Эксплуатация гидротурбин
Повторим, что в состав турбины входит много равно ответственных элементов, узлов и аппаратов: спиральная камера, статор, рабочее колесо (РК), направляющий аппарат (Н.А.), крышка турбины, подшипники, отсасывающая труба (для ГАЭС отсасывающе-всасывающая труба), маслонапорная установка (МНУ), регулятор частоты вращения, устройства автоматики и гидромеханических защит. Мы уже отмечали, что объём эксплуатационной работы включает в себя очень широкий круг задач и она охватывает период, начало которого не ограничивается первым пуском турбины в действие.
В существующей нормативной документации - ПТЭ, ПТБ, инструкциях по эксплуатации завода-изготовителя, проектной и эксплуатирующей организаций, и других, указания об эксплуатации турбин относятся к моменту пуска их в работу после монтажа. На самом же деле на эффективность турбин в эксплуатации оказывает существенное влияние самая ранняя стадия - их создание. Основным документом для приобретения турбины на заводе для Заказчика являются технические условия (ТУ) на поставку турбин, в которых определяются все их параметры. Проектные институты и конструкторские бюро не в состоянии обладать таким же опытом эксплуатации, как эксплуатирующая организация. По этой причине при составлении ТУ необходимо участие эксплуатационного персонала, имеющего продолжительный опыт эксплуатации турбин. Поскольку составление ТУ происходит параллельно с проектированием ГЭС, то и участие в проектировании турбины также должны принимать эксплуатационники. Этот этап и следует считать началом эксплуатации турбин и их оборудования. Лучше чем эксплуатационник никакой другой специалист не может оценить достоинства и недостатки конструкций с точки зрения наименьших эксплуатационных затрат, их простоты и ремонтопригодности (одно из основных свойств надёжности заключается в приспособленности турбины к проведению работ по её обслуживанию и ремонту). Для турбины эта приспособленность должна начинаться с конструкции водоприёмника, где сооружаются сороудерживающие решетки и затворы, аэрациочные трубы и водоводы, хотя в проект турбины, выполняемый заводом, эти элементы не входят. Затем спиральная камера, отсасывающая труба и собственно турбина со всеми органами управления и автоматики, а также все вспомогательные системы и устройства, за которые завод не несёт ответственности, такие как воздушное хозяйство (ВХ), система технического водоснабжения (ТВС), масляное хозяйство (MX), грузоподъёмные машины (ГПМ) и механизмы и т.п. Все перечисленные системы, конструкции и узлы, а также наличие и разнообразие ремонтных мастерских, так или иначе, впоследствии влияют на качество эксплуатации турбины. Поэтому компоновка всех основных и вспомогательных устройств, их технические свойства и достаточность должны быть оценены и с точки зрения затрат при обслуживании, и с точки зрения ремонтопригодности профессионалами от эксплуатации.
Важным этапом надо считать процесс подбора, подготовки и расстановки эксплуатационных кадров. Эксплуатационный персонал должен участвовать в проектировании и согласовании ТУ на поставку турбины и её вспомогательного оборудования, а впоследствии в организации входного контроля за поступающими с завода узлами, конструкциями и механизмами и затем участвовать в монтаже и наладке систем и устройств. На последнем этапе (монтаж и наладка) персоналом приобретаются знания в связи с применением заводами новых, ранее неизвестных конструктивных решений и технологий изготовления и монтажа, а также им осуществляется контроль за качеством монтажных и наладочных работ.
Следующим этапом эксплуатации после монтажа является проверка и пусковые испытания отдельных узлов и систем, к которым относятся; МНУ, устройства электроснабжения привода всех вспомогательных систем от собственных нужд (СИ), противопожарные устройства. ТВС, MX, BX, затворы, ГПМ, хозпитьевое водоснабжение, сантехнические, вентиляционные и др. устройства. Среди всех испытаний одной из главных является проверка водяного тракта турбины путём заполнения его водой, начиная с НБ. Подтверждением готовности отдельных систем, конструкций и узлов являются соответствующие акты, подписанные специально назначаемой Заказчиком рабочей комиссией.
Особым этапом эксплуатации является проверка агрегата (турбина. генератор) на холостом ходу со всеми вспомогательными устройствами. Этот этап носит название - пуск агрегата. В этот период проверяется качество смонтированной турбины, её системы регулирования (в определённых режимах: пуск, остановка, поддержание частоты вращения), подшипников системы охлаждения и смазки, а также сравнивается с нормами биение вала, вертикальная вибрация крышки турбины и горизонтальная - корпуса подшипника, уровень пульсации давления в проточной части. В этот же период производятся балансировка ротора, если это необходимо, а также наладочные работы на гидрогенераторе со всеми его вспомогательными системами, об этом ниже.
Завершающим этапом ввода в эксплуатацию гидроагрегата является включение его на параллельную работу с энергосистемой (включение в сеть) и набор нагрузки с последующими нагрузочными испытаниями и испытаниями по проверке гарантий регулирования турбины путём сброса нагрузки (мгновенное отключение генератора от сети). Такие испытания производятся по специальным программам. Дата и время включения в сеть являются датой ввода в эксплуатацию конкретного агрегата. Дата ввода в эксплуатацию первого по счёту агрегата ГЭС является датой ввода в эксплуатацию гидроэлектростанции в целом.
После бесперебойной работы агрегата под нагрузкой в течение 72 часов и успешных результатов нагрузочных, тепловых испытаний и испытаний. подтверждающих гарантии регулирования, специально назначенной комиссией подписывается акт приёмки в эксплуатацию гидроагрегата в целом.
Состав и объём последующей эксплуатации турбин, как уже сказано, нормируется многочисленными документами ПТЭ ПТБ, завода-изготовителя, производственными инструкциями эксплуатирующей организации, циркулярами-указаниями вышестоящих эксплуатационных организаций и отраслевых научно-исследовательских и проектных организаций, графиками ремонта оборудования и др. Этот этап эксплуатации по сравнению с предыдущими более рутинный, но в этом и его особенность, и задача заключающаяся в том, чтобы не снижать активность персонала в повседневных будничных мероприятиях, поскольку ошибки персонала зависят в значительной степени от обыденности текущего процесса спокойной эксплуатации. Значимость этого явления весьма велика, поэтому разработаны специальные нормативные документы, которые в общем виде носят название инструкций по работе с персоналом.
Турбины проектируются для работы в определённых условиях и рассчитываются на определённый диапазон изменения рабочего напора от Яу до Н , при этом величина расчётного напора лежит в средней части диапазона. Так, для турбин Саяно-Шушенской ГЭС Н - 176 м; Н - 194 м; Н - 220 м. Как мы видели в гл. 5, эксплуатационная характеристика турбины позволяет определять её мощность в зависимости от напора, видеть линии ограничения мощности и допустимые высоты отсасывания. Эксплуатирующая организация должна строго руководствоваться установленными параметрами турбины и не допускать их отклонения.
К сожалению, сложилась неудовлетворительная практика пуска первых агрегатов ГЭС на нерасчетных напорах, иногда значительно меньших минимального расчетного напора.
Заводы на такие случаи модели турбин не испытывают, поскольку очевидно, что режим будет неблагоприятным. А некоторые режимы и не могли быть смоделированы, например, получение зависимости максимального открытия НА от уровня ВБ по условиям непрорыва воздуха в водовод турбины. Поэтому, если Заказчик не обеспечил проектирование турбин специально для пуска на нерасчетных напорах, он должен быть готов выявить негативные явления в первые же часы работы турбины и либо подобрать диапазон открытия НА (и разворота лопастей для турбин Каплана), позволяющий обеспечить достаточно щадящий режим для турбины, либо запретить её эксплуатацию при нерасчетных напорах.
При работе турбин на нерасчётных напорах в проточной части возникают сильные пульсации потока, вызывающие опасные вибрации, а также бурно развиваются кавитационные процессы. В случаях, когда УВБ над забральной балкой водоприёмника недостаточен, возникает прорыв воздуха в водовод, что сопровождается разрушительными гидравлическими ударами. Все эти явления недопустимы для турбин. В гл. 7 мы отмечали, что необходимо создавать специальные турбины для периода работы на нерасчетных напорах, поскольку продолжительность его может быть значительной. Примером пуска на нерасчетных напорах, что привело к сильному кавитационному износу рабочих колёс турбин, является Братская ГЭС. Там вынуждены были проводить капитальные ремонты каждые 2-3 года по восстановлению вынесенного кавитационной эрозией металла, составлявшего до 3 т на каждое РК.
В условиях пуска турбины на нерасчетных напорах у эксплуатационной организации для получения быстрого ответа: допустима ли эксплуатация турбин - есть лишь один путь - провести экспресс-исследования, чтобы получить возможность составить оперативные указания для персонала о допустимых режимах работы турбины или их запрета. Экспресс-испытания необходимо производить с участием представителей завода-изготовителя, которые, как правило, находятся в пусковой период на ГЭС.
Из опыта эксплуатации турбин известно, что диапазоны низких значений КПД, интенсивность кавитационной эрозии в проточной части РК, величина пульсации давления и вибрации опорных частей, уровень кавитационного шума и другие параметры и признаки имеют между собою тесную связь и зависимость.
Примером проведения простейших экспресс-исследований является выполненная эксплуатационниками Красноярской ГЭС работа с целью выявления возможностей использования турбин в пусковой период на нерасчётном напоре без опасных воздействий на проточную часть и рабочие колеса.
Эти испытания носили систематический характер и повторялись через каждые 0.5 м изменения напора. При этом измерялись штатными приборами и часовыми индикаторами: биение вала агрегата; горизонтальная вибрация крестовины генератора; вертикальная вибрация крышки турбины; изменение давления в спиральной камере и отсасывающей трубе; открытие НА и мощность агрегата. Фиксировались на слух в каждом режиме кавитационныи шум и визуально наличие или отсутствие аэрации потока в водоводе (аэрированность потока, выходящего из отсасывающей трубы, если она есть, хорошо видна на глаз).
Подшипники турбины являются одними из ответственных её узлов. должны быть под пристальным вниманием дежурного персонала. Необходимо тщательно следить за биением вала в районе подшипника, увеличение биения будет свидетельствовать о неполадках в системе крепления подшипника, либо о возникшем по какой-либо причине небалансе на агрегате. И тот, и другой признаки могут сигнализировать о последующих серьёзных неисправностях агрегата.
Необходимо следить за температурой подшипников, которые работают на масляной смазке и за расходом воды на подшипники, которые имеют резину или лигнофоль (спрессованное дерево, пропитанное смолой) в качестве трущейся поверхности в подшипнике. Увеличение температуры подшипника может сигнализировать об увеличении биения вала или снижении расхода воды на охлаждение масла, что может привести к повреждению масляного подшипника, а сокращение расхода воды на смазку резинового или лигнофолевого подшипника может также привести к их разрушению.
Шум в проточной части также необходимо контролировать: его увеличение может свидетельствовать о неисправности НА, например, отклонение одной или нескольких лопаток от синхронного положения с остальными, т.е. это признак повреждения в кинематике НА. Иногда усиление шума может быть связано с засорением НА предметами, прошедшими через разрушенную сороудерживающую решётку, или с повреждением каких-либо элементов в проточной части турбины.
МНУ и система регулирования должны быть также под неослабным наблюдением дежурного персонала. МНУ является аккумулятором энергии. Энергетическим носителем МНУ служит масло, давление которого постоянно поддерживается масляными насосами и сжатым воздухом в масло-воздушном котле. Это обеспечивает работу силовых органов системы регулирования и управления: сервомоторов НА, лопастей РК (у турбин Каплана) и иглы сопла у турбин Пельтона, а также исполнительных органов гидромеханической части регуляторов частоты вращения в любой момент и при любых режимах работы агрегата, в том числе, находящегося в резерве и готового к пуску. Напорный котел МНУ заполнен в определённом соотношении воздухом и маслом. Количество воздуха и его давление снижаться не должны. Однако вследствие неизбежных протечек воздуха из котла требуется его периодическая подкачка из системы воздушного хозяйства ГЭС.
Для гарантии работы турбины без повреждения контроль уровня масла и давления должен неукоснительно соблюдаться. Особого внимания требует операция по подкачке воздуха в котел. Имели место случаи бесконтрольной подкачки воздуха, в результате чего масло выдавливалось из котла полностью. и воздух прорывался в сливной бак. что сопровождалось бурным выплеском масла в машзал. напоминающим взрыв, с обильным образованием масляного. очень пожароопасного пара. Кроме того, из-за отсутствия подачи масла в силовые органы НА, турбина теряла управление, а в случае отключения генератора от сети в этот момент произошёл бы разгон турбины, что является исключительно тяжелой аварией.
В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.
