Analysis of the operation of mechanical equipment during the operation of hydro engineering facilities of HPP

Full Text

Как известно, к механическому оборудованию гидротехнических сооружений Жигулевской ГЭС относятся: основные, аварийные и ремонтные затворы и заграждения; сороудерживающие решетки; подъемные устройства для маневрирования затворами, решетками и для ремонта оборудования. Отличительной особенностью механического оборудования, установленного на гидроэлектростанции и водосливной плотине, являются большие размеры перекрываемых отверстий и воспринимаемые этим оборудованием нагрузки, обусловленные большими расходами воды и значительными напорами, достигающими на некоторых затворах 30 м [1].

Общий вес механического оборудования гидроузла вместе с механизмами судоходных шлюзов составляет около 80 тыс. т. При проектировании механического оборудования гидроузла были приняты прогрессивные решения, обеспечивающие значительное снижение веса оборудования. К числу этих мероприятий относят: применение методов расчета пролетных строений затворов как пространственных систем на этапе проектирования механического оборудования; широкое применение низколегированной стали, позволившее снизить вес металлоконструкций примерно на 10 %; отказ от индивидуальных подъемных механизмов на основных затворах донных водосбросов; замена весьма сложных и дорогих лебедочных подъемных механизмов на быстропадающих затворах спиральных камер турбин – гидроподъемниками, снизившими вес оборудования на 1000 т.

Это последнее мероприятие явилось весьма эффективным, позволившим наряду со снижением веса оборудования решить основную проблему передачи бетона больших нагрузок (более 200 т на 1 п. м паза затвора), воспринимаемых затворами, и значительно снизить объем бетона.

На этапе проектирования, при выборе типов затворов, был учтен опыт эксплуатации ранее построенных сооружений. Однако ввиду уникальности Жигулевской ГЭС для решения многих, возникших впервые вопросов, связанных с эксплуатацией механического оборудования, имеющихся практических данных оказалось недостаточно. Разнообразие и весьма значительные размеры перекрываемых отверстий, большая глубина на порогах усложнили задачу выбора типов и конструкций затворов [2].

В основу выбора затворов были положены следующие требования: надежность работы и удобство эксплуатации; экономичность оборудования; компоновка оборудования, обеспечивающая предельное снижение размеров гидроэлектростанции и объемов бетонных работ. Этим условиям в наилучшей степени удовлетворяли плоские скользящие затворы, чем и объяснется их широкое применение на ГЭС. Успешному внедрению таких затворов сопутствовало отмеченное выше положительное разрешение вопроса об опорах скольжения.

Вследствие больших высот перекрываемых отверстий все затворы, кроме основных затворов водосбросов, были многосекционными. Размеры секций приняты в пределах нормальных железнодорожных габаритов. Этим было обеспечено изготовление затворов полностью в заводских условиях. Маневрирование затворами в щитовых отделениях производилось мостовым и козловыми кранами с системой подхватов и штанг, а в машинном зале – мостовыми кранами, работающими спаренно с помощью специальной траверсы. Исключением явились аварийно-ремонтные затворы спиральных камер, где для осуществления автоматического управления были введены индивидуальные гидроподъемники.

Для маневрирования основными затворами водосбросов использовались дожимные траверсы по одной на каждом кране. Равномерность подъема и опускания затворов по фронту гидроэлектростанции, диктуемая гидравлическим режимом в нижнем бьефе, обеспечивалась специальными штангами и подхватами.

Изготовление основных затворов водосбросов из стального литья вызвано стремлением к снижению рабочего сечения затворов в целях сокращения обтекаемого контура и устранения, таким образом, причин, вызывающих вибрацию.

По своему технологическому назначению и расположению механическое оборудование ГЭС разбивается на три группы: оборудование щитового отделения верхнего бьефа, машинного зала и щитового отделения нижнего бьефа [3].

Более подробно рассмотрим механическое оборудование щитового отделения верхнего бьефа, которое служит для защиты агрегатов от разгона, перекрытия входных отверстий водосбросов при авариях с основными затворами, а также для ограждения со стороны верхнего бьефа при необходимости доступа к подводным частям сооружения и оборудованию.

Первая из этих задач решалась установкой на входных отверстиях спиральных камер аварийно-ремонтных затворов с индивидуальными механизмами. Для перекрытия в потоке входных отверстий донных водосбросов одного или последовательно двух агрегатов служат переносные комплекты аварийно-ремонтных затворов. Доступ к подводным элементам сооружения обеспечивался установкой ремонтных ограждений. Маневрирование аварийно-ремонтными затворами водосбросов и ремонтными заграждениями производилось кранами.

Для установки затворов в щитовом отделении было предусмотрено три ряда пазов. В первом ряду, ближайшем к агрегату, расположены аварийно-ремонтные затворы спиральных камер; второй ряд пазов служит для установки аварийно-ремонтных затворов водосбросов и ремонтных заграждений; третий ряд, обращенный в сторону верхнего бьефа, являлся резервным, в котором, при надобности, могут устанавливаться ремонтные заграждения [4].

В состав вспомогательного оборудования щитового отделения верхнего бьефа входят затворы байпасов с механизмами, подъемные штанги основных затворов и решеток, а также опорные балки, подхваты и другое оборудование [5].

Особенностью эксплуатации механического оборудования гидротехнических сооружений является то, что большое количество металлоконструкций – затворы и сороудерживающие решетки, их закладные части – пазы и пороги, металлические облицовки бетона в проточной части турбин и водосбросов и т. п., находящиеся под водой или смачиваемые водой, подвергаются биохимической коррозии, вызывающей интенсивное разрушение металла.

В отдельных случаях, несмотря на относительно небольшой срок пребывания металлоконструкций в воде, коррозия приняла размеры, влияющие на прочность напряженных элементов конструкций [6, 7]. Особенно значительной коррозии подвергались аварийно-ремонтные затворы донных водосбросов и быстропадающие затворы перед спиральными камерами турбин. Так, например, при осмотре аварийно-ремонтных затворов донных водосбросов, поднятых из водоводов турбины, где они находились в течение двух лет, было установлено, что обшивка затворов, выполненная из низколегированной стали, подверглась сильной биохимической коррозии. На напорной стороне обшивка была покрыта большим количеством наростов колоний железобактерий, размеры которых в отдельных случаях достигали 85×75×25 мм. При удалении наростов под ними в металле обшивки были обнаружены язвы глубиной до 7 мм и диаметром 15 мм. Металл обшивки с безнапорной стороны, а также узлы затвора, выполненные из углеродистой стали, и створные швы подверглись коррозии в меньшей степени. Одновременно были освидетельствованы быстропадающие затворы турбины, находившиеся в воде, и секции ремонтных заграждений щитового отделения верхнего бьефа, на которых также была выявлена биохимическая коррозия. Глубина язв в металле обшивки под наростами колоний железобактерий на быстропадающих затворах составляет около 1 мм, а на секциях ремонтных заграждений – около 2 мм.

Учитывая, что аварийно-ремонтные затворы донных водосбросов, как и ремонтное заграждение щитового отделения верхнего бьефа, имеют весьма ответственное назначение [8] и работают под большой нагрузкой при напоре 45 м, степень их коррозии с язвами глубиной до 7 мм следует считать по условиям прочности недопустимой.

Необходимо отметить, что часть подводных металлоконструкций при монтаже не была окрашена либо была покрыта лаками на основе нефтебитумов или каменноугольных смол, оказавшимися в условиях волжской воды неустойчивыми [9].

В целях предотвращения дальнейшего развития коррозии ответственных подводных металлоконструкций ГЭС была произведена окраска металлоконструкций по специальной технологии с применением синтетических красок и лаков, отличающихся большой устойчивостью. При выполнении этих работ при покраске подводных металлоконструкций применялись лакокрасочные материалы по типу и рецептуре как для окраски подводной части судов морского флота. В дальнейшем также выполнялись опытные работы по защите металлоконструкций от коррозии с помощью металлизации (использование цинкового и алюминиевого покрытий).

Металлизация способна обеспечить более долговременную (более 20 лет) [10] защиту и может оказаться более экономичной, чем покрытия лакокрасками. Эти преимущества использования металлизации особенно важны в тех случаях, когда выполнение защитных покрытий связано с трудоемкими работами по демонтажу металлоконструкций и длительным простоем агрегатов, как, например, в случае быстропадающих затворов турбин и т. п. К сожалению, такой метод не нашел широкого применения из-за экологических проблем.

Необходимо также иметь в виду, что в отношении долговечности и эффективности защиты от коррозии и биологического обрастания – перспективным является метод нанесения на поверхность металлоконструкций тонкой пленки пластмасс [11].

Впервые, в марте 1958 г. на Жигулевской ГЭС была обнаружена в системе технологического водоснабжения турбины в массовом количестве ракуша моллюска дрейссены (Dreissena Polymorpha), закупорившая смазочные канавки резиновых вкладышей подшипника турбины и вызвавшая тогда повреждение подшипника вследствие прекращения смазки. В дальнейшем в массовом количестве ракуша дрейссены была обнаружена во всей системе технического водоснабжения ГЭС (охлаждение генераторов, трансформаторов, ртутных выпрямителей и т. д.), а также на подводных металлических конструкциях – затворах, сороудерживающих решетках и т. п.

Как известно, интенсивное обрастание ракушей стержней и ригелей сороудерживающих решеток уменьшает живое сечение, увеличивает шероховатость их поверхностей и увеличивает потери напора на них.

Весьма серьезны затруднения, связанные с проникновением дрейссены в систему технического водоснабжения основного оборудования станции. Согласно представленным данным биологических и эксплуатационных наблюдений, личинки моллюсков дрейссены, проникая вместе с водой в систему технического водоснабжения, прикрепляются в зонах малых скоростей (до 1,5 м/с) к стенкам трубопроводов, к сетке фильтров, к корпусам подшипников турбин и т. п., где быстро разрастаются до размеров 2–3 см, образуя целые колонии. При ремонтах агрегатов, когда система технического водоснабжения опорожняется от воды, моллюски, не имея питания, погибают. По окончании ремонтных работ, когда система технического водоснабжения вновь заполняется водой и включается в работу, погибшие моллюски отрываются потоком воды от стенок, забивают систему, тем самым нарушая смазку и охлаждение оборудования.

По данным эксплуатационных наблюдений массовое размножение дрейссены имеет место в весенне-летний период, с мая по сентябрь, когда температура воды в водохранилище не превышает 15–16 °С.

Принимаемые до настоящего времени меры предотвращения вредного действия дрейссены в системе технического водоснабжения сводятся к разработке и промывке оборудования в местах возможного скопления отмершей дрейссены (корпуса турбинных подшипников, фильтры и трубопроводы системы и др.) непосредственно перед включением оборудования в работу после ремонта.

В настоящее время одновременно с этими мероприятиями ведутся изыскания по окраске оборудования антидрейссенными, не обрабатывающими красками. Принимаются меры предотвращения проникновения живых моллюсков в систему технического водоснабжения с помощью электрических фильтров.

В заключение следует отметить, что механическое оборудование гидротехнических сооружений ГЭС, в частности установленное на сороудерживающем сооружении, в целом соответствует своему назначению, кроме этого оно оказалось удобным в эксплуатации и количественно обеспечивает нормальную эксплуатацию всего комплекса сооружений Жигулевской ГЭС. Примененная новая конструкция токосъемника козловых кранов в виде «лыж», подвешенных на портале крана, также полностью себя оправдала. Незначительные неполадки в работе этой конструкции отмечались только во время сильного гололеда. За все годы эксплуатации Жигулевской ГЭС один раз произошло образование шуги на решетках, когда величины перепада на решетках оказались равными 20–25 см, пропуск шуги, в том случае, был произведен путем подъема сороудерживающих решеток.

About the authors

Sergey V. Evdokimov

Samara State Technical University

Email: sali5@mail.ru

PhD in Engineering Science, Associate Professor, Head of the Nature Protection and Hydrotechnical Construction Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Alla A. Orlova

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: allaorlova5@mail.ru

Senior Lecturer of the Nature Protection and Hydrotechnical Construction Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files