CC BY
103
УДК 621.311.21
Шадрин Василий Алексеевич Vasily Shadrin
ДИАГНОСТИКА ГИДРОАГРЕГАТОВ
САЯНО-ШУШЕНСКОЙ
ГЭС ИМЕНИ П.С. НЕПОРОЖНЕГО
EXPLOITATION, SPECIALISTS, STRENGTH OF HYDRO-UNIT, MECHANICAL CHARACTERS, CAUSES DESTRUCTIONS, RECOMENDATIONS
Статья посвящена вопросам обеспечения безопасной эксплуатации уникального энергетического оборудования на больших гидроэлектростанциях. Рассматриваются причины катастрофической аварии 17 августа 2009 г. и механическая прочность конструкционных материалов. Приводятся рекомендации
Ключевые слова: гидроэлектростанция, катастрофа, диагностика
The article is devoted to questions of securing work of big important energy equipment. It is investigated by the reasons of the catastrophical wreck on the 17 th August, 2009 and a mechanical strength of construction materials. The recommendations are made
Key words: hydropower station, catastrophe, diagnoses
Исследования в области технической диагностики обусловлены тем, что 17 августа 2009 г. на р. Енисей возле г. Сая-ногорск на самой большой из четырёх в Сибири Саяно-Шушенской ГЭС (далее — СШ-ГЭС) (табл. 1) во время работы вышли из строя гидроагрегаты, разрушен и затоплен
машинный зал, утонули 75 человек — эта катастрофическая авария является второй по величине в новейшей истории России после Чернобыльской атомной на Украине; 36 млрд руб. требуется на восстановление СШГЭС (г. «Ведомости»; http://lenta.ru/ пето5/2010/02/27/геЬшМіп^).
Таблица 1
Характеристики четырёх самых больших ГЭС в Сибири
Название ГЭС, год ввода в эксплуатацию Река Напор воды,м Ёмкость вдхр, км3 Мощность ГЭС, МВт Годовая выработка, кВт-ч
Саяно-Шушенская, 2000 Енисей 194 31 6400 23,4109
Усть-Илимская, 1979 Ангара 91 60 4300 22-109
Красноярская, 1971 Енисей 101 73 6000 20-109
Братская, 1967 Ангара 106 170 4100 23-109
На рис. 1 представлена СШГЭС (вид сверху) [1; С. 9]. Бетонная плотина изготовлена цилиндрической формы с радиусом по верхней грани 600 м, длиной по гребню 1074,4 м и шириной 25 м, с шириной по основанию 110 м, максимальной высотой 242
м. Для ремонтных работ на плотине имеются два козловых крана грузоподъёмностью по 500 тс каждый. Выше плотины — зеркало водохранилища (верхний бъеф), ниже плотины — р. Енисей (нижний бъеф), слева находится водосбросная часть плотины,
справа — 10 гидротурбинных круглых водоводов, вдоль плотины внизу расположено здание гидроэлектростанции — машинный зал, в котором установлены 10 гидроагрегатов. Один гидроагрегат состоит из гидро-
турбины и гидрогенератора. Начало строительства СШГЭС — 1963 г. Расход воды
— 3500 м3/с. Давление на материковый блок от водохранилища, бетонной плотины и 10 гидроагрегатов составляет 31042• 106 тс.
Рис. 1. Саяно-Шушенская ГЭС (вид сверху)
На рис. 2 приведены в разрезе плоти- — гидротурбина и гидрогенератор [1; С. на, водовод (трубопровод) и машинный 11]. зал, в котором на одном вертикальном валу
Рис. 2. Разрез плотины, водовода (трубопровода) и машинного зала
На рис. 3 показан машинный зал в разрезе больше и нагляднее, чем на рис. 2 [1; С. 14]. Диаметр водовода (6) равен: 7,5 м
— внутренний и 10,76 м — наружный.
Все десять гидроагрегатов СШГЭС имели три уровня защиты: основные, резер-
вные и гидромеханические, действующие на отключение гидроагрегата [1; С. 16]. Все три защиты выполнены неправильно, так как были подключены к самой электростанции.
В табл. 2 приведена квалификация от-
ветственных специалистов СШГЭС, из 19 по должности не имеют отношения к меха-человек лишь 2 инженера-механика [1; С. нической прочности деталей энергообору-114]. Последние при эксплуатации СШГЭС дования.
Рис. 3. Разрез машинного зала и круглого водовода (6) с наружным диаметром 10,76 м:
18 - гидротурбина, 21 - гидрогенератор
Таблица 2
Квалификация ответственных лиц на СШГЭС
№ п/п Квалификация специалиста Кол-во человек Должность
1 Инженер-электрик 8
2 Инженер (специальность инженер-электрик) 2
3 Техник-электрик 1
4 Инженер-гидроэлектроэнергетик 1
5 Инженер (специальность инженер-гидроэлектроэнергетик) 1
6 Инженер (специальность инженер-теплоэнергетик) 1
7 Инженер-строитель-гидротехник 1
8 Образование - высшее военное (специальность радио-технические, радиолокационные устройства) Канд.экон. наук (специальность 1
9 конструирование и производство радиоаппаратуры) 1
10 Инженер-механик (специальность автомобильная техника) 1 Зам. начальника службы экономической безопасности и режима руководитель бизнес-единицы «Производство» ОАО
11 Инженер (специальность инженер-механик) 1 «РУсГидро»
Исходными причинами катастрофы на энергетики, машиностроения, механики и СШГЭС эксперт парламентской комис- процессов управления РАН считает следу-сии [2] академик РАН О.Н. Фаворский, ющие: руководитель секции энергетики, отдела
«1) эксплуатация с превышением допустимых вибраций агрегата № 2;
2) отсутствие контроля за состоянием крепежа шпилек в агрегате; (по п. 1 и п. 2
— низкий уровень квалификации персонала и превалирование стремления к доходу над безопасностью);
3) не сработала система автоматики
— не было независимого электропитания и расположения её вне опасной зоны (закрытие заслонок вручную);
4) практически не было квалифицированного контроля (после ремонта вибрации
ротора на пределе не было балансировки (нет специалиста). Не было нормальной ремонтной службы и надзора поставщиков оборудования за его эксплуатацией.
Всё это — следствие замены в последние 20 лет на руководящих должностях специалистов на менеджеров».
Фактически катастрофическая авария на СШГЭС, на наш взгляд, произошла из-за того, что материал деталей гидроагрегата № 2 (ГА-2) от приложенных механических нагрузок имел напряжения больше допустимых (рис. 4).
а
Ь
Рис. 4. Испытание образца на механическую прочность при растяжении:
а — длинный образец, изготовленный по ГОСТ из малоуглеродистой стяди; (1 и Ц — диаметр и рабочая длина соответственно, мм; Ь — диаграмма растяжения; Р и АП — растягивающая сосредоточенная нагрузка, кН, и абсолютное удлинение, мм; Fpг и Fy — нагрузки, соответствующие пределам пропорциональности орг = Fpг/(таd2/4) и текучести оу = Fy/(таd2/4)
В деталях постепенно увеличивались во времени необратимые остаточные пластические перемещения, материал деталей после площадки текучести испытывал упрочнение, а затем деформации происходили в наиболее ослабленном (одном) месте, постепенно уменьшалась площадь поперечного сечения детали и ввиду динамических условий работы деталей ГА-2 произошло неожиданно, мгновенно, буквально за секунды катастрофическое разрушение (рис.
5) [3; С. 4].
Далее приводятся главные причины механических разрушений материалов деталей ГА-2 и предложения для надёжной эксплуатации гидроагрегатов.
1. В [1] обозначены три уровня электрической защиты гидроагрегатов
^В. Электропитание «защиты» при эксплуатации было от гидроагрегатов!).
Предложение. Для безопасной эксплуатации необходимы постоянные во времени защита и контроль за поведением под нагрузкой механической прочности конструкционных материалов, из которых изготовлены детали гидроагрегатов (что не осуществлялось). Система автоматической защиты должна иметь автономное электропитание.
2. В [1 ] в списке механических повреждений ГА-2 часто по датам повторяется «увеличение боя вала».
Рис. 5. Разрушения от динамических нагрузок фундаментных конструкций ГА-2 при его разгоне и подъёме и плиты перекрытия на отметке 327,0 м
Предложение. Это показывает, что ремонт выполняли не специалисты по механической прочности конструкционных материалов (ещё к этому см. штат ответственных работников в табл. 2, где специалисты, но не по профилю).
3. В [1] «измерения перемещений деталей ротора визуальные». Предложение. Для нестандартного уникального большой массы оборудования их следует выполнять автоматизированными автономными измерительными устройствами — без субъективных измерений.
4. В [1; С. 14] «Для защиты турбины в случае отказа направляющего аппарата имеются специальные пазы, где установлены быстропадающие затворы ( аварийные), которые опускаются от действия автоматических устройств, контролирующих недопустимое повышение частоты вращения агрегата».
Предложение. Наряду с «недопустимой частотой вращения агрегата» водовод также должен закрываться при критических механических напряжениях и перемещениях — автоматически, без участия человека, посредством реле отказа.
5. Из [4; С. 1] «Конечно, никто не мог представить, почему агрегат весом 15000 кН взлетел вверх на 14 м».
Предложение, объясняющее причину. Вынужденные колебания. Резонанс.
6. Из [4; С. 1 и др. ] «ГА-2 находится в работе 29 лет 10 мес., с 1979 г. Из 49 изъятых комиссией шпилек 6 не имеют повреждений при аварии, не предусматривалось никакого шплинтования гаек на этих шпильках».
Предложение. При циклически изменяющихся напряжениях следует всегда устанавливать на детали контргайки.
7. В [4; С. 3] «Сейчас есть у нас решение провести неразрушающий контроль на узлах крепления всех гидроагрегатов, и эта отдельная работа эксплуатирующими организациями будет проведена».
Предложение. Не «будет проведена», а следует проводить это постоянно во время эксплуатации, чтобы регистрировать величину механической прочности материалов деталей.
8. В [4; С. 4] «... выполняются массовые регулярные работы по заварке трещин на лопастях рабочих колёс. В среднем ежегодно такой ремонт выполняется на 4.5 гидроагрегатах».
Предложение. Лопасти с трещинами следует заменять новыми, с улучшенными характеристиками.
Рекомендации
1. Гидроагрегат — это единичное, уникальное, нестандартное, большой массы механическое устройство, при работе которого следует выполнять постоянно автоматизированные механические испытания наиболее напряжённых деталей, с реле отказа, с автономным электропитанием.
2. Аварийный затвор водовода должен иметь автоматизированное управление (исключающее субъективный фактор), реле отказа, автономное электропитание.
3. При динамических механических нагрузках на всех шпильках и болтах должны быть контргайки.
4. Анализ причин катастрофических механических разрушений на СШГЭС по-
казывает, что вторым главным инженером на большой ГЭС должен быть канд. техн. наук или д-р техн. наук — специалист по технологии машиностроения.
5. Студентам специальностей «140211
— Электроснабжение» и «140205 — Электроэнергетические системы и сети» проводить в 3 семестре 18 час. лабораторных занятий по дисциплине «Техническая механика» для экспериментальных исследований механической прочности конструкционных материалов деталей электрооборудования и элементов конструкций и изучения методов и приборов, обеспечивающих механическую прочность электрооборудования и конструкций при их эксплуатации.
Литература
1. Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года в филиале Открытого Акционерного Общества «РусГидро» — «Саяно-Шушенская ГЭС имени П.С. Непорожнего». — Опубликован 3 октября 2009 года на сайте Ростехнадзора [Электронный ресурс].
— Режим доступа: http://tayga.info/documents/2009/10/03/~93639. — 145 с.
2. Итоговый доклад парламентской комиссии по расследованию обстоятельств, связанных с возникновением чрезвычайной ситуации техногенного характера на Саяно-Шушенской ГЭС 17 августа 2009 года. — Опубликован 21 декабря 2009 года [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.council.gov.ru/journalsf/cat9/journal52/2009/number327.html Adobe Reader
— [Итоговый доклад парламентской комиссии^^ — 445 c.
3. Первые результаты обследования строительных конструкций Саяно-Шушенской ГЭС после аварии 17.08.2009 г. / Е.Н. Беллендир, Ю.Д. Семёнов, В.Г. Штенгель (ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева») // Гидротехническое строительство. — 2010. — № 7. — С. 2-8.
4. Пресс-конференция руководителя Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору Н.Г. Кутьина 3 октября 2009 года [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.gosnadzor.ru/publicatoin/press01.html. — 6 с.
5. Справочник по гидротурбинам / В.Б. Андреев [и др. ]; под общ. ред. чл.-корр. АН СССР Н.Н. Ковалёва. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. — 496 с.
6. Сопротивление материалов: учебник для вузов / В.И. Феодосьев. — 14-е изд., испр. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 592 с.
Коротко об авторе_______________________________________________Briefly about the author
Шадрин В.А., канд. техн. наук, доцент кафедры V. Shadrin, Candidate of Technical Sciences, associ-технологии лесопереработки и механики (ТЛиМ) ate professor, woodworking technology and mechanics Тел.: (3022) 25-16-24 department, Zabaikalsky State University
Научные интересы: обеспечение механической Scientific interests: mechanical strength securing of прочности при эксплуатации уникального энергети- unique energy equipment ческого оборудования
