УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 1997 года по МПК F01D17/06 

Изобретение относится к турбостроению и может быть использовано для регулирования паровых турбин.

Известно, например, устройство дроссельного регулирования паровых турбин [1] Согласно этому способу управляют подачей пара в турбину путем его дросселирования на клапанах парораспределения турбины. Клапаны таких парораспределений подключают к общему паровпускному каналу корпуса паровпуска турбины и перемещают их синхронно. Благодаря этому корпус паровпуска максимально упрощен, что является преимуществом способа дроссельного регулирования паровых турбин. Однако, чем меньше пара подают в турбину, тем больше он дросселируется на регулирующих клапанах парораспределения и тем ниже экономичность турбины. Пониженная экономичность турбины на частичных режимах работы основной недостаток способа дроссельного регулирования паровых турбин.

Известны устройства соплового регулирования паровых турбин [1-3] Согласно способу соплового регулирования паровых турбин управление подачей в нее пара осуществляют путем изменения количества включаемых в работу регулирующих клапанов и каналов паровпуска турбины. С этой целью корпус паровпуска турбины выполняют с относительно большим, по числу регулирующих клапанов парораспределения турбины (до 10.12), количеством пароподводящих каналов и регулирующие клапаны открывают последовательно, друг за другом. Благодаря этому значительное дросселирование пара может иметь место лишь на одном, последнем из включенных в работу, клапане. При этом, чем больше количество регулирующих клапанов и каналов паровпуска турбины, тем более высокую экономичность она имеет на частичных режимах работы турбины.

Однако большое количество пароподводящих каналов значительно усложняет корпус паровпуска турбины с сопловым регулированием. Особенно сложно выполнить большое количество пароподводящих каналов в нижней половине корпуса паровпуска и организовать к ним подвод пара с верхней половины корпуса, в которой обычно расположена клапанная коробка парораспределения турбины. Поэтому часто ограничиваются парциальным подводом пара в турбину [1] (только через сопла, расположенные в верхней половине корпуса паровпуска турбины. Парциальный подвод пара снижает экономичность турбины за счет концевых потерь ступени (потери "выколачивания" пара) [4] В некоторых случаях [5] применяют полный подвод пара к сопловому аппарату турбины через ограниченное число клапанов (четыре клапана). Такие турбины имеют относительно хорошую экономичность лишь на четырех режимах работы, соответствующих полностью открытым регулирующим клапанам. Паровпуск таких турбин достаточно сложен и, кроме того, используется большое количество (четыре) паропроводов свежего пара, что снижает надежность турбины.

Известная гидродинамическая система регулирования, выбранная в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит насос-регулятор, регулятор частоты вращения, сервомотор с отсечным золотником, которые соединены импульсными и силовыми масляными трубопроводами, сервомотор связан с регулирующими клапанами парораспределения [6]
Недостаточно высокая экономичность турбин на частичных режимах работы и сложность корпуса паровпуска турбин с сопловым регулированием подачи пара является основным недостатком способа соплового регулирования паровых турбин и устройства, в котором этот способ реализуется.

Задача изобретения повышение экономичности турбины, упрощение корпуса паровпуска.

Указанная задача достигается тем, что устройство, содержащее насос-регулятор, сервомоторы соплового и дроссельного парораспределения с золотниками обратных связей, напорными, импульсными и сливными линиями и клапаны соплового и дроссельного парораспределения, связанные передаточными механизмами с сервомоторами, дополнительно содержит трансформатор давления, имеющий золотник с поршеньками и регулирующие окна, подключенные к импульсным линиям сервомоторов дроссельного и соплового парораспределения и выполненные по высоте на разных расстояниях от регулирующих кромок, взаимодействующих с ними поршеньков золотника трансформатора давления, а золотник обратной связи сервомотора дроссельного парораспределения имеет окно, подключенное к импульсной линии сервомотора соплового парораспределения и к его сливной линии.

Устройство отличается тем, что на золотнике обратной связи сервомотора соплового парораспределителя выполнено дополнительное окно, включенное гидравлически между дополнительным окном золотника обратной связи сервомотора дроссельного парораспределителя и сливной линией. Торцевая камера золотника обратной связи сервомотора дроссельного парораспределения подключена к импульсной линии сервомотора соплового парораспределения.

На фиг. 1 изображена принципиальная гидравлическая схема устройства; на фиг.2 схема поперечного разреза турбины по регулирующим клапанам соплового и дроссельного парораспределения.

Устройство содержит насос-регулятор 1 частоты вращения, трансформатор давления 2, отсечные золотники 3, 4, сервомотор 5 и сервомотор 6, золотники 7, 8 обратных связей сервомоторов 5, 6 и два парораспределения: сопловое парораспределение 9 и дроссельное парораспределение 10.

Трансформатор давления 2 имеет золотник 11, подпружиненный пружиной 12, с межпоясковыми полостями 13, 14 и торцевыми камерами 15, 16. Регулировочный винт 17 через тарелку 18 контактирует с пружиной 12. Регулирующие окна 19, 20 выполнены по высоте на разных расстояниях относительно взаимодействующих с ними кромок поршеньков золотника 11. При этом верхняя кромка окна 19 по отношению к кромке нижнего поршенька золотника 11 расположена ближе, чем верхняя кромка окна 20 по отношению к кромке среднего поршенька золотника 11. Окна 19, 20 сообщены с межпоясковыми полостями 13, 14.

Отсечные золотники 3, 4 имеют золотники 21, 22, подпружиненные пружинами 23, 24, с межпоясковыми полостями 25, 26, 27, 28, 29, 30 и торцевыми камерами 31, 32, 33, 34. Окна 35, 36, 37, 38 при "среднем" положении золотников 21, 22 отсечены рабочими поршеньками золотников 21, 22.

Сервомотор 5 и сервомотор 6 имеют поршни 39, 40 со штоками 41, 42 и окна 43, 44, 45, 46, подключенные к его рабочим полостям 47, 48, 49, 50.

Золотники 7, 8 обратных связей сервомоторов 5, 6 имеют золотники 51, 52 со штоками 53, 54 с межпоясковыми полостями 55, 56, 57, 58. Окна 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65 подключены к межпоясковым полостям 55, 56, 57, 58, а окно 66
к торцевой камере 67.

Сопловое парораспределение 9 и дроссельное парораспределение 10 размещены в общей паровой коробке 68 (на фиг.1 изображены поперечные сечения паровой коробки 68 по парораспределениям 9 и 10). Парораспределения 9 и 10 имеют штоки 69, 70 и рычаги 71, 72 с опорами 73, 74, соединенные со штоками 41, 42, 69, 70 и тягами 75, 76 со штоками 53, 54. Сопловое парораспределение 9 имеет также траверсу 77. Паропроводом 78 клапанная коробка 68 сообщена с источником свежего пара (на чертеже не изображен).

Насос-регулятор 1 через невозвратный клапан 79 подключен к магистрали 80 масла высокого давления. Через второй невозвратный клапан (на чертеже не изображен) к магистрали 80 подключен пусковой масляный насос (на чертеже также не изображен). Магистраль 80 подведена к торцевой камере 15 трансформатора давления 2, к межпоясковым полостям 27, 28 отсечных золотников 3, 4 и через дроссельные диафрагмы 81, 82 соответственно к импульсной линии 83 сервомотора 5 и к импульсной линии 84 сервомотора 6. Импульсная линия 83 подведена к окнам 19, 60, 61, 66 и к торцевой камере 31, а импульсная линия 84 к окнам 20, 62 и к торцевой камере 32. Магистраль 85 масла низкого давления подключена к всасу насоса-реулятора 1, к межпоясковым полостям 13, 14, 25, 26, 29, 30, 58, к окнам 61, 63 и торцевым камерам 16, 33, 34. Окна 35, 36, 37, 38, 43, 44, 45, 46 попарно соединены между собой перепускными каналами 86, 87, 88, 89, а окна 59, 64 каналом 90.

На фиг.2 корпус 91 верхней половины корпуса соединен с корпусом 92 нижней половины корпуса турбины. Регулирующие клапаны 93, 94, 95, 96, 97 соплового парораспределения 9 турбины свободно подвешены на траверсе 77. Два регулирующих клапана 98 дроссельного парораспределения 10 турбины закреплены на штоках 70. Регулирующие клапаны 93, 94, 95, 96, 97 и 98 расположены в общей паровой коробке 68 и сообщены первые попарно с пароподводящими каналами 99, 100, 101, 102, 103 и вторые с двумя симметричными пароподводящими каналами 104, которые в свою очередь сообщены через горизонтальный разъем корпусов 91 и 92 с каналом 105 (паровые седла регулирующих клапанов 93, 94, 95, 96, 97, 98 на чертеже условно не изображены). Выходы каналов 99, 100, 101, 102, 103 и 105 направлены к соплам соплового аппарата 106 турбины (выходы клапанов 98 могут быть сообщены с каналом 105 наружными трубопроводами, которые на чертеже не изображены).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Перед пуском турбины регулировочный винт 17 вывинчивают вверх и расслабляют пружину 12. Запускают пусковой масляный насос и подают от него масло высокого давления через второй невозвратный клапан в магистраль 80 и из нее через дроссельные диафрагмы 81, 82 в импульсные линии 83, 84. Под действием силы давления масла в камере 15 золотник 11 будет находиться в верхнем (по чертежу) положении, при котором он своими поршеньками перекроет окна 19, 20. В результате давление масла в импульсных линиях 83, 84 повысится настолько, что под действием перепада давлений масла в камерах 31, 33 и 32, 34 золотники 21, 22 переместятся в верхнее (по чертежу) положение. При этом они сообщат рабочие полости 49, 50 по перепускным каналам 88, 89 через межпоясковые полости 27, 28 с магистралью 80 масла высокого давления и рабочие полости 47, 48 сервомоторов 5, 6 по перепускным каналам 86, 87 через межпоясковые полости 25, 26 с магистралью 85 масла низкого давления.

Под действием перепада давлений масла на поршни 39, 40 последние перемещаются вверх до упора регулирующих клапанов 93, 94, 95, 96, 97, 98 седла. Золотники 51, 52 при этом занимают свое крайнее верхнее (по чертежу) положение, при котором окна 61, 60 и 62 открыты, а окно 59 закрыто. Подают пар по паропроводу 78 в паровую коробку 68.

Для пуска турбины регулировочным винтом 17 увеличивают натяжение пружины 12 и перемещают золотник 11 вниз (по чертежу). При этом рабочая кромка нижнего поршенька золотника 11 начнет открывать регулирующее окно 19 и через него масло из импульсной линии 83 будет сливаться через межпоясковую полость 13 в магистраль 85 масла низкого давления. Давление масла в импульсной линии 83 понижается и, под действием силы натяжения пружины 23, золотник 21 начнет перемещаться вниз (по чертежу), вначале отсекая окна 35, 37, а затем сообщая первое из них через поясковую полость 27 с магистралью 80 и второе через межпоясковую полость 29 с магистралью 85. Под действием перепада давлений масла в рабочих полостях 47 и 49 поршень 39 начнет перемещаться вниз, открывая, в порядке очередности, вначале регулирующий клапан 93 и прикрывая окно 61 золотника 51 обратной связи сервомотора 5.

Давление масла в импульсной линии 83 повышается и золотник 21 приходит в свое "среднее" положение, отсекая окна 35, 37 и, следовательно, рабочие полости 47, 49 сервомотора 5. По мере увеличения натяжения пружины 12 происходит увеличение степени открытия клапана 93 и увеличение количества пара, подводимого по каналу 99 через сопла соплового аппарата 106 в турбину. Ротор (на чертеже не показан) начнет вращаться и соединенный с ним насос-регулятор 1 будет создавать напор масла. Клапан 93 обеспечивает подачу в турбину пара в количестве, достаточном для выхода турбины на холостой ход. При достижении достаточно высокой частоты вращения ротора, близкой к частоте вращения холостого хода, давление нагнетания насоса-регулятора 1 превысит давление масла, развиваемого пусковым масляным насосом (на чертеже не показан), закроет второй невозвратный клапан, и насос-регулятор 1 примет на себя маслоснабженное устройства. Пусковой масляный насос отключают.

Для нагружения турбины необходимо подключить ее к электрической сети и продолжить увеличение натяжения пружины 12. Это приведет к дальнейшему перемещению золотника 11 вниз и, как это было показано выше, к соответствующему перемещению поршня 39 сервомотора 5 вниз, на последовательное открытие регулирующих клапанов 94, 95, 96, 97. При этом соответственно будут последовательно подключаться каналы 100, 101, 102, 103. При полном открытии регулирующих клапанов 93, 94, 95, 96, 97 весь пар в турбину поступает через сопловое парораспределение 9. К этому моменту, или несколько раньше, рабочая кромка среднего пояска золотника 11 сравнивается с верхней кромкой окна 20 и начнет открывать последнее. Давление масла в импульсной линии 84 начнет понижаться и золотник 22 начнет перемещаться вниз (по чертежу), в начале отсекая окна 36, 38, а затем подключая их соответственно к межпояcковым полостям 26, 30. В результате рабочая полость 48 сервомотора 6 по перепускному каналу 87 будет сообщена с магистралью 80 масла высокого давления и рабочая полость 49 с магистралью 85 масла низкого давления. Под действием перепада давлений масла поршень 40 сервомотора 6 начнет перемещаться вниз, открывая клапаны 98. Вступает в действие обратная связь сервомотора 6: по мере перемещения поршня 40 и, следовательно, золотника 52 вниз, кромка верхнего пояска золотника 52 прикрывает окно 62, что приводит к восстановлению давления масла в импульсной линии 84, возвращению золотника 22 в "среднее" положение и к "отсечке" поршня 40 сервомотора 6. Окно 59 в золотнике 7 обратной связи сервомотора 5 расположено так, что оно закрыто кромкой нижнего поршенька золотника 51 при закрытых клапанах 93, 94, 95, 96, 97 соплового парораспределения 9. При открытии первого клапана 93 окно 59 открыто и масло из импульсной линии 83 через окна 60, 64, 59 и 65 сливается в магистраль 85 масла низкого давления.

Таким образом, увеличение мощности (нагружение) турбины на первом этапе обеспечивается за счет увеличения подачи пара в турбину через сопловое парораспределение 9. При этом золотник 11 управляет только сливом масла из импульсной линии 83 через регулирующее окно 19. Регулирующее окно 20 остается перекрытым средним поршеньком золотника 11. К моменту открытия последнего клапана 97 соплового парораспределения 9 примерно на 80% рабочего хода этого клапана 97 верхняя кромка среднего поршенька золотника 11 сравнивается по высоте с верхней кромкой окна 20. Дальнейшее перемещение золотника 11 вниз будет приводить не только к увеличению открытия окна 19 и, следовательно, к увеличению открывания клапана 97 на полный ход, но и к открытию окна 20 и сливу через него масла из импульсной линии 84 в магистраль 85 масла низкого давления. Давление масла в импульсной линии 84 понижается, и под действием силы натяжения пружины 24 золотник 22 начнет перемещаться вниз (по чертежу), вначале отсекая окна 36, 38, а затем сообщая первое из них через межпоясковую полость 28 с магистралью 80 и второе через межпоясковую полость 30 с магистралью 85. Под действием перепада давлений масла в рабочих полостях 48 и 50 поршень 40 сервомотора 6 начнет перемещаться вниз, открывая клапана 98 дроссельного парораспределения 10. Золотник 52 при этом прикрывает окно 62 и давление масла в импульсной линии 84 повышается, и золотник 22 приходит в "среднее" положение, отсекая окна 36, 38 и, следовательно, рабочие полости 48, 50 сервомотора 6.

С момента начала открытия паровых клапанов 98 золотник 52 средним поршеньком начнет прикрывать окно 60, в то время как золотник 11 будет, по-прежнему, продолжать увеличивать открытие регулирующего окна 19, однако ширина окна 60 и, следовательно, интенсивность его влияния на давление масла в импульсной линии 83 больше, чем окна 19. В результате происходит повышение давления масла в импульсной линии 83. Золотник 21 смещается вверх от "среднего" положения, поршень 39 перемещается вверх, прикрывая клапаны 97, затем 96, 95, 94 и 93 соплового парораспределения 9. Происходит перекладка пара, подводимого в турбину, с соплового парораспределения 9 на дроссельное парораспределение 10. При полном открытии окна 20 поршень 40 переходит в крайнее нижнее положение и полностью открывает клапаны 98. Клапаны 97, 96, 95 и 94 будут при этом закрыты, а клапан 93 прикрыт примерно на 80% своего рабочего хода, так что окно 59 остается открытым. На втором этапе нагружения турбины продолжают увеличивать натяжение пружины 12, смещая золотник 11 вниз и, тем самым, увеличивая открытие окна 19. Давление масла в импульсной линии 83 понижается и, как было показано выше, это вновь приведет к поочередному открытию регулирующих клапанов 93, 94, 95, 96, 97. В пределе пар в турбину будет поступать одновременно как через сопловое парораспределение 9, так и через дроссельное парораспределение 10, по полной окружности соплового аппарата.

При разгружении турбины процесс протекает в обратной последовательности следующим образом.

Вывинчивают винт 17 и расслабляют пружину 12. Под действием силы давления масла в камере 15 золотник 11 плавно перемещается вверх, прикрывая окно 19. Давление масла в импульсной линии 83 повышается, золотник 21 смещается вверх и поршень 39 перемещается вверх, на последовательное закрытие клапанов 97, 96, 95, 94 и на покрытие клапана 93. В этот момент верхняя кромка среднего поршенька золотника 11 начнет прикрывать окно 20. Повышается давление масла в импульсной линии 84, золотник 22 и поршень 40 перемещаются вверх на прикрытие клапанов 98 дроссельного парораспределения 10. Окна 62 и 60 золотника 8 обратной связи сервомотора 6 открываются, причем окно 62 осуществляет обратную связь сервомотора 6, а окно 60 преодолевает сигнал окна 19 на закрытие регулирующих клапанов 97, 96, 95, 94, 93 и начинает открывать их. В момент, когда верхняя кромка среднего поршенька золотника 11 сравняется с верхней кромкой окна 20, т.е. когда средней поршенек золотника 11 полностью перекроет окно 20, клапаны 98 будут полностью закрыты, а клапаны 93, 94, 95, 96, 97 открыты. Продолжая расслаблять пружину 12, вновь прикрывают окно 19, повышают давление масла в импульсной линии 83. Золотник 21 и поршень 39 сервомотора 5 будут перемещаться вверх, последовательно прикрывая клапаны 97, 96, 95, 94 и 93.

При работе турбины на индивидуальную электрическую сеть устройство работает как обычная пропорциональная система автоматического регулирования частоты вращения турбины. Частота вращения ротора турбины и закрепленного на ней насоса-регулятора 1 и, следовательно, давление масла в магистрали 80 определяются величиной нагрузки и уставкой регулировочного винта 17 (натяжение пружины 12) трансформатора давления 2. При этом увеличение (снижение) нагрузки при неизменной установке винта 17 приводит к уменьшению (увеличению) частоты вращения насоса-регулятора 1, уменьшению (увеличению) давления масла в магистрали 80 и, соответственно, к перемещению вниз (вверх) золотника 11. Далее устройство действует как это было пояснено выше, т.е. соответственно открывает или прикрывает (в необходимых случаях переключает) парораспределения 9, 10.

Изменение уставки регулирующего винта 17 при фиксированной нагрузке турбины приводит, как обычно, у турбогенераторов с малым самовыравниванием, к изменению частоты вращения ротора турбины практически при неизмененном положении золотника 11.

При резком сбросе эл.нагрузки устройство обеспечивает работу в режиме холостого хода. Следует рассмотреть действие устройства на двух определяющих режимах: на режиме частичной мощности турбины, когда пар в турбину поступает через сопловое парораспределение 9, и на режиме полной мощности, когда пар в турбину поступает как через сопловое парораспределение 9, так и через дроссельное парораспределение 10.

В первом случае клапаны 98 закрыты, т.е. окно 20 перекрыто средним поршеньком золотника 11. При сбросе нагрузки частота вращения насоса-регулятора 1 повышается, давление масла в камере 15 увеличивается и золотник 11 перемещается вверх, прикрывая окно 19. Давление масла в импульсной линии 83 повысится и, следовательно, поршень 39 переместится в положение, соответствующее режиму холостого хода турбины.

Во втором случае золотник 11 находится в нижнем положении, окна 19, 20 открыты, соответственно открыты парораспределения 9, 10. Из рассмотренного выше следует, что при плавном разгружении турбины вначале сопловое парораспределение 9 закрывается, затем закрывается дроссельное парораспределение 10, а сопловое парораспределение 9 открывается и лишь затем оно вновь закрывается. При резком сбросе нагрузки такая последовательность нежелательна, т. к. она может вызвать повышенный динамический заброс частоты вращения турбины. Для исключения такого явления предусмотрено вытеснение в динамическом режиме масла из торцевой камеры 67 в импульсную линию 83. Давление в ней кратковременно повышается, что исключает повторное динамическое открытие клапанов 93, 94, 95, 96, 97 соплового парораспределения 9. С этой же целью слив масла из импульсной линии 83 через окно 60 в магистраль 85 масла низкого давления осуществляется через окно 59 в золотнике 7 обратной связи сервомотора 5. При резком сбросе нагрузки регулирующие клапаны 93, 94, 95, 96, 97 кратковременно закрывают полностью. Соответственно закрывается окно 59 и повышается давление масла в импульсной линии 93.

Устройство имеет высокую экономичность на всех режимах работы турбины. Максимально упрощен корпус паровпуска турбины, сокращено количество паропроводящих труб.

Использование: турбостроение и может быть использовано для регулирования паровых турбин. Сущность изобретения: в способе регулирования вначале пар подают через сопловое парораспределение, затем через дроссельное, а потом вновь через сопловое парораспределение. Устройство регулирования паровой турбины содержит трансформатор давления 2, сервомоторы C(5) и C(6), гидравлически соединенные между собой магистрали 80 и 85 масла высокого и низкого давления и импульсными линиями (ИЛ)83 и (ИЛ)81, а также золотники 7, 8 обратных связей C5 и С6. Сопловое парораспределение (П)9 и дроссельное парораспределение (П)10 попарно связаны рычажными передачами 71 и 72 с C5 и C6. Регулирующие клапаны 93, 94, 95, 96, 97 соплового П9 каналами 99, 100, 101, 102, 103 соединены с сопловым аппаратом 106, расположенным в корпусе 91 турбины, а регулирующие клапаны 98 дроссельного П10 - каналами 104 и 105 - с сопловыми аппаратами 106, расположенными в корпусе 92 турбины. В золотнике 8 обратной связи C6 выполнено дополнительное окно 62, подключенное к ИЛ83 и к магистрали 85, а в трансформаторе давления 2 регулирующие окна 19, 20, подключенные к ИЛ83 и ИЛ84, выполнены на разных расстояниях от регулирующих кромок нижнего и среднего поршеньков золотника 11. В золотнике 7 обратной связи C5 может выполнено дополнительное окно 59. Гидравлически включенное между первым дополнительным окном 62 и магистралью 85. ИЛ83 может быть подключена к торцевой камере 67 золотника 8 обратной связи. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство регулирования паровой турбины, содержащее насос-регулятор, сервомоторы соплового и дроссельного парораспределения с золотниками обратных связей, напорными, импульсными и сливными линиями и клапаны соплового и дроссельного парораспределения, связанные передаточными механизмами с сервомоторами, отличающееся тем, что оно содержит трансформатор давления, имеющий золотник с поршеньками и регулирующие окна, подключенные к импульсным линиям сервомоторов дроссельного и соплового парораспределения и выполненные по высоте на разных расстояниях от регулирующих кромок взаимодействующих с ними поршеньков золотника трансформатора давления, а золотник обратной связи сервомотора дроссельного парораспределения имеет окно, подключенное к импульсной линии сервомотора соплового парораспределения и к его сливной линии. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на золотнике обратной связи сервомотора соплового парораспределения выполнено дополнительное окно, гидравлически включенное между дополнительным окном золотника обратной связи сервомотора дроссельного парораспределения и сливной линией. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что торцевая камера золотника обратной связи сервомотора дроссельного парораспределения подключена к импульсной линии сервомотора соплового парораспределения.