|Жаров А. П.|, инж., Беликова Н. 3., Келлер В. Д., Ржезников Ю. В., кандидаты техн. наук, Комаров В. А., инж. Всероссийский теплотехнический институт
Повышенная пожароопасность машзалов ТЭС главным образом определяется возможностью аварий турбоагрегатов с выбросом и воспламенением масла и водорода. Этому способствуют физическое изнашивание оборудования, некачественный ремонт, ошибки персонала, отсутствие совершенных средств обнаружения и подавления загораний.
Согласно статистике на электростанциях мира с турбоагрегатами 150 МВт и более за последние 25 лет произошло 79 крупных пожаров. Из них 17 с обрушением перекрытия машзала. Погибло 7 человек.
Поскольку пожары на электростанциях с обрушением перекрытия машзала всегда причиняют большой ущерб, поиск и разработка новой противопожарной техники и технологии ведутся постоянно.
В целях повышения пожаробезопасности турбин во Всероссийском теплотехническом институте (ВТИ) создано огнестойкое турбинное масло марок Иввиоль и ОМТИ [1]. По этой же причине ВТИ стал основоположником применения воды в системах регулирования [2]. Разработанное в ВТИ и получившее широкое применение на турбоагрегатах мощностью 250 - 1200 МВт противоаварийное маслоснабжение подшипников с помощью емкостей с маслом (резервных бачков), размещенных на крышках корпусов подшипников [3], является к тому же и весьма эффективным противопожарным мероприятием. При работе насоса системы смазки емкости заполнены маслом, запас которого рассчитан на обеспечение выбега роторов при сорванном вакууме с дозированной подачей в подшипники. Это позволяет останавливать турбоагрегат с отключенным насосом смазки, предотвращая тем самым интенсивную подпитку маслом очагов горения в случае аварийной разгерметизации системы смазки.
Применение воды и огнестойкого турбинного масла в системах регулирования всех турбин мощностью 250 - 1200 МВт, предназначенных для ТЭС, существенно снизило пожароопасность в машзалах. Однако угрозу пожаров, связанную с наличием нефтяного масла в системах смазки и уплотнений вала генератора (УВГ), устранить пока не удается. Огнестойкое масло в системе смазки в России применено пока на трех из 124 турбоагрегатов указанной мощности. Его широкому распространению препятствуют причины экономического плана.
Одним из наиболее перспективных решений, обеспечивающих пожаробезопасность турбогенераторов, является водяное или воздушное охлаждение вместо водородного, где отпадает необходимость и в маслосистеме УВГ. Но оно не может быть применено быстро, так как невозможно за короткое время осуществить замену многочисленного парка находящихся в эксплуатации агрегатов.
В создавшихся условиях актуальность поиска и реализации эффективных и экономичных решений, снижающих пожароопасность турбоагрегатов совершенствованием технологии их эксплуатации и обслуживания в аварийной и пожароопасной ситуациях, не вызывает сомнений.
Установлено, что катастрофические для машзалов пожары инициировались в основном вибрационными разрушениями турбоагрегатов мощностью 300 - 500 МВт, произошедшими из-за обрыва рабочих лопаток роторов низкого давления. Обычно при обрыве под корень более четырех лопаток последней ступени ротора низкого давления от вибрации валопровода разрушаются два-три, а иногда и более подшипников, а также УВГ и маслопроводы. В результате на горячие поверхности турбины, паропроводы и площадки обслуживания выбрасывается 0,5 - 0,6 м3 масла из разрушенных резервных бачков, размещавшихся на крышках подшипников. Пожароопасность ситуации усугубляется еще и тем, что при действующем насосе системы смазки расход масла, поступающего в машзал из поврежденных напорных маслопроводов, составляет 30 - 50 л/с. К тому же в машзал будет попадать значительное количество водорода из генератора.
Известно, что на турбинах ЛМЗ разрушение крышки подшипника вызывает разрыв напорного маслопровода, подведенного к установленному на ней резервному бачку. Обычно сечение такого маслопровода в 5 - 9 раз больше сечения шайбы, ограничивающей расход масла через подшипник. Существенное изменение гидравлической характеристики сети, обусловленное разрывом напорного маслопровода, может привести к снижению давления в системе смазки до значения, соответствующего уставке сигнала на включение резервного и, возможно, аварийных насосов и существенному увеличению подпитки маслом очагов горения.
По расчетным оценкам ВНИИПО МВД РФ, горение пролитого масла на поверхности более 50 м2, расположенной на уровне отметки обслуживания, опасно для перекрытия машзала. Разогрев несущих ферм до критической температуры (500°С) в таких случаях происходит менее чем за 8 мин. Но наибольшую опасность для ферм машзала представляет горение масла, фонтанирующего вверх дольше 1 мин.
Следовательно, при больших проливах масла и продолжительном действии масляных фонтанов обрушение перекрытия машзала должно произойти до прибытия пожарного подразделения, что и случалось в таких ситуациях.
Обычно первичные очаги горения при пожаре в машзале возникают вследствие самовоспламенения масла, которое происходит при попадании его на горячие поверхности ЦВД и ЦСД турбины и паропроводов. Но в случае разгерметизации маслопроводов и подшипников ЦНД и генератора поджигателем масла может оказаться горящий водород. Для его воспламенения бывает достаточно искры.
Если при разгерметизации УВГ водород выходит в машзал через опоры турбогенератора, расход его зависит от степени повреждения УВГ и масляных уплотнений корпусов подшипников, а также от эффективности вытяжной трубы сливного коллектора смазки, через которую часть водорода удаляется за пределы машзала.
По расчетным оценкам, горение водорода около подшипников генератора опасно для перекрытия, когда пламя напрямую воздействует на него дольше 40 с, а расход сгорающего водорода не менее 0,1 кг/с.
Защитить перекрытие машзала от недопустимого нагрева в этом случае можно немедленным и безопасным удалением большей части содержащегося в генераторе водорода за пределы машзала.
Относительно взрывоопасности водородно-воздушной смеси в машзале существуют следующие мнения.
Свидетели катастрофических аварий турбоагрегатов отмечали, что слышали взрывы и хлопки, видели горящие факелы, достигавшие перекрытия машзала.
Объяснить это можно следующим. Разгерметизация генераторов при таких авариях происходила от мощных динамических воздействий роторов на УВГ и торцевые щиты статоров с выделением тепла и искр. Поэтому выходивший водород немедленно воспламенялся и возникала ударная волна, сопровождаемая характерным хлопком. При анализе подобных аварий не было обнаружено достоверных данных, свидетельствующих о том, что силового воздействия от таких ударных волн достаточно, чтобы вызвать разрушения в машзале.
Теоретически можно допустить возможность и более мощных взрывов, вызванных образованием и воспламенением больших локальных скоплений водорода, однако на практике такие явления не наблюдались.
В отсутствие поджигателя выходящий в машзал водород должен через определенное время равномерно перемешаться с воздухом, и концентрация его в объеме машзала будет несоизмеримо ниже минимального предела, при котором смесь пожаро- и взрывоопасна.
Развитие пожара на электростанции и его последствия во многом зависят от предпринимаемых персоналом действий, оперативности прибытия пожарного подразделения, эффективности средств пожаротушения.
В машзалах отечественных электростанций нет автоматических установок пожаротушения. При ликвидации загораний аварийно выброшенных горючих веществ всегда подвергалась опасности жизнь эксплуатационного персонала, так как использовались средства, требующие прямого его участия в пожаротушении: лафетные стволы, подключенные к водопроводу, переносные и передвижные огнетушители. Люди попадали в экстремальные условия, одним из которых было быстрое сильное задымление машзала.
Помимо невысокой эффективности традиционных способов пожаротушения ситуация усугубляется еще и тем, что при их применении попадание большого количества холодной воды на наиболее горячие поверхности турбины и паропроводов вызывает образование трещин в металле.
В настоящее время противопожарные мероприятия, касающиеся технологии обслуживания турбоустановки энергоблока в аварийной ситуации, в определенной последовательности объединены в системе предотвращения развития загорания масла [4]. В ней предусмотрена реализация действий персонала, защит и блокировок по немедленному останову турбоагрегата со срывом вакуума и последующему (через 60 с) отключению насосов системы смазки. Система приводится в действие ключом предотвращения развития пожара (КПРП). Такими системами оснащены турбоагрегаты мощностью 250 МВт и выше, системы смазки и УВГ которых снабжаются нефтяным маслом насосами с электроприводами.
Однако практика показала, что при катастрофических авариях, когда в машзал в разных местах выбрасываются большое количество масла и весь водород, эта система малоэффективна. Главная причина - наличие задержки на 60 с с отключением масляных насосов, а также то, что удаление водорода из генератора осуществляется через трубопровод небольшого сечения с вентилями, имеющими ручное управление.
Чтобы при таких авариях эффективно бороться с пожаром, не подвергая опасности эксплуатационный персонал, необходимо прежде всего предотвратить его развитие, осуществив посредством автоматики оперативные мероприятия по еще более результативному сокращению выброса в машзал горючих веществ и обеспечению интенсивного первичного пожаротушения и огнепреграждения в направлении перекрытия.
С этой целью в ВТИ разработана система предотвращения развития пожара (пат. 2114998. Способ противопожарной защиты машинного зала электростанций), алгоритм которой включает в себя и алгоритм упомянутой системы предотвращения развития горения масла, реализуемый в частных случаях. В функциональных признаках новой системы отражена особенность защищаемого объекта - наличие в его технологическом процессе воды и пара - веществ, хорошо известных в противопожарной практике.
Одним из условий срабатывания системы с реализацией ее функций в полном объеме является подача сигнала защиты турбоагрегата по предельному уровню вибрации.
Все мощные турбоагрегаты оснащены соответствующей виброаппаратурой и защитой по предельному уровню вибрации с уставкой срабатывания 11,2 мм/с для любой опоры. Естественно, принятый предельный уровень вибрации какой-либо опоры турбоагрегата не свидетельствует о начале катастрофы. Но согласно нормативным документам в целях предотвращения возможной аварии в случае стремительного нарастания вибрации эксплуатация турбоагрегатов при указанном ранее уровне вибрации запрещена.
При наличии системы предотвращения развития пожара появление сигнала об отключении турбины и генератора защитой по предельному уровню вибрации позволит оператору воздействием на КПРП в пожароопасной ситуации отключить без выдержки времени насосы системы смазки. Появление еще одного, дополнительного сигнала о быстром снижении давления водорода на величину, превосходящую допустимую по ПТЭ, например, на 0,03 МПа, свидетельствующее о разгерметизации системы охлаждения генератора, обеспечит при том же воздействии оператора на КПРП быстрое удаление водорода из генератора за пределы машзала.
С этой целью в системе предотвращения развития пожара предусмотрено специальное устройство. Оно содержит тонкую перегородку, препятствующую выходу водорода в сбросную трубу во время нормальной эксплуатации энергоблока, и имеет абсолютную герметичность по отношению к водороду. Перегородка разрывается по команде, которая поступает от КПРП. Аварийное освобождение генератора от водорода выполняется за 30 - 40 с. Устройство долговечно и не требует обслуживания.
Поскольку емкость демпферного бака (ДБ) системы УВГ позволяет обеспечить подачу масла к уплотнениям с номинальным перепадом давлений “масло - водород” и во время выбега ротора при неработающих насосах системы уплотнений (МНУ), то команда на отключение МНУ подается немедленно после открытия аварийного сброса водорода. Если выяснится, что УВГ разрушены настолько, что подаваемое в них из ДБ масло выливается в машзал, то в такой ситуации прекращается подача масла и из ДБ.
В системе предотвращения развития пожара помимо мероприятий, ограничивающих выброс в машзал масла и водорода, предусмотрено активное первичное тушение и огнепреграждение в наиболее опасных зонах горения. С этой целью используется технологическая среда аварийно останавливаемого энергоблока - горячая вода.
Результаты проведенных исследований на экспериментальной установке показали, что при подаче к очагам горения масла и водорода под соответствующими углами струй горячей воды из емкости, в которой параметры воды составляют 0,7 МПа и 160°С, над очагами формируется огнепреграждающий пароводяной шатер, который препятствует распространению пламени вверх. Шатер образуется благодаря мелкодисперсному распылению горячей воды. При выходе в атмосферу струи вскипающей воды происходит мгновенное взрывное дробление ее паром на капельки размером 10 - 15 мкм. На парообразование расходуется 10%, а мелкодисперсному распылению подвергается 40% воды.
Попадая в пламя, капельки мгновенно испаряются, отбирая тепло. В результате резко снижается температура парогазового потока, поднимающегося вверх, уменьшается активность окисления еще несгоревшего водорода и масла.
По данным ВНИИПО [5] мелкораспыленная вода с начальной температурой 150°С на расстоянии 0,5 м от распылительных устройств ожоговых явлений у людей не вызывает.
Теоретически при сгорании 1 кг водорода может превратиться в пар 50 кг мелкораспыленной горячей воды; при сгорании 1 кг турбинного масла - только 17 кг.
Таким образом, при пожаре, в котором может сгореть 500 - 700 кг масла и 20 - 25 кг водорода, для огне- тушения и создания огнепреграждающих шатров над опасными очагами может потребоваться 20 - 25 м3 горячей воды.
Действие распылителей горячей воды около очагов горения должно продолжаться до ввода основных средств пожаротушения прибывшим оперативным подразделением Государственной пожарной службы.
На аварийно-остановленном энергоблоке горячая вода необходимых параметров всегда имеется в достаточном количестве в баке-аккумуляторе деаэратора. Полезная емкость бака-аккумулятора термического деаэратора турбоустановки мощностью 300 МВт составляет 100 - 140 м3. Температура горячей воды в баке-аккумуляторе равна 164°С, что соответствует избыточному давлению в деаэраторе, равному 0,6 МПа (6,0 кгс/см2).
При аварийном отключении энергоблока с немедленной остановкой конденсатных и питательных насосов постепенное опорожнение бака-аккумулятора не приводит к резкому снижению давления в деаэраторе благодаря частичному вскипанию оставшейся воды. Таким образом, длительное время обеспечивается питание распылителей горячей водой, расход которой практически равен расчетному.
Чтобы с большей гарантией обеспечить подачу воды в необходимом количестве, распылители устанавливаются только в тех местах, где пламя ничем не экранируется, и поэтому воздействие огня на перекрытие наиболее активно. К таким местам относятся следующие зоны: пространство около переднего подшипника ЦВД, пространство между ЦВД и ЦСД, а также пространство около подшипников генератора.
Итак, в качестве краткого резюме необходимо отметить следующее.
Пуск системы предотвращения развития пожара инициируется воздействием оператора на КПРП при наличии возгорания, которое нельзя ликвидировать доступными противопожарными средствами.
Алгоритм системы полностью реализуется только при совокупности следующих факторов:
срабатывание защиты турбоагрегата по предельному уровню вибрации;
фиксация интенсивного снижения давления водорода в генераторе.
Если эти факторы отсутствуют, система действует, как уже известная система предотвращения развития загорания масла, которой в настоящее время оснащены все турбоагрегаты мощностью 250 МВт и выше.
Если имеет место только первый фактор, то система обеспечивает срыв вакуума и без выдержки времени отключает рабочие насосы системы смазки с запретом на автоматическое и ручное включение резервного и аварийных насосов смазки.
Если имеют место и первый, и второй факторы, то система не только без выдержки времени отключает рабочие насосы системы смазки с запретом на автоматическое и ручное включение резервного и аварийных насосов смазки и обеспечивает срыв вакуума, но реализует и другие функции:
при быстром снижении давления водорода в генераторе на 0,0З МПа открывает устройство быстрого удаления водорода и отключает работающий МНУ с запретом на автоматическое и ручное включение резервного и аварийного МНУ;
дает разрешение на подачу горячей воды к распылителям;
дает разрешение на отключение демпферного бака системы УВГ.
Приведенный ранее вариант системы в настоящее время создается на Конаковской ГРЭС.
Дальнейшая перспектива совершенствования противопожарной системы - полная автоматизация. Объективная оценка ситуации, оперативность и адекватность принятых мер степени опасности должны быть обеспечены совокупностью соответствующего набора достоверных сигналов-извещателей загораний масла и водорода и сигнала об отключении турбины и генератора по уровню вибрации, при котором неизбежны повреждения с разгерметизацией масло- и водородсодержащих систем.
При обрыве более четырех лопаток последних ступеней низкого давления турбин К-300-240 виброскорость опор ЦНД может превышать 45 мм/с. Однако ориентироваться на такое значение даже в целях пожаробезопасности пока не позволяет то, что в штатной виброаппаратуре задействована эксплуатационная шкала измерений до 15 мм/с. Поэтому в качестве компромиссного варианта сигнала об обрыве группы лопаток ЦНД допустимо, на наш взгляд, рассматривать сигнал об одновременном скачкообразном повышении вибрации всех опор цилиндров низкого давления по двум направлениям (вертикальному и поперечному) до 14 мм/с.
В дальнейшем предполагается также более полно реализовать уникальное свойство паротурбинного энергоблока - возможность применения его технологической среды (пар и вода) для подавления пожара в начальной фазе.
Как уже было отмечено, флегматизирующее влияние пара на горение масла [6] и водорода используется при организации шатров из мелкодисперсной воды и пара.
Другая возможность применения пара для флегматизации горения масла основана на том, что после закрытия клапанов, через которые подается пар в турбину, ЦВД может достаточно продолжительное время быть под давлением пара, сообщаясь с промперегревателем паропроводами “холодных” ниток. Это позволяет организовать выпуск пара из ЦВД к подшипникам № 1, 2 через концевые уплотнения путем прекращения его отсоса из уплотнений и отмены сигнала на открытие клапанов, через которые обычно при однобайпасной схеме на останавливаемой турбине пар сбрасывается из промперегревателя в конденсатор.
Этот способ может быть задействован, если нет противопоказаний, связанных с попаданием в этом случае части пара в ЦНД.
Помимо рассмотренных противопожарных мероприятий активного и профилактического действия для защиты несущих ферм перекрытия машзала могут использоваться и, так называемые, пассивные средства.
В настоящее время имеются покрытия вспучивающегося типа, которые существенно повышают огнестойкость металлоконструкций.
Существенными недостатками таких покрытий являются трудоемкость нанесения на фермы перекрытия машзала, недолговечность, снижение эффекта защиты при прямом воздействии пламени.
Выводы
- Реализация системы предотвращения развития пожара, благодаря которой уменьшены аварийные выбросы в машзал масла и водорода и применено огнетушение и огнепреграждение с использованием горячей воды из тепловой схемы аварийно-останавливаемого энергоблока, обеспечивает защиту перекрытия машзала до ввода в действие основных средств огнетушения прибывшим пожарным подразделением.
- При наличии совершенных технических средств обнаружения загораний в машзалах ТЭС и противопожарной вибрационной защиты турбоагрегатов система предотвращения развития пожара может стать полностью автоматической.
- Дальнейшее совершенствование противопожарной системы предполагает более полное использование технологической среды аварийно-останавливаемого блока (вода и пар) в целях борьбы с горением масла и водорода.
Список литературы
- Огнестойкие турбинные масла / Под ред. Иванова К. И. М.: Химия, 1974.
- Водяная система регулирования паровых турбин / Веллер В. Н., Киракосянц Г. А., Левин Д. М., Лыско В. В. М.: Энергия, 1970.
- Жаров А. П. Предупреждение аварий подшипников паровых турбин. М.: Энергия, 1974.
- Сборник распорядительных документов по эксплуатации энергосистем. Теплотехническая часть, п.3.9. М.: ОРГРЭС, 1991.
- Огнетушащая эффективность перегретой воды при объемном пожаротушении. Тактика и процессы пожаротушения / Кузьмин В. Г., Никулин В. С., Безродный И. Ф., Гиле- тич А. Н. М.: ВНИИПО, 1989.
- Аханченок А. Г. Основы пожарной безопасности металлургических предприятий. М.: Металлургия, 1982.
