Opravy a modernizace rychlozávěrů vodních elektráren

publikováno: 28. dubna 2023

Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com)

Modernizace vodní elektrárny není pouze o modernizaci výrobního zařízení, kterým je soustrojí turbogenerátoru. V potaz je nutné vzít i další důležité součásti, jako je zařízení na vtoku, vodní cesty nebo systém kontroly a řízení. Článek si bere za cíl přiblížit zkušenosti z pohledu provozovatele největších elektráren v ČR – tedy společnosti ČEZ - s opravami a modernizacemi tzv. „rychlozávěrů“, tedy zařízení na vtoku.

Tabulový rychlozávěr vtoku (RZ) slouží jako bezpečnostní / havarijní uzávěr přívodu vody na vstupu do přiváděcího potrubí vodní turbíny. Je přímo řízen řídícím systémem soustrojí turbogenerátoru, protože je součástí hydraulického obvodu turbíny. Uzavření vtoku má být zaručeno vlastní vahou ocelové tabule RZ a na velkých vodních elektrárnách je obvyklá doba uzavření vtoku kolem 35 s.

Konstrukce RZ je dimenzována na nejhorší dynamické zatížení, které teoreticky může nastat – tedy náporu vody při závažných poruchách, jako např. při prasknutí spirály turbíny nebo potrubí přivaděče, nebo při vzniku vážné poruchy na soustrojí (např. selhání regulace). Z tohoto důvodu je dobré udržovat zařízení v dobrém technickém stavu, přestože pravděpodobnost, že taková situace nastane, je minimální.

Rychlozávěry se využívají běžně i jako provozní uzávěr vtoku; jinak je tabule trvale zvednuta v horní poloze. Plnění přivaděče se provádí přizvednutím tabule RZ do tzv. plnící polohy.

Konstrukčně velmi podobné uzávěry spodních výpustí přehrad mohou sloužit např. k vypuštění nádrže nebo k převádění části průtoku při povodni.

Jedná se o důležitý prvek v průtočných cestách vodní elektrárny a je o to důležitější, pokud na přivaděči před turbínou není jiný typ uzávěru.

Příklady velikosti vybraných tabulí RZ (šířka x výška; váha):

VE Lipno – 6,35 m x 6 m ; 37,5 t
VE Slapy – 4 m x 6,6 m ; 50 t
VE Orlík - 5 m x 9 m ; 54 t
PVE Dalešice – 7 m x 13,3 m ; 67,7 t

Opravy

Rozmach výstavby větších vodních děl v Evropě byl zahájen někdy kolem roku 1935 a trval až do roku 1990. To znamená, že některá velká vodní díla dnes mají stáří přes 80 let. Za tuto dobu byla soustrojí turbogenerátorů (TG) rekonstruována přibližně 3x. Při generálních opravách (GO) bylo postupně vyměněno a vylepšeno mnoho nejdůležitějších komponent, rychlozávěry však většinou zůstaly původní; pouze se opravovaly.

Často se jedná o původní nýtované konstrukce, přičemž jejich stav je nevyhovující z důvodu pokročilého stádia koroze, kdy dochází zejména k oslabení konstrukčních prvků úbytkem materiálu, ale také třeba k poruchám funkce podvozku (viz Obrázek 2).

Pokud si dnes investor nechá provést posouzení zbytkové živostnosti 80 a více let staré konstrukce RZ, může s velkou pravděpodobností očekávat doporučení k výměně.

Zesílení nebo výměna konstrukčních prvků pro další provoz (např. výměna nýtů) lze předpokládat jako málo efektivní, jak z hlediska dosažení požadované spolehlivosti dle ČSN, tak z hlediska bezpečnosti provozu. Konečnou životnost RZ jako celku by to stejně prodloužilo teoreticky jen o několik let.

Problém oprav je také v tom, že rychlozávěr není možné jednoduše demontovat. Taková akce je dost časově náročná a vyžaduje delší odstávku. Většinou se spojuje s GO soustrojí TG zhruba jednou za 25 až 30 let. Mezitím se zařízení kontroluje při provozních odstávkách, tj. 1x ročně, ale rozsah oprav, které je možné provádět je omezený vzhledem k umístění hluboko v šachtě, omezenému prostoru, ale také klimatickým podmínkám.

Obvyklý rozsah GO zařízení RZ zahrnuje důkladnou defektoskopii všech namáhaných částí, obnovu protikorozní ochrany, výměnu ložisek, nové profilové těsnění. Dále jsou to práce na hydraulickém ovládání – rozebrání ČA RZ, jeho vyčištění, výměna těsnění, případně výměna čerpadel a někdy elektropohonů, výměna snímačů.

Při dřívějších opravách se také vyměňoval původní hydraulický olej za biologicky odbouratelný syntetický olej. Ukázalo se, že tento olej na sebe váže vodu a je nutné jej velmi často čistit. Jeho další nevýhodou je fakt, že při úniku do vody klesá ke dnu, kde zůstává dlouhodobě usazen. Proti tomu běžný minerální olej plave na hladině a je možné ho pomocí sorbentů pohodlně zachytit; zároveň je podstatně levnější a trvanlivější. Z těchto důvodů bylo od použití „EKO“ olejů ustoupeno.

V šachtě rychlozávěru se provádí oprava vodících drah, a dalších ocelových konstrukcí. Většinou jde o vyrovnání hlavní vodící dráhy, vyrovnání dosedacího rámu a prahu.

Rizika selhání rychlozávěru

V minulosti jsou dokumentované různé havárie RZ. Např. na VE Orlík došlo ke dvěma haváriím při UDP v letech 1961 a 1962. Při obou byla tabule následkem příliš rychlého plnění přivaděče katapultována do šachty a celé zařízení bylo poničeno. Obdobná havárie se stala také na VE Mossyrock v USA a na VE UVAC v Jugoslávii. Tyto události vedly ke zmenšení plnící mezery pod tabulí a tím zpomalení plnění přivaděče. To mělo bohužel vedlejší negativní efekt, kterým byly fluktuace tlaku při proudění úzkou mezerou pod tabulí – dynamická nestabilita. Fluktuace nepřípustně rozkmitávaly celou konstrukci RZ. Výzkumem proudění na fyzikálních modelech se postupně dospělo k nalezení vhodného tvaru spodní části tabule.

Nevhodný tvar spodní části tabule vedl k havárii také na vodním díle Ružín I v r. 1975. Při poruše Johnsonova uzávěru musela být spodní výpust přehrady nouzově zahrazena stavidlovým uzávěrem. Na spodní část tabule uzávěru působila tak velká přitěžující hydrodynamická síla, že to vedlo ke zborcení vtokového jeřábu, jenž uzávěr spouštěl.

Na elektrárně Slapy došlo v r. 2017 k selhání hydraulické regulace rozvaděče (RK) při startu soustrojí TG2, přičemž ŘS okamžitě aktivoval havarijní uzavření vtoku rychlouzávěrem. Hydrodynamická síla působící na tabuli způsobila, že třecí síly válečkových podvozků ve špatném stavu (Obrázek 2) byly vyšší než tíhová síla tabule (32 tun), tabule RZ nedosedla a soustrojí TG zůstalo na otáčkách.

Zvětšené tření podvozku, stejně jako na Slapech, možná přispělo k havárii RZ na elektrárně Ružín v r. 2001. Časem dochází u konstrukcí rychlozávěrů k snižování jejich spolehlivosti, což může být způsobeno více faktory, jako je zejména koroze a materiálová únava způsobená opakovaným zatěžováním a odlehčováním tabule při uzavírání vtoku.

Uvedené důvody, a hlavně konstrukční chyba, kdy ve výřezu hlavního nosníku docházelo ke koncentraci napětí, vedla k deformaci rychlozávěru (Obrázek 3).

Slovenské Elektrárne, a.s. si po této události nechali vyrobit nový RZ – stejného typu konstrukce, ale s vylepšenou geometrií, která byla ověřena výpočtem metodou konečných prvků.

Na elektrárně Vrané nad Vltavou, což je první elektrárna, která byla vybudována na Vltavské kaskádě v r. 1936, je původní rychlozávěr.

Tabule RZ (Obrázek 4) je ve špatném stavu zejména z důvodu degradace nosných prvků a nýtů vlivem koroze. Spolehlivost RZ je tedy velmi ohrožena, nicméně k selhání zřejmě nikdy nedošlo.

NOVÝ RYCHLOZÁVĚR

Základní požadavky na nový RZ vycházejí z dlouhodobých poznatků z provozování a studia problematiky těchto zařízení.

Jsou to zejména:

Transportovatelnost po pozemní komunikaci – vyžaduje vyrobit rozměrnou ocelovou konstrukci na díly.
Spolehlivost RZ – vyžaduje náročnou projektovou přípravu. Tabule RZ musí vlastní váhou bezpečně uzavřít vtok při nejhorším možném průtoku. To klade vysoké nároky zejména na výpočty. Pro RZ pracující na elektrárnách s vysokým spádem, nebo RZ s velmi velkými rozměry, doporučuji provádět i výpočty dynamického zatížení (CFD), ze kterých vyjde maximální zatížení důležité pro dimenzování celé tabule a podvozků, a dále je možné předvídat a vyloučit spoustu rizik vlivů známých z minulosti.
Váhový limit – Těžší tabule spolehlivěji zavírá, ale montáž a spuštění tabule do šachty se provádí vtokovým jeřábem, jehož nosnost je limitována.

Poznámka k pevnostním výpočtům: Moderní výpočetní technika a výpočty pomocí metody konečných prvků umožňují předvídat slabá místa v konstrukci. Takto lze odhalit spoustu chyb na starých konstrukcích, které mohou ohrožovat spolehlivost. Viz zmíněná havárie RZ na elektrárně Ružín.

Zkoušky spolehlivosti

Těsnost tabule RZ (průsak) je dána normou ČSN 731404 (neplatná, ale bez náhrady; stále se používá).
Zkouška spolehlivosti uzavření vtoku při shození RZ do průtoku (např. při volnoběhu turbíny). Jsou měřeny zejména poloha, vibrace na hydraulickém servoválci a tlak oleje.

Závěr

Obrázek 5 naznačuje, jaký podíl zahrnují hlavní položky v zakázkách GO RZ pro ty případy, kdy se vyrábí nová tabule RZ. Samozřejmě, že každá elektrárna, resp. každý RZ je konstrukčně unikátní, a tak tento cenový rozklad nelze úplně zobecnit, ale pokud se pohybujeme v toleranci +- 5 %, pak nejsme daleko od reality. Následující časová osa uvádí rok opravy nebo modernizace zařízení RZ na VE společnosti ČEZ.

Pokud se jedná o nové RZ, tyto dodávala firma ČEZ Energoservis, spol. s.r.o., která nejen pro vodní elektrárny společnosti ČEZ zajišťuje inženýring, výrobu, ale i servis zařízení RZ. Jednalo se o nové RZ na MVE Kníničky, 2x RZ na VE Slapy a nyní probíhá realizace RZ na VE Vrané.

Použité zdroje:

[Obrázek 1] Archiv vodních elektráren ČEZ – Pasport vodní elektrárny Slapy, 2015, ČEZ, a.s.
[Obrázek 3] HUSÁR Viliam - Slovenské elektrárne a.s., Prezentace na konferenci Hydroturbo 2004
[Obrázek 4] BÁRTL Luděk - ČEZ, a.s, 2009
[Obrázek 5] ČADA Zdeněk, BARANČÍK Milan, Posouzení pevnosti tabule rychlouzávěru přivaděče vodní elektrárny Slapy, 2019, SVS FEM s.r.o.

Radek Veselý
ČEZ, a.s.
Inženýring vodních elektráren

ZKRATKA