Авария на гидростанции
С технической точки зрения гидроэнергетика отработана уже досконально и когда специалисты говорят, что турбина "летала вопреки законам физики" с этим трудно согласиться. Тем не менее, эта фраза все объясняет. Если просмотреть несколько сообщений об аварии три из них можно выделить.
1.Агрегат собирались остановить
2.Обороты агрегата были запредельными.
3.Агрегат взлетел "вопреки законам физики"
Не будучи большим специалистом можно предположить, что, останавливая такую мощную инерционную систему необходимо придерживаться некоторых правил.
К примеру, просто так выводить из рабочего режима агрегат, видимо нельзя, поскольку могут резко возрасти обороты. Скорей всего нагрузку необходимо отключать согласованно с подачей воды и торможением агрегата. Если эти условия соблюдены турбина летать не сможет. Тем не менее, авария была, и турбина полетела по пути разрушив водовод.
Это значит, что условия не были соблюдены.
Почему и где это вероятней могло случиться?
1 Резко отключилась нагрузка, и агрегат вышел на запредельные обороты и за счет накопленной энергии вращения многотонной турбины произошел незапланированный полет. Поскольку тормозная система, как сообщается не оставила следов, видимо это можно исключить.
2. Снизилась скорость потока воды. Это при рабочих оборотах турбины так же должен привести к полету турбины.
3. Оба действия имели место. Т.е. быстро шло отключение нагрузки и снижение скорости потока. Тормозная система сработать скорей всего не могла, поскольку обороты могли не превышать предельных значений, а повышенная вибрация следствие чрезмерного давления на верхний упорный узел. Похоже, что это наиболее вероятный вариант.
Проектировщик должен был это предусмотреть и исключить возможность возникновения такой ситуации или заложить соответствующую прочность верхнего упорного узла. Как видно сравнение этой аварии с Чернобылем, со слов Шойгу вполне оправдано. И в том и в другом случае авария возникла при остановке агрегата.
Из сообщений:
"Авария началась на втором гидроагрегате. Но для следователей не меньший интерес представляют и все остальные. Например, основные разрушения - это результат беспорядочной работы седьмой и девятой турбин. После того, как вода заполнила машинный зал, они потеряли управление и неожиданно начали ускоряться, круша все вокруг. "
Коментарий;
После потери управления 7-ой и 9-й гидроагрегаты, скорей всего лишились нагрузки и естественно повысили обороты.
Выдержали их верхние упорные узлы или нет неизвестно. Надо искать в сообщениях
Из сообщений:
Станция вышла из строя из-за 2 агрегата - из за высокой вибрации. Из за того, что на ней работали с вибрацией превышающей нормы. Длительное время.
Разбило подшипник и срезало болты на крышке. При торможении ротор турбины создает доп. усилие направленное вверх. Давление столба воды и от вращающей турбины вышвырнуло ротор из статора как пушинку.
Почему были вынуждены работать на турбине с повышеннными вибрациями - а не остановили вовремя , в соответствии с правилами ? Да потому что эксплуатационный персонал видимо был поставлен в такие условия. Периодическое превышение уровня вибрации привело к тому, что ротор висел на волоске. Ключ - финансовые вопросы. Может кому то надо было выпонить некий финплан по парашютам. И никаких тут аномальных явлений нет.
Семиглазая богиня не даст соврать....
Коментарий;
Это сообщение из форума наиболее близко подходит к объяснению причин аварии.
Действительно, на осевом турбинном преобразователе, в отличие от преобразователя центробежного и поршневого развиваются большие осевые усилия.
Усилие с тыльной стороны турбины, возникает в рабочем режиме и оно в полной мере учитывается при расчете опоры. Еще одно усилие развивается турбиной при выходе из рабочего режима. Она действует на фронтальный опорный узел и как показывает практика, учитывается не в полной мере.
Трудно с точностью утверждать, что эта сила разрушило агрегат в Чернобыле, но на Саяно-Щушенской станции именно возникшая при выводе агрегата из рабочего режима, осевая сила на верхний опорный узел явилась причиной аварии. Об этом говорят все внешние признаки, описанные свидетелями последствий аварии.
В действительности, эта огромная сила, накопленная тяжелым вращающимся ротором, воздействуя параллельно с внутренним давлением водяного столба, способна, как показала авария, выстрелить ротор, словно снаряд из пушки. В широкой практике винт значительно меньшей мощности с легкостью толкает крупнотоннажные суда. Сегодня под угрозой аварии, возможно, находится не одна аналогичная турбина на многочисленных гидростанциях по всей стране и их необходимо срочно приводить в безопасное исполнение.
На рис. 3 приведена схема динамического тормоза, который способен погасить эту силу.
Тормоз представляет собой толстую плиту крепко связанную с фундаментом, которая входит в контакт с ротором при его подъеме. Когда осевая сила, развивающаяся при остановке агрегата, превысит вес ротора, ротор, поднявшись, будет опираться в плиту с фрикционными накладками способную надежно и безопасно погасить его энергию.
На рисунках 4,5,6 жесткой связи агрегата с фундаментом, адекватной возможным усилиям направленным вверх, не просматривается и похоже, что силу удерживания агрегата в гнезде определяет его вес. К сожалению, этой силы оказалась явно недостаточно.
Если старые станции на единицу мощности требовали много тяжелого металла, что обеспечивало безопасность, то применение новых материалов способствовало значительному снижению весовых характеристик агрегата, и это, очевидно, уже требует жесткой связи с фундаментом мощными креплениями.
Ситуация аналогична резкому торможению при незакрепленном двигателе автомобиля. При малой скорости потока тяжелый агрегат можно было специально не крепить. Для более двухсот метровой плотины с высокими относительными скоростями, как оказалось, необходимо было закрепитьк фундаменту так же и корпус агрегата.
Из этого трагического случая очередной раз можно сделать вывод, что техника безопасности даже на крупных объектах, явно отстает от современных технических возможностей.
рис.4
рис.5
рис.6
рис.7
На рис.12 представлена схема конструкции универсальной силовой гидроустановки. Она способна обеспечить поступательное и вращательное движение исполнительных механизмов. Может использоваться для катапультирования летательных аппаратов и производства электроэнергии.
Совершение поступательного движения исполнительного механизма обеспечивается в различных режимах.
В первом режиме исполнительный механизм выталкивается силой давления водяного столба при неработающей турбине, с нужным уровнем воды в водоводе и закрытии затвора 2 с определенной скоростью.
Второй режим предусматривает вращение турбины и накопление энергии. По достижении необходимых оборотов закрывается верхний затвор 1, и исполнительный механизм под воздействием подъемной силы лопастей турбины совершает поступательное движение вверх.
В третьем режиме используется оба варианта. Поступательное движение совершается с использованием давления водяного столба и подъемной силы лопастей турбины создаваемой за счет накопленной механической и электромагнитной энергии, при закрытии затвора 2 с требуемой скоростью перекрытия потока.
рис.10
На рис.7 показаны сорванные шпильки крышки агрегата, которые не смогли сдержать тягу турбины. Их состояние и фактические последствия говорят, что особого внимания они к себе явно не испытывали. Несмотря на то, что суммарная площадь сечения у них достаточно большая, они могли отрыватся последовательно одна за другой вследствие неравномерных нагрузок. На рис.8, следы поломки валов направляющих заслонок. Они могли сломаться, лишившись нижнего упора, уже после вылета агрегата, .
В итоге напрашивается вывод, что агрегат был плохо приспособлен к экстренному торможению и при возникшей необходимости ускоренной остановки, при перекрытии потока без включения шунтирующего водовода, турбина перешла в режим корабельного винта и совместно с некомпенсированной частью давления двухсотметрового столба воды сорвала крепежные шпильки, вырвала агрегат с основания и подбросила его вверх.
рис.8
На рис.9 приведена принципиальная схема гидроагрегата. Видно что при закрытых затворах 3 и 4 в кольцевом канале давление поднимается до максимального значения определяемим высотой водяного столба.
В рассматриваемом случае это около 23атм.
Как следует из сообщений затвор 3 открывается только в аварийном режиме и на этот раз был закрыт. Помимо этого затвор 4 так же закрывался и давление в кольцевом канале 6 естественно должно было подниматься.
Хотя это представляется маловероятным, но можно предположить, что это давление так же могло оказать негатиавное влияние и способствовать разрыву креплений, особенно если один или несколько из оторвавшихся затворов рис.8, частично перекрыл водовод под турбиной.
В рабочем режиме, вследствие высокого КПД, нерабочая осевая сила зачительно превосходит радильные силы вращающие турбину и при сбросе нагрузки турбина могла спружинить словно крышка консервной банки.
В итоге проявляются три силы способствующие разрыву креплений
1. Часть статического давления водяного столба
2. Подъемная сила турбины перешдшей в режим насоса
3. Упругая деформация агрегата от воздействия высокой осевой нагрузки
рис.9
Кто виноват?
Опубликованные результаты комиссии созданной Ростехнадзором, к сожалению, не содержат четких технических причин катастрофы и ее выводы справедливы только относительно последствий от воздействия радиальных сил, которые обеспечивают работу станции, но эти силы не способны нанести серьезных разрушений. Характер повреждений указывает на пассивную осевую силу не используемую для функцианирования станции. Эта сила должна была быть заблокирована еще на стадии проектирования например, установкой дололнительных креплений корпуса к фундаменту.
Учитывая, что для Гостехнадзора осевая сила проявившаяся в момент катастрофы была неизвестна и тем более не контролировалась, можно предположить, что ее не предвидели даже научные институты.
В связи с этим логично предположить, что гидротехническая наука не только России, но и Мировая не оценивает в должной мере степень опасности при маневрировании современных гидроагрегатов, вследствие чего разработчик СШ ГЭС проигнорировал необходимость дополнительных работ по креплению агрегата к фундаменту, что по существу и явилось главной причиной катастрофы
Естественно, что помощь семьям погибших и восстановление станции являются обязательными мерами, но этого явно недостаточно. Требуется обеспечить высокую степень безопасности в масштабах страны отвечающую современным угрозам.
По мере развития промышленности растет и потенциал техногенных катастроф. Сегодня нужны организационные меры по созданию государственной структуры, способной адекватно противостоять возможным стихийным и техногенным бедствиям.
Одним из вариантов такой организационной меры может стать создание министерства стихийной и техногенной безопасности.
Эта структура должна объединить МЧС, Гостехнадзор, службы прогнозов и оповещения.
Только в этом случае появляется подразделение ответственное за техногенные катастрофы, а также за своевременное предупреждение и ликвидацию последствий стихии.
В современных структурах, как видим, фактически нет ответственных за безопасное функционирование, даже не очень сложного сооружения.
При этом в каждом режиме устанавливается соответствующая прочность отрывного троса.
Эти режимы способны обеспечить короткое плечо катапульты огромной силой определяемой массой турбины и скоростью вращения, с запасом энергии от 300 до 3000 и более МДж.
При прочности троса выше сил развиваемых давлением водяного столба и подъемной силы вращающейся турбины конструкция полностью исключает возможность поступательного движения и при постоянно открытых затворах ее можно использовать для выработки электроэнергии.
Действительно, будучи разрозненными, каждая из этих структур выполняет часть работ, которые в сумме зачастую не дают требуемого результата. Требуемый результат, в данном случае безопасность от стихийных и техногенных угроз, можно обеспечить только при совместной работе органов предупреждения, контроля, оповещения, и оперативного вмешательства соответствующих структур управляемых из единого центра ответственного за конечный результат.
рис.8a
Уже несколько дней прошло с момента аварии, а однозначной причины до сих пор не выявлено. Гибель людей обескураживает, и человеческий фактор, о котором иногда говориться при катастрофах такого рода в данном случае никак нельзя применить, поскольку мощные энергетические блоки должны изначально проектироваться на надежную и безопасную работу и никакие нарушения инструкций по эксплуатации не должны приводить к катастрофе.
рис.11
рис.12
По существу Акт технического расследования причин аварии, происшедшей 17 августа 2009 года.... можно уложить в два пункта.
Обрыв шпилек произошел и их контроль инструкциями не предусмотрен это факт. Значит большая осевая сила была. Сломанные валы направляющих пластин к аварии отношения не имеют, поскольку сломались уже после подъема агрегата, поэтому причины их поломки мало интересны.
Основная часть нарушений описанных в акте касаются воздействия радиальных сил неспособных поднять агрегат и напрямую к аварии не причастны. Вертикальная сила не рабочая и ее должны были наглухо заблокировать на стадии проектирования и о ней забыть.
Т.е. первый пункт акта фиксирует возникновение бесконтрольной осевой силы направленной вверх. Второй рекомендует провести исследования осевых сил в различных режимах работы турбины и найти технические решения исключающие разрыв узлов крепления фланцевых соединений водовода.
Все остальные выводы о нарушениях находятся в пределах вопросов решаемых в рабочем порядке.