چگونگی تاثیر زلزله در بهره‌برداری از نیروگاه ها

چگونگی تاثیر زلزله در بهره‌برداری از نیروگاهها

(بررسی حادثه زلزله نیروگاه بندرعباس)



ضیاء‌الدین خواجه کریم‌الدینی

شرکت سهامی خدمات مهندسی برق (مشانیر)



چکیده:

در این مقاله ضمن بررسی مبانی اطلاعاتی در مورد لرزش، و تکنولوژی لرزش، زلزله و اثرات آن روی نیروگاهها ارتباط بین خارج شدن واحدهای ۱، ۲، ۳ نیروگاه بندرعباس با زلزله نسبتاً خفیفی که در تاریخ ۹/۲/۱۳۶۶ در آن محل حادث گردیده مورد بررسی قرار می‌گیرد و نشان داده خواهد شد که اگر فرمان تریپ توربین بجای آنکه از سیگنال دامنه گرفته شود از سیگنال سرعت گرفته می‌شد نه تنها در این حادثه واحدها از مدار خارج نمی‌شدند بلکه چنانچه شتاب زلزله تا حد g ۱۲۵/۰ نیز می‌رسیده واحدها تریپ نمی‌کردند.



شرح مقاله:

بر اساس گزارش دفتر فنی شبکه ـ شرکت توانیر در تاریخ ۹/۲/۶۶ در اثر زلزله نه چندان شدید بندرعباس ابتدا واحدهای ۱ و ۲ و ۳ نیروگاه بندرعباس با عملکرد حفاظت حد بالای Vibration از مدار خارج شده و سپس ولتاژ در سیرجان به ۳۵۰ کیلوولت کاهش یافته است.

پس از آن راکتور R4 سیرجان بنا به درخواست مرکز کنترل از مدار خارج گردیده و سبب اضافه ولتاژ در شبکه شده است. اسیلوگراف بندرعباس میزان ولتاژ موثر را ۶۰۰ کیلوولت به مدت ۱۰ سیکل روی خط SA906 و همین ولتاژ را به مدت ۱۵ سیکل روی خط SA905ثبت نموده است و عملکرد سایر رله‌ها در اثر اضافه ولتاژ بوده است. در اثر حادثه فوق برقگیر فاز T خط SA906 صدمه دیده است. ضمناً در تاریخ ۲۷/۳/۶۶ بدلیل مشابه ۲ واحد از چهار واحد نیروگاه بندرعباس تریپ داده و دو واحد دیگر آلارم حد بالای Vibration می‌دهند. این وقایع انگیزه‌ای شد برای تحقیق در کم و کیف موضوع و نهایتاً نگارش این مقاله.

در این مقاله سعی شده است که اطلاعات پایه‌ای در مورد لرزش، دتکتورهای لرزش، زلزله و اثرات زلزله روی نیروگاهها مطالبی عنوان شود و در پایان نتیجه‌گیری شده است که در نیروگاهها دتکتورهای لرزش توربین باید طوری طراحی شوند که در مقابل امواج زلزله‌ای که پیش‌بینی می‌شود فقط یکبار در طول عمر نیروگاه اتفاق افتد، حساس نباشند.



۱ـ کلیات:

ارتعاش یعنی حرکت یا تغییر مکان نوسانی یا پریود یک یک جسم یا دستگاه، در این مقاله دو نوع ارتعاش تعریف می‌شود.

الف) ارتعاش در فرکانس طبیعی ب) ارتعاش اجباری



الف: هر جسم یا دستگاه دارای حداقل یک فرکانس طبیعی ایست که بستگی به ابعاد جرم سختی تنش و ضریب میرائی اجزاء تشکیل دهنده دارد و با یک تحریک خارجی نظیر ضربه، جسم یا دستگاه با فرکانس طبیعی خود به ارتعاش در می‌آید و اگر تحریک خارجی برداشته شود بخاطر ضریب میرائی، دامنه ارتعاشات بتدریج کم شده و از بین می‌روند و اگر تحریک خارجی با همان پریود فرکانس طبیعی اعمال شود معمولاً دامنه نوسانات زیاد شده و دستگاه از حالت پایدار خارج می‌شود. مثال ساده‌ای در این مورد حرکت نوسانی یا ارتعاش یک سیم است که از دو طرف ثابت شده باشد. با یک تغییر مکان اولیه و سپس رها کردن سیم، سیم در فرکانس طبیعی خود که بستگی به جنس سیم، طول سیم و نیروی تنش دارد مرتعش می‌شود.



ب: ارتعاش اجباری ارتعاشی است که در اثر اعمال یک محرک خارجی که بصورت پریود یک عمل نماید، ایجاد می‌شود. نظیر ارتعاش محور یک ماشین چرخنده (بعنوان مثال توربین) ناشی از نامتعادل بودن یا بالانس نبودن محور.

از آنجائیکه بالانس کردن یک محور نظیر محور توربین بطور کامل عملاً غیر ممکن است لذا همواره محور توربین‌ها در حال گردش دارای ارتعاش می‌باشند که دامنه این ارتعاشات تقریباً متناسب است با تابع توان ۲ سرعت گردش محور. [۱]

بکمک دستگاههای اندازه‌گیری کنونی، میزان بالانس نبودن محور توربین را می‌توان به حدود نسبتاً پائینی تقلیل داد گرچه از نظر اقتصادی رسیدن به کیفیت بسیار بالا بصرفه نیست و همواره حدود مجازی برای حداکثر میزان بالانس نبودن و ارتعاشات ناشی از آن وجود دارد. [۲]

در فرکانس‌های طبیعی، دامنه ارتعاشات بشدت زیاد می‌شود و به همین دلیل معمولاً در طراحی توربین‌ها فرکانسهای طبیعی را یا خیلی بالاتر از فرکانس نامی در نظر می‌گیرند و یا اگر بدلیل محدودیتهای طراحی فرکانسهای طبیعی کوچکتر از فرکانس‌ نامی باشند در موقع راه‌اندازی توصیه می‌شود که از فرکانسهای طبیعی به سرعت بگذریم تا دامنه ارتعاشات از حد مجاز تجاوز نکند.

ساده ترین نوع ارتعاشات، ارتعاش با تابع سینوسی نسبت به زمان است که در واقع یک فرکانس خاص دارد. اما معمولاً ارتعاشات در طبیعت و در دستگاهها گرچه پریود یک اندولی یک تابع سینوسی خالص نیستند و ترکیبی هستند از توابع سینوسی با فرکانس اصلی و هارمونیکهای فرکانس اصلی، یکی از کاربردهای سری فوریه تجزیه و تحلیل این نوع ارتعاشات است.

در سری فوریه یک تابع پریود یک غیر سینوسی را می توان تبدیل به چندین و یا حتی بی نهایت تابع سینوسی کرد. بر اساس فرمول زیر:





۳ـ ارزیابی پدیده لرزش به کمک مدل ریاضی: [۳]

پدیه لرزش و همچنین اساس کار دستگاههای اندازه گیری لرزش را می توان توسط مدل ریاضی وزنه، فنر و اصطکاک بررسی کرد. در شکل زیر m جرم ،k ضریب فنریت و C ضریب اصطکاک و y تغییر مکان بدنه، x تغییر مکان وزنه می باشد.

تغییر مکان y باعث تغییر مکان x در وزنه می شود که تابع فرمول زیر است:



که تابع تبدیل لاپلاس آن بصورت زیر است:



برای یک تحریک سینوسی با فرکانس w وبا فرض



همچنانکه از شکل پیداست برای مقادیر بزرگβ (یعنی فرکانس اجباری خیلی بزرگتر از فرکانس طبیعی) می شود یعنی تغییر مکان وزنه نسبت به بدنه کاملاً مشابه است با تغییر مکان بدنه نسبت به یک دستگاه مختصات ثابت.

دتکتورهائی که براین اساس ساخته می شوند دارای فرکانس طبیعی پائین هستند و محدوده کار آنها را معمولاً از دو برابر فرکانس طبیعی به بالاست.

وقتیکه باشد تغییر مکان x متناسب است با مشتق دوم y یعنی شتاب ورودی.



برای ضریب میرائی ۶/۰ پاسخ سیستم تا کاملاً خطی است و موازی محور دتکتورهائی که بر این اساس ساخته می شوند دارای فرکانس طبیعی بالا هستند و محدوده کاری آنها زیر فرکانس طبیعی است.



۳ ـ انواع دتکتورها:

دتکتورها بطور کلی به سه دسته تقسیم می شوند:

ـ دتکتورهائی که دامنه ارتعاشات را اندازه گیری می‌کنند.

ـ دتکتورهائی که سرعت ارتعاشات را اندازه‌گیری می‌کنند.

ـ دتکتورهائی که شتاب ارتعاشات را می سنجند.



۱ـ۳ـ دتکتورهای اندازه گیر دامنه: در حالت دیدیم که دامنه تغییرات وزنه نسبت به بدنه کاملاً مساوی است با دامنه ارتعاشات جسمی که دتکتوری آن سوار است. در این نوع دتکتورها تغییر مکان وزنه نسبت به بدنه را توسط مقاومت، خازن یا سلف متغیر تبدیل به یک سیگنال الکتریکی می‌نمایند.



۲ـ۳ـ دتکتورهای اندازه‌گیر سرعت: شبیه به نوع اول است با این تفاوت که وزنه داخل دتکتوریک مغناطیس طبیعی است که حرکت نسبی آن نسبت به بدنه ولتاژی را درون سیم‌پیچی که به بدنه ثابت شده است ایجاد می‌نماید. این ولتاژ متناسب با مشتق تغییر مکان یعنی سرعت نوسانات است. [۴]

K ـ ضریب ثابت

B ـ شدت میدان مغناطیسی

l ـ طول سیم‌پیچ

V ـ سرعت

در دتکتورهای نوع دوم از آنجائیکه اصل بر پائین بودن فرکانس طبیعی استوار است نتیجتاً به منظور کم کردن فرکانس طبیعی مقدار جرم m را باید زیاد کرد که این خود به معنی بزرگ شدن ابعاد دتکتور می‌باشد.



۳ـ۳ـ دتکتورهای اندازه‌گیر شتاب: در حالت دیدیم که دامنه تغییرات وزنه کاملاً مساوی است با شتاب ارتعاشات دستگاهی که دتکتور روی آن سوار شده است.

بر این اساس دتکتورهای نوع پیرو الکتریک ساخته شده است. [۶] , [۵]



بار الکتریکی جمع شده در سطوح مقابل کریستال متناسب است با نیروی وارده به دو طرف کریستال و نیروی وارده به کریستال نیز با شتاب ارتعاشات متناسب است. بار ایجاد شده در طرفین کریستال را توسط خازن به ولتاژ الکتریکی تبدیل می‌نمائیم لذا خروجی این نوع دتکتور ولتاژی است متناسب با شتاب ارتعاشات که با یک بار انتگرال‌گیری سرعت ارتعاشات و با دو بار انتگرال‌گیری دامنه ارتعاشات بدست می‌آید.

سیگنال خروجی دتکتورهائی که روی یاتاقانهای محور توربین‌ها سوارند در دستگاههای الکترونیکی شامل مدارهای تقویت کننده انتگرال‌گیر، مشتق‌گیر و معدل‌گیر به سیگنالهای استانداردی تبدیل می‌شوند که می‌توان آنها را توسط نشان دهنده‌ها یا ثبات‌ها در اتاق کنترل نشان داد و یا ثبت کرد و همچنین معمولاً دو سیگنال حدی وجود دارد که در صورت زیاد شدن دامنه سرعت یا شتاب نوسانات و رسیدن به حد اعلام خطر می‌کنند و در صورت رسیدن به حد دوم توربین را تریپ می‌دهند.



۴ـ پدیده زلزله:

صرفنظر از تئوریهای مختلف در مورد چگونگی بوجود آمدن زلزله بطور کلی می‌توان گفت که در اثر نیروهای کششی یا فشاری که در یک نقطه از زمین ایجاد می‌شود، ضخره‌های زمین که دارای خواص الاستیسیته‌ای هستند تغییر شکل می‌دهند و این تغییر شکلها وقتی که حالت ضربه‌ای یا پریود یک داشته باشد تبدیل به ارتعاشات شده و بصورت امواج زلزله در جرم زمین منتشر می‌شوند و به سطح زمین می‌رسند. سرعت امواج زلزله که بستگی به جرم مخصوص و خواص ارتجاعی صخره‌ها دارد حداکثر تا ۵ کیلومتر در ثانیه است. [۷] فرکانس امواج زلزله معمولاً بین ۵/۰ تا ۱۰ هرتز می‌باشد که امواج با فرکانسهای بالاتر زودتر مستهلک شده و امواج با فرکانسهای پائین‌تر فاصله زیادتری را طی می‌کنند.

میزان بزرگی یا انرژی آزاد شده یک زلزله را با واحدی بنام ریشتر بیان می‌کنند که تابع فرمول زیر است:



A: دامنه موج زلزله اندازه‌گیری شده توسط دستگاه استاندارد وود آندرسن در فاصله ۱۰۰ کیلومتری از مرکز زلزله است.

برای اینکه از مقیاس ریشتر استنباط درستی داشته باشیم می‌توان گفت در نزدیکترین نقطه به مرکز زلزله، زلزله‌های بقدرت کمتر از ۲ ریشتر توسط انسان احساس نمی‌شوند و زلزله‌های به قدرت بیشتر از ۵ ریشتر تکانهای شدید می‌دهد و به ساختمانها خسارت وارد می‌کنند. [۷]

مقیاس دیگری برای شدت زلزله در هر نقطه تعریف می‌شود بنام مقیاس مرکالی که ۱۲ درجه دارد بطور مثال زلزله‌ای با درجه ۱ مرکالی توسط انسان احساس نمی‌شود و مقیاس ۷ مرکالی زلزله‌ای است که به ساختمانهای قدیمی ساز خسارت شدید وارد می‌کند اما تاثیر زیادی روی ساختمانهائی که بر اساس اصول مهندسی ساخته شده باشند ندارد. [۷]

زلزله‌ای با مقیاس ۱۲ مرکالی با شتابی بیش از سه برابر شتاب زمین شدیدترین زلزله‌ای است که کلیه ساختمانها را ویران می‌کند و تغییرات شدیدی در طبیعت ایجاد می‌نماید.

در ایستگاههای زلزله شناسی عموماً دستگاههائی نصب می‌شوند که شتاب زلزله را با حساسیتی حدود g ۱۲-۱۰ در دو جهت افقی و یک عمودی احساس و ثبت می‌کنند و در سیستمهای پیشرفته‌تر استگاههای فرعی دائماًاطلاعات ثبت شده خود را به یک ایستگاه اصلی منتقل می‌کنند.



۵ـ تخمین ریسک زلزله:

معمول است که قبل از انتخاب محل احداث یک تاسیسات صنعتی مثلاً یک نیروگاه و یا قبل از انجام طراحی سازه‌ها و تاسیسات بر اساس اطلاعات و آمار موجود از زلزله‌هائی که در گذشته اتفاق افتاده و همچنین وضعیت زمین شناسی منطقه از نظر خصوصیات زمین و گسلهای موجود و همین طور طراحی صحیح سازه‌ها و تجهیزات محاسباتی را انجام می دهند که نتیجه این محاسبات در سه عامل زیر خلاصه می‌شود:

ـ شتاب زلزله با احتمال وقوع یک بار در طول عمر مفید نیروگاه

(DBE – Design Basic Earthquake)

ـ شتاب زلزله با احتمال وقوع یک بار در دو برابر عمر مفید نیروگاه

(MPE – Maximum Possible Earthquake)

ـ طیف پاسخ زلزله (Response Spectra) که بیانگر تغییرات شتاب زلزله در طول چند ثانیه وقوع آن است و معمولاً با یک شیب تند زیاد می‌شود (۲/۰ ثانیه) و سپس در طول ۵ تا ۲۰ ثانیه مستهلک می‌گردد.





بر اساس مشخصات فنی یازه‌ها و فونداسیونها و تجهیزات یک نیروگاه باید طوری طراحی شوند که بتوانند شتاب ناشی از زلزله‌های بشدت DBE که احتمالاً یکبار در طول عمر نیروگاه اتفاق خواهد افتاد تحمل نمایند و بدون هیچگونه خسارت بکار عادی خود ادامه دهند.[۸]

مشخصات فنی نیروگاهها همچنین پیش‌بینی می‌کند که در صورت بروز زلزله‌های بشدت MPE کلیه دستگاهها باید به حالت قطع مطمئن Safety Shut down بروند و در مورد مخازنی که انرژی حرارتی زیادی دارند نظیر drum, deairator استقامت کافی در مقابل جابجائی ناشی از زلزله تضمین شود. [۸] این امر در مورد نیروگاههای هسته‌ای اهمیت ویژه‌ای پیدا می‌کند.



۶ـ وضعیت منطقه بندرعباس از نظر ریسک زلزله:

بندرعباس از مناطق زلزله خیز ایران است. زلزله‌های نه چندان شدیدی در سالهای ۱۳۳۴ و ۱۳۳۶ در ناحیه بندرعباس به وقوع پیوسته است و آخرین زلزله شدید بندرعباس (در فروردین سال ۵۶ در ناحیه‌ای بنام خورگودر ۴۰ کیلومتری شمال بندرعباس بشدت ۷ ریشتر روی داد که خسارات عمده‌ای نیز به بار آورد. بیشترین شدت زمین لرزه در مزکز آن در حدود ۸ درجه مرکالی تخمین زده شد و بر اساس شواهد بنظر می‌رسد که شدت زلزله در شهر بندرعباس کمی بیشتر از ۷ مرکالی معادل شتاب g ۱۵/۰ بوده است. [۹]

زلزله‌ای که در تاریخ ۹/۲/۱۳۶۶ اتفاق افتاد و باعث تریپ توربین شد علی الاصول بخاطر پائین بودن شدت آن نباید باعث تریپ توربین می‌شد. دلایل این امر در زیر بیان می‌شود.



۱ـ۶ـ دتکتورهای لرزش توربین‌های نیروگاه بندرعباس از نوع الکترودینامیکی هستند که فرکانس کاری آنها به مراتب بیشتر از فرکانس طبیعی آنهاست اما در صورتیکه لرزش اعمال شده در حوالی فرکانس طبیعی باشد خروجی دتکتور تقریباً دو برابر میزان واقعی دامنه ارتعاشات است.

لازم به توضیح است که بر اساس کاتالوگ دتکتورها، فرکانس طبیعی آنها ۷ و فرکانس کاری آنها بین ۱۰ تا ۱۵۰ هرتز است، لذا می‌توان نتیجه گرفت که دتکتورها در مقابل زلزله که فرکانس در حدود ۷ هرتز داشته است حساسیت بیش از حد از خود نشان داده‌اند.



۲-۶ـ با فرض لرزش بصورت یک موج سینوسی ساده با فرکانس f رابطه زیر بین دامنه سرعت و شتاب وجود دارد.



اگر دامنه ماکزیممی که باعث تریپ توربین می‌شود ۱۲۵ میکرون در نظر بگیریم (معادل ۲۵۰ میکرون Peak to Peak که دتکتورهای بندرعباس نیز روی این مقدار تنظیم شده‌اند) حداکثر شتاب حاصل در فرکانس نامی توربین (۵۰ سیکل) برابر است با g ۲۵/۱ اما در مورد یک موج ناشی از زلزله با فرکانس ۵ هرتز دامنه ۱۲۵ میکرون معادل است با شتاب g ۰۱۲۵/۰، بنابراین نتیجه‌گیری می‌شود که اگر فرمان تریپ توربین از سیگنال مربوطه به دامنه گرفته شود (که در مورد بندعباس چنین است) دتکتور به شدت در مقابل موج زلزله حساس است و زلزله‌هائی با شتاب g ۰۱۲۵/۰ نیز می‌توانند توربین را تریپ دهند و اگر فرمان تریپ از سیگنال سرعت گرفته شود حساسیت کمتر می‌شود.

(در این حالت زلزله‌های با شدت بیش از g ۱۲۵/۰ می‌توانند باعث تریپ شوند) و در صورتیکه از سیگنال شتاب گرفته شود حساسیت در مقابل موج زلزله وجود ندارد.



۳ـ۶ـ در نیروگاه بندرعباس سیگنال مربوط به تریپ توربین در اثر ارتعاشات بدون تاخیر زمانی اعمال می‌شود اما اگر سیگنال مربوط به تریپ توربین در اثر لرزشهای با فرکانس پائین (ناشی از زلزله) با تاخیر زمانی منتقل شود و میزان این تاخیر زمانی نیز متناسب باResponse Spectra باشد در واقع لرزشهای ناشی از زلزله که گذرا هستند باعث تریپ توربین نخواهند شد.



۷ـ نتیجه:

بعنوان نتیجه‌گیری توصیه می‌شود که دتکتورهای نصب شده روی محور و یاتاقانهای توربینها طوری انتخاب شوند که با منظور کردن Response Spectra مربوطه در مقابل زلزله‌های با قدرت کمتر از DBE حساس نباشند اما ترجیحاً نسبت به زلزله‌های نوع MPEحساسیت داشته باشند چه بهتر که یک دتکتور مستقل دیگر در نیروگاه وجود داشته باشد که وقوع زلزله بشدت MPE را احساس کرده و فرمان تریپ تجهیزات نیروگاه را صادر نماید.



۸ـ منابع و ماخذ:

۱٫Engineering Measurements and Instruments – L.F.Ada.

1. ISO Standard 1940 – Balance quality of rotating rigid bodies
2. Instrumentation devices and Systems C.S.RANGAN.
3. کاتولوگ دستگاه اندازه‌گیری لرزش توربینهای نیروگاه بندرعباس
4. کاتالوگ دستگاه اندازه‌گیری لرزش توربینهای گاز ساخت کارخانه سولزر
5. کاتالوگ دستگاه اندازه‌گیری لرزش توربینهای نیروگاه ۸۰۰ مگاواتی اصفهان
6. مهندسی زلزله تالیف دکتر حجت‌اله عادلی
7. Technical Specification for Fars Project
8. پژوهش و بررسی زلزله‌های ایران تالیف مانوئل بربریان از انتشارات سازمان تحقیقات زمین‌شناسی کشور

منبع:انجمن مهندسی شیمی