Техническое, информационное и методическое обеспечение контроля безопасности ГТС

Проект оснащения сооружений контрольно-измерительной аппаратурой является обязательной составной частью общего проекта гидроузла. Во время строительства в сооружение закладываются датчики и марки (знаки), с помощью которых в дальнейшем измеряются контролируемые показатели.

Кроме датчиков и марок в состав технических средств контроля входят приёмно-вызывные устройства, инициирующие работу датчиков и принимающих сигналы от них. На крупных гидроузлах должны создаваться системы автоматизированного контроля гидротехнических сооружений (САК ГТС), которые включают в себя ядро системы (обычно персональную ЭВМ), связанное линиями связи (кабелями) с терминалами (накопительными станциями), а те, в свою очередь, через коммутаторы и линии связи соединены с датчиками. САК ГТС обеспечивают автоматизированный сбор, передачу, хранение и обработку данных измерений. Технические средства контроля в процессе эксплуатации пополняются и совершенствуются.

Примечания: 1. Устройство и работа технических средств контроля и организация натурных наблюдений будут рассмотрены в специальном курсе и на практических занятиях. Здесь отметим лишь основной принцип, на котором работают датчики. Большинство датчиков, используемых при контроле состояния ГТС, работает на принципе «электрических измерении неэлектрических величин». Например, известно, что частота колебаний струны меняется в зависимости от силы её натяжения, и при одной и той же силе натяжения частота (период) колебаний струны - величина постоянная. В струнных датчиках для измерения температурных или иных деформаций используется это свойство струны. Основной элемент струнного датчика -струна, заключенная в цилиндрическую оболочку. В цилиндре рядом со струной находится катушка (электромагнит). Датчик закладывается в тело плотины при укладке бетона. При нагревании бетон плотины расширяется, удлиняется вместе с бетоном и струна (меняется её натяжение). Периодически на катушку (электромагнит) подаётся электрический импульс, который возбуждает колебания струны, частота которых регистрируется и по тарировочной кривой показания датчика пересчитываются в деформации.

2. Учитывая, что часть датчиков КИА должна закладываться непосредственно в бетон в момент его укладки и уплотнения, технические службы надзора (техинспекция строительной организации, авторский надзор проектной организации и служба технического надзора Заказчика) должны очень строго следить за соблюдением технологии строительного производства, а затем на протяжении длительного времени обеспечить контроль за сохранностью датчиков и их коммуникаций. Здесь необходимо принять во внимание то, что от момента закладки датчиков КИА до их использования иногда проходит несколько лет. Это исключительно ответственный период для соответствующих служб, отвечающих за бесперебойную работу КИА.

Система контроля состояния ГТС, обычно, включает несколько подсистем. Основными подсистемами являются:

- подсистема контроля внешних нагрузок и воздействий (уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, температур окружающих воздуха и воды);
- подсистема контроля перемещений прецизионными (точными) геодезическими методами (плановых и вертикальных смещений характерных точек сооружения, взаимных перемещений отдельных сооружений на их стыках и в швах);
- подсистема контроля напряженно-деформированного состояния (для измерения температур, деформаций и вычисления напряжений);
- подсистема фильтрационного контроля (для измерения фильтрационных расходов, пьезометрических напоров фильтрующейся воды и ее химического состава);
- подсистема контроля качества воды в водохранилище и в нижнем бьефе гидроузла.

В сейсмически активных районах должны создаваться автоматизированные системы сейсмометрического контроля.

Информационное и программное обеспечение диагностического контроля состоит из баз данных, в которых хранятся данные натурных наблюдений, а также из программ обработки и анализа данных измерений на ЭВМ. На основе анализа данных натурных наблюдений службы эксплуатации ГЭС (с привлечением на подрядной основе научно-исследовательских и проектных организаций) должны периодически выпускать отчеты, в которых необходимо обобщать и анализировать данные натурных наблюдений за рассмотренный период.

В последние годы для оценки состояния крупных гидротехнических сооружений разрабатываются экспертные системы - специальные программно-диагностические комплексы, в состав которых входит не только база данных и программы обработки данных отдельных натурных измерений, но также содержатся такие компоненты как база знаний и «машина логического вывода». База знаний, как правило, представляет собой набор правил, выработанных на основе мнений экспертов. С помощью выработанных правил и некоторых, заложенных в экспертную систему алгоритмов логического вывода, оценивается состояние сооружения. Экспертные системы не только формулируют оценку состояния сооружения, но и разъясняют пользователю, почему сделан тот или иной вывод. Однако экспертные системы могут служить лишь вспомогательным средством оценки состояния сооружения. Окончательное решение остается за специалистами, отвечающими за контроль состояния сооружений.

Методическое обеспечение натурных наблюдений (своды правил, инструкции, методические указания, рекомендации) разрабатывается отраслевыми научно-исследовательскими и проектными институтами (ВНИИГом, НИИЭС, Гидропроектом, ВНИИЭ, ВТИ и другими).

До появления Федерального закона в 1997 году основным методическим документом, регламентировавшим порядок и методику проведения натурных наблюдений, были «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей» (ПТЭ). С 1998 года начался пересмотр старого методического обеспечения в свете требований нового закона. Приводимая ниже схема диагностического контроля опирается на новую частично пересмотренную методическую базу, в частности, на «Методику определения критериев безопасности ГТС».

Для каждого сооружения с учётом особенностей его работы и имеющихся технических средств контроля из всей совокупности контролируемых показателей (всех измеряемых и вычисляемых по измеренным данным параметров) выбираются наиболее полезные и значимые (диагностические) показатели, по которым производится оперативная оценка состояния сооружения.

Оценка производится в циклическом режиме путём сравнения на каждом цикле проверки измеренных (вычисленных по измеренным) значений диагностических показателей с их предельно допустимыми (критериальными) значениями и с ожидаемой (прогнозируемой) на момент проверки величиной этого показателя.

В соответствии с рекомендациями «Методики» принято различать три группы возможных состояний ГТС при их эксплуатации:
- нормальное (исправное);
- потенциально опасное (частично неисправное, поврежденное, частично работоспособное, параметрический отказ);
- предаварийное (неработоспособное состояние, отказ).

Возможно (но недопустимо) четвертое состояние - аварийное состояние.

Три группы состояний разделяют две границы, две группы предельно допустимых (критериальных) значений:
- К1 - предупреждающие критерии, задают границу между нормальным и потенциально опасным состояниями;
- К2 - критерии безопасности, задают границу между потенциально опасным и предаварийным состояниями.

Нормальное (исправное) - это состояние, при котором сооружение соответствует всем требованиям нормативных документов и проекта; в нормальном состоянии значения всех диагностических показателей попадают в прогнозируемый интервал и не превышают своих критериальных значений К1 (предупреждающих критериев).

Потенциально опасное - это состояние сооружения, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя вышло за пределы прогнозируемого интервала или превысило критериальное значение К1 (но не превзошло критерия безопасности К2). Выход за пределы прогнозируемого интервала или превышение критериального значения К1 сигнализирует об отклонении от нормальной работы и наличии повреждения (или об ошибочности критериев и прогнозных моделей).

Предаварийное - это состояние сооружения, при котором значение хотя бы одного диагностического показателя стало большим (меньшим) соответствующего критерия безопасности К2.

Если состояние сооружения диагностируется как нормальное, то можно продолжать эксплуатировать, не принимая дополнительных мер. Если состояние сооружения признано потенциально опасным, то в этом случае считается, что угроза прорыва напорного фронта еще отсутствует, однако в сооружении возникла неисправность, которую следует найти и устранить. Собственник (служба эксплуатации) имеют право самостоятельной эксплуатации сооружения в течение некоторого объективного времени (вплоть до устранения неисправности). Однако собственник обязан принять соответствующие меры. В их числе: разработать специальные щадящие режимы эксплуатации, приступить к поиску и устранению повреждения, самостоятельно или с привлечением экспертов оценить достоверность измерений, прогнозных моделей и критериальных значений.

Если состояние сооружения отнесено к предаварийному, и существует угроза прорыва напорного фронта, то собственник обязан оповестить об этом органы надзора, он теряет право самостоятельной эксплуатации сооружения, и решение о дальнейшей эксплуатации или выводе из эксплуатации принимается органами надзора за безопасностью ГТС.

Первоначальные критериальные значения К1. К2 и прогнозные модели, которыми пользуется служба эксплуатации, передаются ей проектной организацией и входят в состав «Декларации безопасности» и «Инструкций по эксплуатации». В дальнейшем, при пересмотре «Декларации безопасности» критерии и прогнозные модели корректируются с учетом данных натурных наблюдений, и новые значения утверждаются органами надзора.

Примечания:

1. Старая методика контроля, регламентированная ПТЭ, была значительно проще и предполагала два возможных состояния сооружения - исправное и неработоспособное, т.е. одну группу критериев (предельно допустимых значений). Образом старого контроля была шкала с красной чертой, по которой движется стрелка. В зависимости от внешних условий (нагрузок и воздействий) меняется значение диагностического показателя и «стрелка» передвигается. Но при этом стрелка не должна заходить за красную черту. Пока стрелка не заходит за «красную черту» - сооружение исправно. Однако такой простейший подход не отвечал ни требованиям Федерального закона, ни реальной практике эксплуатации ГТС.

Федеральный закон требует заблаговременного принятия мер по недопущению аварий. Для гидротехнических сооружений характерен постепенный (накопительный) отказ, начинающийся с отклонения от нормальной работы. Имеющиеся на гидротехнических сооружениях средства контроля позволяют заблаговременно обнаружить отклонения от нормальной работы, принять соответствующие меры и, тем самым, выполнить требование Федерального закона о заблаговременном принятии мер по недопущению аварии.

2. Федеральный закон лишает собственника права самостоятельной эксплуатации неисправного сооружения. Абсолютно исправных сооружений на практике мало. Если не ввести промежуточного потенциально опасного состояния и считать (как в старой схеме), что любое отклонение от нормальной работы делает сооружение неисправным, то это формально лишает собственника права самостоятельной эксплуатации. Тогда, согласно букве закона, почти все ГТС пришлось бы эксплуатировать под контролем органов надзора.

3. Простейшей моделью новой схемы контроля является шкала, по которой передвигается желтый зайчик, имеющий некоторый размер (прогнозируемый интервал контролируемых параметров) и нанесена красная черта. Стрелка должна попадать в жёлтый зайчик (в прогнозируемый для условий проверки интервал) и в то же время не заходить за красную черту. Если стрелка не попадает в жёлтый зайчик, т.е. перешла за его пределы, но и не достигла красной черты, то это означает, что работа сооружения отклонилась от нормальной (прогнозируемой) и состояние сооружения потенциально опасное.
Если стрелка перешла красную черту, то состояние сооружения предаварийное.

Методы построения прогнозных моделей и определений критериальных значений будут рассмотрены в специальном курсе.

В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон, "Гидроэлектростанции", Красноярск, 2002г.