Частное расследование аварии на СШГЭС. Происшедшей 17-го августа 2009 г. - читать онлайн

1. Объект расследования- гидроагрегат №2 (ГА-2) Саяно-Шушенской ГЭС

1.1. Основные параметры гидростанции

Таблица 1

• Год начала строительства- 1963.

• Годы ввода первого (со сменным рабочим колесом) и последнего гидроагрегатов- 1978/1985.

• Год официальной приёмки в эксплуатацию- 2000.

Рис. 1. Саяно-Шушенская ГЭС [1]

Рис. 2. Саяно-Шушенская ГЭС

1.1.1. Трёхмерный ролик по урокам аварии 17 августа 2009 года на Саяно-Шушенской ГЭС [2]

1.2. Основные параметры гидроагрегатов

1.2.1. Характеристики гидротурбины

Таблица 2

Особенностями конструкции гидротурбины являются:

• выполнение рабочего колеса цельносварным на заводе, с доставкой на строительную площадку водным путем;

• применение железобетонной конструкции спиральной камеры;

• направляющий аппарат с индивидуальным гидравлическим сервоприводом каждой лопатки;

• направляющий подшипник с обрезиненными сегментами на водяной смазке.

• масса турбины (без статора и спиральной камеры) – 656 т [3]

«В период освоения Саяно-Шушенской ГЭС произошло 64 нарушения работы гидротурбин и повреждения их узлов, в результате которых простой агрегатов составил 17614 час., недовыработка электроэнергии составила 6120 млн. кВт·ч. В подтверждение недостаточной изученности и продуманности конструкторских решений следует отметить, что непредвиденные остановки турбин происходили и тогда, когда они работали только на расчётных напорах» [4].

1.2.2. Характеристики гидрогенератора

Таблица 3

Особенностями конструкции гидрогенератора являются:

• выполнение внутрипроводникового водяного охлаждения обмотки статора и форсированного воздушного охлаждения обмотки ротора;

• двухрядный подпятник с эластичными металлопластмассовыми сегментами, размещенный в цельносварной масляной ванне диаметром 6 м; рассчитан на восприятие нагрузки 36000 кН;

• подшипник генератора – баббитовый, с самоустанавливающимися сегментами;

• общая масса генератора – 1 860 т

Рис. 3. Характерные зоны работы гидроагрегатов Саяно-Шушенской ГЭС

Особенностями режима работы гидроагрегата в зоне 2 являются:

• повышенная вибрация и увеличение шума в машзале;

• возрастание гула и грохота в отсасывающей трубе;

• снижение к. п. д.

– Весовые характеристики базовых узлов и деталей ГА-2 [6]

Таблица 4

* Вес верхней крестовины принят ориентировочно

** Вес обода ротора определён также ориентировочно из расчёта ~ 60% от веса ротора.

«Полётный» вес ротора гидроагрегата (1687 – 550 +150) = 1287т

2. Аварийное разрушение ГА2 и его составных частей

Общая картина аварийного разрушения ГА2 и его составных частей показаны на рис. 4 и 5.

Рис. 4. Аварийное разрушение гидроагрегата №2

1-рабочее колесо турбины; 2- крышка турбины; 3- ванна подпятника; 4- спицы ротора генератора; 5- обод ротора генератора

Рис. 5. Схема аварийного разрушения составных частей гидроагрегата №2 [7]

Для выявления технических причин аварийного разрушения ГА2 рассмотрим последовательно, шаг за шагом, особенности конструкции и характера разрушений его базовых узлов и деталей.

3. Разрушение гидротурбины

Общий вид гидротурбины в разрезе показан на рис. 6.

Рис.6. Радиально осевая гидротурбина СШГЭС

3.1. Разрушение направляющего подшипника и облицовки вала гидротурбины

Общий вид направляющего подшипника гидротурбины с обрезиненными сегментами показан на рис. 7 [4].

Рис. 7. Направляющий подшипник гидротурбины

(с самоустанавливающими сегментами)

1- корпус из двух частей; 2- ванна из 4-х частей; 3- верхнее воротниковое уплотнение; 4- нижнее воротниковое уплотнение; 5- сегменты; 6- сухарь; 7- клин; 8- плита опорная; 9- шланговое уплотнение

Как следует из рассмотрения таб. 5, направляющий подшипник турбины воспринимает радиальные силы, вызванные механическими, гидравлическими и электрическими процессами, которые возникают и изменяются в зависимости от изменения режимов работы гидроагрегата.

Таблица 5

Радиальные силы, воздействующие на направляющий подшипник гидротурбины СШГЭС

Как показали натурные испытания направляющих подшипников на нескольких турбинах, рис. 8, суммарные радиальные усилия, возникающие при одновременном воздействии на вал турбины механических, гидравлических и электрических сил, достигают значительных величин – свыше 100 тонн. [4]

Рис. 8. Зависимости максимальных усилий, действующих на турбинные подшипники, от открытия направляющего аппарата на разных ГА

1 —ГА-1, Нбр=136 м; 2 – ГА-2, Нбр=140 м (до балансировки); 3 – ГА-2, Нбр=136 м (после балансировки); 4 – ГА-3, Нбр=138 м; 5 – ГА-3, Нбр=194 м; 6 – ГА-5, Нбр=138 м;7 – ГА-8, Нбр=192 м

Насколько разрушительны эти силы наглядно показано на рис. 9.

Рис. 9. Разрушение нержавеющей облицовки вала гидротурбины

вследствие воздействия на вал радиальных усилий, воспринимаемых направляющим подшипником

Следствием износа подшипника являются существенное увеличение радиального биения вала турбины и вибрации, как крышки турбины, так и всего гидроагрегата.

За последние, перед аварией, 13 минут работы второго гидроагрегата амплитуда вибрации подшипника крышки турбины увеличилась на 240 мкм (с 600 мкм до 840 мкм при максимальном допустимом значении 160 мкм, соответствующим, в основном, параметрам вибрации остальных гидроагрегатов станции) [9].

Перед самым возникновением аварии ГА2 вибрации турбинного подшипника достигали 1600 мкм, что на порядок больше допустимых [6], что свидетельствует о его аварийном состоянии.

Многочисленные примеры недопустимого увеличения радиального биения вала (от 1,5 до 2 мм) в зоне турбинного подшипника в процессе эксплуатации ГА2 приведены в п. 4.1 и 4.5 «Акта…» Ростехнадзора [3].

Рис. 10. Показания датчика радиальных биений вала в зоне подшипника турбины

Увеличенное биение вала, вызванное износом направляющих подшипников, приводит к многократному срыву и поломкам у радиально-осевых турбин лабиринтных колец рабочего колеса [10].

Промежуточный вывод по п. 3.1.: Недопустимые радиальные биения вала гидротурбины, обусловленные недопустимыми износом* и уровнем вибрации направляющего подшипника, создали предпосылки для возникновения непосредственного механического контакта между подвижными и неподвижными кольцевыми поверхностями верхнего и нижнего лабиринтных уплотнений рабочего колеса и для их последующего аварийного разрушения с тяжёлыми последствиями для всего гидроагрегата.

3.2. Разрушение лабиринтных уплотнений рабочего колеса гидротурбины

Линии контактов сопряжённых поверхностей верхнего лабиринтного уплотнения (ВЛУ) с рабочим колесом и с крышкой гидротурбины СШГЭС показаны на рис. 11.

Рис.11. Линии контактов сопряжённых поверхностей верхнего лабиринтного уплотнения (ВЛУ) с рабочим колесом и с крышкой гидротурбины

Лабиринтные уплотнения рабочего колеса предназначены для обеспечения и поддержания в заданных пределах объёмного к. п. д. гидротурбины путём создания гидравлических сопротивлений перетеканию воды из спиральной камеры в полости низкого давления (над ступицей рабочего колеса и в отсасывающей трубе) через зазоры между подвижными и неподвижными кольцами соответствующих уплотнений (верхнего и нижнего). Очевидно, чем меньше величина упомянутых зазоров, тем больше гидравлическое сопротивление, и тем выше объёмный к. п. д. турбины. С другой стороны, чем меньше величина зазоров, тем больше вероятность возникновения прямого механического контакта между неподвижными и вращающимися кольцами, и тем выше вероятность возникновения аварии вследствие механического разрушения уплотнений.

Как показано ниже, на рис. 12 и 13, в гидротурбинах СШГЭС проектная величина номинального зазора между неподвижными и подвижными (вращающимися) кольцами установлена равной 2,8 мм. Тем не менее, несмотря на наличие гарантированного зазора, подвижные и неподвижные кольца верхнего и, особенно, нижнего лабиринтных уплотнений неоднократно вступали между собой в непосредственный механический контакт, вследствие чего на СШГЭС происходило аварийное разрушение неподвижных колец лабиринтных уплотнений (см. ниже, рис. 14).

Рис. 12. Верхнее (I) и нижнее (II) лабиринтные уплотнения

рабочего колеса гидротурбины СШГЭС

Рис. 13. Фланцевое соединение секций и узел присоединения

неподвижного кольца ВЛУ к крышке турбины

1 – крышка турбины; 2 —подвижное кольцо ВЛУ (верхний обод рабочего колеса); 3 – неподвижное кольцо ВЛУ; 4 – винт; 5 – винтовой домкрат (фиксатор); 6— контргайка; 7- конический штифт; 8 – призонный болт; а) – высотное положение подвижного кольца относительно неподвижного при опоре ротора гидроагрегата на

сегменты подпятника (h=0);

б) – высотное положение подвижного кольца относительно неподвижного при опоре ротора гидроагрегата на

тормоза- домкраты (h=15÷20 мм)

«Разрушение неподвижного лабиринта (нижнего) вызвало увеличение биения вала, что приводило к соприкосновению разрушенных частей, выступавших в зазор, с рабочим колесом… Был остановлен ряд агрегатов, хотя и работавших при расчётном напоре в оптимальной зоне эксплуатационной характеристики» [4].

В гидротурбинах СШГЭС неподвижное кольцо нижнего лабиринта выполнено несъёмным. Поэтому, в условиях электростанции восстановление подвижного и неподвижного колец до заводских размеров оказалось невыполнимым, в связи с чем, ряд агрегатов работает с увеличенными зазорами в нижних лабиринтных уплотнениях*.

Кроме того, в процессе эксплуатации на гидроагрегате №5 (рис. 14) было обнаружено повреждение верхнего неподвижного лабиринта из-за отслоения нержавеющей облицовки» [4].

Рис. 14. Аварийное разрушение неподвижного кольца нижнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса гидротурбины СШГЭС

В п. 4.1 «Акта…» Ростехнадзора также упоминается, что 13.09.81 на ГА2 произошло «Повреждение резиновой поверхности и болтов крепления сухарей сегментов турбинного подшипника, разрушение нижнего неподвижного кольца лабиринтного уплотнения рабочего колеса»*.

Таким образом, аварии, связанные с разрушением лабиринтных уплотнений рабочего колеса, были для эксплуатационного персонала СШГЭС достаточно обыденным явлением.

Здесь следует отметить, что все ранее известные случаи аварийного разрушения лабиринтных уплотнений рабочего колеса относились к категории значительных аварий, для устранения последствий которых требовалась полная разборка соответствующего гидроагрегата. Однако, упомянутые аварии никогда не приводили к разрушению базовых узлов и деталей гидротурбины и не оказывали влияния на работу соседних гидроагрегатов.

Невиданное по своим катастрофическим последствиям для ГА2 и для всей гидростанции, разрушение верхнего лабиринтного уплотнения рабочего колеса (рис. 15) произошло 17 августа 2009 г. на ГА2. Основная причина – непосредственный механический контакт между неподвижным и подвижным (вращающимся) кольцами уплотнения, возникший вследствие запредельных вибраций и радиального биения вала турбины*.

На основании детального рассмотрения конструкции верхнего лабиринтного уплотнения (см. рис. 12, 13 и 14) и фотографии нижнего лабиринтного уплотнения после аварии (см. рис. 15) можно установить, что под воздействием тангенциальных сил, возникших в результате механического контакта между подвижным и неподвижным кольцами, произошло раскрытие стыка одного из фланцевых соединений соседних секций (сегментов) **. В результате произошло разрушение и деформация неподвижного кольца лабиринта так, что между крышкой турбины и ступицей рабочего колеса образовался криволинейный клин, который заклинил рабочее колесо турбины ГА-2, рис. 15, вследствие чего крышка турбины в одно мгновение оказалась под воздействием крутящего электрогидромеханического момента, включающего момент от электромагнитных сил, удерживающих ротор генератора в энергосистеме, гидравлический момент и момент количества движения ротора гидроагрегата. Время действия и динамика изменения вышеупомянутых моментов определялись временем и характером развития аварии ГА-2, которая продолжалась всего несколько секунд.