СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ПАРА В ПАРОВОЙ ТУРБИНЕ С ПРОТИВОТОЧНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ Российский патент 1995 года по МПК F01D17/20 

Изобретение относится к регулированию и управлению потоком рабочей среды в турбомашинах, а именно к способам управления, в которых обеспечивается реагирование на изменение режима работы упорного подшипника, на который нагружены роторы цилиндров.

Известны способы регулирования осевого усилия одноцилиндровых турбомашин, в которых осуществляют управление потоком рабочей среды путем ее регулируемого перепуска из разгрузочной камеры турбомашины в камеру пониженного давления или во внешнюю камеру в зависимости от изменения режима работы упорного подшипника [1,2] Однако такие способы приводят к снижению экономичности турбомашин и усложнению их конструкции, требуя наличия разгрузочной камеры с уравновешивающим поршнем. Кроме того, такие способы очень сложны в реализации для многоцилиндровых турбомашин, особенно энергетических паровых турбин большой мощности с промежуточными сепараторами или пароперегревателями, в цилиндрах которых давление рабочей среды изменяется с различными градиентами во времени, оказывая неодинаковое влияние на суммарную осевую нагрузку упорного подшипника.

В многоцилиндровых паровых турбинах разгрузку упорного подшипника обеспечивают за счет уравновешивания осевых усилий роторов цилиндров или частей путем организации в них противоточного направления потоков пара [3] Однако в переходных режимах, особенно при сбросе нагрузки с дифференцированным по времени закрытием клапанов, регулирующих расходы пара в каждый цилиндр, осевые усилия их роторов могут существенно отличаться, и их суммарный вектор усилия, воздействующего на упорный подшипник, может изменяться не только по значению, но и по направлению. Эти изменения на существующем известном уровне учитываются только при прочностных расчетах, указанных турбин, что в ряде случаев при эксплуатации паровых турбин оказывается неадекватным действительному напряженному состоянию упорного подшипника паровых турбин и может привести к недопустимым перегрузкам или требует "потолочного" чрезмерного увеличения запаса прочности по напряженному состоянию.

Ближайшим аналогом изобретения является способ управления потоком пара в паровой турбине с противоточными цилиндрами, включающий изменение расхода пара через цилиндры с внутренним обводом части между ступенями высокого и пониженного давления для каждого из цилиндров [4] Однако этот способ, ближайший по совокупности выполняемых операций к способу согласно настоящего изобретения, не предусматривает регулирование осевого усилия на упорный подшипник паровой турбины с противоточными цилиндрами.

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа управления потоком пара в паровой турбине, который, используя эффект взаимного уравновешивания осевых усилий роторов цилиндров в стационарных режимах, обеспечивал бы регулирование суммарного осевого усилия на упорный подшипник путем нейтрализации индивидуальных изменений значения этого усилия в роторах цилиндров переходных режимах.

Эта задача решается в способе управления потоком пара в паровой турбине с противоточными цилиндрами, включающем изменение расхода пара через цилиндры с внутренним обводом части пара между ступенями высокого и пониженного давления, в котором в соответствии с сущностью изобретения контролируют соотношение осевых усилий роторов цилиндров и при изменении расхода пара через один из цилиндров, сопровождающемся превышением контролируемой величины установленного значения, производят обвод части пара между ступенями одного из цилиндров. При этом с уменьшением расхода пара через один из цилиндров выполняют обвод части пара в другом цилиндре, а при увеличении расхода пара через один из цилиндров осуществляют обвод части пара в этом же цилиндре.

Такое решение позволяет нейтрализовать скачки осевого усилия на упорный подшипник паровой турбины с противоточными цилиндрами в переходных режимах, когда клапаны цилиндров, управляющие расходом пара, срабатывают несинхронно. Вместе с тем в стационарных режимах и режимах регулируемого изменения нагрузки, при которых не происходит скачка осевого усилия на упорный подшипник, в соответствии с изобретением обвод части пара между ступенями цилиндров не осуществляется, а нагрузка на упорный подшипник сохраняется при расчетных значениях за счет взаимного уравновешивания осевых усилий роторов турбины. Это позволяет, ограничивая нагрузки на упорный подшипник, устранить снижение КПД паровой турбины и исключить необходимость применения разгрузочных камер с уравновешивающими поршнями в цилиндрах турбины.

На чертеже изображена принципиальная схема управления потоком пара в паровой турбине с противоточными цилиндрами.

Паровая турбина выполнена с двумя цилиндрами высокого 1 и низкого 2 давлений, через которые пар проходит в противоточных направлениях. Роторы этих цилиндров имеют общий вал 3, через который их осевые усилия передаются на упорный подшипник 4. Упорный подшипник 4 рассчитан из условий взаимного уравновешивания осевых усилий роторов цилиндров 1 и 2 в стационарном режиме с некоторым проектным вектором определенности суммарной осевой нагрузки и назначенным запасом прочности на изменения этой нагрузки в режимах управления паровой турбиной. Подача пара в турбину осуществляется через паропровод 5 свежего пара, из которого пар поступает в цилиндр 1, а после прохождения через этот цилиндр и промежуточный аппарат 6, например, пароперегреватель, поступает в цилиндр 2. На входе пара в цилиндр 1 установлен блок клапанов 7 с приводом 8, а на входе пара в цилиндр 2 аналогичный блок клапанов 9 с приводом 10. Приводы 8 и 10 подключены к выходам блока 11 регулирования и защиты турбины, входы которого соединены с источниками входных сигналов, используемых в обычной системе автоматического управления и защиты (не показано).

Цилиндр 1 выполнен с магистралью 12 для обвода части пара между ступенями высокого и пониженного давления, например между камерой 13 перед диском первой ступени и промежуточной камерой 14. Магистраль 12 оснащена отсечным клапаном 15. Аналогичная магистраль 16 для обвода части пара между ступенями высокого 17 и пониженного 18 давлений имеется в цилиндре 2, а в ней отсечной клапан 19. Клапаны 15 и 19 управляются приводами 20 и 21 соответственно. При этом для реализации особенностей способа приводы 20 и 21 через блок ИЛИ 22 подключены параллельно приводу 8 блока клапанов 7 к общему выходу блока 11, а через другой блок ИЛИ 23 параллельно приводу 9 блока клапанов 9 к другому общему выходу блока 11. Кроме того, на приводы 20 и 21 подаются сигналы от дифференциального датчика 24 давлений в камерах 13 и 17 соответственно цилиндров 1 и 2.

Датчик 24, осуществляя контроль соотношения давлений пара на входе в цилиндры 1 и 2, позволяет оценивать отклонения осевых усилий роторов цилиндров 1 и 2 от заданного равновесного состояния по суммарной нагрузке на упорный подшипник 4. Для этих же целей может быть использован дифференциальный датчик перепада давлений в магистралях 12 и 16, датчик режима работы упорного подшипника 4 или другие подобные по назначению приборы контроля. Кроме того, на управляющие входы приводов 20 и 21 могут подаваться сигналы от датчиков контроля срабатывания приводов 8 и 9 соответствующих блоков клапанов. Выбор контрольной аппаратуры для каждой паровой турбины определяется концепцией построения общей системы регулирования, управления и защиты турбины.

Управление потоком пара осуществляется следующим образом.

При полной нагрузке турбины путем максимального открытия клапанов 7 и 9 на входе пара в цилиндры 1 и 2 осуществляют подачу пара с полным расходом. При этом осевые усилия на роторах цилиндров 1 и 2, направленные в противоположные стороны, будут взаимно уравновешиваться и на упорный подшипник 4 будет действовать минимальная осевая нагрузка.

При снижении нагрузки турбины уменьшают расход свежего пара путем прикрывания регулирующих клапанов блока 7. При этом уменьшается осевое усилие, действующее на ротор цилиндра 1 (по чертежу влево). Обычно в регулируемых условиях снижения нагрузки (примерно до 30% от номинальной) клапаны 9 на входе в цилиндр 2 оставляют полностью открытыми. При этом в результате уменьшения расхода свежего пара в цилиндре 2 также снижается давление и уменьшается осевое усилие, действующее на его ротор (по чертежу вправо). Вследствие различных объемов парового пространства в магистрали между клапаном 7 и камерой 13 цилиндра 1 и магистралью между цилиндрами 1 и 2, включающей промежуточный аппарат 6, снижение давлений в цилиндрах 1 и 2 будет происходить с задержкой во времени. Поэтому и изменение осевых усилий в роторах цилиндров 1 и 2 не будет синхронным. Однако в условиях регулируемого, растянутого по времени графика снижения нагрузки турбины, изменение соотношения давлений в цилиндрах 1 и 2 будет иметь периодический характер, т.е. с некоторым увеличением и следующим за ним снижением этого соотношения. В рассматриваемый режим работы турбины в результате прикрытия регулирующих клапанов блока 7 при открытых клапанах блока 9 через блок ИЛИ 22 сигнал о закрытии клапанов блока 7 подается на привод 21 отсечного клапана 19 цилиндра 2. Однако сигнал от датчика 24 не будет поступать, так как изменение соотношения давлений пара в цилиндрах 1 и 2 не будет превышать определенного значения, обусловленного запасом прочности на упорный подшипник. Поэтому в указанном режиме регулируемого снижения нагрузки клапан 21 будет закрыт и обвод части пара между ступенями цилиндра 2 не будет осуществлять. При этом закрыт и клапан 15 на магистрали 12 цилиндра 1.

При переходных режимах, например, при полном или частичном сбросе нагрузки турбины суммарное осевое усилие роторов цилиндров 1 и 2, передаваемое на упорный подшипник 4, может изменяться в широких пределах по значению и даже менять свое направление. В этом случае закрывают клапаны блока 7 на магистрали подачи свежего пара и при этом так же, как и в рассмотренном выше режиме сигнал от блока 11 поступает одновременно через блок ИЛИ 22 на вход привода 21 клапана 19. На этот же привод 21 поступает и сигнал от датчика 24. Если соотношение давлений в камерах 13 и 17 цилиндров 1 и 2 превысит допустимое заданное соотношение, привод 21 под действием указанных сигналов сработает, открывая клапан 19. Тем самым обеспечивают перепуск части пара по магистрали 16 цилиндра 2. В результате этого осевое усилие, действующее на ротор цилиндра 2, уменьшается компенсируя уменьшение осевого усилия ротора цилиндра 1. Благодаря этому осевая нагрузка на упорный подшипник не превысит установленных значений. При переходном режиме, связанном, например, со сбросом пара из пароперегревателя 6 в БРОУ (не показан) и закрытии клапанов блока 9 цилиндра 2 происходит аналогичная вышеописанная корректировка управлением потока пара. В этом случае одновременно с подачей управляющего сигнала от блока 11 на привод 10 клапанов 9 сигнал через схему ИЛИ 23 подается на вход привода 20 клапана 15 на магистрали 12 цилиндра 1. На этот же привод 20 поступает и сигнал от датчика 24. Если, как и в описанном выше случае, происходит недопустимое изменение соотношения давлений в камерах 13 и 17, привод 20 откроет клапан 15 на магистрали 12, в результате чего через нее перепускают часть пара из камеры 13 и 14. В обоих рассмотренных случаях перепуск пара прекращают закрытием клапанов на соответствующих магистралях как только осевая нагрузка на упорный подшипник установится в пределах номинального значения.

При увеличении расходов пара через цилиндры 1 и 2 в переходных режимах управление потоком пара с корректировкой согласно изобретению осуществляется в основном, как это описано в двух предыдущих примерах. Однако при открытии клапанов на впуске в один из цилиндров, например цилиндр 1, и недопустимом повышении соотношения давлений в камерах 13 и 17 цилиндров 1 и 2 перепуск пара осуществляют в обводной магистрали этого же цилиндра, в частности в магистрали 12 цилиндра 1. Это обусловлено тем, что сигнал от блока 11 на открытие клапана 7 поступает одновременно через блок ИЛИ 22 на привод 20 клапана 15 на магистрали 12.

Изобретение позволяет без использования разгрузочных камер и уравновешивающих поршней обеспечить поддержание осевой нагрузки на упорный подшипник в допустимых пределах. При этом благодаря кратковременности перепусков пара в обводных магистралях цилиндров паровой турбины не происходит снижения ее экономичности.

Использование: в системах регулирования и управления потоком рабочей среды в турбомашинах. Сущность изобретения: управление потоком пара осуществляется путем перепуска части пара в одном из цилиндров между ступенями высокого и пониженного давлений при изменении расхода пара. Перепуск части пара между ступенями одного из цилиндров осуществляют, когда контролируемое соотношение осевых усилий роторов цилиндров превысит определенное установленное значение. При этом, если уменьшают расход пара через один из цилиндров, перепуск части пара осуществляют между ступенями другого цилиндра, а, если расход пара увеличивают через один из цилиндров, перепуск части пара осуществляют в этом же цилиндре. Такой способ, обеспечивая защиту упорного подшипника от перегрузки, является более простым в реализации и вместе с тем не оказывает влияния на экономические характеристики работы паровой турбины. 1 ил.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКОМ ПАРА В ПАРОВОЙ ТУРБИНЕ С ПРОТИВОТОЧНЫМИ ЦИЛИНДРАМИ путем изменения расхода пара через цилиндры с внутренним обводом части пара между ступенями высокого и пониженного давления для каждого из цилиндров, отличающийся тем, что измеряют соотношение осевых усилий роторов цилиндров и при изменении расхода пара через один из цилиндров в случае превышения измеренной величиной установленного значения производят обвод части пара между ступенями одного из цилиндров, причем при уменьшении расхода пара через один из цилиндров осуществляют обвод части пара между ступенями другого цилиндра, а при увеличении расхода пара через один из цилиндров осуществляют обвод части пара между ступенями этого же цилиндра.