چگونگي تاثير زلزله در بهره‌برداري از نيروگاهها

[pesare irani 41805]

چكيده:

 

در اين مقاله ضمن بررسي مباني اطلاعاتي در مورد لرزش، و تكنولوژي لرزش، زلزله و اثرات آن روي نيروگاهها ارتباط بين خارج شدن واحدهاي 1، 2، 3 نيروگاه بندرعباس با زلزله نسبتاً خفيفي كه در تاريخ 9/2/1366 در آن محل حادث گرديده مورد بررسي قرار مي‌گيرد و نشان داده خواهد شد كه اگر فرمان تريپ توربين بجاي آنكه از سيگنال دامنه گرفته شود از سيگنال سرعت گرفته مي‌شد نه تنها در اين حادثه واحدها از مدار خارج نمي‌شدند بلكه چنانچه شتاب زلزله تا حد g 125/0 نيز مي‌رسيده واحدها تريپ نمي‌كردند.

 

 

شرح مقاله:

 

بر اساس گزارش دفتر فني شبكه ـ شركت توانير در تاريخ 9/2/66 در اثر زلزله نه چندان شديد بندرعباس ابتدا واحدهاي 1 و 2 و 3 نيروگاه بندرعباس با عملكرد حفاظت حد بالاي Vibration از مدار خارج شده و سپس ولتاژ در سيرجان به 350 كيلوولت كاهش يافته است.

 

پس از آن راكتور R4 سيرجان بنا به درخواست مركز كنترل از مدار خارج گرديده و سبب اضافه ولتاژ در شبكه شده است. اسيلوگراف بندرعباس ميزان ولتاژ موثر را 600 كيلوولت به مدت 10 سيكل روي خط SA906 و همين ولتاژ را به مدت 15 سيكل روي خط SA905 ثبت نموده است و عملكرد ساير رله‌ها در اثر اضافه ولتاژ بوده است. در اثر حادثه فوق برقگير فاز T خط SA906 صدمه ديده است. ضمناً در تاريخ 27/3/66 بدليل مشابه 2 واحد از چهار واحد نيروگاه بندرعباس تريپ داده و دو واحد ديگر آلارم حد بالاي Vibration مي‌دهند. اين وقايع انگيزه‌اي شد براي تحقيق در كم و كيف موضوع و نهايتاً نگارش اين مقاله.

 

در اين مقاله سعي شده است كه اطلاعات پايه‌اي در مورد لرزش، دتكتورهاي لرزش، زلزله و اثرات زلزله روي نيروگاهها مطالبي عنوان شود و در پايان نتيجه‌گيري شده است كه در نيروگاهها دتكتورهاي لرزش توربين بايد طوري طراحي شوند كه در مقابل امواج زلزله‌اي كه پيش‌بيني مي‌شود فقط يكبار در طول عمر نيروگاه اتفاق افتد، حساس نباشند.

 

 

1ـ كليات:

 

ارتعاش يعني حركت يا تغيير مكان نوساني يا پريود يك يك جسم يا دستگاه، در اين مقاله دو نوع ارتعاش تعريف مي‌شود.

 

الف) ارتعاش در فركانس طبيعي ب) ارتعاش اجباري

 

الف: هر جسم يا دستگاه داراي حداقل يك فركانس طبيعي ايست كه بستگي به ابعاد جرم سختي تنش و ضريب ميرائي اجزاء تشكيل دهنده دارد و با يك تحريك خارجي نظير ضربه، جسم يا دستگاه با فركانس طبيعي خود به ارتعاش در مي‌آيد و اگر تحريك خارجي برداشته شود بخاطر ضريب ميرائي، دامنه ارتعاشات بتدريج كم شده و از بين مي‌روند و اگر تحريك خارجي با همان پريود فركانس طبيعي اعمال شود معمولاً دامنه نوسانات زياد شده و دستگاه از حالت پايدار خارج مي‌شود. مثال ساده‌اي در اين مورد حركت نوساني يا ارتعاش يك سيم است كه از دو طرف ثابت شده باشد. با يك تغيير مكان اوليه و سپس رها كردن سيم، سيم در فركانس طبيعي خود كه بستگي به جنس سيم، طول سيم و نيروي تنش دارد مرتعش مي‌شود.

 

ب: ارتعاش اجباري ارتعاشي است كه در اثر اعمال يك محرك خارجي كه بصورت پريود يك عمل نمايد، ايجاد مي‌شود. نظير ارتعاش محور يك ماشين چرخنده (بعنوان مثال توربين) ناشي از نامتعادل بودن يا بالانس نبودن محور.

 

از آنجائيكه بالانس كردن يك محور نظير محور توربين بطور كامل عملاً غير ممكن است لذا همواره محور توربين‌ها در حال گردش داراي ارتعاش مي‌باشند كه دامنه اين ارتعاشات تقريباً متناسب است با تابع توان 2 سرعت گردش محور. [1]

 

بكمك دستگاههاي اندازه‌گيري كنوني، ميزان بالانس نبودن محور توربين را مي‌توان به حدود نسبتاً پائيني تقليل داد گرچه از نظر اقتصادي رسيدن به كيفيت بسيار بالا بصرفه نيست و همواره حدود مجازي براي حداكثر ميزان بالانس نبودن و ارتعاشات ناشي از آن وجود دارد. [2]

 

در فركانس‌هاي طبيعي، دامنه ارتعاشات بشدت زياد مي‌شود و به همين دليل معمولاً در طراحي توربين‌ها فركانسهاي طبيعي را يا خيلي بالاتر از فركانس نامي در نظر مي‌گيرند و يا اگر بدليل محدوديتهاي طراحي فركانسهاي طبيعي كوچكتر از فركانس‌ نامي باشند در موقع راه‌اندازي توصيه مي‌شود كه از فركانسهاي طبيعي به سرعت بگذريم تا دامنه ارتعاشات از حد مجاز تجاوز نكند.

 

ساده ترين نوع ارتعاشات، ارتعاش با تابع سينوسي نسبت به زمان است كه در واقع يك فركانس خاص دارد. اما معمولاً ارتعاشات در طبيعت و در دستگاهها گرچه پريود يك اندولي يك تابع سينوسي خالص نيستند و تركيبي هستند از توابع سينوسي با فركانس اصلي و هارمونيكهاي فركانس اصلي، يكي از كاربردهاي سري فوريه تجزيه و تحليل اين نوع ارتعاشات است.

 

در سري فوريه يك تابع پريود يك غير سينوسي را مي توان تبديل به چندين و يا حتي بي نهايت تابع سينوسي كرد. بر اساس فرمول زير:

 

 

3ـ ارزيابي پديده لرزش به كمك مدل رياضي: [3]

 

پديه لرزش و همچنين اساس كار دستگاههاي اندازه گيري لرزش را مي توان توسط مدل رياضي وزنه، فنر و اصطكاك بررسي كرد. در شكل زير m جرم ،k ضريب فنريت و C ضريب اصطكاك و y تغيير مكان بدنه، x تغيير مكان وزنه مي باشد.

 

تغيير مكان y باعث تغيير مكان x در وزنه مي شود كه تابع فرمول زير است:

 

كه تابع تبديل لاپلاس آن بصورت زير است:

 

براي يك تحريك سينوسي با فركانس w وبا فرض

 

همچنانكه از شكل پيداست براي مقادير بزرگβ (يعني فركانس اجباري خيلي بزرگتر از فركانس طبيعي) مي شود يعني تغيير مكان وزنه نسبت به بدنه كاملاً مشابه است با تغيير مكان بدنه نسبت به يك دستگاه مختصات ثابت.

 

دتكتورهائي كه براين اساس ساخته مي شوند داراي فركانس طبيعي پائين هستند و محدوده كار آنها را معمولاً از دو برابر فركانس طبيعي به بالاست.

 

وقتيكه باشد تغيير مكان x متناسب است با مشتق دوم y يعني شتاب ورودي.

 

براي ضريب ميرائي 6/0 پاسخ سيستم تا كاملاً خطي است و موازي محور دتكتورهائي كه بر اين اساس ساخته مي شوند داراي فركانس طبيعي بالا هستند و محدوده كاري آنها زير فركانس طبيعي است.

 

 

3 ـ انواع دتكتورها:

 

دتكتورها بطور كلي به سه دسته تقسيم مي شوند:

 

ـ دتكتورهائي كه دامنه ارتعاشات را اندازه گيري مي‌كنند.

 

ـ دتكتورهائي كه سرعت ارتعاشات را اندازه‌گيري مي‌كنند.

 

ـ دتكتورهائي كه شتاب ارتعاشات را مي سنجند.

 

 

1ـ3ـ دتكتورهاي اندازه گير دامنه: در حالت ديديم كه دامنه تغييرات وزنه نسبت به بدنه كاملاً مساوي است با دامنه ارتعاشات جسمي كه دتكتوري آن سوار است. در اين نوع دتكتورها تغيير مكان وزنه نسبت به بدنه را توسط مقاومت، خازن يا سلف متغير تبديل به يك سيگنال الكتريكي مي‌نمايند.

 

2ـ3ـ دتكتورهاي اندازه‌گير سرعت: شبيه به نوع اول است با اين تفاوت كه وزنه داخل دتكتوريك مغناطيس طبيعي است كه حركت نسبي آن نسبت به بدنه ولتاژي را درون سيم‌پيچي كه به بدنه ثابت شده است ايجاد مي‌نمايد. اين ولتاژ متناسب با مشتق تغيير مكان يعني سرعت نوسانات است. [4]

 

K ـ ضريب ثابت

 

B ـ شدت ميدان مغناطيسي

 

l ـ طول سيم‌پيچ

 

V ـ سرعت

 

در دتكتورهاي نوع دوم از آنجائيكه اصل بر پائين بودن فركانس طبيعي استوار است نتيجتاً به منظور كم كردن فركانس طبيعي مقدار جرم m را بايد زياد كرد كه اين خود به معني بزرگ شدن ابعاد دتكتور مي‌باشد.

 

3ـ3ـ دتكتورهاي اندازه‌گير شتاب: در حالت ديديم كه دامنه تغييرات وزنه كاملاً مساوي است با شتاب ارتعاشات دستگاهي كه دتكتور روي آن سوار شده است.

 

بر اين اساس دتكتورهاي نوع پيرو الكتريك ساخته شده است. [6] , [5]

 

بار الكتريكي جمع شده در سطوح مقابل كريستال متناسب است با نيروي وارده به دو طرف كريستال و نيروي وارده به كريستال نيز با شتاب ارتعاشات متناسب است. بار ايجاد شده در طرفين كريستال را توسط خازن به ولتاژ الكتريكي تبديل مي‌نمائيم لذا خروجي اين نوع دتكتور ولتاژي است متناسب با شتاب ارتعاشات كه با يك بار انتگرال‌گيري سرعت ارتعاشات و با دو بار انتگرال‌گيري دامنه ارتعاشات بدست مي‌آيد.

 

سيگنال خروجي دتكتورهائي كه روي ياتاقانهاي محور توربين‌ها سوارند در دستگاههاي الكترونيكي شامل مدارهاي تقويت كننده انتگرال‌گير، مشتق‌گير و معدل‌گير به سيگنالهاي استانداردي تبديل مي‌شوند كه مي‌توان آنها را توسط نشان دهنده‌ها يا ثبات‌ها در اتاق كنترل نشان داد و يا ثبت كرد و همچنين معمولاً دو سيگنال حدي وجود دارد كه در صورت زياد شدن دامنه سرعت يا شتاب نوسانات و رسيدن به حد اعلام خطر مي‌كنند و در صورت رسيدن به حد دوم توربين را تريپ مي‌دهند.

 

 

4ـ پديده زلزله:

 

صرفنظر از تئوريهاي مختلف در مورد چگونگي بوجود آمدن زلزله بطور كلي مي‌توان گفت كه در اثر نيروهاي كششي يا فشاري كه در يك نقطه از زمين ايجاد مي‌شود، ضخره‌هاي زمين كه داراي خواص الاستيسيته‌اي هستند تغيير شكل مي‌دهند و اين تغيير شكلها وقتي كه حالت ضربه‌اي يا پريود يك داشته باشد تبديل به ارتعاشات شده و بصورت امواج زلزله در جرم زمين منتشر مي‌شوند و به سطح زمين مي‌رسند. سرعت امواج زلزله كه بستگي به جرم مخصوص و خواص ارتجاعي صخره‌ها دارد حداكثر تا 5 كيلومتر در ثانيه است. [7] فركانس امواج زلزله معمولاً بين 5/0 تا 10 هرتز مي‌باشد كه امواج با فركانسهاي بالاتر زودتر مستهلك شده و امواج با فركانسهاي پائين‌تر فاصله زيادتري را طي مي‌كنند.

 

ميزان بزرگي يا انرژي آزاد شده يك زلزله را با واحدي بنام ريشتر بيان مي‌كنند كه تابع فرمول زير است:

 

 

A: دامنه موج زلزله اندازه‌گيري شده توسط دستگاه استاندارد وود آندرسن در فاصله 100 كيلومتري از مركز زلزله است.

 

براي اينكه از مقياس ريشتر استنباط درستي داشته باشيم مي‌توان گفت در نزديكترين نقطه به مركز زلزله، زلزله‌هاي بقدرت كمتر از 2 ريشتر توسط انسان احساس نمي‌شوند و زلزله‌هاي به قدرت بيشتر از 5 ريشتر تكانهاي شديد مي‌دهد و به ساختمانها خسارت وارد مي‌كنند. [7]

 

مقياس ديگري براي شدت زلزله در هر نقطه تعريف مي‌شود بنام مقياس مركالي كه 12 درجه دارد بطور مثال زلزله‌اي با درجه 1 مركالي توسط انسان احساس نمي‌شود و مقياس 7 مركالي زلزله‌اي است كه به ساختمانهاي قديمي ساز خسارت شديد وارد مي‌كند اما تاثير زيادي روي ساختمانهائي كه بر اساس اصول مهندسي ساخته شده باشند ندارد. [7]

 

زلزله‌اي با مقياس 12 مركالي با شتابي بيش از سه برابر شتاب زمين شديدترين زلزله‌اي است كه كليه ساختمانها را ويران مي‌كند و تغييرات شديدي در طبيعت ايجاد مي‌نمايد.

 

در ايستگاههاي زلزله شناسي عموماً دستگاههائي نصب مي‌شوند كه شتاب زلزله را با حساسيتي حدود g 12-10 در دو جهت افقي و يك عمودي احساس و ثبت مي‌كنند و در سيستمهاي پيشرفته‌تر استگاههاي فرعي دائماًاطلاعات ثبت شده خود را به يك ايستگاه اصلي منتقل مي‌كنند.

 

 

5ـ تخمين ريسك زلزله:

 

معمول است كه قبل از انتخاب محل احداث يك تاسيسات صنعتي مثلاً يك نيروگاه و يا قبل از انجام طراحي سازه‌ها و تاسيسات بر اساس اطلاعات و آمار موجود از زلزله‌هائي كه در گذشته اتفاق افتاده و همچنين وضعيت زمين شناسي منطقه از نظر خصوصيات زمين و گسلهاي موجود و همين طور طراحي صحيح سازه‌ها و تجهيزات محاسباتي را انجام مي دهند كه نتيجه اين محاسبات در سه عامل زير خلاصه مي‌شود:

 

ـ شتاب زلزله با احتمال وقوع يك بار در طول عمر مفيد نيروگاه

 

(DBE – Design Basic Earthquake)

 

ـ شتاب زلزله با احتمال وقوع يك بار در دو برابر عمر مفيد نيروگاه

 

(MPE – Maximum Possible Earthquake)

 

ـ طيف پاسخ زلزله (Response Spectra) كه بيانگر تغييرات شتاب زلزله در طول چند ثانيه وقوع آن است و معمولاً با يك شيب تند زياد مي‌شود (2/0 ثانيه) و سپس در طول 5 تا 20 ثانيه مستهلك مي‌گردد.

 

بر اساس مشخصات فني يازه‌ها و فونداسيونها و تجهيزات يك نيروگاه بايد طوري طراحي شوند كه بتوانند شتاب ناشي از زلزله‌هاي بشدت DBE كه احتمالاً يكبار در طول عمر نيروگاه اتفاق خواهد افتاد تحمل نمايند و بدون هيچگونه خسارت بكار عادي خود ادامه دهند. [8]

 

مشخصات فني نيروگاهها همچنين پيش‌بيني مي‌كند كه در صورت بروز زلزله‌هاي بشدت MPE كليه دستگاهها بايد به حالت قطع مطمئن Safety Shut down بروند و در مورد مخازني كه انرژي حرارتي زيادي دارند نظير drum, deairator استقامت كافي در مقابل جابجائي ناشي از زلزله تضمين شود. [8] اين امر در مورد نيروگاههاي هسته‌اي اهميت ويژه‌اي پيدا مي‌كند.

 

 

6ـ وضعيت منطقه بندرعباس از نظر ريسك زلزله:

 

بندرعباس از مناطق زلزله خيز ايران است. زلزله‌هاي نه چندان شديدي در سالهاي 1334 و 1336 در ناحيه بندرعباس به وقوع پيوسته است و آخرين زلزله شديد بندرعباس (در فروردين سال 56 در ناحيه‌اي بنام خورگودر 40 كيلومتري شمال بندرعباس بشدت 7 ريشتر روي داد كه خسارات عمده‌اي نيز به بار آورد. بيشترين شدت زمين لرزه در مزكز آن در حدود 8 درجه مركالي تخمين زده شد و بر اساس شواهد بنظر مي‌رسد كه شدت زلزله در شهر بندرعباس كمي بيشتر از 7 مركالي معادل شتاب g 15/0 بوده است. [9]

 

زلزله‌اي كه در تاريخ 9/2/1366 اتفاق افتاد و باعث تريپ توربين شد علي الاصول بخاطر پائين بودن شدت آن نبايد باعث تريپ توربين مي‌شد. دلايل اين امر در زير بيان مي‌شود.

 

1ـ6ـ دتكتورهاي لرزش توربين‌هاي نيروگاه بندرعباس از نوع الكتروديناميكي هستند كه فركانس كاري آنها به مراتب بيشتر از فركانس طبيعي آنهاست اما در صورتيكه لرزش اعمال شده در حوالي فركانس طبيعي باشد خروجي دتكتور تقريباً دو برابر ميزان واقعي دامنه ارتعاشات است.

 

لازم به توضيح است كه بر اساس كاتالوگ دتكتورها، فركانس طبيعي آنها 7 و فركانس كاري آنها بين 10 تا 150 هرتز است، لذا مي‌توان نتيجه گرفت كه دتكتورها در مقابل زلزله كه فركانس در حدود 7 هرتز داشته است حساسيت بيش از حد از خود نشان داده‌اند.

 

2-6ـ با فرض لرزش بصورت يك موج سينوسي ساده با فركانس f رابطه زير بين دامنه سرعت و شتاب وجود دارد.

 

اگر دامنه ماكزيممي كه باعث تريپ توربين مي‌شود 125 ميكرون در نظر بگيريم (معادل 250 ميكرون Peak to Peak كه دتكتورهاي بندرعباس نيز روي اين مقدار تنظيم شده‌اند) حداكثر شتاب حاصل در فركانس نامي توربين (50 سيكل) برابر است با g 25/1 اما در مورد يك موج ناشي از زلزله با فركانس 5 هرتز دامنه 125 ميكرون معادل است با شتاب g 0125/0، بنابراين نتيجه‌گيري مي‌شود كه اگر فرمان تريپ توربين از سيگنال مربوطه به دامنه گرفته شود (كه در مورد بندعباس چنين است) دتكتور به شدت در مقابل موج زلزله حساس است و زلزله‌هائي با شتاب g 0125/0 نيز مي‌توانند توربين را تريپ دهند و اگر فرمان تريپ از سيگنال سرعت گرفته شود حساسيت كمتر مي‌شود.

 

(در اين حالت زلزله‌هاي با شدت بيش از g 125/0 مي‌توانند باعث تريپ شوند) و در صورتيكه از سيگنال شتاب گرفته شود حساسيت در مقابل موج زلزله وجود ندارد.

 

3ـ6ـ در نيروگاه بندرعباس سيگنال مربوط به تريپ توربين در اثر ارتعاشات بدون تاخير زماني اعمال مي‌شود اما اگر سيگنال مربوط به تريپ توربين در اثر لرزشهاي با فركانس پائين (ناشي از زلزله) با تاخير زماني منتقل شود و ميزان اين تاخير زماني نيز متناسب با Response Spectra باشد در واقع لرزشهاي ناشي از زلزله كه گذرا هستند باعث تريپ توربين نخواهند شد.

 

 

7ـ نتيجه:

 

بعنوان نتيجه‌گيري توصيه مي‌شود كه دتكتورهاي نصب شده روي محور و ياتاقانهاي توربينها طوري انتخاب شوند كه با منظور كردن Response Spectra مربوطه در مقابل زلزله‌هاي با قدرت كمتر از DBE حساس نباشند اما ترجيحاً نسبت به زلزله‌هاي نوع MPE حساسيت داشته باشند چه بهتر كه يك دتكتور مستقل ديگر در نيروگاه وجود داشته باشد كه وقوع زلزله بشدت MPE را احساس كرده و فرمان تريپ تجهيزات نيروگاه را صادر نمايد.

 

 

8ـ منابع و ماخذ:

 

1.Engineering Measurements and Instruments – L.F.Ada.

 

2. ISO Standard 1940 – Balance quality of rotating rigid bodies

 

3. Instrumentation devices and Systems C.S.RANGAN.

 

4. كاتولوگ دستگاه اندازه‌گيري لرزش توربينهاي نيروگاه بندرعباس

 

5. كاتالوگ دستگاه اندازه‌گيري لرزش توربينهاي گاز ساخت كارخانه سولزر

 

6. كاتالوگ دستگاه اندازه‌گيري لرزش توربينهاي نيروگاه 800 مگاواتي اصفهان

 

7. مهندسي زلزله تاليف دكتر حجت‌اله عادلي

 

8. Technical Specification for Fars Project

 

9. پژوهش و بررسي زلزله‌هاي ايران تاليف مانوئل بربريان از انتشارات سازمان تحقيقات زمين‌شناسي كشور