CC BY
7
УДК 550.34
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-3-94-101
ДИНАМИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СООРУЖЕНИЯ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС, ВЫЗВАННЫЕ АВТОКОЛЕБАНИЯМИ ЖИДКОСТИ В ВОДОПРОВОДЯЩЕМ ТРАКТЕ
Павел Владимирович Громыко
Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптю-га, 3, научный сотрудник, тел. (923)191-56-57, e-mail: [email protected]
Виктор Сергеевич Селезнев
Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, директор, тел. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]
Алексей Владимирович Лисейкин
Сейсмологический филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба Российской академии наук», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
Представлены результаты анализа колебаний, зарегистрированных в точках, приближенных к водопроводящему тракту Саяно-Шушенской ГЭС, возникающих при различных режимах нагрузок гидроагрегатов. В низкочастотной области зарегистрированного сигнала показано присутствие монохроматических колебаний, вызванных гидроакустическими автоколебаниями жидкости в водопроводящем тракте, и установлена связь между изменениями уровня данных колебаний и режимами работы гидроагрегатов.
Ключевые слова: Саяно-Шушенская ГЭС, динамические воздействия, гидроакустические автоколебания, собственные колебания, плотина, водовод, агрегатный блок, гидроагрегат.
DYNAMIC OSCILLATIONS OF ELEMENTS OF CONSTRUCTION OF THE SAYANO-SHUSHENSKAYA HYDROELECTRIC POWER STATION, CAUSED BY THE AUTOCLASONS OF THE LIQUID IN A WATER-CONDUCTING TRACT
Pavel V. Gromyko
Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Researcher e-mail: [email protected]
Victor S. Seleznev
Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Director, phone: (383)333-20-21, e-mail: [email protected]
of RAS, 3, Prospect , phone: (923)191-65-57,
Alexey V. Liseikin
Seismological Branch of Federal Research Center Geophysical of RAS, 3, Prospect Akademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Leading Researcher, phone: (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
The main results of the analysis of oscillations recorded at points close to the water pipeline of the Sayano-Shushenskaya hydroelectric power station are shown. In the low-frequency field of the recorded signal, the presence of monochromatic oscillations caused by hydroacoustic self-oscillations of the liquid in the water pipeline. Relationship between change of conditions of the level of these oscillations and operating load of the hydro unit is shown.
Key words: Sayano-Shushenskaya HPP, dynamic impacts, hydroacoustic self-oscillations, natural oscillations, dam, water conduit, aggregate block, hydroelectric unit.
Саяно-Шушенская гидроэлектростанция (далее - СШ ГЭС) является одним из крупнейших гидротехнических сооружений в мире и, как любые крупные инженерные объекты, подвержена внешним воздействиям, влиянию естественных или техногенных факторов. Известно, что эксплуатация сооружения при сверхнормативных нагрузках способна привести к необратимым деформациям и разрушению элементов конструкции. Этот факт говорит о необходимости проведения исследований, направленных на контроль и прогнозирование состояния объекта.
Настоящая работа посвящена развитию методов инженерно-сейсмического мониторинга состояния сооружений и основана на исследованиях, посвященных оценке влияния работы гидроагрегатов на изменение динамических колебаний, регистрируемых в различных конструкционных элементах СШ ГЭС, проводимых Сейсмологическим филиалом ФИЦ ЕГС РАН в рамках договоров с ПАО «РусГидро».
Одним из основных результатов проведенных исследований стало выделение динамических воздействий, вызванных гидроакустическими автоколебаниями жидкости в водоводах СШ ГЭС. Было определено, что данные колебания являются одним из основных источников, вызывающих увеличение амплитуд собственных колебаний плотины СШ ГЭС.
Для получения вышеописанного была использована следующая принципиальная схема сейсмических наблюдений в плотине и в здании машинного зала, проводимых при обследовании различных гидроагрегатов (рис. 1). Регистрация сейсмических колебаний в теле плотины СШ ГЭС и конструкциях здания ГЭС проводилась в непрерывном режиме и включала регистрацию колебаний как во время работы исследуемых гидроагрегатов на различных режимах, так и при остановленных гидроагрегатах. Каждый пункт наблюдения устанавливался вдоль оси исследуемого гидроагрегата и состоял из автономного сейсмического регистратора и трехкомпонентных сейсмоприемни-ков, оси которых ориентированы следующим образом: Х - по течению реки, Y - поперек, Z - вертикально.
Рис. 1. Схема сейсмических наблюдений в плотине и в здании машинного зала
Обработка зарегистрированных данных производилась с помощью методики, основанной на анализе связей между изменениями во времени спектральных составляющих регистрируемых сигналов в различных точках наблюдений, подобно описанному в [1, 2]. На первоначальном этапе обработки, при анализе амплитудно-частотного состава сейсмических записей определялись наборы частот, связанные с работой исследуемого гидроагрегата, собственные частоты колебаний плотины и гидроакустические колебания в водоводе. В дальнейшем для полученных фиксированных частот строились графики изменения амплитуд колебаний во времени при различных условиях, на основе которых производился сравнительный анализ влияния данных условий на динамический уровень колебаний в различных точках наблюдения.
На рис. 2 приведен пример спектрограмм 2-компоненты сейсмических колебаний, зарегистрированных на водоводе на отм. 320 м при испытаниях гидроагрегата № 2, в режиме без (рис. 2, а) и при подаче воздуха в водовод через аэрационные трубы на отм. 542 м (рис. 2, б). Видно, что в диапазоне 0-15 Гц наблюдаются выделенные колебания с шагом примерно 3 Гц, имеющие довольно низкую добротность. При подаче воздуха в водовод амплитудно-частотный состав меняется, как при изменении концентрации поданного воздуха, так и при смене нагрузки на гидроагрегате. Данные колебания вызваны влиянием первых мод собственных гидроакустических автоколебаний жидкости в водоводе. В качестве доказательства этого утверждения можно привести тот факт, что при увеличении газонасыщения жидкости скорость распростране-
ния акустических волн уменьшается [3, 4]. Это проявляется на спектрограмме в виде падения значений частот выделенных колебаний при увеличении количества подаваемого воздуха.
Рис. 2. Изменения нагрузок 2-го гидроагрегата и спектрограммы соответствующих им сейсмических записей вертикальных колебаний, зарегистрированных на нижней части водовода. Режимы без подачи (а) и с подачей воздуха в аэрационные трубы (б); Q - концентрация нагнетаемого в водовод воздуха
В работах [5-7] подробно продемонстрировано, что некоторые режимы работы гидроагрегата приводят к возбуждению гидроакустических автоколебаний жидкости в водоводе, которые, в свою очередь, приводят к росту амплитуд собственных колебаний плотины, причем наибольшей рост значений данных колебаний коррелирует с неблагоприятными режимами нагрузок на гидроагрегатах. 1-я мода гидроакустических автоколебаний провоцирует рост первых 5 форм собственных колебаний тела плотины СШ ГЭС и принимает максимальные значения при нагрузках на гидроагрегате ~340-500 МВт. Рост 2-й моды приводит к увеличению 6-8 форм при нагрузках ~150-320 МВт.
Кроме того, известно, что при определенных режимах нагрузок на гидроагрегате возможно возникновение кавитационных процессов и образование вихревого жгута под рабочим колесом генератора [8]. Данные процессы способны вызвать увеличение пульсаций давления на деталях агрегата и стенках отсасывающей трубы и, в свою очередь, привести как к значительному росту вибраций турбины, так и к колебаниям выдаваемой гидроагрегатом мощности.
Для определения режимов работы гидроагрегата, приводящих к возникновению вышеописанных процессов, были рассмотрены показания сейсмических регистраторов, максимально приближенных к стенкам отсасывающей трубы на отм. 306 м и, для исключения влияния стороннего сигнала, максимально удаленных от водовода. На рис. 3 изображены спектрограммы Г-компоненты записей, зарегистрированных на нижней части водовода (отм. 320 м) и у отсасывающей трубы (отм. 306 м) во время тестового запуска гидроагрегата № 2 (далее - ГА2). Амплитудно-частотный состав записей различен, и в первую очередь это связано с тем, что вблизи исследуемого гидроагрегата функционировал соседний гидроагрегат № 1 (далее - ГА1), создавая динамические воздействия, наиболее ярко проявляющиеся на показаниях датчика у отсасывающей трубы. На рис. 3 хорошо видно, что выделенные колебания в низкочастотной области различаются по частотному составу.
Рис. 3. Изменения нагрузок 1-го и 2-го гидроагрегата (а), спектрограммы сейсмических записей поперечных колебаний, зарегистрированных на нижней части водовода (б) и у отсасывающей трубы (в)
Мы предполагаем, эти различия связаны с тем, что данные колебания вызваны влиянием динамических воздействий от различных источников: в отсасывающей трубе - образовавшимся вихревым жгутом, а в водоводе - гидроакустическими автоколебаниями жидкости. Различная природа этих источников подтверждается тем, что при подаче воздуха в водовод при работе ГА2 зарегистрированные гидроакустические автоколебания водовода меняют свой частотно-амплитудный состав, чего не наблюдается для показаний, полученных у отсасывающей трубы (рис. 4).
Рис. 4. Изменения нагрузок 2-го гидроагрегата и спектрограммы соответствующих им сейсмических записей поперечных колебаний, зарегистрированных на нижней части водовода (а) и у отсасывающей трубы (б); Q - концентрация нагнетаемого в водовод воздуха
На рис. 5 показаны усредненные амплитудные спектры колебаний, зарегистрированных на водоводе и у отсасывающей трубы ГА2. Из рисунков видно, что частоты выделенных колебаний на радиальной составляющей сигнала (X-компоненте) преимущественно совпадают с частотами первых мод гидроакустических автоколебаний 4,5 Гц и 6,7 Гц. На У- и 2-компонентах, напротив, присутствуют ярко выраженные колебания с частотами ~3,6 Гц и ~5 Гц, которые мы связываем с влиянием вихревого жгута. Довольно сложно точно выделить режимы нагрузок, поданных на исследуемый гидроагрегат, при которых происходит возбуждение данных колебаний, ввиду наложения нагрузок от гидроагрегатов друг на друга. Предварительно мы оцениваем, что они находятся в диапазоне 120-260 МВт. Но точные диапазоны требуют изучения и дальнейшего уточнения.
Рис. 5. Усредненные амплитудные спектры вертикальных колебаний, зарегистрированных на нижней части водовода (а) и у отсасывающей трубы ГА2 (б), работающего с нагрузками от 220 МВт. ГА1 работает
под нагрузкой 580 МВт
Подводя итог, необходимо подчеркнуть, что биения жидкости в водопро-водящем тракте, возникающие при работе гидроагрегатов, являются одним из основным факторов, влияющих на собственные колебания элементов конструкции СШ ГЭС. На данный момент довольно хорошо изучено влияние гидроакустических автоколебаний в водоводе на собственные колебания тела плотины, однако недостаточно исследованы пульсации жидкости в отсасывающей трубе и неясно их совместное влияние на здание и основание станции. Без понимания и решения этих задач безопасная эксплуатация гидроэлектростанции остается под вопросом. Поэтому необходимо проведение дальнейших исследований в этом направлении.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Способ непрерывного мониторинга физического состояния зданий и/или сооружений и устройство для его осуществления: патент на изобретение РФ, № 2461847 / В. С. Селезнев, А. В. Лисейкин, А. А. Брыксин // Бюл. № 26. 20.09.2012.
2. Изменения собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС при работе старых и новых гидроагрегатов / П. В. Громыко, А. В. Лисейкин, В. С. Селезнев, В. Б. Кур-зин // Материалы Всероссийской конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Н. Н. Пузырева «Геофизические методы исследования земной коры». - Новосибирск : Изд-во ИНГГ СО РАН, 2014. - С. 125-128.
3. Пинаев А. В. Кочетков И. И. Ударные и детонационные волны в пузырьковых средах при взрыве проволочки // Международная конференция «Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика». - Новосибирск, 2011. -№ гос. регистрации 0321101160, ISBN 978-5-905569-01-2, Режим доступа http://conf.nsc.ru/niknik-90/ru/reportview/39681 свободный.
4. Ляхов Г. M. Ударные волны в многокомпонентных средах // Изв. АН СССР. ОТН. Механика и машиностроение. - 1959. - № 1.
5. Громыко П. В., Селезнев В. С., Лисейкин А. В. О причинах увеличения амплитуд собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской гидроэлектростанции // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. XII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). -Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т. 2. - С. 148-151.
6. О собственных акустических колебаниях в водоводах гидротурбин Саяно-Шушенской ГЭС / В. С. Селезнёв, В. Б. Курзин, А. В. Лисейкин, П. В. Громыко // Гидротехническое строительство. - 2G16. - № l. - С. 41-45.
7. Громыко П. В., Лисейкин А. В., Селезнев В. С. Влияние подачи воздуха в проточную часть гидроагрегата на динамические колебания элементов конструкции Саяно-Шушенской гидроэлектростанции // Гидроэлектростанции в XXI веке: сборник материалов III всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов. - 2G16. - С. 31-3б.
В. Брызгалов В. И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. Производственное издание. - Красноярск : Сибирский ИД «Суриков», 1999. - 560 с.
REFERENCES
1. Sposob nepreryvnogo monitoringa fizicheskogo sostojanija zdanij i/ili sooruzhenij i ustrojstvo dlja ego osushhestvlenija: patent na izobretenie RF, № 2461841 /V. S. Seleznev, A. V. Lisejkin, A.A. Bryksin // Bjul. № 26. 2G.G9.2G12.
2. Izmenenija sobstvennyh kolebanij plotiny Sajano-Shushenskoj GJeS pri rabote staryh i novyh gidroagregatov / P. V. Gromyko, A. V. Lisejkin, V. S. Seleznev, V. B. Kurzin // Materialy Vserossijskoj konferencii, posvjashhennoj 1GG-letiju so dnja rozhdenija akademika N.N. Puzyreva «Geofizicheskie metody issledovanija zemnoj kory». - Novosibirsk: Izd-vo INGG SO RAN, 2G14. - S. 125-12В.
3. Pinaev A. V. Kochetkov I. I. Udarnye i detonacionnye volny v puzyr'kovyh sredah pri vzryve provolochki // Mezhdunarodnaja konferencija «Sovremennye problemy prikladnoj matematiki i mehaniki: teorija, jeksperiment i praktika». - Novosibirsk, 2G11. - № gos. registracii G3211G116G, ISBN 91B-5-9G5569-G1-2, Rezhim dostupa http://conf.nsc.ru/niknik-9G/ru/reportview/396B1 svobodnyj.
4. Ljahov G. M. Udarnye volny v mnogokomponentnyh sredah // Izv. AN SSSR. OTN. Mehanika i mashinostroenie. - 1959. - № 1.
5. Gromyko P. V., Seleznev V. S., Lisejkin A. V. O prichinah uvelichenija amplitud sobstvennyh kolebanij plotiny Sajano-Shushenskoj gidrojelektrostancii // Interjekspo GEO-Sibir'-2016: sb. mater. XII Mezhdunar. nauch. kongr. «Nedropol'zovanie. Gornoe delo. Napravlenija i tehnologii poiska, razvedki i razrabotki mestorozhdenij poleznyh iskopaemyh. Geojekologija». T. 2. - Novosibirsk : SGUGiT, 2G16. - S. 14В-151.
6. O sobstvennyh akusticheskih kolebanijah v vodovodah gidroturbin Sajano-Shushenskoj GJeS / V. S. Seleznjov, V. B. Kurzin, A. V. Lisejkin, P. V. Gromyko // Gidrotehnicheskoe stroitel'stvo. - 2G16. - № 1. - S. 41-45.
1. Gromyko P. V., Lisejkin A. V., Seleznev V. S. Vlijanie podachi vozduha v protochnuju chast' gidroagregata na dinamicheskie kolebanija jelementov konstrukcii sajano-shushenskoj gidrojelektrostancii // Gidrojelektrostancii v XXI veke: sbornik materialov III vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii molodyh uchenyh, specialistov, aspirantov i studentov. - 2G16. - S. 31-36.
В. Bryzgalov V. I. Iz opyta sozdanija i osvoenija Krasnojarskoj i Sajano-Shushenskoj gidrojelektrostancij. Proizvodstvennoe izdanie. - Krasnojarsk: Sibirskij ID «Surikov», 1999. - 56G s.
© П. В. Громыко, В. С. Селезнев, А. В. Лисейкин, 2018
