СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1994 года по МПК F01D21/14 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты турбин с регулируемым отбором пара от недопустимого повышения давления в камере отбора.

Известна система защиты турбины от недопустимого повышения давления в камере отбора, содержащая сервомоторы парораспределительных органов высокого и низкого давлений, соединенные с регуляторами частоты вращения и отборов пара через устройства промежуточных усилений и предохранительные клапаны, расположенные на паропроводах отбора и предназначенные для сброса пара в атмосферу.

При повышении до недопустимой величины давления пара в камере отбора паровой турбины, снабженной такой системой защиты, сначала в работу вступают регуляторы отборов, стремясь своим управляющим воздействием на сервомоторы парораспределительных органов высокого и низкого давлений не допустить повышения давления в камере отбора пара за счет прикрытия регулирующих клапанов части высокого давления и открытия парораспределительных органов низкого давления, а в случае отказа этих устройств в системе происходит подрыв предохранительных клапанов и сброс пара в атмосферу.

Такая система защиты использовалась в теплоэнергетике для теплофикационных паровых турбин в течение многих лет, зарекомендовала себя вполне надежной и до определенного времени удовлетворяла условиям эксплуатации. Однако с ростом мощности паровых турбин и увеличением расхода пара обнаружились дефекты этой системы. Уже в паровых турбинах Т-100 диаметр выхлопных паропроводов после предохранительных клапанов составлял 1600 мм, что существенно удорожало проекты электростанций с этими теплофикационными турбинами вследствие усложнения компоновки, конструкций опор и монтажа, увеличения металлоемкости. Еще сложней использовать известную систему защиты при конструкции турбин мощностью 200 и 300 МВт для теплофикации.

Вывести от турбины на действующей электростанции выхлопной трубопровод диаметром 1400-1600 мм оказывается практически неразрешимой задачей. Существенным недостатком известной системы защиты является использование предохранительных клапанов с проходными сечениями большого диаметра. Даже при тщательной притирке посадочных поверхностей клапанов невозможно обеспечить их абсолютную плотность, поэтому на частичных режимах, когда турбина работает на конденсационном режиме, наблюдаются значительные присосы воздуха в турбину и для его удаления необходимо затратить дополнительную мощность.

Эти недостатки пытались устранить в системе управления теплофикационной турбиной, используемой для защиты паровой турбины с теплофикационным отбором пара от недопустимого повышения давления в камере отбора.

Известная система содержит сервомоторы парораспределительных органов высокого и низкого давлений, управляющие ими регуляторы частоты вращения и отбора пара, сервомотор стопорного клапана, соединенный с автоматом безопасности и предохранительным регулятором давления. Система снабжена предохранительными клапанами частичной пропускной способности, рассчитанными обычно на пропуск 10-15% пара, поступающего в турбину. Предполагается, что после закрытия парораспределительных органов высокого давления в случае их неплотности эти предохранительные клапаны при повышении давления в камере отбора обеспечат сброс пара и не допустят возникновения аварийной ситуации. Эта система управления теплофикационной турбиной позволяет уменьшить диаметры проходных сечений предохранительных клапанов, уменьшить количество предохранительных клапанов и диаметр выхлопного трубопровода, соответственно снижаются расходы на монтаж и строительные конструкции.

Недостатком этой системы управления является некоторое снижение надежности по сравнению с системой защиты, использующей для этой цели полнопроходные предохранительные клапаны.

Использование стопорного клапана для прекращения подачи пара в турбину при повышении давления в камере отбора до недопустимого уровня само по себе не менее надежно, чем подрыв предохранительных клапанов, но наличие узла формирования команды - предохранительного регулятора давления и гидравлического усилителя, управляющих сервомотором стопорного клапана, снижает надежность системы. Очевидно, что увеличение давления в камере отбора до недопустимого уровня в известной системе возможно в случае нарушений в работе регулятора давления отбора или управляемых им парораспределительных органов. В равной степени может отказать предохранительный регулятор давления или последующий каскад усилений в этой системе. Отказ этих узлов даже более вероятен, поскольку защита вступает в работу чрезвычайно редко, только при возникновении аварийной ситуации.

Недостатком данной системы управления является также ее сложность, поскольку к системе устройств регулирования, управляющих турбиной, добавляется система аналоговых устройств, защищающих турбину.

Целью изобретения является упрощение системы защиты и повышение ее надежности.

Поставленная цель достигается тем, что в системе защиты теплофикационной турбины, содержащей сервомоторы парораспределительных органов высокого и низкого давлений, регуляторы частоты вращения и отбора пара, соединенные гидравлическими линиями с сервомоторами, сервомотор стопорного клапана, подключенный к предохранительному регулятору и предохранительные клапаны частичной пропускной способности, подсоединенные паропроводом к камере отбора, согласно изобретению сервомотор стопорного клапана подключен гидравлической линией к гидравлическому выключателю, запорный орган которого посредством рычага и механической тяги связан с рычагом одного из предохранительных клапанов частичной пропускной способности, причем в образованной рычажной передаче рычаг выключателя установлен относительно механической тяги с возможностью свободного перемещения, а плечи рычагов расположены под углом друг к другу на самом рычаге и между рычагами так, чтобы в случае повышения давления пара в камере отбора турбины и срабатывания клапана в рычажной передаче изменялось отношение плеч соответственно изменению перестановочного усилия на клапане.

Отличительному признаку "сервомотор стопорного клапана подключен гидравлической линией к гидравлическому выключателю, запорный орган которого посредством рычага и механической тяги связан с рычагом одного из предохранительных клапанов" соответствует сходный признак в прототипе сервомотор стопорного клапана соединен с предохранительным регулятором давления линией связи". Однако этот сходный признак не совпадает с отличительным признаком изобретения, поскольку предохранительный регулятор давления является элементом системы регулирования и, измеряя давление в камере отбора, воздействует на гидравлический усилитель, который своим управляющим воздействием при возрастании давления в камере отбора до опасного уровня прикрывает стопорный клапан. Эта система использует штатные элементы и узлы регулирования, надежность которых не отличается от остальных подобных элементов системы защиты и регулирования. Гидравлический выключатель предлагаемой системы подключенный к сервомотору стопорного клапана, не измеряет давления, а механически связан с предохранительным клапаном и при его срабатывании открывает слив из линии управления стопорными клапанами, что приводит к их закрытию. Тем самым обеспечивается равная надежность системы защиты теплофикационной турбины, использующей полнопроходные предохранительные клапаны, и предлагаемой системы защиты.

Остальные отличительные признаки изобретения, а именно: "рычаг выключателя установлен относительно механической тяги с возможностью свободного перемещения, . .. плечи рычагов расположены под углом друг к другу и между собой так, что при подъеме клапана изменяется соотношение плеч в рычажной передаче соответственно изменению перестановочного усилия", не имеют сходных черт с уже известными техническими решениями.

Благодаря наличию этих отличительных признаков система защиты обретает новые свойства: обеспечивается опробование работоспособности предохранительного клапана без прямого воздействия на гидравлический выключатель, плотность клапана и гидравлического выключателя по контактирующим посадочным поверхностям взаимонезависима, а наличие дополнительной силы от гидравлического выключателя, препятствующей открытию предохранительного клапана, компенсируется изменением соотношения плеч в рычажной передаче, соответствующим изменению перестановочного усилия.

На фиг.1 изображена принципиальная схема системы защиты теплофикационной турбины от недопустимого повышения давления в камере отбора; на фиг.2 - конструктивная схема связи предохранительного клапана с гидравлическим выключателем и сервомотором стопорного клапана; на фиг.3 - разрез А-А на фиг. 2.

Система защиты теплофикационной турбины 1 состоит из цепи регулирования, содержащей сервомотор 2 органов высокого давления 3, сервомотор 4 парораспределительных органов низкого давления 5, регулятор частоты вращения 6 с золотником 7, регулятора отбора 8 с золотником 9 и цепи защиты, включающей сервомотор 10 стопорного клапана 11, автоматы безопасности 12 с золотником 13 автоматов, предохранительный регулятор 14, воздействующий на механизм управления 15 сервомотора 2, и предохранительные клапаны 16, установленные на паропроводе отбора 17 и срабатывающие пар в выхлопную трубу 18. Один из предохранительных клапанов 16 частичной пропускной способности связан механически с гидравлическим выключателем 19. Повышение давления в камере отбора 20 турбины 1 сверх расчетного значения недопустимо. Защита турбины осуществляется системой регулирования, предохранительным регулятором, в цепь которого может быть введен блокирующий элемент 21 с входом 22, управляющим регулятором 14 по сигналу от выхода 23 сервомотора 10 и предохранительными клапанами 16. Механическая связь одного из предохранительных клапанов с гидравлическим выключателем 19 и гидравлического выключателя по линии выключения 24 с сервомотором 10 более подробно отображены на конструктивной схеме (фиг.2).

Корпус клапана своим патрубком 25 связан с паропроводом отбора 17. Седло 26 клапана прикрыто чашкой 27, на которую действует со стороны патрубка давление пара, а сверху вес грузов 28, расположенных на рычаге 29, взаимодействующем со штоком 30.

Рычаг 29 предохранительного клапана связан с рычагом 31 гидравлического выключателя механической тягой 32, причем между осью 33 рычага 31 и тягой 32 имеется зазор, обеспечивающий ограниченную свободу перемещения рычага выключателя относительно тяги. Рычаг 31 шарнирно связан со стержнем 34, посредством которого заслонка 35 усилием пружины 36 прижата к седлу сопла 37. Гидравлическая линия 24 служит для подвода рабочей жидкости через дроссель 38 к соплу 37, под золотник 39 сервомотора 10 стопорного клапана и под поршень 40 сервомотора.

Работает система защиты по своим цепям регулирования и защиты следующим образом.

При повышении частоты вращения (как на всех турбоагрегатах) регулятор частоты вращения 6, воздействуя на золотник 7 и через него на сервомоторы 2 и 4 регулирующих парораспределительных органов 3 и 5 высокого и низкого давлений, закрывает их. В этом случае, если частота вращения ротора превысит заданный предел, вступает не зависимая от системы регулирования цепь защиты, состоящая из автомата безопасности 12, его золотника 13 и сервомотора 10 стопорного клапана 11.

При повышении давления пара в камере отбора 20 турбина также защищена несколькими независимыми цепями; цепью регулирования, в которой регулятор отбора 8, воздействуя на золотник 9, прекрывает органы 3 и открывает парораспределительные органы 5, цепью защиты от предохранительного регулятора 14, который при повышении давления в отбор до верхнего предела заданного диапазона давления в камере отбора воздействует на механизм управления 15 сервомотора 2 органов 3, прикрывая их. В случае отказа в контуре управления органами 3 и продолжающимся аварийном росте давления в камере отбора 20 и паропроводе 17 в работу вступает первый предохранительный клапан 16, не связанный с гидравлическим выключателем. Предохранительные клапаны 16 рассчитаны на частичную пропускную способность, обеспечивающую отвод пара, поступающего в турбину через неплотности в закрытых органах 3. Однако открытия одного из клапанов 16 в ситуации, когда подвод пара в турбину лишь несколько превышает отводы в отбор и через парораспределительные органы 5, может оказаться достаточным для прекращения повышения давления.

В случае, если рост давления в камере отбора 20 продолжается, срабатывает следующий предохранительный клапан 16, рычаг 29 которого жестко связан механической тягой 32 с рычагом 31 гидравлического выключателя 19. Подъем чашки 27 со штоком 30 сначала выбирает зазор между осью 33 и тягой 32, а затем приводит к открытию заслонки 35 и сливу рабочей жидкости через сопло 37 из линии 24. Падение давления рабочей жидкости под золотником 39 вызывает смещение его из положения отсечки и обеспечивает слив рабочей жидкости из-под поршня 40 сервомотора 10 и закрытие клапана 11. Прекращение доступа пара в турбину исключает дальнейший рост давления в корпусе турбины и отбора. При закрытии сервомотора 10 на выходе 23 возникает сигнал на блокирующий элемент 21, закрывающий сервомотор 2 и удерживающий его в закрытом положении до открытия сервомотора 10. Тем самым обеспечивается автоматизм обратного взвода защиты при малых перестановочных усилиях.

Связь предохранительного клапана через механическую систему рычагов и тяг с гидравлическим выключателем, воздействующим на стопорный клапан, обеспечивает равную надежность предлагаемой системы защиты с использовавшимися ранее системами защиты, когда на паропроводах отбора устанавливались полнопроходные предохранительные клапаны. Возможность свободного перемещения рычага 31 на некотором ограниченном участке его хода относительно механической тяги 32 необходима из технологических соображений для обеспечения взаимной независимости плотности предохранительного клапана и гидравлического выключателя. Чашка 27 прижата к седлу 26 через шток 30 и рычаг 29 грузами 28, а заслонка 35 прижата усилием пружины 36 к седлу сопла 37, и они могут индивидуально уплотняться без помех со стороны механической передачи.

Возможность свободного перемещения рычага 31 на участке его хода относительно тяги 32 исключает случайное отключение стопорного клапана, позволяет проводить испытания предохранительного клапана и гидравлического выключателя раздельно.

При повышении давления под чашкой 27 клапана растет усилие на открытие. В тот момент, когда усилие на открытие превысит усилие от грузов 28, прижимающее клапан к седлу, происходит срабатывание предохранительного клапана, совпровождающееся некоторым подъемом давления за клапаном в выхлопной трубе 18 и соответственно снижением перестановочного усилия на клапане. Для того, чтобы параллельно с уменьшением усилия на чашке 27 клапана в сторону открытия уменьшалось усилие от грузов 28 в сторону закрытия, необходимо, чтобы плечо рычага 29 между центром тяжести грузов 28 и осью штока 30 по мере открытия клапана уменьшалось. Это достигается выполнением плеч рычага 29 под углом друг к другу. Необходимость расположения плеч рычагов 29 и 31 под углом друг к другу диктуется аналогичными соображениями. Подъем стержня 34 гидравлического выключателя приводит к сжатию пружины 36 и увеличению усилия на закрытие предохранительного клапана. Чтобы избежать "хлопков" и пульсации на клапане необходимо, чтобы при подъеме клапана росло усилие в сторону подъема стержня 34. Это достигается за счет уменьшения при открытии клапана плеча рычага 29, связанного с тягой 32 и увеличения плеча рычага 31, сопряженного также с тягой 32. Расположение этих рычагов под углом друг к другу обеспечивает по мере подъема клапана увеличение усилия на стержне 34 в сторону сжатия пружины 36. Одновременно обеспечивается перемещение тяги 32 без перекосов практически параллельно самой себе.

Предлагаемая система защиты по сравнению с известными более надежна, поскольку в ней исключены элементы, в которых возможны нечувствительность заедания либо другие отказы. При определенных условиях срабатывание защиты предохраняет турбину от недопустимого давления в камере отбора без отключения ее от сети и лишь в предельных случаях такое отключение происходит.

Предлагаемая система может быть использована для защиты любых промежуточных отборов пара в турбине. Система защиты обеспечивает безопасность при эксплуатации как конденсационных турбин с отбором пара, так и турбин с противодавлением.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в том, что без снижения надежности выполнения защитных функций оно позволяет упростить систему защиты, уменьшить количество предохранительных клапанов, уменьшить диаметр паропровода выхлопа в атмосферу. Повышается экономичность турбоустановки, поскольку с уменьшением протяженности уплотняемых поверхностей предохранительных клапанов уменьшаются протечки пара через неплотности при работе с давлением в камере отбора турбины выше атмосферного и снижаются присосы воздуха либо уплотняющего конденсата при давлении в камере отбора ниже атмосферного. Снижается металлоемкость узлов защиты, а также затраты на их обслуживание, упрощаются проверка и испытания устройств защиты, уменьшаются потери пара при испытаниях.

Использование: в теплоэнергетике, в системах защиты теплофикационных турбин от повышения давления в камере отбора. Сущность изобретения: на паропроводе отбора установлены предохранительные клапаны. Один из предохранительных клапанов рычажной передачей механически связан с гидравлическим выключателем, который управляет сервомотором. Рычаг гидравлического выключателя установлен относительно механической тяги с возможностью свободного перемещения, а сами рычаги предохранительного клапана и гидравлического выключателя установлены так, чтобы при срабатывании предохранительного клапана и подъеме чашки клапана по мере движения рычажной передачи изменялось отношение плеч рычагов соответственно изменению перестановочного усилия на клапане. 3 ил.

СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ТЕПЛОФИКАЦИОННОЙ ТУРБИНЫ, содержащая сервомоторы парораспределительных органов высокого и низкого давления, регуляторы частоты вращения и отбора пара, соединенные гидравлическими линиями управления с сервомоторами парораспределительных органов, сервомотор стопорного клапана, подключенный к предохранительному регулятору, и предохранительные клапаны с рычагами, установленные между камерой отбора и выхлопным трубопроводом, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности, она имеет гидравлический выключатель с запорным органом, имеющим рычаг с тягами, связанный с рычагом одного из предохранительных клапанов с помощью дополнительной механической тяги, причем выключатель связан гидравлической линией с сервомотором стопорного клапана, рычаг выключателя установлен относительно дополнительной механической тяги с возможностью свободного перемещения, тяги рычага расположены под углом друг к другу и с изменяемым отношением плеч, соответствующим изменению перестановочного усилия на предохранительном клапане при повышении давления пара в камере отбора сверх допустимого уровня.