Нужен новый направляющий аппарат для турбины Саяно-Шушенской ГЭС

Как известно, расследование обстоятельств катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС недавно было продлено в очередной раз, и теперь следователи СКП РФ обещают представить свои выводы до середины декабря 2010 года. Однако главное, безусловно, принять меры по предотвращению аварий впредь. У меня есть большое сомнение, что сможем создать новую турбину для Саяно-Шушенской ГЭС на такие же параметры без зоны II. На мой взгляд, нужно создать направляющий аппарат с единым приводом на лопатки.

В известной монографии В.И. Брызгалова “Из опыта создания и освоения Красноярской и Саяно-Шушенской гидроэлектростанций” подробно описаны проблемы, пока не нашедшие своего объяснения наукой, а также не решенные проблемы технического и технологического порядка при создании и эксплуатации уникального оборудования.

Например, в процессе работы гидроагрегата практически не представляется возможным выявить повреждения втулок подшипников лопаток направляющего аппарата (НА) и они обнаруживаются лишь при выводе агрегата в ремонт или резерв. Поврежденные втулки нижних подшипников можно было заменить только при полной поузловой разборке агрегата. Пока не существует опыта определения срока службы втулок. Повреждение подшипников приводит к существенному увеличению протечек через закрытый НА, когда агрегат находится в резерве, что увеличивает потери воды (электроэнергии), а самое главное, вибрацию гидроагрегата.

Более того, увеличение зазоров между лопатками НА лишает эксплуатацию возможности перевода генератора в режим синхронного компенсатора из-за существенного увеличения расхода воздуха на поддержание заданного уровня воды под рабочим колесом турбины. Большой расход воздуха не компенсируется производительностью компрессоров – воздуходувок. В конечном счете может возникнуть ситуация, когда невозможно будет остановить агрегат при выводе его в резерв, так как протечки воды через закрытый НА окажутся столь велики, что будет продолжаться холостой ход агрегата. Остановка его в этом случае возможна лишь после сброса затворов водоприемника турбины, что является уже крупной неисправностью агрегата.

В период профилактических работ из-за увеличившихся зазоров в подшипниках лопаток, трудно осуществлять настройку НА, что может привести к рассогласованиям.
Направляющий аппарат с индивидуальным гидроприводом на каждую лопатку в отечественной практике был создан впервые. Сервомоторы имеют гидромеханическую систему управления. Применение индивидуального гидропривода создает условия более плотного закрытия НА, не требует устройства срезных предохранительных элементов. Индивидуальный привод обеспечивает значительный ход сервомотора до 470 мм.

В случае небольшого (до 10% от полного хода) выхода из синхронизма какой-либо лопатки НА можно путем воздействия на индивидуальный сервомотор привести ее положение в соответствие с другими.

Значительное рассогласование положения лопатки создает на ней и на соседней лопатке большие гидравлические усилия и момент, поэтому было введено ограничение на рассогласование, соответствующее 60% от полного хода лопатки. При движении НА на открытие, при рассогласовании положения лопатки более 10%, введено автоматическое ограничение открытия НА, равное 50% от полного. При движении НА на закрытие в диапазоне 50-100%, при рассогласовании положения лопатки более 10%, должна действовать защита на остановку агрегата со сбросом быстропадающих затворов. При открытиях НА более 50% в стационарном режиме нагрузки, и при рассогласовании лопатки более 10%, должно автоматически блокироваться движение НА.

Проблема разгонки лопаток НА была решена с помощью специальных талрепов. Применение индивидуальных сервомоторов существенно улучшило возможности компоновочных решений узлов турбины. Главное преимущество такого привода – большие возможности в создании перестановочных усилий лопаток НА, что по сравнению с системой группового привода лопаток дает большое преимущество. Опыт эксплуатации группового привода лопаток НА красноярских гидротурбин показал, что сервомоторы не развивают необходимых перестановочных усилий, поэтому пришлось увеличить их диаметр. Это в свою очередь выявило, что габаритные показатели сервомоторов группового привода лопаток НА Красноярской ГЭС находятся на пределе.

Система управления индивидуальными сервомоторами состоит из гидравлических, электрических и механических узлов, связанных между собой прямыми и обратными связями. Эта система является частью общей системы регулирования, в которую входит электрогидравлический регулятор частоты вращения, состоящий из механической колонки и электрической панели.

Система управления индивидуальными сервомоторами была реконструирована. Кроме изменения диаметра трубопроводов, управляющих индивидуальными сервомоторами, был смонтирован дополнительный напорный коллектор для питания побудительных золотников и гидрозамыкающих толкателей главных золотников. Была выполнена более жесткой кинематическая синхронизирующая передача к главным золотникам индивидуальных сервомоторов, выполнена новая конструкция золотников, букс и других элементов гидравлической системы. Только после этого МНУ была поставлена на номинальное давление и управление гидротурбиной стало гарантированным.

Профиль лопатки НА выполняется с эксцентриситетом относительно оси вращения, от которого зависит величина гидравлического момента действующего на лопатку. Усилие на закрытие НА, передаваемое на сервомотор через тяги состоит из гидравлического момента, действующего на лопатку в закрытом положении (момент пропорционален заданной величине относительного эксцентриситета профиля лопатки и действует на открытие НА), момента упругих сил, возникающих вследствие натяга НА (момент соответствует обычно половине открытия НА и действует на его закрытие) за минусом момента трения в цапфах лопаток НА (у высоконапорных радиально-осевых турбин этот момент соответствует максимальному открытию НА и действует на закрытие НА). Сумма этих усилий умножается на коэффициент, учитывающий передаточное отношение кинематической связи между лопатками и сервомотором.

Таким образом, приведенные свойства НА характеризуют его как самозакрывающийся, то есть, если при сбросе нагрузки окажется неисправной система регулирования, то НА закроется до некоторой величины под действием гидравлического момента, действующего на лопатки. При увеличении нагрузки гидроагрегата до максимальной этот гидравлический момент превысил 6,3 МПа, НА захлопнулся, гидравлическая система разрушилась и произошел гидравлический удар еще до перехода запрещенной зоны длительной работы гидроагрегата.

Обрыв обтекателя рабочего колеса из-за вибрации и смятия резьбы 20 законтренных болтов диаметром 195мм, может резко изменить режим потока воды, усилить вибрацию агрегата с изменением моментов, действующих на лопатки направляющего аппарата вплоть до разрушения гидравлической системы. Возможно нужна новая геометрия обтекателя.

Нельзя забывать, что сервомоторы служили в определенной мере демпферами по гашению вибраций лопаток НА, лопатки имели люфты из-за истирания втулок подшипников, особенно нижних, и неплотное прилегание в закрытом состоянии, что вносило погрешность в систему регулирования при наладке АСУТП, которая использовала пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) регуляторы.

При скачкообразном изменении регулируемой величины ПИД-регулятор в начальный момент времени оказывает мгновенное бесконечно большое воздействие на объект регулирования.
Настройка АСУ ТП в таких условиях являлась чрезвычайно рискованным мероприятием и должна была осуществляться на остановленном гидроагрегате с последующей проверкой настройки на холостом ходу, а затем с минимальной нагрузкой и под особым контролем.

Процесс вполне мог развиваться по схеме: резкое повышение вибрации, например, из-за рассогласования работы лопаток направляющего аппарата турбины (даже одной лопатки), моментальный заброс оборотов со 100 до 125%, мгновенное бесконечно большое воздействие ПИД-регулятора на закрытие направляющего аппарата, гидравлическая система не выдерживает нагрузки, давление в системе падает до нуля. Поток воды захлопывает НА, который уже шел на закрытие из-за момента, описанного выше.

Все произошло именно по законам физики: огромным усилием, значительно превосходящим массу вращающегося тела, гидроагрегат вытолкнуло как пробку из бутылки шампанского. И это еще хорошо, что вытолкнуло. Гашение энергии такой мощности при остановленном гидроагрегате привело бы к разрушению водовода и подводного массива машинного зала Саяно-Шушенской ГЭС. Необходимо провести тщательнейшее обследование всей конструкции и опыты на модели.

Новое крепление крышки турбины в полном соответствии с расчетами все равно является самым слабым местом для гидравлического удара в этой зоне. Если бы крышку заклинило на валу, то срезало бы шпильки.

Нужно устранять причины вибрации. Предполагается, что причиной резкого возрастания нестационарных гидравлических процессов в проточной части турбины является гидроакустический резонанс, который возникает при совпадении частот колебаний оси кавитационного жгута с собственной частотой упругих колебаний воды в напорном водоводе. А это явление, по моему мнению, в первую очередь провоцируется направляющим аппаратом турбины.

Предлагаю:

1. Разработать конструкцию новой крышки турбины, возможно, единую конструкцию крышки и опоры подпятника, и закрепить эту конструкцию на спиральной камере так, чтобы на ней можно было по окружности расположить сервомоторы, передающие усилия на единое кольцо, которое передает усилие на верхние цапфы всех лопаток направляющего аппарата турбины.

2. Разработать обтекатель с иной геометрией.

Владимир Иннокентьевич Бабкин,
ветеран труда и энергетики, участник создания и эксплуатации всех гидроузлов на Енисее с 1962 по 2001 год,
специально для "Плотина.Нет!"