Sesjon 5 Vannveien et risikoobjekt. Brannforum

Transkript

1 Sesjon 5 Vannveien et risikoobjekt Brannforum

2 2 Vannveien et risikoobjekt Halvard Bjørndal Brannforum

3 3 Halvard Bjørndal Seksjonsleder Maskin i Norconsult med ansvarsområde turbiner, rør og mekaniske vannveiskonstruksjoner Utdannet Siving NTH i 1990 og har jobbet i Norconsult siden Har utført tilstandsvurderinger og/eller igangkjøringsprøver på mer enn 80 kraftverk i Norge og utlandet. Brannforum

4 Vannveien - et risikoobjekt Brannforum 2010 Sandefjord 3. februar 2010 Presentert av Halvard Bjørndal, Norconsult

5 Innledning Vannveien gir til daglig sjelden problemer Strenge krav fra NVE og i tilegg konservativ tradisjon i prosjekteringen har gitt generelt gode sikkerhetsmarginer Ulykkene oppstår i all hovedsak under fylling/tapping av vannvei eller unormale driftsforhold MEN! Store krefter er i sving, de må behandles med forsiktighet I dette foredraget vil jeg ta opp noen av de kreftene og faremomentene som kan oppstå i vannveien. Problemstillinger omkring dam og luker har jeg utelatt i denne forelesningen. 5

6 NVE s regelverk for sikkerhet av vassdragsanlegg Forskrift om sikkerhet og tilsyn med vassdragsanlegg (Damsikkerhetsforskriften) Skal medvirke til at vassdragsanlegg har tilfredsstillende sikkerhet for mennesker, miljø og eiendom Gjelder konsesjonspliktige anlegg og deler av denne på konsesjonsfrie anlegg. Viktig å merke seg spesielt: Kapitel 4 Klassifisering Formål å tilpasse sikkerhetskrav til anleggenes bruddkonsekvenser Kapitel 3 Faglige kvalifikasjoner Skal medvirke til at personell som forestår planlegging, bygging og drift av klassifiserte vassdragsanlegg har tilfredsstillende kvalifikasjoner 6

7 Retningslinjer til sikkerhetsforskriften Retningslinjene angir en måte til å tilfredsstille forskriftens krav på Retningslinjer for stenge-, tappeorganer, rør og tverrslagsporter Retningslinjer for planlegging og bygging Veileder i planlegging, bygging og drift av små kraftverk 7

8 Dimensjonering av vannveien Dimensjoneringen består av følgende hoveddeler: 1. Teknisk-økonomisk optimalisering av vannveien 2. Trykkstøt- og reguleringsstabilitets- beregning 3. Styrkemessige beregninger Dimensjoneringen må ta hensyn til: Type vannvei, tunnel eller rør Vannføringens kapasitet (falltap) Statisk trykk Dynamisk trykk (trykkstøt og svingninger, styres av turbinregulatoren) Stengeorgan (hovedstengeventil, rørbruddsventil, inntaksluke) Eventuelt svingesjakt Rør Svingesjakt Tunell 8

9 Trykkstøt - Kort innføringskurs L = lengde rørgate [m] Δv = Hastighetsendring i røret [m/s] a = trykkforplantningshastigheten (lydforplantningshastigheten) Forenklet: Tunnel a 1200 m/s Stålrør a 1000 m/s Betongrør a 1000 m/s GRP-rør a 400 m/s Hvis ledeapparat eller ventil stenger raskere enn T = (2*L)/a: gir dette maksimalt trykkstøt på: ΔH [mvs] a*δv /10 NB! Vannveien er vanligvis ikke dimensjonert for dette! Trykkstigning umiddelbart etter stenging påvirkes ikke av falltapet i vannveien. 9

10 Trykk ( kotehøyde) Trykk ( kotehøyde) Trykkstøt Dynamisk trykkstigning: Turbinavhengig, beregnes under prosjektering og garanteres av turbinleverandøren Uten beregning eller garanti: Anta 30% av statisk ved kraftstasjonen Trykkstøtsberegninger: Trykkstøtet er en funksjon av turbin/ventilens lukkehastighet Utføres for å sikre at trykkstøtene ligger innenfor akseptkravene for vannveien Vær oppmerksom på at man kan ha betydelig trykkstøt nær inntaket selv om statisk trykk der er lavt Vurder fare for undertrykk Turbin X Kraftverk Del-lastavslag. Tillatt trykkstigning i stasjonen 30% X Kraftverk Del-lastavslag. Tillatt trykkstigning i stasjonen 30% Undertrykk og fare for rørkollaps Trykk stillstand rørtrase maks trykk min trykk Rørlengde ( m fra Pel 0, stasjonen) Reelt trykk er høyere enn forenklet vurdering iht NVE rørtrase maks trykk min trykk alt. rørtrase NVE trykk 30% Inntak Rørlengde ( m fra Pel 0, stasjonen) 10

11 Styrkemessige dimensjoneringskriterier Dimensjonerende belastning er statisk trykk + trykkstøt For frittliggende stålrør: Sikkerhetsfaktor 1.5 mot flyt, dog minimum ca 1.9 mot brudd etter rustfradrag. For frittliggende GRP-rør (Glassfiberarmert) Sikkerhetsfaktor 1.8 mot brudd redusert for materialsvekkelsen etter 50 års levetid. For råsprengte tunneler Overdekkingen skal som en håndregel være minst 60% av trykket (vekten av fjellet overstiger vanntrykket) Generelt for turbiner/ventiler Sikkerhetsfaktor typisk mot flyt (Ikke NVE krav etter hovedstengeorgan) 11

12 Dimensjoneringskriterier - stålforet sjakt Dimensjonering mot innvendig trykk Antar at fjell/betong tar opp trykkrefter Dimensjoneringskriterier Sikkerhetsfaktor mot flyt når både stål og fjell/betong opptar trykkreftene: 1.5 Sikkerhetsfaktor mot brudd ved sviktende virkning fra innstøping (bare stålet tar kreftene): 1.1 Dimensjonering mot utvendig trykk Generelt er det vanlig å anta et vanntrykk tilsvarende fjellets vertikale overdekking. Denne forutsetningen kan ved stor overdekning gi urealistiske høye trykk og i enkelte tilfeller er dimensjonerende trykk blitt begrenset basert på geologiske vurderinger av fjellets permeabilitet Sikkerhetsfaktor mot innknekking :

13 Bieudron ulykken i Sveits Hoveddata Brutto fallhøyde: 1883 mvs Nom. vannføring: 75 m 3 /s Bruddstedet Kote: 1234 moh Statisk trykk: 916 mvs Revne i rør L = 9 m, B = 0.6 m Estimert vannføring: 150 m 3 /s 13

14 Dimensjoneringskriterier - Injeksjonsskjerm Basert på ingeniørgeologiske vurderinger må siste del av tunnelen inn mot kraftstasjonen stålfores Ved overgang fra råsprengt tunnel til stålforet trykksjakt etableres det en injeksjons skjerm. Den har som formål å redusere poretrykket i fjellet omkring den forete sjakta i forhold til omkring den råsprengte tunellen og redusere faren for innlekkasje mot stasjonen fra vannveien. Plasseres etter geologiske vurderinger, fjellspenningen må være større enn vanntrykket. Injeksjons skjerm 14

15 Turbinens ledeapparat og servomotor Ledeapparatet (evt Peltondysen) regulerer pådraget til turbinen ved hjelp av servomotoren Åpne- og lukkeblender begrenser hastigheten og dermed trykkstøtet i vannveien, dette vil overstyre eventuelle feil i turbinregulatoren Brudd i disse komponentene kan være kritisk, vær spesielt obs. hvis det er friksjonsforbindelser på alle ledeskovler, noe som kan gi kaskadelukking og meget høye trykkstøt Forbislippingsventil (sikkerhetsventil) er en kritisk komponent som kan gi rørbrudd ved feilfunksjon i systemet Lukkeblende Åpneblende Friksjonsforbindelse 15

16 Innløpstrykk tromme [% relativt til fallhøyden ] Verdensrekord i trykkstøt? Friksjonsforbindelsene løsner og ledeapparatet "klapper" igjen Kraftig trykkstøt på grunn av momentan stopp av vannet i tilløpet Minimum bruddlast Dimensjonerende flytespenning (permanent deformasjon) Trykkbølgen går fram og tilbake i vannveien inntil den dempes ut Max. tillatt trykkstigning Full kavitasjon (vakuum) i tromma idet trykkbølgen kommer tilbake Tid [s] 16

17 Innløpsventil Ventilen har som oppgave å isolere turbinen fra trykksjakten Hvis turbinregulator og/eller ledeapparat feiler skal ventilen stanse vannføringen på en kontrollert måte. Ventilen er derfor utstyrt med fallodd og en stuping i pådragssylinderen som begrenser lukkehastigheten I tilegg har man inntaksluke eller ventil i dammen som den siste barriere (+ eventuell rørbruddsventil) I disse tilfeller vil aggregatet gå til full rusing Figur hentet fra Energi Norge Tilstandskontrollhåndbok 17

18 Tømme og lenseanlegg Tømme og lenseanlegget skal fjerne lekkasjevann og holde stasjonen tørr Alle stengeventiler koblet mot trykksjakt skal være av god kvalitet med ventilhus av støpestål eller seigjern og flenses direkte mot trykkrøret Ved tømming av trykksjakt oppstår det ofte kraftige vibrasjoner. Rør og ventiler må derfor klamres godt for å unngå rørbrudd. Dette gjelder også lenseejektorer som drives av tilløpstrykket De fleste drukninger og oversvømmelser av kraftstasjoner i Norge skyldes feil i disse systemene Ved nedtapping av trykksjakt, tømming og andre unormale drifttilstander skal det alltid være personell tilstede i stasjonen som observerer nivået i pumpekummen og er opplært i manuell betjening av anlegget 18

19 Tømme og lenseanlegg Figuren viser et typisk tømme og lenseanlegg for et høytrykksanlegg Vær spesielt oppmerksom på korrosjon der hvor rørene går inn i betongen Stenge- og revisjonsventiler Omløpsventil Strupeventil for tømming av trykksjakt Separate rør for hver pumpe/ ejektor opp til over vannspeilet i undervann Undervann Nye anlegg utføres vanligvis med rustfrie rør Ejektor Tømmeventil for sugerør Lensepumper 19

20 Tømming av vannveien og inspeksjoner Ved tømming av tunneler er det begrensning tømmehastigheten slik at poretrykket i fjellet får tid til å utjevne seg. Geologiske vurderinger er grunnlaget for hvor raskt man kan senke trykket. For rask trykksenking kan medføre ras i tunnelen Etter at vannveien er tømt skal det ventes ytterligere enn tid før personell går inn i tunnelen for å redusere faren for fallende steinblokker Ved inspeksjon i vannveien skal både inntaksluker, innløpsventil og sugerørsluker forrigles mot utilsiktet manøvrering (manøvreringsorgan sperres og styresystem kobles ut) Det er ikke akseptabel praksis å bare legge styringen i lokal 20

21 Oppgradering med økt turbineffekt - hva må man passe på I forbindelse med rehabilitering er det ofte snakk om å øke turbineffekten, noe som medfører større hastigheter i vannveien En ny trykk- og stabilitetsberegning må da utføres for å bestemme nye regulatorparametre og lukketider Pass spesielt på ved avslag: Oversving i svingekammer og bekkeinntak Oversving i sugerørelukekammer Ved lukekammer i direkte forbindelse mot maskinsalen har dette medført at vannet har flommet ned i generatoren Ved lange avløpstunneler har man fått full kavitasjon i sugerøret og trykkstøtet fra returbølgen etterpå har knust både turbin og fjellet omkring. Ved frispeil i avløpstunnel kan bølgen nå taket i tunnelen, som dermed pumper store luftmengder ut og inn av stasjonen ( sykkelpumpeeffekt ) Dette har medført at porter og lettvegger har falt ned 21

22 Ustabil turbinregulator - effektpendlinger Så lenge aggregatet henger på samkjøringsnettet får man vanligvis ingen tegn på at turbinregulatoren er ustabil*, ett ustabilt aggregat klarer ikke å dra med seg hele nettet * Unntaket er når den har blitt så ustabil at man ikke klarer å fase aggregatet Ved kjøring på eget nett vil imidlertid en ustabil turbinregulator medføre at effekten og dermed vannføringen starter å pendle, og i de uheldigste tilfellene har det medført sprengt trykksjakt. Enkelte aggregater er bare stabile opp til f.eks. 50% last Gjelder primært Francisaggregater og Kaplan- / rørturbiner. Tidligere hadde man problemer med at spenningsregulatoren og turbinregulatoren var like raske (samme båndbredde) og jobbet mot hverandre, noe som ga effektpendlinger på stivt nett. Moderne statisk magnetisering med sleperinger er mye raskere og gir ikke slike problemer. (Statnett krav for aggregater >10 MVA) For småkraftverk med børsteløs magnetisering kan dette fortsatt være et problem. 22

23 Effektkjøring - begrensninger Aggregatene styres nå vanligvis av en driftsentral lokalisert langt fra kraftstasjonen, og effekten varieres med innmeldt effekt eller etter behov for regulerkraft. I de anlegg hvor man har lange tilløpstunneler kan gjentatte opp- og nedlastinger med korte tidsintervall gi massesvingninger i tunellen med medfølgende store trykksvingninger i vannveien. I enkelte anlegg er det derfor satt tidsbegrensninger på opptil 10 minutter på ny opplasting etter et avslag Denne kunnskapen var kjent for operatørene da anleggene ble kjørt lokalt, men kunnskapen har i flere tilfeller ikke blitt overført til operatørene på den nye driftsentralen. Trykksvingningene har i flere tilfeller blitt stanset ved at aggregatet gikk til stopp på kritisk lavt trykk i sjakte. Det kan da allerede ha gitt overløp i bekkeinntak eller tømt sandfang. 23

24 Sikker jobb analyser I alle situasjoner utenom vanlig drift og start/stopp bør man før jobben starter foreta en gjennomgang hvor man vurderer: Forstår man hvordan systemet virker og hvilke konsekvenser det har hvis noe feiler. Finnes det betjeningsinstrukser for manuell betjening av systemene slått opp på veggen, og er betjeningshendlene tydelig merket. Sørg for at alle operatører har fått opplæring i manuell betjening av anlegget Foreta en funksjonskontroll av reservesystemene så langt det er mulig (reservepumper, ejektorer, bevegelighet til stengeventiler etc.) Ved inspeksjoner i vannveien, har man en plan for hvordan man skal få skadede personer ut (lange avstander, trange mannhull etc.), og er varslingsrutinene gjort kjent for alle? 24

25 Oppsummering Vannveien i norske kraftanlegg er generelt dimensjonert med gode sikkerhetsmarginer Dette betyr ikke at alt er idiotsikkert, det forutsetter at systemet betjenes og vedlikeholdes riktig. Kunnskap hos operatører og vedlikeholdspersonell om hvordan systemene virker og hvilke begrensinger det har er den beste sikkerheten mot uønskede hendelser. Tegnet av Thor Bjørlin TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN 25