СПОСОБ ОСТАНОВКИ ТУРБИНЫ Российский патент 1995 года по МПК F01D21/06 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на паровых и газовых турбинах тепловых и атомных электростанций при их эксплуатации в процессе плановых и аварийных остановов турбин, в особенности при необходимости производства ремонтных работ на агрегатах системы регулирования и маслоснабжения.

Известен способ остановки турбины путем снижения нагрузки, обеспаривания турбины, вращения ее ротора после выбега валоповоротным устройством при подаче масла в систему смазки подшипников турбины. Причем вращение ротора валоповоротным устройством и подача масла продолжаются до полного остывания высокотемпературных цилиндров турбины, которое характеризуется минимальной температурой последних. Эта температура, измеряемая в самой горячей зоне цилиндров, колеблетcя в диапазоне 100-180^оС для паровых турбин и (50-100)^оС для газовых турбин. При достижении в процессе остывания указанных температур отключают валоповоротное устройство и подачу масла в систему смазки подшипников (см. Инструкцию по эксплуатации турбин Т-250/300-240 ТМЗ. ТМТ-110650-2, Екатеринбург, ТМЗ, 1976, с.105-110).

Недостатками указанного способа являются необходимость продолжительного по времени оcтывания турбины, связанных с этим расходов энергии на вращение ротора турбины валоповоротным устройством и поддержание рабочего давления в маслосистеме. Продолжительность остывания высокотемпературных цилиндров турбины зависит от мощности турбины, параметров пара (или газа), конструкции цилиндров и свойств тепловой изоляции. Для паровых турбин мощностью более 500 Мвт продолжительность остывания до указанных температур может составлять 200 ч и более, что увеличивает на это время продолжительность перепростоя турбины в ремонте, а также пропорционально указанному времени расходы энергии на собственные нужды (работу эл. двигателей валоповоротного устройства и насосов маслосистемы).

Известен способ остановки турбины путем ее обеспаривания, последующего вращения ее ротора валоповоротным устройством с подачей масла в систему смазки подшипников при контроле температурного состояния высокотемпературного цилиндра (ЦВД) и баббита вкладышей подшипников, контактирующих с ротором, в котором при достижении температуры корпуса ЦВД, равной 200^оС, отключают валоповоротное устройство и подачу масла в систему смазки подшипников турбины. После этого контролируют температуру баббита подшипников и металла корпусов цилиндров высокого и среднего давления (см. журнал Электpические станции N 5, 1992, с.36-38).

Недостатком известного способа является далекая от оптимальной начальная температура паровпуска высокотемпературных цилиндров турбины (высокого и среднего давления) перед отключением валоповоротного устройства и подачи масла в систему смазки. Действительно, максимальные температуры баббита подшипников высокотемпературных цилиндров составили по этому известному способу 65-67^оС и были весьма далеки от максимально допустимых (100-110^оС).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и выбранным в качестве прототипа является способ остановки турбины путем ее разгрузки, обеспаривания и последующего воздушного расхолаживания цилиндров остановленной обеспаренной турбины, в котором расхолаживание производят при вращении ротора турбины валоповоротным устройством и подаче масла в систему смазки подшипников турбины до достижения температуры цилиндров высокого и среднего давления, равной 280^оС, в наиболее горячей их части (в сечении паровпуска), после чего отключают валопово- ротное устройство и подачу масла в систему смазки.

К недостаткам известного способа можно отнести следующие:
1. Температуры паровпуска цилиндров высокого и среднего давления, при которых отключают валоповоротное устройство и подачу масла в систему смазки, не являются оптимальными с точки зрения надежности баббита подшипников. Действительно, максимальная температура баббита подшипников после отключения валоповоротного устройства и насосов системы смазки 89^оС оказывается ниже предельно допустимой температуры, установленной для баббитов, примененных в турбиностроении, регламентированных действующими инструктивными указаниями по эксплуатации систем смазки паровых и газовых турбин.

2. Отсутствуют какие-либо технические средства, позволяющие поддерживать температуру баббита на уровне, не превышающем допустимой температуры. Таким образом, в случае выбора температуры высокотемпературных цилиндров, при котором после остановки валоповоротного устройства и отключения масла в систему смазки достигаются предельно допустимые температуры баббита подшипников, необходимо возобновлять подачу масла в них во избежание дальнейшего увеличения температуры подшипников сверх допустимого уровня (100-110^оС).

Целью изобретения является повышение надежности и экономичности способа путем сокращения простоев турбин, преимущественно для производства ремонтных работ, требующих отключения системы смазки. Указанная цель достигается тем, что в способе остановки турбины путем ее обеспаривания, вращения ротора валоповоротным устройством и подачи масла в систему смазки подшипников при контроле температурного состояния высокотемпературных цилиндров и поверхностей вкладышей подшипников, контактирующих с ротором, с отключением валоповоротного устройства и подачи масла при достижении допустимого температурного состояния высокотемпературных цилиндров, допустимое температурное состояние последних определяют по меньшей мере для цилиндров высокого и среднего давления по критерию:
Т_Ц Т₁ х В₁ + Т₂ х В₂, где Т₁ и Т₂ разности температур соответствующих цилиндров и окружающего воздуха в месте их расположения, В₁ и В₂ коэффициенты теплового сопротивления потоку тепла от соответствующего ротора к подшипнику при регулярном тепловом режиме, температурное состояние подшипников определяют по критерию ТП, равному разности температур вкладыша и окружающего воздуха в месте расположения подшипника, а отключение валоповоротного устройства и подачи масла производят при условии ТЦ ≅ ТП. При этом, при достижении предельно допустимой температуры хотя бы одним из вкладышей изменяют взаимное расположение ротора и этого вкладыша с образованием воздушного зазора между ними. Кроме того, смещают ротор в осевом направлении и устанавливают воздушный зазор между ротором и контактирующей поверхностью упорного подшипника. Причем указанный воздушный зазор устанавливают путем поднятия ротора, путем опускания вкладыша подшипника, путем смещения ротора в осевом направлении, а при повышении контролируемой температуры верхнего вкладыша до предельного значения возвращают ротор в начальное положение, возвращают подшипник в начальное положение. Так же при повышении контролируемой температуры упорного подшипника смещают ротор в начальное положение. Так же при повышении температуры контактирующей поверхности подшипника до предельно допустимого значения, перемещают ротор или подшипник до выравнивания температур противоположных поверхностей. Кроме того, дополнительно охлаждают зоны ротора, расположенные между цилиндрами и вкладышами подшипников, путем подачи туда охлаждающей среды.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью предлагаемого технического решения заключается в том, что после обеспаривания турбины, при вращении ее ротора валоповоротным устройством, и подаче масла в систему смазки, контролируют температурное состояние по меньшей мере цилиндров высокого и среднего давления и баббита подшипников турбины, определяя критерии: ТЦ, зависящий от температур указанных цилиндров и окружающей среды в зоне расположения последних, и ТП, зависящий от температур баббита подшипников и окружающей среды вблизи них. Сравнивая оба названных критерия, сразу определяют наибольшую из допустимых температур цилиндров высокого и среднего давления турбины, при достижении которой осуществляют отключение валоповоротного устройства (ВПУ) и насосы системы смазки. Тем самым обеспечивается самое ранее из возможных отключение ВПУ и системы смазки, что позволяет обеспечить наибольший выигрыш во времени при останове турбины, особенно актуальный при необходимости производства ремонтных работ на системе маслоснабжения или системе регулирования или на подшипниках турбины. В дальнейшем, после отключения ВПУ и системы смазки, в силу индивидуальных отличий турбин друг от друга (свойства тепловой изоляции, степень изношенности концевых уплотнений, податливость опор и кручение ригелей и т.п.) возможен нагрев подшипников до максимально допустимой температуры баббита. В этом случае, при достижении предельно допустимой температуры хотя бы одного из вкладышей изменяют взаимное расположение ротора и этого вкладыша с образованием воздушного зазора между ними, причем последний образуют либо подъемом ротора, либо опуская вкладыш, в случае упорного вкладыша сдвигая ротор в осевом направлении. Дополнительно охлаждают зоны ротора, расположенные между цилиндрами и вкладыши подшипников, путем подачи туда охлаждающего воздуха. Совокупность указанных отличительных признаков позволяет снизить продолжительность останова турбины, что особенно важно при необходимости производства ремонтных работ на узлах маслосистемы и системы регулирования, на подшипниках турбины, что в целом обеспечивает повышение надежности и экономичности способа.

Таким образом, наличие отмеченных выше отличительных признаков по сравнению с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "новизна".

Проведенный поиск других технических решений выявил известность способа воздушного охлаждения подшипника, в котором охлаждающую среду воздух подают в масляные каналы подшипника, и отводят в кольцевое пространство вокруг подшипника и через специально выполненные отверстия в крышке подшипника (Platt. C. H. Wells. H. Air cooling of steam turline bearing and sylinders APE Engemering, 1975, N 20, Р. 20-30).

Указанный способ с учетом вышесказанного осуществляет иную функцию, так как требует для своего осуществления реконструкции подшипника, кроме того, указанный способ имеет целью осуществления отключение валоповоротного устройства и подачи масла сразу после остановки турбины, т.е. вне области допустимых температурных состояний цилиндров турбины, Поэтому указанный известный способ может быть осуществим лишь на турбинах небольшой мощности (в частности, 7,5 МВт) с известными ограничениями, указанными выше.

Таким образом, выявленные отличительные признаки предложенного технического решения из исследованных в процессе дополнительного поиска источников проявляют иную функцию, совокупность их также не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 схематично изображена турбоустановка; на фиг.2 характеристики остывания цилиндров. Турбина содержит цилиндры 1,2,3 высокого (ЦВД), среднего (ЦСД) и низкого (ЦНД) давления соответственно, ротора 4,5 которой опираются на нижние вкладыши 6,7 опорных подшипников и упорный подшипник 8 между ЦВД1 и ЦСД2, а также нижние вкладыши 9,10,11 опорных подшипников между ЦСД2 и ЦНД3, генератором 12, и валоповоротным устройством 13 на валу ротора между ЦНД3 и генератором 12. Подшипники и валоповоротное устройство 13 размещены в картерах 14,15,16,17, соответственно, причем в картере 16 размещены подшипники 9,10, а в картере 17 подшипник 11 и валоповоротное устройство (ВПУ) 13. Ко всем картерам 14,15,16,17 подсоединены трубопроводы маслосистемы, подводящие и отводящие масло для смазки подшипников 6,7,8,9,10,11 и ВПУ 13 (не показаны).

Каждый из опорных подшипников выполнен соответственно из нижнего вкладыша 6,7,9,10,11 и верхнего вкладыша 18,19,20,21,22. Нижние вкладыши 6,7,9,10,11 снабжены термопарами (термометрами сопротивления) для измерения температуры их баббита, термопары 28,29 установлены в верхних вкладышах 18,19 в зоне ЦВД1 и ЦСД2 для измерения температуры баббита этих вкладышей. Упорный подшипник 8 также снабжен термопарами для измерения температуры левых и правых колодок (на чертеже не показаны).

ЦВД1 и ЦСД2 снабжены термопарами 30,21 и 32,33 соответственно, размещенными в зоне подвода пара к ним, измеряющими температуру наружных поверхностей корпусов ЦВД1 и ЦСД2 по верхней и нижней образующим (в наиболее нагретых зонах зонах паровпуска). Кроме того, картеры 14 и 15 снабжены устройствами 34,35 для подъема роторов 4,5 соответственно вверх с возможностью опускания этих роторов и возврата в исходное положение. А картер 17 снабжен устройством 36 сдвига роторов 4,5 в осевом направлении как в сторону ЦВД1, так и в сторону генератора 12.

В зоне расположения подшипников турбины размещены термопары 37,38 для измерения температуры окружающего воздуха вблизи нее.

Способ остановки турбины осуществляют следующим образом. После обеспаривания турбины и выбега роторов 4,5 включают валоповоротное устройство 13, вращающее последние при подаче масла в картеры 14,15,16,17 опорных и упорного подшипников 6,7,8,9,10,11. Цилиндры 1,2 и высокого и среднего давления при этом остывают, отдавая свое тепло, запасенное во время работы, в окружающую среду. Характеристики естественного остывания цилиндров 1,2 представлены на фиг.2. В процессе остывания контролируют температуру цилиндров 1,2 термопарами 30,32, температуру баббита опорных подшипников нижних вкладышей 6,0,7,9,10,11 термопарами 23,24,25,26,27 (термопары, измеряющие температуру баббита упорного подшипника 8 (не показаны), верхних вкладышей 18, 19, термопарами 28,29 и температуру окружающего воздуха в зоне расположения цилиндров 1,2 и подшипников 6,7, 9 термопарами 37,38. Сигналы вышеуказанных термопар поступают на процессор 39, в котором сигналы анализируются и производятся вычисления критериев ТЦ и ТП и коэффициентов В₁, В₂ по соотношениям ТЦ Т₁ х В₁ + Т₂ х В₂, ТПt_n t_b, T₁ t₁ t_b, T₂ t₂-t_b, где t₁, t₂, t_n температуры цилиндров 1,2, измеряемыe термопарами 30,32 и максимально допустимая температура баббита подшипника, t_b температура окружающего воздуха, измеряемая термопарами 37,38. Затем результаты вычислений передаются в блок 40 сравнения, где сравниваются критерии ТЦ и ТП. (На фиг.2 в момент времени τ_I ТЦ₁ > >ТП₁). Как только в результате работы термопар в блоке 40 сравнения будет получено равенство критериев ТЦ=ТП (на фиг.2 в момент времени τ_II ТЦ₂ ТП₂), в блоке 40 сравнения вырабатываетcя сигнал, по которому отключают валоповоротное устройство 13 и подачу масла в систему смазки. После отключения валоповоротного устройства и подачи масла в систему смазки в процессе остывания турбины происходит нагрев подшипников за счет отдачи тепла вдоль оси роторов 4,5 турбины баббиту нижних вкладышей подшипников 6,7,9,10,11, верхних вкладышей 18,19,20,21,22 и упорного подшипника 8, при этом наибольший рост температуры наблюдается в зоне высокотемпературных цилиндров 1,2, т.е. баббита подшипников 6,7,8.

При достижении максимально допустимой температуры баббита, хотя бы одним из нижних вкладышей 6,7 из опорных подшипников поднимают роторы 4 или 5 с помощью устройств 34 или 35 соответственно, образуя при этом воздушный зазор между ротором и одним из нижних вкладышей 6,7. В случае, если максимально допустимая температура достигается на упорном подшипнике 8, то используют устройство 36, посредством которого сдвигают ротор в осевом направлении (в сторону генератора 12 или в сторону опорного подшипника с вкладышами 6,18), образовывая воздушный зазор слева или справа от подшипника 8. При необходимости дополнительно охлаждают зоны роторов 4,5 и вкладыши 6,7,8,18,19 путем подачи туда охлаждающего воздуха.

П р и м е р осуществления способа.

Вариант 1. Перед выводом в ремонт турбина Т-250/300-240 была разгружена и отключена от сети. После окончания выбега и прекращения подачи пара в уплотнения было включено валоповоротное устройство при работающих насосах, подающих масло в систему смазки турбины. Естественно остывание турбины продолжалось около двух суток, после чего при достижении температур высокотемпературных цилиндров, цилиндра высокого (ЦВД) и среднего давлений (ЦСД), верхняя образующая наружного корпуса в зоне паровпуска t_ЦВД 265^оС, t_ЦСД= 255^оС, соответственно были отключены валоповоротное устройство и подача масла в систему смазки, при температуре воздуха в зоне расположения турбины t_b26-28^оС, В течение 30 ч остывания температура этих цилиндров составила t_ЦВД 209^оС и t_ЦСД 191^оС. В то же время максимальная достигнутая температура баббита подшипников t_n^max составила 66^оС (упорные подшипники 66^оС, опорные подшипники N 1 и N 2 в зоне ЦВД и ЦСД 66^оС и 62^оС, соответственно). Таким образом, после отключения системы смазки при вышеуказанных температурах ЦВД и ЦСД нагрев баббита незначителен (на 20-25^оС), при максимально допустимой температуре баббита 100^оС, наибольшие достигнутые температуры баббита подшипников t_n далеки от предельных значений:
ТП [t_n] t_b
ТП 100 t_b 72-74^оС.

t_п t_n^max t_b 66 t_b (28-30)^оС, т.е. t_n < ТП.

ТЦ В₁ (t_ЦВД t_b) + В₂ (t_ЦСД-t_b) В₁ (265-t_b) + В₂ (255 t_b) 240 х В₁ + 230 х В₂ < ТП
Для подшипника N 2 (между ЦВД и ЦСД) коэффициенты В₁ и В₂составляют ≈0,09 и 0,15 соответственно. Отсюда ТЦ 240 х 0,09 + 230 х 0,15 56,1^оС < ТП 72-74^оС, что подтверждается измеренными температурами баббита.

Вариант 2. После парового расхолаживания при температурах ЦВД t_ЦВД= 250^оС и ЦСД t_ЦСД 340^оС, отключили валоповоротное устройство и подачу масла в систему смазки. После этого, в течение 24 ч остывания были достигнуты максимальные температуры опорных подшипников ≈80^оС, упорных подшипников ≈90^оС (при температуре воздуха в зоне расположения подшипников ≈30^оС.

Таким образом, ТП 100 t_b 70^оС.

ТЦ В₁ (t_ЦВД t_b) + В₂ (t_ЦСД t_b) 0,09 x x (20 30) + 0,15 (340 30) 66,3 < ТП 70^оС.

Таким образом, наибольшие достигнутые температуры баббита подшипников близки к максимально допустимым, и вышеуказанное соотношение температур ЦВД (250^оС) и ЦСД (340^оС) близко к предельно допустимому для осуществления указанного режима отключения валоповоротного устройства и подачи масла в систему смазки.

Использование: в энергетике, преимущественно на паровых и газовых турбинах и атомных электростанций при их эксплуатации в процессе плановых и аварийных остановок. Сущность изобретения при остановке турбин после ее обеспаривания определяют допустимое температурное состояние по меньшей мере для цилиндров высокого и среднего давления по критерию: ТЦ = T₁×B₁+T₂×B₂, где T₁ и T₂ разности температур цилиндров и окружающего воздуха в месте их расположения B₁ и B₂ коэффициенты теплового сопротивления. Температурное состояние подшипника определяют по критерию ТП, равному разности температур вкладыша и окружающего воздуха в месте расположения подшипника, и отключают валоповоротное устройство и подачу масла в систему смазки при условии ТЦ меньше или равно ТП, при этом, при достижении предельно допустимой температуры хотя бы одним из вкладышей изменяют взаимное расположение вкладыша и ротора с образованием воздушного зазора между ними, дополнительно охлаждают зоны ротора, расположенные между цилиндрами и вкладышами подшипника, путем подачи туда охлаждающей среды. 9 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. СПОСОБ ОСТАНОВКИ ТУРБИНЫ путем ее обеспаривания, вращения ротора валоповоротным устройством и подачи масла в систему смазки подшипников при контроле температурного состояния высокотемпературных цилиндров и поверхностей вкладыша подшипников, контактирующих с ротором, с отключением валоповоротного устройства и подачи масла по достижении допустимого температурного состояния высокотемпературных цилиндров, отличающийся тем, что допустимое температурное состояние определяют по меньшей мере для цилиндров высокого и среднего давления по критерию
ТЦ= T₁ · B₁ + T₂ · B₂, где T₁ и T₂-разности температур соответствующих цилиндров и окружающего воздуха в месте их расположения, B₁ и B₂ коэффициенты теплового сопротивления потоку тепла от соответствующего ротора к подшипнику при регулярном тепловом режиме, температурное состояние подшипников определяют по критерию ТП, равному разности температур вкладыша и окружающего воздуха в месте расположения подшипника, а отключение валоповоротного устройства и подачи масла производят при условии ТЦ ≅ ТП. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по достижении предельно допустимой температуры хотя бы одного из вкладышей изменяют взаимное расположение ротора и вкладыша с образованием воздушного зазора. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что смещают ротор в осевом направлении и устанавливают воздушный зазор между ротором и рабочей поверхностью упорного подшипника турбины. 4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что указанный воздушный зазор устанавливают путем поднятия ротора. 5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что указанный воздушный зазор устанавливают путем опускания подшипника. 6. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что при повышении контролируемой температуры верхнего вкладыша до предельного значения возвращают ротор в начальное положение. 7. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что при повышении контролируемой температуры верхнего вкладыша до предельного значения возвращают подшипник в начальное положение. 8. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что при повышении контролируемой температуры поверхности упорного подшипника возвращают ротор в начальное положение. 9. Способ по пп.1, 2-8, отличающийся тем, что при повышении контролируемой температуры поверхностей подшипника, противоположных рабочим, до предельно допустимого значения перемещают ротор или подшипник в направлении к начальному положению до выравнивания температур противоположных поверхностей. 10. Способ по пп.1-9, отличающийся тем, что дополнительно охлаждают зоны ротора, расположенные между цилиндрами и вкладышами подшипников, путем подачи туда охлаждающей среды под давлением.