Методология обоснования проектных параметров гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС Козинец Галина Леонидовна

Содержание к диссертации

Введение

1 Развитие теоретических и практических методов обоснования проектных параметров высоконапорных гидроагрегатных блоков ГЭС 19

1.1 Классификация водопроводящих трактов высоконапорных ГЭС 19

1.2 Методика определения ударного давления в турбинном водоводе при закрытии регулирующих устройств 28

1.3 Анализ методов математического моделирования гидроагрегатных блоков 33

1.4 Выводы 43

2 Методология математического моделирования гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС и их водопроводящих трактов 44

2.1 Постановка задачи пространственного моделирования объекта -гидроагрегатного блока 44

2.2 Методика пространственного численного моделирования высоконапорных водопроводящих трактов, как многослойных оболочек 56

2.3 Обоснование высоконапорных водопроводящих трактов с определением оптимальных параметров арматуры и стальной оболочки 68

2.4 Выводы по главе 88

3 Оптимизация параметров прочностных характеристик металлоконструкций, находящихся длительное время в эксплуатации 89

3.1 Методика исследования фактора коррозии на прочность и устойчивость гидротехнических металлических конструкций 89

3.1 Пример расчета коррозионно-изношенной конструкции 92

3.3 Анализ коэффициента запаса устойчивости эксплуатируемой конструкции 101

4 Расчетное обоснование гидроагрегатных блоков ГЭС 107

4.1 Особенности математического моделирования высоконапорных водопроводящих трактов на примере Саяно-Шушенской ГЭС 107

4.2 Конструктивные параметры водопроводящих трактов на примере Саяно-Шушенской ГЭС 1 4.2.1 Сталежелезобетонные турбинные водоводы 116

4.2.2 Сталежелезобетонная спиральная камера 120

4.2.3 Конус и отсасывающие трубы 121

4.3 Классификация основного сочетания нагрузок, действующих на гидроагрегатный блок при эксплуатации ГЭС 122

4.3.1 Гидростатическое давление, собственный вес сооружения и оборудования 123

4.3.2 Пульсационная нагрузка при работе турбины 127

4.3.3 Нагрузка от изменения температуры воды в водопроводящем тракте.. 131

4.3.4 Нагрузки от плотины для приплотинных ГЭС 132

4.4 Классификация экстремальных нагрузок 134

4.4.1 Гидродинамические нагрузки в водопроводящем тракте при закрытии регулирующих устройств и гидравлическом ударе 134

4.4.2 Нагрузки на опоры статора от электромагнитных небалансов при аварийном торможении генератора 149

4.4.3 Динамическая вибрационная нагрузка на опоры статора при закрытии регулирующих устройств 151

4.4.4 Сейсмическая нагрузка, заданная акселерограммой на грунте основания 154

4.5 Выводы по главе 161

5 Обоснование проектных параметров гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС 162

5.1 Исследование прочности высоконапорных турбинных водоводов 162

5.2 Результаты расчета анкерной опоры турбинного водовода 170 5.3 Анализ напряженно-деформированного состояния агрегатного блока и спиральной камеры 177

5.4 Анализ напряженно-деформированного состояния конуса отсасывающей трубы 185

5.5 Анализ биения вала турбины 187

5.6 Анализ амплитуд перемещений опорных статорных тумб 192

5.7 Обоснование проектных и прочностных параметров и определение условий безаварийной работы гидроагрегатного блока 197

Заключение 200

Список сокращений 206

Список литературы 2

• Методика определения ударного давления в турбинном водоводе при закрытии регулирующих устройств
• Обоснование высоконапорных водопроводящих трактов с определением оптимальных параметров арматуры и стальной оболочки
• Пример расчета коррозионно-изношенной конструкции
• Конструктивные параметры водопроводящих трактов на примере Саяно-Шушенской ГЭС 1

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Современное развитие крупной гидроэнергетики в мире ориентируется, как правило, на высоконапорные ГЭС с высокой единичной мощностью гидротурбинного оборудования. Уникальные параметры элементов высоконапорных водопроводящих трактов позволяют обеспечить высокие технико-экономические характеристики гидроузла и производства электроэнергии. Одной из важнейших проблем при проектировании таких объектов является обеспечение прочности и безопасной эксплуатации элементов водопроводящего тракта, оборудования, гидроагрегатного блока и сооружения в целом. Аварийные ситуации на гидроузлах всегда сопряжены с огромными материальными, экологическими и социальными ущербами, поэтому, разработка принципиально новых проектных и технических решений по обоснованию параметров гидроагрегатных блоков на основе современных, компьютерных методов пространственного математического моделирования элементов и сооружений и их внедрение в практику проектирования, представляет собой крайне важную и актуальную проблему. В этой связи, компанией «РусГидро» в апреле 2010 г. принята «Программа безопасной эксплуатации гидроэнергетических объектов», которая получила приоритетное развитие на ближайшее десятилетие. Особое внимание в этой программе уделяется высоконапорным гидроэлектростанциям, с напором выше 100м, таким как Саяно-Шушенская ГЭС им. П.С.Непорожнего, Чиркейская ГЭС, Ирганайская ГЭС, Зарамагская ГЭС, Бурейская ГЭС, Зейская ГЭС, аварии на которых могут приводить к особенно тяжелым последствиям.

Степень разработанности темы исследования. В настоящее время проектирование высоконапорных гидроагрегатных блоков и их водопроводящих трактов регламентируется нормативно-методическими документами, разработанными, в основном, в 70 - 80-х годах ХХ-го века. При этом, действующая нормативная база, обеспечивая в целом достаточно высокий технический уровень проектных решений, но основанный на раздельном моделировании элементов, конструкций и процессов в гидроагрегатном блоке, не соответствует современным требованиям проектирования и расчетных обоснований высоконапорных гидроэнергетических объектов. Подобный фрагментарный подход не учитывает, в полной мере, влияния на водопроводящии тракт гидродинамических нагрузок от движущегося потока воды и работающего оборудования, не позволяет проводить комплексное расчетное обоснование элементов и конструкций в трехмерной постановке, затрудняет оценку остаточного ресурса прочности конструкций эксплуатируемого объекта при отклонениях от проектных решений. Современные компьютерные технологии и программные комплексы позволяют решать многовариантные задачи на основе пространственного математического моделирования элементов, конструкций, процессов водопроводящего тракта, с учетом широкого спектра факторов, ранее не рассматриваемых, либо учитываемых упрощенно.

В настоящее время пока не сложилось единого нормативного и методологического подхода к проектированию гидроэнергетических объектов, особенно высоконапорных, на основе пространственного численного моделирования, позволяющего оценить работоспособность гидроагрегатных блоков при экстремальных воздействиях.

Перечисленные проблемы являются существенными препятствиями на пути повышения безопасности гидроэлектростанций в целоми обеспечении выдачи гарантированной мощности потребителю.

Цель работы.

Развитие теоретических и практических методов обоснования проектных параметров высоконапорных гидроагрегатных блоков ГЭС на основе пространственных численных моделей.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1. Разработана методология численного моделирования гидроагрегатных блоков ГЭС, отражающая реальные условия эксплуатации оборудования и сооружения.

2. Выполнена классификация высоконапорных водопроводящих трактов в составе ГЭС и их основных элементов (напорные турбинные водоводы, спиральные камеры, затворы) по уровню гидродинамических нагрузок.

3. Построены новые пространственные расчетные модели гидроагрегатных блоков с учетом нагрузок от работы оборудования.

4. Разработан алгоритм пространственного моделирования турбинных водоводов и спиральных камер, как многослойных оболочек.

5. Разработан метод расчета металлоконструкций водопроводящих трактов, находящихся длительное время в эксплуатации.

6. Выполнена классификация и определены ранее не учитываемые нагрузки на гидроагрегатный блок для нормальных и экстремальных условий эксплуатации.

7. Проведены численные исследования гидроагрегатного блока, обоснованы егопроектные и прочностные параметры, определены условия безаварийной работы оборудования и сооружения (на примере Саяно-Шушенской ГЭС).

Методология и методы исследования.

Методология исследования гидроагрегатных блоков состоит в разделении их на составляющие подсистемы, их изучении и последующем совместном анализе. Использованы численные методы математического моделирования. Исследования выполнены с помощью универсального программного комплекса Solid WORKS Simulation, реализующего метод конечных элементов (МКЭ).

Научная новизна:

предложена новая методология пространственного численного моделирования гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС с учетом работы гидроэнергетического оборудования;

разработана новая методика расчета высоконапорных водопроводящих трактов ГЭС, как многослойных сталежелезобетонных оболочек, позволяющая оптимизировать их проектные параметры;

предложены новые критерии прочности для оценки периода эксплуатации стальных конструкций водопроводящих трактов ГЭС;

определены ранее не учитываемые нагрузки на гидроагрегатный блок при нормальных и нештатных режимах работы оборудования;

построены новые расчетные численные пространственные модели гидроагрегатных блоков и их водопроводящих трактов, обосновывающие параметры проектируемых и реконструируемых ГЭС.

Достоверность проведенных исследований обеспечивается:

результатами сопоставления расчетных значений напряжений и деформаций с данными натурных исследований;

качественным и количественным согласием с результатами решения задач по существующим методическим документам.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке методологии пространственного численного моделирования гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС для их рационального проектирования.

Практическая значимость работы и внедрение результатов.

Результаты расчетных исследований использованы при проектировании новых и реконструкции эксплуатирующихся гидротехнических сооружений: Саяно-Шушенской ГЭС; Ирганайского гидроузла; Усть-Илимской ГЭС; Зарамагской ГЭС, Гоцатлинской ГЭС, Мамаканской ГЭС, Нижне-Бурейской ГЭС, Усть-Среднеканской ГЭС, Вилюйской ГЭС, Зейской ГЭС, Канкунской ГЭС, Ленинградской ГАЭС и других станций (ОАО «Ленгидропроект» г. Санкт-Петербург). На основании построенных пространственных численных моделей реализовано следующее:

8. Проект восстановления СШГЭС в части расчетных обоснований по договору № 2717 между РусГидро и ОАО «Ленгидропроект». Выполнение расчетов по тематике НИР с СШГЭС им. П.С. Непорожнего.

9. НИР по проекту и выбору вариантов плотины Канкунской ГЭС. Почетный диплом РусГидро за лучшую научно-исследовательскую работу в области гидроэнергетики за 2011 г.

10. НИР по проекту Ленинградской ГАЭС. «Методика пространственного моделирования здания ГАЭС и турбинных водоводов».

11. НИР по проекту Зарамагской ГЭС-1 «Обоснование надежности высоконапорных турбинных водоводов».

12. Патент на полезную модель № 118323 «Бетонная гравитационная плотина для суровых климатических условий», 2011 г.

13. Патент на полезную модель № 121272 «Бетонная гравитационная плотина для суровых климатических условий», 2012 г.

14. Патент на полезную модель № 127089 «Узел сопряжения противо фильтрационного устройства грунтовой плотины с береговыми примыканиями 2012 г.

15. Результаты работы одобрены научно-техническими советами ФГбУН гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук, ОАО «Ленгидропроект», РусГидро,

Мосгидропроект, кафедры «Водохозяйственное и гидротехническое строительство» ИСФ ФГАОУ ВОСПбПУ.

Личное участие автора состоит в постановке задач, разработке и внедрении методологии обоснования проектных параметров высоконапорных гидроагрегатных блоков ГЭС, а также в построении пространственных компьютерных моделей гидроагрегатных блоков ГЭС, выполнении расчетных исследований и анализе полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту:

1) Метод обоснования проектных параметров гидроагрегатных блоков

высоконапорных ГЭС на основе пространственного численного моделирования.

2. Классификация элементов высоконапорных водопроводящих трактов.

3. Методика моделирования водопроводящих трактов, как многослойных оболочек.

4. Уточнение критериев прочности и устойчивости стальных затворов.

5. Классификация нагрузок на гидроагрегатный блок.

6. Анализ показателей прочности материала и ранжирование нагрузок в напряжения элементов гидроагрегатных блоков при нормальных и нештатных условиях эксплуатации.

Апробация полученных результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, (2004, 2005, 2006 г.г.), на Научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Н.Я. Панарина (СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2005 г.), на Международной конференции REMAS 2008 (СПбГПУ, Санкт-Петербург 2008), на Научно-технической конференции во ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева, на международной конференции по гидротехнике в МГУП (Москва, 2011 г.), на заседаниях кафедры ВиГС СПбПУ, 2006-2014 г.г., в Институте теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН, г. Новосибирск.

Материалы диссертации опубликованы в 25печатных работах, в том числе в 16 из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Методика определения ударного давления в турбинном водоводе при закрытии регулирующих устройств

Водопроводящие тракты являются одной из основных составляющих высоконапорных гидроэлектростанций, определяющих в целом надежность их работы. К наиболее ответственным частям водопроводящих трактов относятся турбинные водоводы и спиральные камеры.

Высоконапорные ГЭС с напором воды более 100 м подразделяются на приплотинные и деривационные [66, 67].

В зданиях высоконапорных гидроэлектростанций применяют ковшовые или радиально-осевые турбины с металлическими или сталежелезобетонными спиральными камерами [21]. Следует заметить, что в приплотинной станции здание ГЭС располагается в русле реки сразу за плотиной, и вода подводится к турбинам по сталежелезобетонным турбинные водоводам, расположенным на низовой грани плотины. Примерами таких гидроэлектростанций являются Саяно-Шушенская ГЭС, Красноярская ГЭС на р. Енисей, Братская ГЭС на р. Ангара, Чиркейская ГЭС на р. Сулак, Бурейская ГЭС на р. Бурея, Зейская ГЭС на р. Зея.

Другой вид компоновки приплотинных ГЭС, соответствует горным условиям, при сравнительно малых расходах реки. Примером является Нурекский гидроузел на р. Вахш (Средняя Азия) проектной мощностью 3000 МВт с самой высокой плотиной в мире (300 м). Здесь вода подводится к турбинам по напорным туннелям.

В деривационных ГЭС вода подается к турбинам по внешним водоводам, а сама деривация может быть безнапорной, напорной или смешанной. Если в начале деривации на реке создается водохранилище с помощью высокой плотины - такая схема называется смешанной деривацией, так как используются оба метода создания необходимой концентрации воды. Иногда с помощью деривации производится переброска стока реки в соседнюю реку, имеющую более низкие отметки русла. Характерным примером является Ингурская ГЭС, где сток реки Ингури перебрасывается туннелем в соседнюю реку Эрисцкали (Кавказ). Крупнейшая ГЭС с безнапорной подводящей деривацией - ГЭС Роберт-Мозес (США) мощностью 1950 МВт, а с безнапорной отводящей деривацией -Ингурская ГЭС (СССР) мощностью 1300 МВт. На ГЭС с напорной деривацией водовод прокладывается с несколько большим продольным уклоном, чем при безнапорной деривации. Применение напорной подводящей деривации обусловливается изменяемостью горизонта воды в верхнем бьефе, из-за чего в процессе эксплуатации изменяется и внутренний напор деривации. В состав сооружений ГЭС этого типа входят: плотина, водозаборный узел, деривация с напорным водоводом, станционный узел ГЭС с уравнительным резервуаром и турбинными водоводами, отводящая деривация в виде канала или туннеля (при подземной ГЭС, Рагунская ГЭС) и наземном здании ГЭС (Зарамагская ГЭС). Наиболее мощная ГЭС с отводящей деривацией) этого типа - ГЭС Харспронгет (Швеция, 350 МВт), Крупнейшая ГЭС с напорной подводящей деривацией -Нечако-Кемано (Канада) проектной мощностью 1792 МВт.

Оболочка турбинного водовода в здании ГЭС стыкуется с оболочкой спиральной камеры или распределительного устройства (для ковшовых турбин). В настоящее время действующие российские нормативные документы предусматривают для высоконапорных ГЭС три типа спиральных камер круглого поперечного сечения [72]: 1) стальные, полностью отделённые мягкой прокладкой от бетона агрегатного блока, при этом стальная оболочка целиком воспринимает гидростатическое давление, а окружающий бетон армируется конструктивно; 2) сталежелезобетонные с мягкой прокладкой, в верхней части стальной оболочки, в этом случае расчетное армирование блока предусматривается под стальной оболочкой; 3) сталежелезобетонные с полным сопряжением стальной оболочки с бетоном агрегатного блока при кольцевом расчетном армировании, обеспечивающем ограничение ширины раскрытия трещин.

Среди представленного многообразия водопроводящих трактов в данной работе исследованы напорные турбинные водоводы и спиральным камеры, имеющим величину параметра «PD» (произведение гидродинамического давления на диаметр входного сечения трубы) при нормальных условиях эксплуатации больше 12 МПа м.

При больших параметрах «PD» остро встает вопрос надежности высоконапорной гидроэлектростанции, поэтому несущая оболочка водопроводящего тракта проектируется сталежелезобетонной, в этом случае создаются условия для перераспределения напряжений между стальной оболочкой и арматурой при давлении воды внутри трубы.

В таблицах 1.1, 1.2 приведены основные параметры сталежелезобетонных спиральных камер и водоводов на территории России и стран СНГ.

Следует заметить, что при совместной работе стальной и железобетонной оболочек спиральной камеры, арматура препятствует чрезмерному раскрытию трещин и их глубокому распространению в бетонный массив турбинного блока, что стабилизирует напряженно-деформируемое состояние опорных элементов статора турбины при высоких напорах. Вместе с тем, многослойная конструкция дает возможность разгрузить металлическую оболочку и передать часть гидростатической нагрузки на обрамляющий ее несущий армокаркас. Исходя из такой специфики работы, сталежелезобетонные водопроводящие тракты являются более надежными конструкциями, обеспечивающими прочность и работоспособность в условиях особых сочетаний нагрузок и аварийных ситуаций. Не случайно, проектирование подобных водопроводящих трактов целесообразно только для высоконапорных ГЭС, аварийные ситуации на которых приводят к наиболее тяжелым последствиям. Для наглядности приведем лишь несколько крупных катастроф, произошедших в недавнем прошлом.

Авария на деривационной ГЭС Бъедронс водохранилищем на реке Диксенс, машинный зал станции расположен на реке Рона (Швейцария). Станция была запущена в эксплуатацию в 1998 г., установив сразу два мировых рекорда - на сегодня ГЭС использует самые мощные ковшовые турбины Пельтона и самый большой расчетный напор ( 1883 м), при котором они работают. Также, в 2011 г. эта станция являлась самой крупной ГЭС на территории Швейцарии. 12 декабря 2000 г. на турбинном водоводе произошел разрыв. Разрушение трубопровода, как предполагается, произошло в силу нескольких факторов, включая слабые породы в районе разрыва. Размер образовавшейся трещины составил приблизительно 0,6 х 9 м, а поток поступающей под давлением воды в момент аварии 150 м3/с. Вода под высоким давлением уничтожила около 100 га пастбищ, садов, лесов и ферм. Три человека погибло. Работа ГЭС Бъедронс была восстановлена частично в декабре 2009 г., а возобновлена полностью - в январе 2010 г. До сих пор отсутствует достоверная информация о первопричине произошедшей аварии.

Обоснование высоконапорных водопроводящих трактов с определением оптимальных параметров арматуры и стальной оболочки

Выделенные позиции усложняют процесс моделирования, однако их учет необходим для решения практических задач по определению количественной и качественной оценки прочности и надежности объекта. Особенностью пространственного численного моделирования является одновременный учет ряда факторов, влияющих на напряженно-деформируемое состояние объекта. Адекватность модели - условное понятие, так как полного соответствия модели реальному объекту быть не может, что характерно для уникальных гидротехнических объектов. При моделировании имеется в виду не просто копия, а соответствие натурным показателям, которые считаются существенными для исследования. Без такой проверки применение результатов моделирования не эффективно.

Всесторонний анализ выявляемых расхождений между физическим объектом и моделью, сопоставление результатов по модели с результатами натурных наблюдений, помогают выработать пути коррекции моделей.

Рассмотрим общую схему процесса моделирования, состоящую из четырех следующих этапов: 1) Сбор исходных данных об объекте - физической системе. Любая модель замещает оригинал в строго ограниченном смысле. Из этого следует, что для одного объекта может быть построено несколько моделей, характеризующих его с разной степенью детализации. Пространственное моделирование гидроагрегатного блока с учетом многофакторности наиболее близко приближено к оригиналу. 2) На втором этапе следует сам процесс построения математической модели, и модель выступает как самостоятельный объект исследования. Конечным результатом этого этапа является определение напряженно-деформированного состояния модели с учетом всех факторов, которые отражены в данной модели. 3) Третий этап заключается в соответствии модели оригиналу. При этом результат решения задачи прочности должен соответствовать данным натурных наблюдений или быть адекватным с разумной погрешностью. 4) На четвертом этапе осуществляются практическая проверка полученных результатов и их использование, для оценки состояния реального объекта, и для его целенаправленного преобразования. В итоге мы снова возвращаемся к проблематике объекта-оригинала.

Из этого следует, что моделирование представляет собой циклический процесс, т.е. за первым четырехэтапным циклом может последовать второй, третий и т. д. При этом, знания об исследуемом объекте постоянно расширяются и уточняются, а первоначально построенная модель калибруется и совершенствуется. Другими словами, проводится верификация модели.

Перечисленные этапы математического моделирования находятся в тесной взаимосвязи, и могут иметь место возвратные связи этапов. Так, на этапе построения модели может выясниться, что постановка задачи или противоречива, или приводит к слишком сложной математической модели; в этом случае исходная постановка задачи должна быть скорректирована. Наиболее часто необходимость возврата к предшествующим этапам моделирования возникает на этапе подготовки исходной информации при проектировании объекта.

Гидроагрегатные блоки имеют ограниченный срок службы и подлежат модернизации, поэтому их жизненный цикл разделен на два основных этапа.

Как отмечалось в Главе 1, на этапе проектирования объекта расчетное обоснование выполняется по действующим нормам проектирования, из условия задания проектных нагрузок и начальных физических характеристик материалов. На этапе эксплуатации необходима адаптация математической расчетной модели к фактическим условиям работы, с учетом периода эксплуатации сооружения, с заданием изменившихся физических характеристик материала и возникающих непроектных нагрузок.

Задача математического моделирования системы разделена на следующие этапы: идеализация, дискретизация, решение. Каждый шаг численного моделирования вносит свою ошибку в решение. В инженерной практике погрешность перехода от физической системы к математической модели наиболее существенна, что подтверждает некоторое расхождение между результатами расчетных обоснований и данными натурных наблюдений. Ошибки этого шага достаточно трудны и дорогостоящи для оценки, поскольку, верификация модели требует сравнения с экспериментальными данными, объем которых, как правило, недостаточен. Следующая по важности - ошибка дискретизации. Полученное численное решение в общем случае это аппроксимация или приближение точного решения математической модели, что предполагает ошибку или погрешность дискретизации. Каждый шаг численного моделирования является самостоятельной задачей. На первом этапе, исходя из инженерных знаний о работе конструкции, формируется начальная конечно-элементная расчетная модель.

Впоследствии эта модель корректируется на основе анализа результатов расчета и натурных данных. Таким образом, осуществляется постоянный кругооборот от физической системы к математической модели и наоборот, ведется мониторинг состояния сооружения, позволяющий судить о ее безопасной эксплуатации. Основные шаги использованной верификации физической модели по МКЭ показаны на блок-схеме рисунка 2.1.

Основные шаги численного моделирования сооружения Математическая модель включает в себя дискретную модель и решение задачи. Постановка задачи и задание граничных условий определяют результат решения и его погрешность.

При дискретизации расчетной области средний размер элемента выбирается по результатам расчетов на нескольких этапах дискретизации, на последнем этапе величины напряжений предыдущего результата не превышают последующих значений на 5%.

Пример расчета коррозионно-изношенной конструкции

Алгоритм решения задачи с определением коэффициентов корреляции напряжений реализован на примерах коррозионно-изношенных сегментных затворов водосливной плотины Усть-Илимской ГЭС, металлической эстакады водосброса Саяно-Шушенской ГЭС, получившей повреждения от ледовой нагрузки зимой 2010года, опоры ЛЭП №5 Саяно-Шушенской ГЭС.

Представим результаты расчета сегментного затвора, входящего в состав механического оборудования водосбросной плотины Усть-Илимской ГЭС. Затвор предназначен для регулирования уровня верхнего бьефа и расхода воды.

Целью данной работы являлось установление периода безопасной эксплуатации сегментного затвора с учетом воздействия ледовых нагрузок и коррозионного износа металлоконструкции. Выполнение работы основывалось: На результатах технического отчета «Расчет статического давления льда водохранилища на сегментные затворы Усть-Илимской ГЭС». ОАО «ВНИГ» им. Б.Е. Веденеева, СПб-2004 г. На итогах обследования технического состояния сегментных затворов водосброса плотины Усть-Илимской ГЭС, 1ДО 12902, СПКТБ «Ленгидросталь», СПб-2004 г. На основании проектной документации «Затвор сегментный 15,00-10,30-8,92» Усть-Илимской ГЭС, заказ 48ЛЭ1, СПКТБ «Ленгидросталь», Ленинград 1974г [28]. Исследуемый сегментный затвор представляет собой сварную конструкцию, состоящую из металлической обшивки, стрингеров, двух ригелей и двух наклонных опорных порталов. Ригели и порталы в плане образуют две рамы, передающие нагрузку на опорные шарниры (см. рисунок 3.3).

Горизонтальное уплотнение по порогу выполнено из листовой резины ножевого типа, боковые уплотнения - из резины специального профиля. Б-Б Ьехелоривя сторон 14000 Мапорио» старее Схема конструкции сегментного затвора Маневрирование затвором производится краном с помощью траверсы и многозвенных штанг за две точки подвеса.

Для расчета по методу конечных элементов металлоконструкция сегментного затвора заменяется системой конечных элементов, связанных между собой в узлах. Следует заметить, что ввиду неравномерной коррозии нарушаются условия симметрии конструкции, поэтому для расчета выполнено построение конечно-элементной модели полного затвора (рисунок 3.4).

Общая система координат принята следующим образом: начало координат - на оси симметрии затвора в нижней точке обшивки, ось Х- горизонтально, перпендикулярно нижней линии обшивки; ось Y - горизонтально вдоль нижней линии обшивки; ось Z - вертикально. В расчете используются 4-х-узловые плоские пластинчатые элементы и балочные элементы уголкового профиля. На узлы расчетной схемы наложены следующие связи: - узлы заделки опорного шарнира в бетон закреплены от перемещений относительно всех осей; - узлы опирання металлоконструкции на порог закреплены от перемещений по оси Z . Количество узлов расчетной схемы - 44090, пластинчатых элементов -44572, балочных элементов - 2248. Рисунок 3.4 - Конечно-элементная модель сегментного затвора

В расчете рассмотрено несколько возможных комбинаций нагрузок, одна из которых включает в себя: гидростатический напор при НПУ = 8,92 м; собственный вес конструкции; давление льдаРл =120 т. На рисунке 3.5 представлен график распределения гидростатической и ледовой нагрузки на обшивку затвора. Горизонтальная ледовая нагрузка определена при заданном значении перепада температуры воздуха Аґ =15,1 , средней толщине льда }jc= 0,66 м, приведенная толщина льда составляет }jred= 1,01 м. Линейная нагрузка от ледового покрова q = 0,8МН/м = 8т/м [89].

Линия приложения линейной нагрузки от ледового покрова принимается ниже расчетного уровня воды на 0,25 fac =0,25x0,66 = 0,165 м (рисунок 3.5). Распределенная нагрузка, действующая на толщине деятельного слоя / = 0,165 м, составляет при этом: Максимальные напряжения определены в точках № 74 и 84, в зоне изменения сечений опорных порталов, где коррозия металла составляет - 10% от проектных толщин. В этом случае, зафиксирована начальная стадия наступления пластических деформаций в зонах, где (J = 295 МПа. В связи с этим, выполнен статический нелинейный анализ стандартным методом Ньютона-Рафсона. В расчете переформирование матрицы жесткости и итерационный процесс осуществлено на каждом шаге по времени t, пределы изменения параметра t - от 0 до 1 с. Максимальное число итераций задавалось 20, точность решения - 0,01. Возможность наступления пластических деформаций определялась заданием диаграммы деформирования а = /(є) для малоуглеродистой стали марки 09Г2С. При достижении напряжениями величины а = ат {ат - предел текучести), дальнейшее удлинение происходит практически без увеличения нагрузки, площадка текучести задана.

Нелинейный анализ затвора для этапа эксплуатации с максимальной коррозией выявил снижение максимальных напряжений с 295 МПа до 250 МПа (рисунок 3.9). В таблице 3.1 представлены значения напряжений в зоне концентрации в случае выполнения линейно-статического и нелинейного расчета. Уменьшение напряжений свидетельствует о наличии пластических деформаций в зоне концентрации напряжений.

Конструктивные параметры водопроводящих трактов на примере Саяно-Шушенской ГЭС 1

В период проектирования (1965 - 1976 гг.) и на начальном этапе нормальной эксплуатации (до 1996 года) сейсмическая активность площадки СШГЭС оценивалась в 7 баллов по шкале MSK-64 с повторяемостью сейсмических воздействий 1 раз в 1500 лет. В 1997 г. расчетная сейсмичность была уточнена в соответствии с «Комплексной программой по повышению сейсмостойкости объектов энергетической отрасли», разработанной комиссией по чрезвычайным ситуациям РАО «ЕЭС России», и принята равной 8 баллам по шкале MSK-64 на скальных грунтах II категории по сейсмическим свойствам.

По карте общего сейсмического районирования ОСР-97-С район Саяно-Шушенской ГЭС относится к 9-ти балльной зоне по шкале MSK-64 с периодом повторяемости сотрясений один раз в 5000 лет. Для скальных грунтов, залегающих в основании Саяно-Шушенской ГЭС и относящихся к I категории по сейсмическим свойствам, это соответствует 8 баллам [94].

После аварии 17 августа ЦСГНЭО были выполнены дополнительные сейсмологические исследования по уточнению сейсмичности участка основных сооружений и определение параметров расчетных сейсмических воздействий на заменяемое гидромеханическое и электротехническое оборудование и строительные конструкции Саяно-Шушенской ГЭС.

По итогам сейсмологических исследований автором выполнены динамические расчеты и синтезирована трехкомпонентная акселерограмма на грунте основания ГЭС (рисунок 4.28).

Расчетная трехкомпонентная акселерограмма (зависимость ускорений в м/с от времени в секундах) На основании расчетной поэтажной акселерограммы выполнен динамический анализ агрегатного блока с последующим определением поэтажных спектров ответа и акселерограмм на отметках установки оборудования СШГЭС. Акселерограмма и спектры представлены на рисунках 4.29 и 4.30 соответственно.

Поэтажная вертикальная акселерограмма на отм. 315.485опорных элементов статора турбины (зависимость ускорений в м/с от времени в секундах)

Расчеты спектров реакции здания ГЭС в местах установки заменяемого гидротурбинного и механического оборудования производились прямым динамическим методом теории сейсмостойкости в трехмерной постановке. Демпфирование принято 5 % от критического.

На основании верифицированной конечно-элементной модели здание ГЭС -основание определена сейсмостойкость и получен вклад сейсмической составляющей нагрузки в напряженно-деформированное состояние элементов сооружения. Определены сорок собственных частот в диапазоне 4,5-26,2 Гц, таблица 4.9. По анализу частот и форм колебаний гидроагрегатного блока можно заключить следующее:

Первая форма собственных колебаний здания ГЭС. с частотой 4,5 Гц имеет минимальный вклад, (коэффициент присоединения равен 1) и не является доминирующей для работающего турбинного оборудования (рисунок 4.31).

Первая доминирующая собственная частота 8,97 Гц здания ГЭС соответствует третьей форме колебаний с коэффициентом присоединения в сейсмическую нагрузку равным 80, на рисунке 4.32 представлена третья форма колебаний агрегатного блока с частотой 8,97 Гц, в таблице 4.10 представлены Модальные отклики здания СШГЭС.

В момент снижения мощности до 475 МВт в запрещенной зоне эксплуатации происходит закрытие направляющего аппарата - данная точка характеризуется вращением центрального жгута с частотой 0,48-0,7 Гц. Как показывают результаты натурных испытаний агрегатов, данные контроля параметров эксплуатации, систем контроля и мониторинга эта частота является существенной во всех элементах проточного тракта, кроме пульсации давления под крышкой турбины, где определяющими являются также частота 4,76 Гц (двойная оборотная) и частоты в диапазоне 200-300 Гц. Определяющей частотой вибраций корпуса ТП и биения вала является двойная оборотная частота. При этом, получается наибольшее ее сближение с первой собственной частотой колебаний агрегатного блока v = 4,5 Гц, которая в свою очередь не является определяющей при сейсмическом воздействии, таким образом резонансные явления на отметках расположения турбины исключены.

В четвертой главе на примере Саяно-Шушенской ГЭС разработана новая пространственная математическая модель гидроагрегатного блока ,имеющая в своем составе: нижнюю часть сталежелезобетонного водовода, анкерную опору, агрегатный блок, скальный массив, оборудование на отметках.

В математической модели учтены особенности деформирования материала при условии образования и наличия трещин. Выполнено пространственное моделирование водопроводящих трактов с использованием многослойных оболочек.

Бетон агрегатного блока отделен от плотины температурным швом 50 мм. Взаимодействие между плотиной и зданием ГЭС осуществлено через стальную оболочку водовода и общее грунтовое основание.

Определены нагрузки при нормальных и экстремальных режимах эксплуатации гидроагрегатного блока. Обоснование проектных параметров гидроагрегатных блоков высоконапорных ГЭС

Глава посвящена расчетным исследованиям прочности и работоспособности гидроагрегатных блоков в фактических и экстремальных условиях эксплуатации на примере Саяно-Шушенской ГЭС.

Под работоспособностью понимается - способность агрегатного блока и его элементов выполнять свои функции, воспринимая нагрузки основных и особых сочетаний. Работоспособность гидроагрегатного блока зависит от прочности элементов водопроводящего тракта - бетона, арматуры и стальной оболочки, на которую непосредственно действует гидростатическое давление воды. Поэтому работоспособность в значительной мере обеспечивается обоснованием конструктивных проектных параметров гидроагрегатного блока. Далее последовательно выполнены исследования прочности элементов водопроводящего тракта в составе пространственной модели гидроагрегатного блока: турбинных водоводов, анкерной опоры, спиральной камеры, отсасывающих труб. Впервые на пространственной модели вычислены биения вала турбины, напряжения и деформации подстаторных тумб.