CC BY
31
УДК 550.34; 627.8
ОБ ИЗМЕНЕНИИ УРОВНЯ ДИНАМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ СООРУЖЕНИЯ САЯНО-ШУШЕНСКОЙ ГЭС ПРИ ГАЗОНАСЫЩЕНИИ ЖИДКОСТИ В ПРОТОЧНОЙ ЧАСТИ ГИДРОАГРЕГАТА
Павел Владимирович Громыко
Сейсмологический филиал ФИЦ ЕГС РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, инженер-геофизик, тел. (923)191-56-57, e-mail: [email protected]
Виктор Сергеевич Селезнев
Сейсмологический филиал ФИЦ ЕГС РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор геолого-минералогических наук, директор ГС СО РАН, тел. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]
Алексей Владимирович Лисейкин
Сейсмологический филиал ФИЦ ЕГС РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий инженер-геофизик, тел. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
В данной работе показаны основные результаты анализа динамических воздействий, зарегистрированных в агрегатном блоке, здании и плотине Саяно-Шушенской гидроэлектростанции во время подачи воздуха через аэрационные трубы. Регистрация данных производилась при различных режимах нагрузок, поданных на гидроагрегаты, а также при различных уровнях заполнения водохранилища.
Ключевые слова: динамические, гидроакустические, собственные колебания, плотина, водовод, агрегатный блок, гидроагрегат.
CHANGES IN THE DYNAMIC VIBRATION LEVEL OF ELEMENTS STRUCTURES OF SAYANO-SHUSHENSKAYA HPP WITH THE GAS SATURATION OF FLUID IN THE WATER PASSAGES OF HYDRAULIC UNIT
Pavel V. Gromyko
Seismological Department of FRC GS RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Geophysicist, tel. (923)191-65-57, e-mail: [email protected]
Victor S. Seleznev
Seismological Department of FRC GS RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, D. Sc., Director, tel. (383)333-20-21, e-mail: [email protected]
Alexey V. Liseikin
Seismological Department of FRC GS RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Leading Geophysicist, tel. (383)333-25-35, e-mail: [email protected]
In this paper shows the main results of the analysis of dynamic effects, registered in the aggregate block, building and dam of the Sayano-Shushenskaya hydroelectric power station at the time of the air through the aeration tube. Data logging is performed at different load conditions, is supplied to hydraulic units, and with different levels of reservoir filling.
Key words: dynamic, hydroacoustic, natural oscillations, dam, water conduit, aggregate block, hydraulic unit.
Как известно, при определенных режимах нагрузок на гидроагрегате возможно возникновение кавитационных процессов и образование вихревого жгута под рабочим колесом генератора [1]. Данные процессы способны вызвать увеличение пульсаций давления на деталях агрегата и стенках отсасывающей трубы и, в свою очередь, привести к значительному росту вибраций турбины и колебаниям выдаваемой гидроагрегатом мощности.
Одним из решений для устранения подобной проблемы является принудительный впуск воздуха в зону повышенного разрежения давления. Испытания данного подхода производились на различных гидроэлектростанциях (Загорская ГАЭС, Майнская ГЭС и др.) и в целом привели к значительному снижению регистрируемых на агрегате пульсаций давления и вибраций. Ввиду этого опыта в течение 2015 года на Саяно-Шушенской гидроэлектростанции (далее СШГЭС) производилось исследование работы гидроагрегата с газонасыщеной жидкостью в его водопроводящем тракте, целью которого ставилось достижение вышеописанного удачного результата.
Данная работа посвящена оценке влияния работы гидроагрегата при газонасыщении жидкости в его водопроводящем тракте на изменение динамических колебаний, регистрируемых в различных конструкционных элементах СШГЭС. Для этого на различных уровнях агрегатного блока, здания и плотины вдоль оси исследуемого гидроагрегата № 2, а затем и для гидроагрегата № 8 (далее ГА-2 и ГА-8 соответственно) устанавливались пункты сейсмических наблюдений (рис. 1).
Рис. 1. Схема сейсмических наблюдений в плотине (а) и в здании машинного зала (б)
Регистрация велась непрерывно до и в режиме подачи компрессорами сжатого воздуха в водовод исследуемых гидроагрегатов через аэрационные трубы на отм. 542 м. При этом гидроагрегаты работали под различными нагрузками.
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 [2-4]. На первоначальном этапе обработки при анализе амплитудно-частотного состава спектров 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 нагрузках на исследуемом гидроагрегате, степени водонасыщения жидкости в водоводе и уровне наполнения водохранилища.
На основе сравнительного анализа построенных графиков производилась оценка влияния газонасыщения жидкости на общий уровень колебаний в различных конструкционных элементах СШ ГЭС.
На рис. 2 приведен пример спектрограммы и спектров записи, зарегистрированных в агрегатном блоке СШ ГЭС при различном уровне газонасыщения. На спектрограмме и спектрах записи хорошо прослеживаются монохроматические колебания с частотами 0,65 Гц, 2.4 Гц, 16 Гц, 23.8 Гц, 35.7 Гц, 50 Гц, а также изменение их амплитуд колебаний по мере роста нагрузки на ГА-8. В дальнейшем, как было описано выше, строились графики изменения амплитуд колебаний на полученных фиксированных частотах и производилась оценка влияния газонасыщения.
Рис. 2. Результат обработки записи с датчика, установленного в машинном зале, возле ГА-8 (отм.326м). Изображены спектрограмма (/-компонента) и нагрузка на ГА-8 (а). Спектры записи, построенные при нагрузке на ГА-8 640 МВт в режиме без (б) и при подаче воздуха в водовод (в)
На рис. 3 показан пример подобных графиков для частоты 16 Гц, зарегистрированных при тестовых испытаниях ГА-8. Хорошо виден рост колебаний на данной выделенной частоте при подаче воздуха, а также понижение амплитуд колебаний при уменьшении уровня воды в водохранилище.
Рис. 3. Графики изменения амплитуд колебаний на частоте 16 Гц (/-компонента), зарегистрированных на отм. 326 м, от различных нагрузок ГА-8, в режиме подачи воздуха в водовод (1) и без подачи (2); а) - при максимальном напоре; б) - при расчетном напоре); в) - при минимальном напоре
Применив подобный анализ для всех точек наблюдения и этапов экспериментов, было получено следующее.
Во всех пунктах наблюдения присутствуют излучаемые гидроагрегатами колебания высокоамплитудные 35.71 Гц, являющейся «лопастной». В целом ее амплитуды увеличиваются с ростом нагрузок: возрастание составляет от 2-х до 5-и раз. Установлено, что при работе ГА-2 и ГА-8 в режиме подачи воздуха в водовод в целом происходит уменьшение (до 2-х раз) амплитуд колебаний на лопастной частоте по сравнению с режимом без подачи воздуха.
В точках наблюдения, приближенных к отсасывающей трубе (отм. 305 м, 327 м), регистрируются колебания с частотами 0.60-0.65 Гц, источником которых предположительно является жгут. Интервал нагрузок, при которых данные колебания принимают максимальные значения (~300 мкм/с2 на отм. 326 м), -от 240 МВт до 500 МВт, при этом отмечается смещение границ этого интервала в сторону больших нагрузок при больших напорах. Явного влияния от подачи воздуха в водовод на характеристики этих колебаний не отмечено.
Изменения амплитуд колебаний с частотами 16-16.3 Гц (предположительно являющимися колебаниями крестовины) коррелируют с изменением режимов нагрузок на исследуемых гидроагрегатах. Максимальное их проявление наблюдалось на вертикальной компоненте сейсмической записи, зарегистрированной непосредственно над крестовиной (~180 мм/с2 отм. 326 м). В точках наблюдения на агрегатном блоке эти колебания практически отсутствуют, что позволяет сделать вывод о том, что колебания крестовины не оказывают существенного влияния на агрегатный блок. Установлено, что разница в амплитудах этих колебаний, зарегистрированных во время испытания ГА-2, при изменении степени воздухонасыщения воды в водоводе практически отсутствует на всех этапах исследования.
При работе гидроагрегатов под нагрузками 350-690 МВт в записях под рабочим колесом (отм. 316 м) присутствуют монохроматические сигналы, для ГА-2 диапазон частот - 10.6-15.9 Гц, а для ГА-8 - 18.1-20.4 Гц. Проявление этих монохромов коррелирует со сменами режимов нагрузок на гидроагрегатах - при ступенчатом повышении нагрузок на гидроагрегатах частота также ступенчато понижается. Не отмечено каких-либо изменений в характере этих колебаний при испытаниях с подачей воздуха в водовод или без подачи.
При регистрации колебаний в машинном зале и плотине СШГЭС также наблюдались высокоамплитудные сигналы с частотами 50 и 100 Гц. Установлено, что амплитуды колебаний принимают наибольшие значения в точках, приближенных к генератору гидроагрегата, и практически не меняются при экспериментах с подачей воздуха и без него.
Из вышесказанного можно сделать следующий вывод: принудительный впуск воздуха через водовод не дал особо заметного понижения амплитуд колебаний, регистрируемых в агрегатном блоке и источником которых является гидроагрегат.
С другой стороны, анализ влияния газонасыщения жидкости в водоводе на амплитуду собственных колебаний тела плотины СШГЭС и гидроакустических колебаний в водоводе показал, что подача воздуха приводит к изменению скорости акустических волн в водоводе, из-за чего происходит понижение частот собственных гидроакустических колебаний, что, в свою очередь, приводит к многократному увеличению значений амплитуд колебаний на собственных частотах плотины. Данный эффект наиболее ярко проявлялся при минимальном уровне наполнения водохранилища и нагрузке на ГА-2 300-400 МВт на собственной частоте колебаний плотины 1.35 Гц (повышение амплитуд колебаний до 30 раз - см. рис. 4). Более подробное описание влияния гидроакустических колебаний на собственные колебания плотины дано в работах [4-6].
В итоге следует подчеркнуть, что подача воздуха через аэрационные трубы водовода СШГЭС, вероятно, не подходит для данного типа гидроэлектростанций, так как в области исследуемого гидроагрегата и агрегатного блока явного понижения уровня динамических колебаний не наблюдалось. С другой стороны, ярко выраженное увеличение собственных колебаний в теле плотины сви-
детельствует о неких резонансных процессах, опастность для целостности конструкции.
возможно, представляющих
Рис. 4. Графики изменения амплитуд колебаний на 2-й собственной частоте плотины, вызванных работой ГА-2, зарегистрированных вдоль оси гидроагрегата на отм. 521 м, во время подачи воздуха в водовод (1) и без подачи (2). Х-компонента (вдоль течения реки)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Брызгалов В.И. Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций. - Красноярск: Сибирский ИД «Суриков», 1999. - 560 с.
2. Способ непрерывного мониторинга физического состояния зданий и/или сооружений и устройство для его осуществления: пат. на изобретение РФ № 2461847 / В.С. Селезнев, А.В. Лисейкин, А.А. Брыксин // Бюл. № 26. 20.09.2012.
3. Изменения собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской ГЭС при работе старых и новых гидроагрегатов / П.В. Громыко, А.В. Лисейкин, В.С. Селезнев, В.Б. Курзин // 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.
4. Громыко П. В., Селезнев В. С., Лисейкин А. В. О причинах увеличения амплитуд собственных колебаний плотины Саяно-Шушенской гидроэлектростанции // Интерэкспо ГЕ0-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.
5. Селезнёв В.С., Курзин В.Б., Лисейкин А.В., Громыко П.В. О собственных акустических колебаниях в водоводах гидротурбин Саяно-Шушенской ГЭС // Гидротехническое строительство. - 2016. - № 7. - С. 41-45.
6. 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: сб. материалов III всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, специалистов, аспирантов и студентов. - 2016. - С. 31-36.
© П. В. Громыко, В. С. Селезнев, А. В. Лисейкин, 2017
