性有極大的提升，升級換代更快。如果趕不上時代，沒有及時將老化的可靠性差的設備更換下來，修復改造，重建系統，事故發生的幾率就大為增加。“薩彥慘案”的發生，這些老化的設備和系統沒有得到及時更新，就是明證。

機電設備惹出的“薩彥慘案”，直接給已建的水電工程敲起了警鐘。水電工程慘案不僅僅會因水工大壩引發，機電設備也會造成如此慘重的災難。

4.3 早期存在的隱患

國際電工委員會水輪機技術委員會一份文件說，水力發電設備運行穩定，可在很長時間內不需進行重要的修復而能維持連續運行。水輪機的可靠壽命可以長達30年～50年而不需進行重要的修復改造。這主要取決于機組的型式、設計、制造質量、運行條件和其他因素。當然，發電設備不可避免地會隨著間的推移，出現性能、可靠性、可利用率下降。

薩彥電站10臺640MW水輪機，從投入運行開始至1997年，在所有轉輪葉片上均發現有裂紋，共127處，其中葉片與下環倒角處過渡焊縫周圍出水邊發現109處裂紋，葉片與下環接合部位進水邊發現18處裂紋。部分葉片上已不止一次地出現裂紋。#2機組的#15、#16葉片已出現了4處裂紋，#7機組的#5葉片也出現了5處。

特別是慘案的元兇—— #2機組，由于轉輪水力不平衡，強烈的徑向不平衡力達90～95t(設計值60t)作用在水輪機導軸承上。在這些力的作用下，軸承座的徑向振動達到450～500μm，水輪機頂蓋為200μm。曾經由于軸承座和支撐件出現松動，一個月內不得不停機兩次檢修水輪機導軸承。經過維修處理，直到2000年才被批準正式投入永久運行，評價未達到“優”，而只是“良”。

設備自身帶有缺陷，部件陳舊老化，雖經大修、中修，但隱患沒有消除，長期帶“病”運行可能是薩彥水電站“8·17事故”重要原因之一。

事故前的十年，俄羅斯處于國家體制改革和經濟結構調整中，水電企業存在嚴重的經濟困難，設備大修資金不足，連正常的設備維修都無法進行，更談不上花錢更換設備了。早在1997年，俄羅斯就制訂計劃，提出對64座水電站進行設備更新，其中包括更換154臺轉槳式和29臺混流式水輪機，更換115臺水輪發電機、100多臺水輪機調速器以及大量的勵磁系統和其他設備的計劃。此外，還有33臺水電機組需要更新設備?？墒?，直到2002年，實際上只更換了8臺機組。

5 “薩彥慘案”機電設計的思考

(1)水輪機在總體設計時，要合理選擇機組性能參數，使水輪機具有較寬的穩定運行范圍以及較好的運行調節能力。在運行水頭范圍、部件應力水平、試驗標準、技術特性等方面突破現有工程經驗時，需進行細致深入的論證和試驗，重大技術問題還應專門經過專家評議和業主批準。薩彥－舒申斯克水電站機組在事故發生時可調范圍只有70MW，調節性能差，在經過強振區時振動、擺度嚴重超標。

(2)在水輪機運行安全方面，應重視并做好水電站過渡過程的仿真計算，確保引水發電系統和機組的運行安全。水輪機調節保證計算，特別是高水頭、長引水管、長尾水管過渡過程的計算，不但在可行性研究時要進行，在機組招標文件中也要明確提出必須進行計算的要求;在水輪機性能經過模型試驗驗收后，還應根據水工布置、水輪機性能的最新成果，復核計算各種危險組合工況下的壓力上升、轉速上升、水錘、反向水錘、抬機等是否在原先設定的安全范圍內。還應制定可行的措施，保證截斷事故水流的時效性和可靠性，防止事故進一步擴大。

(3)在機組總體結構方面，對于已證明是成熟的傳統的結構形式不應輕易改變。水輪機已有一百多年的歷史，近代計算機技術的快速發展，原型水輪機動靜應力實測、結構應力的計算都已達到很高的水平，在其發展過程形成了經過運行考驗的結構形式不宜改變。近年來，對葉道渦、卡門渦、尾水管壓力脈動的研究，在工程實踐中對此比以往有了更清楚的認識和解決的工程辦法。一般來說，采用傳統的結構形式，制造、運行、維護都十分熟悉，更能保證設備的安全。在常規的民用工業成套設備上，講究的是安全，這點必須堅持。應該規定，未經運行檢驗的新結構形式不能在大機組上應用。

(4)在制訂機組運行調度規范時，應要求在電力系統中擔任負荷調節的機組，其水輪機必須具有良好的調節性能，有較寬的穩定運行范圍。反之，如果機組調節性能差、穩定運行范圍窄，就不應允許長期擔任負荷調節的首選機組。

(5)高水頭電站必須在電站機組的進水口設快速閘門，不應以任何理由，例如以設置圓筒閥為由取消進水口快速閘門。進水閘門的操作應有“雙電源”并可遠方和現地手動關閉。重要大型電站的備用電源應接至電廠保安自備電廠。自備柴油發電機作為緊急備用電源，必須如同檢查消防系統一樣，要建立定期檢查、試運行檢驗的機制，確保緊急時能發揮作用。

(6)對頂蓋與座環的聯接螺栓，應考慮對其材料性能的取值和增加其安全系數的取值，并應規定螺栓的松緊次數，達到了規定的次數就必須更換，以防螺栓疲勞破壞。及時修訂有關規程、規范實屬必要。

(7)加強定期檢查。機組大修拆卸的頻率應該根據檢查結果來確定，如果發現裂紋，大修頻率就要增加。如果經常發現裂紋，就要格外警惕，考慮進行全面大修。對于裂紋檢查要請專業人員進行，要請訓練有素的人員對檢測結果作出解釋，再提出改進措施。要有長期無事故運行的維護程序。

(8)巨型水電站機組設備的修復，要及時得到安排。對有缺陷的大機組的修復工作，更新、修復、更換的安排計劃要落實。對自動化元件、保護元件和系統，需升級換代的，要得到及時安排，確保自動化系統、保護系統正常動作。不言而喻，“薩彥慘案”是這些保護系統不能發揮正常動作所致。?

(9)對設備運行狀況應了如指掌。對設備狀況的把握、了解，要有記錄，有專人負責。特別是新機組、大修后重新投運的機組，發現了問題還未安排大修的機組應成為重點定期巡視的對象。發現問題、缺陷，及時研究、修復，包括更換部件，進行現代化改造，絕不應該長期“帶病”運行。

(10)重視風險評估。要對風險評估予以充分重視，對電站的歌星步驟更要予以重視，風險評估和評估管理要特別用于電力系統至關重要的機組上。

6 正在修復中的薩彥－舒申斯克電站

“薩彥慘案”震驚了俄羅斯和國際水電界。雖然慘案有一些不解之謎，留待人們慢慢思索，但災后重建才是人們要面對的主要問題，人們期待見到一個繼續給人們帶來光明的嶄新電站。

#4、#5和#6機組現在已恢復運行。2011～2014年間將重新安裝6臺新機組。2013～2014年間安裝新的機組來更換修理的機組。俄羅斯水力開發公司(RusHydro)表示，根據俄羅斯能源部的計劃，修復該水電站將共需款項約430億盧布。

一年后正在施工中的機坑

2010年8月已恢復的部分機組

10臺機組的單機容量均為640MW，其設計壽命為40年，較1980年代前后安裝的機組壽命長25%。此合同總額約為3.97億美元。俄羅斯動力機械股份有限公司于2010年初提供第1臺水輪機和發電機，并于2011年提交6臺水輪發電機組，其余計劃于2012年投入運行，其運行效率將達到96.6%。

薩彥－舒申斯克機組不會因為“8.17慘案”而“壽終正寢”，經過修復與現代化改造，電站10臺640MW機組還會重塑俄羅斯第一水電站的威名，成為一個符合現代安全要求的新水電站。大壩和其基礎沒有受到影響，完全修復則需花費約5年時間。2014年底前將全面修復薩彥－舒申斯克水電站。

7 結語

俄羅斯薩彥－舒申斯克水電站的慘案已經過去，當時震驚世界的“新聞”，早已被隨后發生的印度的核電站工作人員受核輻射事件、日本大地震核電站泄漏事件的“新聞”代替，已成“舊聞”，人們已慢慢淡忘了?？墒?，作為水電工程開發、建設及機組制造的電力建設者們，對于此類慘重案例應該具有高度的警覺，這類悲劇絕對不要讓它再次上演。

巨型水電站機組設備的狀態必須達到“優良”。像薩彥－舒申斯克水電站、三峽水電站這樣對國家和地區供電有重大影響的電站的機電設備，包括自動化和各類保護設備，必須時時保持良好狀態。

薩彥電站的慘痛教訓，不是技術負責人未曾發現設備存在問題，而主要責任人未安排資金實施改造，驗收委員會負責人未能認真把關而“放行”。業主技術管理的嚴格與否，業主的決策正確與否，業主科學的措施落實與否，在市場經濟中處于“強勢”的業主，要有清醒的認識，并有能力勇于承擔起堵塞在設計、制造、安裝、運行、維修過程中不可避免會出現的某些安全漏洞，承擔起全部的責任。

［1］趙秋云譯.薩彥－舒申斯克水電站主要設備運行經驗.水利水電快.2009(30)，12，27 －31

［2］黃源芳.薩彥－舒申斯克水電站事故對工程設計的啟示.人民長江.2012(41)，4，89 －93

［3］劉峰 馬莉譯.薩彥－舒申斯克水電站事故回憶報告.東方電機(39)，5，76－78