Главная / Безопасность турбогенераторов / Проблема взрыво - пожаро безопасности

Проблема взрыво - пожаробезопасности в  машинном зале электростанции, где установлены турбогенераторы с водородным охлаждением

О.С. Голоднова, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник

1.  Устройство газомасляной системы турбогенератора с водородным охлаждением

На тепловых и атомных электростанциях установлены  турбогенераторы  с  водородным  и   водородно-водяным охлаждением различной мощности  (от 25 до 1200 МВт) с избыточным  давлением  водорода  в корпусе  0,05÷0,5  МПа.

Для предупреждения утечки водорода в местах выхода вращающегося вала из корпуса с обеих сторон генератора установлены масляные уплотнения (рис.1).


Рисунок 1 – Продольный разрез турбогенератора с водородным охлаждением

Принцип работы уплотнений вала: «запирание»  водорода осуществляется встречным потоком масла: в зазор между вкладышем и валом подается турбинное масло, давление которого всегда выше давления водорода на заданную величину – обычно от  0,05 до 0,09 МПа.

Основные типы уплотнений вала: кольцевые, или радиальные, и торцевые, или аксиальные (рис. 2). Уплотнения вала часто называют уплотняющими подшипниками, поскольку есть конструктивное сходство кольцевых уплотнений с опорными подшипниками, а торцевых – с  упорными. Значительное отличие заключается в величине нагрузки на вкладыш: в опорном подшипнике  вкладыш нагружен весом ротора, а в кольцевом уплотнении нагрузка F – это только вес самого вкладыша. Аналогично в упорных подшипниках нагрузку создает давление со стороны вала, а в торцевом уплотнении нагрузка F  создается пружинами или гидравлически, и она значительно меньше, чем в подшипнике. Подробно конструкции уплотнений рассматриваются в [2, 7, 8].

Принципиальная типовая схема маслоснабжения уплотнений приведена на рис. 3. Для уплотнений применяется то же турбинное масло, что и в системе смазки подшипников турбоагрегата, с которой система маслоснабжения уплотнений связана.  Необходимое для «запирания» водорода давление масла обеспечивается маслонасосами, а  необходимое превышение давления масла над давлением водорода  обеспечивается регулятором перепада давлений масла и водорода. Подробно различные модификации схем маслоснабжения уплотнений рассматриваются в [2, 7, 8].

Отказы  в  работе уплотнений   вала и оборудования  их  систем  маслоснабжения  приводят  к вынужденным остановам турбоагрегатов (примерно 15 ÷  25 % от общего числа остановов)   и недовыработке электроэнергии.

От качества работы уплотнений  и оборудования системы маслоснабжения зависит возможность обеспечения требуемой газоплотности, а, следовательно,  пожаро-  и  взрывобезопасности в машинных залах.

Чтобы обеспечить высокое качество  работы уплотнений и газомасляной системы,  эксплуатационному и ремонтному персоналу надо знать следующее:

–                   пути обеспечения  безопасности эксплуатации и ремонта турбогенераторов с водородным охлаждением;

–                   возможные последствия различных нарушений в работе уплотнений и газомасляной системы;

–                   конструкции, назначение и принцип работы уплотнений и оборудования газомасляной системы;

–                   причины дефектов уплотнений и газомасляной системы и пути их предупреждения;

–                   требования  к   монтажу, ремонту и техническому обслуживанию уплотнений и оборудования газомасляных систем турбогенераторов.


Рисунок 2 – Схема работы кольцевого (а) и торцевого (б)  уплотнений вала турбогенератора;

1 – вкладыш; 2 – баббитовая заливка вкладыша; 3 – вал ротора; 4 – уплотняющее масло; F – усилие, действующее на вкладыш.  [7, 8]


Рисунок  3 – Типовая  схема маслоснабжения уплотнений вала [7, 8]: 1, 2, 3 – маслонасосы,

4 – маслоохладитель, 5 – масляный фильтр, 6 – регулятор перепада давлений масла и водорода, 7 – поплавковый гидрозатвор, 8 – демпферный бак для резервирования  подачи масла, 9 – реле уровня масла в баке,

10, 11 – сливные маслопроводы, 12 – главный маслобак турбины, 13, 14  – петлевые гидрозатворы; а – подача масла в уплотнения; б – слив масла из уплотнений в сторону водорода; в – слив масла из подшипников генератора.

2  Основные сведения о пожарной опасности водорода и масла и основные принципы обеспечения взрыво - и пожаробезопасности  генераторов  с  водородным охлаждением

Наличие в системах охлаждения турбогенераторов взрывоопасного и горючего водорода в сочетании с горючим маслом создает проблему обеспечения взрыво - и пожаробезопасности в машинном зале электростанции [2, 7, 8].

Взрывоопасные среды могут образоваться в различных местах газомасляной системы генератора, а также в прилегающих узлах и отсеках при аварийных выбросах и утечках  водорода. Газовая система турбогенератора имеет  специальное оборудование, позволяющее осуществлять безопасное  заполнение  корпуса  генератора  водородом  и удаление последнего путем использования в качестве промежуточного агента  инертного газа: водород вытесняется инертным газом, затем воздухом, а воздух аналогично вытесняется инертным газом, затем водородом.  При ошибочном выполнении указанных операций и отсутствии контроля над составом газовой смеси  также  могут образоваться взрывоопасные среды в корпусе генератора,  поплавковом гидрозатворе,  бачке   продувки. Водород может попадать в  картеры  подшипников, шинопроводы, систему охлаждения обмотки статора дистиллятом, водяную систему газоохладителей, и, накапливаясь, при определенном процентном содержании также образует взрывоопасные среды.

Возгорания возможны в любых местах, где произойдет  утечка водорода из корпуса генератора и газомасляной системы. Степень их опасности определяется  местом утечки, близостью людей и возможностью их травмирования, количеством выходящего водорода  и возможностью (или невозможностью) прекращения возгорания без останова турбоагрегата.

Пожары происходят при значительных утечках водорода, обычно связанных с полным или частичным разрушением генератора, или при значительных утечках масла. Горение водорода всегда сопровождается  горением масла.  Возгорание же масла снаружи генератора  при целости последнего не приводит к возгоранию водорода.

Свойства водородной смеси с воздухом:

Область воспламенения соответствует содержанию:

водорода… 4 – 75% объема

воздуха…..96–25% объема

Минимальная энергия зажигания  ……………………… не более 0,02 мДж

Температура  самовоспламенения  ………………………………….. 510 о С

Нормальная скорость распространения пламени …………………. 2,7   м/с

Критический диаметр струи ………………………………………........... 0,0006 м

Минимальное взрывоопасное содержание водорода ….....………. 5% объема

Нижний детонационный предел содержания водорода …..........…18,2%  объема.

Смесь водорода с кислородом является взрывоопасной при содержании в ней  водорода 4 – 94%  (соответственно  кислорода  96 – 6%).

При утечках водорода наружу смешивание водорода  с воздухом  происходит  в  турбулентном  режиме [6];   в создании взрывоопасной среды участвует менее 50% истекающего  водорода.  Большая часть водорода рассеивается в воздухе,   не образуя горючей смеси.

Во избежание появления  взрывоопасной смеси в корпусе генератора и других местах газомасляной системы  нормативные  показатели состава газовой смеси установлены с определенным запасом.  Содержание кислорода в корпусе генератора в эксплуатации не должно превышать 1,2%, а в емкостях на сливе масла в сторону водорода – 2%.   В водороде, поступающем в генератор, содержание кислорода по объему не должно быть превышать 0,5%. Содержание водорода в корпусе генератора должно быть не ниже:  98% – в генераторах с непосредственным охлаждением обмоток,  97%  – в генераторах с косвенным охлаждением обмоток с давлением водорода 0,05 МПа  и выше, 95% – с давлением водорода ниже 0,05 МПа.

Некоторые  опытные данные о характере  горения водородно-воздушных смесей [6]

Видимая скорость распространения пламени зависит от размера облака, т.е. количества  выброшенного водорода. Для водородно-воздушной смеси объемом около 80 м3 с содержанием 34% водорода скорость  достигала 110 м/с;   при объемах смеси примерно 500 м3 возможно увеличение скорости пламени примерно до 300 м/с.  Переход горения в детонацию не наблюдался при размерах облака до 300 м3 даже при инициировании ударной  волной. При проходе пламени через перфорированную стенку или чередующиеся препятствия  (технологическое оборудование, колонны, фермы, перегородки, монтажные  площадки, краны  и  т.п.)  скорость распространения пламени может увеличиваться до 250 м/с и   более. При детонации водородно-воздушных смесей в просторных производственных помещениях взрывные  нагрузки могут быть настолько значительными, что приведут к полному разрушению сооружений.

Характер горения водородно-воздушных смесей и возможность детонации зависят от  общей и локальной  концентрации водорода под оболочкой и от наличия источников зажигания. Если  водород воспламенится до перемешивания со средой, заполняющей оболочку,  то будет иметь место диффузионное горение. Если воспламенение произойдет после полного перемешивания со средой оболочки и концентрация смеси будет выше нижнего предела распространения пламени водорода (4-9%), то будет иметь место горение без  взрыва. При  маловероятном  развитии аварийной ситуации, когда водород, не воспламенившись, накопится в таких количествах, что его концентрация превысит нижний детонационный предел (18,2% – для водородно-воздушной смеси), то возгорание смеси может  завершиться детонацией.

Данные, которые могут быть напрямую использованы для количественных оценок опасности утечек и выбросов  водорода из генератора в машинном зале, отсутствуют. Дополнительные  сложности в прогнозировании возгорания и  взрыва появляются при наличии  в составе  смесей добавок в виде паров воды,   турбинного масла,  оксидов углерода и азота. Хотя известны наиболее вероятные  источники поджига водородно-воздушной смеси – искрение на щеточно-контактном аппарате ротора, горение  масла, искры от сварки, соударений металлических деталей и инструмента и т.п. – тем не менее, во многих случаях не удавалось выяснить истинную причину возгорания. Бытует мнение о возможности самовозгорания струи водорода малого диаметра,  выходящей  с большой скоростью (например, через трещину сварного шва), – от нагрева в результате трения. Сравнительно низкая минимальная энергия зажигания водородно-воздушной смеси делает вероятным такое возгорание.

Опасность пожара усугубляется наличием системы маслоснабжения уплотнений, поскольку возгорание масла неизбежно при возгорании водородно-воздушной смеси; горящее  масло  растекается и проникает на нижележащие этажи. Количественные данные, приведенные ниже, подтверждают опасность такого пожара.

Скорость увеличения площади пожара при растекании горящего турбинного масла может достигать 25 м2/мин.  Опытным путем установлено, что при горении турбинного масла на площади 5 м23 со снижением видимости до 1 м происходит в течение 5 мин.  Наибольшую опасность  для  людей  представляют токсичные продукты горения. Через 0,5÷1 мин после возникновения пожара в машинном зале превышаются предельно допустимые концентрации  токсичных веществ в местах пребывания персонала;  видимость снижается до допустимого предела в течение 1,5÷3,5 минут,  температура повышается  до опасных значений за 6÷8 мин.   Факелы горящего масла и водорода быстро  нагревают  элементы  металлических ферм до критической температуры,  что приводит к обрушению ферм и перекрытий кровли. полное задымление машинного зала объемом более 8000 м

Радикально решается проблема предупреждения возгорания масла применением огнестойких  и  негорючих масел в системах регулирования и смазки.  Например, масло ОМТИ имеет  весьма благоприятные характеристики (табл. 1),   при этом   оно не  уступает нефтяным маслам по физико-химическим и эксплуатационным свойствам,  по антикоррозийной активности и термоокислительной стабильности, а, напротив,  превосходит их.  Кроме того, ОМТИ не передает пламя по струе.

Таблица 1

Сравнение свойств масла ОМТИ   и   нефтяных   масел

Характеристики  пожароопасности,  о С

ОМТИ

Нефтяные       масла

Температура вспышки

Выше 240

Около 190

Температура воспламенения

370–400

210–220

Температура самовоспламенения

720

300–350

Температура самовоспламенения

в присутствии теплоизоляции

600

150

Применение негорючего смазочного масла для масляных уплотнений  неприемлемо из-за агрессивности известных сортов негорючего  масла по отношению  к высоковольтной изоляции и лаковым защитным покрытиям генераторов.

Попытки снизить пожаро - и взрывоопасность смесей водорода с воздухом путем ввода в газомасляную систему генератора газообразных углеводородных ингибиторов (2÷4 % от объема водорода) не привели к успеху из-за того, что растворимость испытывавшихся ингибиторов в масле оказалась слишком высока – в десятки раз  выше растворимости водорода в масле. Чтобы поддерживать требуемую концентрацию ингибитора в водороде, пришлось бы пойти на растворение гораздо большего его количества вплоть до насыщения масла, что недопустимо, так как привело бы к  весьма нежелательному ухудшению характеристик масла.

Основные  принципы обеспечения взрыво - и пожаробезопасности турбогенераторов с водородным охлаждением на  электрических станциях:

  • обеспечение необходимой механической  прочности корпуса генератора, наружных щитов и деталей уплотнений вала,  баков, арматуры, трубопроводов и другого оборудования газомасляной  системы;
  • обеспечение необходимой   газоплотности корпуса генератора, наружных щитов и уплотнений вала,  оборудования газомасляной  системы;
  • обеспечение  маслоплотности  уплотнений вала   и  оборудования газомасляной  системы;
  • надежная конструкция масляных уплотнений вала, исключающая прорывы водорода и масла;
  • обеспечение заданного перепада давлений масла и  водорода в стационарных, переходных и аварийных режимах работы генератора и газомасляной системы;
  • исключение образования взрывоопасной смеси водорода с воздухом в корпусе генератора, газонаполненных  емкостях газомасляной  системы,  прилегающих узлах (подшипниках,   шинопроводах) путем соблюдения эксплуатационного контроля, а также безопасного порядка  заполнения  корпуса  генератора  водородом  и удаления последнего;
  • испытания  на  газоплотность при  ремонтах, контроль газоплотности   и  своевременный вывод из работы оборудования  при нарушениях газоплотности в процессе эксплуатации.

Эти принципы отражены в проектно-конструкторской и технологической документации, правилах, инструкциях  и других  руководящих нормативно-директивных материалах, относящихся  к изготовлению,  монтажу, эксплуатации  и ремонту турбогенератора и его  газомасляной  системы. Соблюдение требований этих документов, прежде всего «Правил технической эксплуатации (2003  г.)» и «Типовой инструкции по эксплуатации газомасляной системы водородного охлаждения генераторов (РД 153-34.0-45.512-97)» является обязательным.

Достигнутый уровень реализации указанных принципов обеспечил высокую надежность турбогенераторов  с водородным охлаждением, эксплуатируемых в нашей стране и за рубежом.   Об этом  свидетельствует   средняя частота всех нарушений в работе турбогенераторов, сопровождающихся загораниями   и “хлопками” водорода в машинных залах, которая  составляет около 0,01 отказа на один генератор в год  (средняя  частота  тяжелых аварий с пожарами и взрывами водородно-воздушной смеси  примерно  на порядок  меньше).

3  Обзор  причин потери газоплотности  уплотнений вала и газомасляной  системы

Пожароопасными нарушениями в работе оборудования   газомасляной     системы турбогенераторов с водородным  охлаждением являются нарушения, сопровождающиеся потерей газоплотности. Наиболее опасен прорыв водорода  в   сливной маслопровод и картеры подшипников:

вдоль вала  через уплотнения,

через поплавковый гидрозатвор.

Одной из причин прорыва водорода вдоль вала  через уплотнения являются перерывы маслоснабжения уплотнений или недопустимое снижение перепада давлений масла и водорода.  При  таких нарушениях ранее неизбежно  происходила потеря газоплотности узла с выходом водорода вдоль вала,  с попаданием водорода в картеры подшипников и т.д., но  с 1974 г., благодаря внедрению системы  резервирования маслоснабжения уплотнений от  демпферного  бака (поз.8 на рис.3), число нарушений с потерей газоплотности ежегодно снижалось.

Недопустимым  является снижение до нуля перепада давлений масла и водорода, т.е. снижение давления уплотняющего масла до  значения, равного давлению водорода, а в наихудшем случае –  прекращение подачи масла.  Основные причины и последствия описаны далее. Для торцевых уплотнений недопустимое снижение перепада давлений обычно  приводит к выплавлению баббита, сопровождается выбросом дыма и масла из подшипников, выходом водорода; в зоне подшипников появляется масляный «туман». Иногда повышается вибрация подшипников. В таком случае необходим немедленный останов генератора с вытеснением водорода из корпуса генератора инертным газом. Значительное выплавление баббита при продолжительном снижении перепада давлений сопровождается повреждением (задиром) стальной поверхности упорного диска вала ротора, что требует восстановительного ремонта.

Даже кратковременный перерыв в подаче масла может привести к подплавлению баббита. Если баббит не выплавился полностью и сохранились маслораздаточные канавки,  некоторая подача масла сохраняется, и тогда температура баббита может какое-то время устойчиво держаться на уровне 75÷80 °С (при этом возможно повреждение термометров сопротивления). Слив масла в сторону водорода увеличивается, но температура сливающегося масла заметно возрастает, что видно по наличию пара в продувочном бачке, маслоконтрольном патрубке или смотровых стеклах в сливных маслопроводах. В момент подплавления появляется дымок из подшипников,  нарушается газоплотность и водород  попадает в картеры подшипников. Слегка подплавленный вкладыш может непродолжительное время работать при сниженном давлении водорода, но этот вкладыш легко повреждается при резких изменениях нагрузки. Поэтому  при первой же возможности он должен быть отремонтирован.

Понижение перепада давлений до 0,01÷0,03 МПа (0,1÷0,3 кгс/см2)  сопровождается уменьшением почти до нуля расхода масла в сторону водорода и пропусками водорода из  корпуса генератора в картеры основных подшипников, поскольку такое  значение перепада давлений оказывается меньше противодавления масла на запирающих поясках вкладышей. Температура баббита возрастает в связи с ухудшением охлаждения запирающего пояска, но, если она остается ниже предельно допустимой (80 °С), то работоспособность узла сохраняется, и есть возможность вернуться к нормальной эксплуатации после восстановления перепада давлений.

Основные причины снижения перепада давлений масла и  водорода:

•          отказ или ошибочные переключения  источников маслоснабжения;

•          некачественный  ремонт   или неправильная настройка регулятора перепада давлений масла и водорода;

•          ошибочное перекрытие  вентиля (задвижки) на напорных трубопроводах от источников маслоснабжения  до регулятора перепада давлений и далее после регулятора до уплотнений;

•          рост гидравлического сопротивления на напорных трубопроводах от источников маслоснабжения  до регулятора перепада давлений и далее после регулятора до уплотнений (засорение и др. причины);

•          нарушение  маслоплотности (значительная течь) на любом участке напорных трубопроводов;

•          слишком большой расход масла помимо уплотнений;

•          резкое увеличение расхода масла в уплотнениях;

•          неправильное подключение демпферного бака или снижение до 25 ºС  и ниже температуры масла в демпферном баке, или отказ реле уровня масла в баке.

При включенном демпферном баке в системе маслоснабжения уплотнений, оборудованной устройствами сигнализации и защиты,  перерыв в подаче масла и снижение перепада давлений, в том числе из-за  неисправностей регулятора, не  должны приводить к повреждениям вкладышей и упорных дисков - для торцевых уплотнений и к прорыву  водорода вдоль вала - для кольцевых уплотнений. В этом случае должно происходить автоматическое отключение турбогенератора  от сети технологической защитой от  понижения уровня  масла в демпферном баке  [2, 7, 8], т.е. вынужденный останов турбоагрегата со срывом вакуума и с вытеснением водорода в генераторе инертным газом. При неправильном подключении демпферного бака, когда не соблюдены установочные размеры [2, 7, 8], потери напора в трубопроводах от бака к уплотнениям оказались слишком велики, не исключен сифонный перелив, температура масла в демпферном баке слишком низка (а вязкость высока!), перепад давлений  может упасть до недопустимо низкого значения (даже до нуля!), что сводит на нет преимущества схемы резервирования.

Отключения и  остановы турбоагрегата срабатыванием  технологической защиты от  понижения уровня  масла в демпферном баке   составляют примерно 30 % всех отключений турбогенераторов, вызванных  нарушениями в работе оборудования газомасляной системы. При таких отключениях потеря газоплотности обычно не происходит, хотя есть некоторый риск (задержка с восстановлением маслоснабжения, с подачей инертного газа, нехватка масла в баке, ошибочная работа защитных устройств, в том числе отказ реле уровня масла в баке и т. п.).    Ущерб от отключения защитой значительно меньше ущерба от потери газоплотности,  повреждений баббита и вала.

Остальные нарушения в работе оборудования     газомасляной     системы, сопровождающиеся утечкой   водорода,  распределяются примерно следующим образом:

–                   утечка через фланцевые соединения трубопроводов и штуцеры …………….................................................…..  20%;

–                   выдавливание уплотняющих резиновых прокладок (крышки люка, фланца корпуса генератора, между

корпусом уплотнения и наружным щитом и т. п,  в том числе с возгоранием водорода)……………..................…………..20%;

–                   прорыв через поплавковый гидрозатвор

(в том числе загорание или хлопок в сливных маслопроводах подшипников) ………………………………….....................10%;

–                   утечка и самовозгорание водорода при резком  открытии вентиля на газовом посту..…………….……….  10%;

–                   утечка через уплотняющие резиновые прокладки  газоохладителей  .………................................................….  10%;

–                   утечка или прорыв в картеры подшипников (в том числе хлопок-вспышка в картере

подшипника   из-за дефекта вкладыша уплотнения)……….........................................………………...................………………..9%;

–                   утечка через  сварные  соединения    трубопроводов  ……………………...................................................……….  6%;

–                   утечка через фланцевые соединения поплавкового  гидрозатвора ……...............................................…………. 6%;

–                   нарушение работы регуляторов  перепада давлений масла и водорода,

регуляторов  давления прижимающего масла ……………………………………... .............………....................………………...6%;

–                   утечка через горизонтальные разъемы  торцевых щитов ………….................................................………………  3%.

Доля  случаев утечки водорода,  сопровождавшихся  возгораниями и (или) “хлопками”  водорода,  составила  примерно 15%.

Прорыв водорода вдоль вала  через уплотнения также возможен и при нормальном перепаде давлений масла и водорода –  вследствие застревания, перекоса  или повреждения вкладыша уплотнения  [2, 7, 8]  из-за некачественного  ремонта уплотнений или подачи грязного масла.

Прорыв водорода через поплавковый гидрозатвор (поз. 7 на рис.3) в сливную систему подшипников турбоагрегата из-за дефекта клапана гидрозатвора, зависшего в открытом положении, весьма опасен. Если этот  дефект не удается устранить [2, 7, 8], то работают  с  закрытым  вентилем на сливе, периодически вручную выпуская масло, до тех пор, пока не появится возможность остановить турбогенератор для ремонта гидрозатвора.

Опыт показывает, что ручное регулирование уровня масла в гидрозатворе зачастую оказывается неуспешным из-за неприспособленности сливного запорного вентиля  для такой операции и недостаточной тренированности персонала, т.е. приводит к пропускам и прорывам водорода в сливной маслопровод, поэтому длительная  эксплуатация турбогенератора в таком режиме нежелательна.

Кроме перечисленных случаев, в эксплуатации могут происходить разуплотнения  и других узлов турбогенератора: выводов обмотки статора, водоподводов и системы водяного охлаждения статора, газоохладителей, сопряжения частей корпуса статора, токоподвода  ротора, но здесь они не рассматриваются.

На электростанциях имел место ряд больших аварий с пожаром и частичным  разрушением  машинного  зала вследствие горения водорода и масла.  Хотя  первопричиной  этих аварий  не являлось нарушение работы газомасляной системы и уплотнений вала генератора, а, как правило, было нарастание вибрации вала и повреждение подшипников, но катастрофическое развитие происходило именно из-за выброса и загорания водорода и масла вследствие механического повреждения узла уплотнений и крепления наружных щитов  генератора.

Известны также  несколько случаев взрыва в корпусе остановленного генератора из-за грубого нарушения правил вытеснения и замены газовых сред  в сочетании с несвоевременным  выполнением и низким качеством  анализа содержания водорода в газовой смеси.

Некоторые примеры потери газоплотности  уплотнений вала и газомасляной  системы [7, 8]

Пример 1. Трещина в уплотнительной  прокладке между корпусом уплотнения и наружным щитом генератора привела к тому, что требовалась подпитка генератора  водородом  до 4–5 раз в смену. Водород выходил через неплотность в машинный зал, накапливался, после чего произошел "хлопок" с возгоранием в верхней (невентилируемой) части машинного зала.

Пример 2. Расход  водорода на подпитку генератора увеличился вследствие утечки через трещины в резиновой прокладке  газоохладителя. Водород выходил через неплотность в машинный зал, но не накапливался, благодаря хорошей вентиляции машинного зала. Возгорания  или детонации не произошло.

Пример 3. При  плановом  переходе с рабочего масляного фильтра  на   резервный фильтр перепад давлений "масло-водород" увеличился. Это привело  к повышению  уровня  масла в демпферном баке и переливу масла. Потребовался вывод из автоматического режима  регулятора перепада давлений (открытие байпаса).  Из-за перелива  повысился  уровень  масла  в поплавковом гидрозатворе. Снижение уровня масла в затворе производилось открытием вентиля на байпасе регулятора уровня в гидрозатворе.  Появился сигнал "Снижение давления в корпусе генератора""Пожар на генераторе". (на 0,07 МПа). Далее произошел выброс масла в районе подшипника возбудителя; давление водорода в корпусе генератора снизилось на 0,1 МПа по отношению к номинальному. В то же время  продолжали снижать перепад "масло-водород" с помощью ручного прикрытия вентиля. В этот момент произошло  возгорание  водорода  и  выброс масла из подшипников.  При этом масло в гидрозатворе отсутствовало. Около подшипника произошла  вторая вспышка водорода, выброс и возгорание масла наблюдались  также около  щеточного аппарата и защитного кожуха нулевых выводов генератора. Давление водорода упало  до 0,09 МПа.  Турбогенератор  был отключен со срывом вакуума согласно  информации с блочного щита управления

Пример 3. Падение давления водорода в корпусе генератора началось вследствие значительной утечки водорода вместе с маслом из разъема фланца  на трубопроводе слива  масла из уплотнения. Через 10 минут была начата разгрузка генератора, через полтора часа генератор был отключен от сети  с последующим вытеснением водорода азотом. Анализ проб воздуха в машинном зале вблизи уплотнения показал концентрацию водорода 0,5%. Возгорания  не произошло.

Пример 5. При открытии вентиля газового поста для взятия на анализ пробы газа из генератора загорелся водород, выходящий из вентиля. Горящая струя не позволила  прекратить горение закрытием вентиля. Пришлось отключить генератор от сети и ликвидировать горение путем выпуска водорода из генератора с вытеснением водорода азотом.

Пример 6. При наборе нагрузки турбогенератора происходили запаздывания вкладыша со стороны контактных колец, что сопровождалось утечками водорода в картер подшипника и под защитную обшивку. Над подшипником появился заметный “масляный туман”, содержащий водород. Утечки были достаточно интенсивны для накопления взрывоопасной водородно-воздушной смеси. Взрывом сорвало защитную обшивку  и смертельно травмировало двух человек,  пришедших  выяснить причины появления “масляного тумана”.  После этого случая  было запрещено использование любых обшивок, кожухов и другие оболочек вблизи генератора, в которых может накапливаться водородно-воздушная смесь. Был  введен  контроль  содержания водорода в картерах подшипников с соответствующей сигнализацией. Аналогично после взрыва в камере шинопроводов другого генератора были  внедрены  обязательные вентиляционные отверстия в  кожухах шинопроводов  также с соответствующей сигнализацией о наличии водорода.

Пример 7. Некачественный ремонт уплотнений стал причиной повышенного расхода масла в сторону водорода, что требовало частых продувок генератора водородом. При продувках масло попадало в генератор, что  приводило к  необходимости слива этого масла через дренажные трубопроводы. Во время одной из таких операций при открытии вентиля на одном из дренажных трубопроводов произошел прорыв водорода через прокладку фланца с последующим его возгоранием; попытки потушить горящий водород огнетушителями (порошковые, углекислотные, воздушно-пенные), как и следовало ожидать, оказались малоэффективны, генератор был отключен от сети,  через полчаса  горение струи водорода ликвидировано путем выпуска водорода из генератора с вытеснением водорода азотом. Ошибка персонала состояла в том, что перед открытием вентиля  не был закрыт второй вентиль, расположенный выше, как это положено по инструкции.

Пример 8. Разрыв резиновой уплотнительной прокладки крышки люка генератора привел к выходу струи водорода в машинный зал. Это было замечено по падению давления в корпусе генератора и  шуму  от струи водорода. Турбогенератор был отключен от сети. Своевременно  было начато вытеснение водорода азотом, организована усиленная вентиляция машинного зала (открыты ворота) и прекращен доступ людей в машинный зал,  приготовлены средства пожаротушения. Выход струи водорода  (позднее - водорода в смеси с азотом) в машинный зал продолжался около 9 мин (при начальном избыточном давлении водорода  0,5 МПа). Возгорания  или детонации водородно-воздушной смеси не произошло как благодаря принятым мерам, так и по счастливой случайности.

Пример 9. Повреждение и раскрытие наружных щитов  генератора  вследствие  поломки  вала из-за повышенной вибрации, возникшей при отрыве лопаток турбины, привели к  выбросу водорода в машинный зал. Произошло  раскрытие фланцев маслопроводов и  загорание масла. Катастрофическое разуплотнение  системы  водородного охлаждения сопровождалось возгоранием водородно-воздушной  смеси. Мощный факел водорода и  масла в машинном зале привел к деформации ферм кровли под действием водородного пламени. Обрушилась кровля над турбогенератором. Сгорели возбудитель, оборудование системы возбуждения и АГП под генератором.  Пожар распространился  в шинопроводы, комплектные распредустройства генераторного напряжения и собственных нужд, а также далее по кабельным тоннелям.  Сгорело много  силовых и контрольных кабельных линий.

4  Безопасный порядок  заполнения  корпуса  генератора  водородом  и удаления последнего [2]

Взрыв в корпусе остановленного генератора возможен лишь вследствие грубого нарушения правил вытеснения и замены газовых сред  в сочетании с несвоевременным  выполнением и низким качеством  анализа содержания водорода в газовой смеси.

Газовая система имеет  специальное оборудование, позволяющее осуществлять безопасное  заполнение  корпуса  генератора  водородом  и удаление последнего путем использования в качестве промежуточного агента  инертного газа (углекислого газа или азота):

водород вытесняется инертным газом, затем воздухом (рис. 4),

воздух аналогично вытесняется инертным газом, затем водородом (рис.5).


Рисунок 4 – Порядок перехода с водорода на воздух


Рисунок 5 – Порядок перехода с воздуха  на водород

При этом необходим  тщательный химический контроль состава газовой смеси в корпусе. Такой порядок позволяет исключить образование взрывоопасных сред в корпусе генератора.

5  Основные пути предупреждения загорания, пожара и взрыва

Условия предупреждения загораний, пожаров и взрывов в машинных залах электростанций, где установлены турбогенераторы с водородным охлаждением, заключаются в следующем:

q  недопущение утечек и прорывов водорода из газомасляной системы и  образования  взрывоопасных сред;

q  исключение или снижение вероятности появления источников зажигания в местах, где возможно появление водородно-воздушной смеси;

q  контроль концентраций водорода в технологическом оборудовании и сигнализация о превышении допустимых концентраций (табл. 2).

q  контроль концентраций кислорода в технологическом оборудовании и сигнализация о превышении допустимых концентраций (табл.3).

Таблица 2.

Контроль концентраций водорода в технологическом оборудовании

Участок газомасляной системы

Содержание водорода,  %,

Картеры подшипников  и сливные маслопроводы

на воздушной стороне

Менее 1,0

Главный масляный бак

0,0

Таблица 3.

Контроль концентраций кислорода в технологическом оборудовании

Участок газомасляной системы

Содержание кислорода,  %, не более

Корпус генератора

1,2

Емкости на сливе масла в сторону водорода (поплавковый гидрозатвор)

2,0

На входе в корпус генератора

0,5

Предупреждение утечек и прорывов водорода из газомасляной системы, а, следовательно, образования  взрывоопасных сред, загораний, хлопков, обеспечивается путем, прежде всего, высокого качества ремонта узла уплотнений и оборудования системы маслоснабжения [7, 8], а в процессе эксплуатации турбогенератора – путем своевременного выявления и устранения неисправностей уплотнений вала и  оборудования газомасляной системы, приводящих  к утечкам водорода. Для этого необходим постоянный эксплуатационный контроль параметров уплотнений и газомасляной системы – давлений и температур масла, температур баббита вкладышей уплотнений, перепада давлений масла и водорода. Весьма важен контроль состава газовых смесей в корпусе генератора, в картерах подшипников и сливных маслопроводах на воздушной стороне, в гидрозатворах на сливе масла из уплотнений в сторону водорода. Недопустима продолжительная работа с нарушениями нормативов, приведенных в табл. 2 и 3.  Автоматизированный анализ контролируемых параметров позволяет диагностировать неисправности  в целях своевременного их устранения [2, 7, 8, 11].

Для предупреждения тяжелых аварий в машинных залах электростанций целесообразен также стационарный контроль концентраций водорода в помещении с устройством аварийной вентиляции, которая включается  автоматически  при  достижении  2 %-ной концентрации водорода. Для случаев,  когда  при крупных выбросах водорода вентиляция может оказаться неэффективной, должны  быть предусмотрены системы  активного подавления горения водородно-воздушных  сред.

Причинами более 90 % пожаров являются  неправильные действия   персонала,  не соблюдающего правил работы с оборудованием газомасляных систем турбогенераторов, а также установленного порядка  проведения  огнеопасных работ [6]. Поэтому большое значение имеют обучение и систематические тренировки персонала.

Если возникла аварийная  ситуация  с катастрофическим разуплотнением генератора, то наиболее действенным способом  предотвращения  развития такой аварии  и снижения ущерба является  прекращение поступления водорода и масла в очаг возгорания за максимально короткое время.  Это возможно, если осуществить ускоренный аварийный выброс водорода из генератора  в атмосферу.  Выброс водорода должен сопровождаться подачей инертного газа в зоны разуплотнения.  После снижения давления  газа в генераторе до 0,05 МПа может быть прекращена подача масла в уплотнения.

Следует учесть, что выброс водорода может  осуществляться  только после  отключения  генератора  от сети [9], так как  такой выброс  при работе генератора в сети  под нагрузкой приведет к аварийному повреждению   генератора и, скорее всего, с невозможностью  восстановления.

Существующая  штатная газовая схема турбогенераторов не  обеспечивает  быстрого  выброса водорода в атмосферу, а также не обеспечивает автоматической подачи инертного газа. Однако разработаны  различные варианты  схем аварийного выброса водорода через специальный  трубопровод и клапан с дистанционным ручным управлением, а также схем автоматической подачи инертного газа.

Основные условия автоматизации схем аварийного выброса водорода, исключающие ложный выброс водорода [9]:

1)      наличие надежного автоматического сбросного  клапана большого сечения; к безотказности этого клапана должны быть предъявлены предельно высокие требования: вероятность отказа в аварийной ситуации не выше 0,001, вероятность ложных  срабатываний не выше 0,0001;

2)      правильный выбор  параметра, рост которого должен привести к срабатыванию схемы аварийного выброса водорода, и выбор аварийной уставки;

3)      обеспечение высокой достоверности сигнала.

Из известных  автору разработок  наиболее перспективной в смысле предупреждения ложных срабатываний является автоматическая  противопожарная  многофункциональная система, срабатывающая по вибродинамическому  фактору, в которой предусмотрены  критерии обеспечения достоверного сигнала  на включение ряда противопожарных мероприятий, в том числе и на аварийный  выброс водорода из генератора  (разработка ВТИ, г. Москва [10]).

Литература

1.      Объем и нормы испытаний электрооборудования. / Под общей редакцией  Б.А.Алексеева, Ф.Л.Когана, Л.Г.Мамиконянца. – 6-е изд. - М.:НЦ ЭНАС, 1998.

2.      Типовая инструкция по эксплуатации газомасляной системы водородного охлаждения генераторов. РД 153-34.0-45.512-97. М.: СПО ОРГРЭС, 1998.

3.      Азбукин Ю.И., Аврух В.Ю. Модернизация  турбогенераторов. М.: Энергия, 1980.

4.      Горев  Н. Ф. Анализ аварийности оборудования электростанций и сетей в 1991 г. / Электрические станции, 1992. № 9.

5.      Денисов В. А. Причины  пожаров на  АЭС  и  пути  их  предотвращения / Энергетическое строительство,  1992.  № 5.

6.      Микеев А.К. Противопожарная защита АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1990.

7.      Голоднова О.С. Уплотнения вала турбогенераторов с водородным охлаждением (устройство, эксплуатация, причины, признаки и предупреждение отказов) /Приложение к журналу «Энергетик», 2004, №1.

8.      Голоднова О.С. Уплотнения вала турбогенераторов с водородным охлаждением и их системы маслоснабжения. Учебно-методическое пособие. М.:ИПКгосслужбы, 2003.

9.      Голоднова О.С. Об аварийном сбросе водорода из турбогенератора с водородным охлаждением. Вести в электроэнергетике 2010; № 2

10.  Соковиков В.В., Тугов А.Н., Беликова Н.З. и др. Автоматизированное тушение пожаров на электростанциях. Энергетик, 2006, № 6.

11.  Голоднова О.С., Максимов М.В. Диагностика уплотнений вала турбогенератора (перспективы математического моделирования). В сб. докладов VII Симпозиума «Электротехника 2010», том 3, доклад 4.16. 2003 г.