СИСТЕМА ВОДЯНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРОВЫХ ТУРБИН Российский патент 1997 года по МПК F01D17/20 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к устройствам и системам автоматического регулирования и управления паровых и газовых турбин.

Известны системы водяного регулирования конденсационных паровых турбин с гидромеханическим датчиком скорости [1, 2] однако эти системы недостаточно надежны из-за нестабильного осевого положения ротора турбины в процессе ее эксплуатации.

Также известны системы водяного регулирования паровых турбин с гидродинамическим датчиком скорости и струйно-трубчатым управлением сервомоторов [3] Особенностью этих систем является их конструктивная сложность и, как следствие, низкая надежность в работе.

Задачей изобретения является улучшение конструкции системы регулирования турбины и повышение надежности ее работы.

Эта задача достигается применением дифференциальных приемников импульса, заменой гидравлических связей рычажными и новыми схемными решениями. Изобретение обеспечивает работу системы водяного регулирования как на турбинах с масляной смазкой подшипников, так и на турбинах с водяной смазкой подшипников. В последнем случае турбогенераторная установка может быть выполнена полностью герметичной, не допускающей утечки пара или воды и работающей в необслуживаемом помещении.

На фиг.1 представлена конструктивная схема системы водяного регулирования конденсационной паровой турбины; на фиг.2 система связанного водяного регулирования паровой турбины с регулируемым отбором пара; на фиг.3 система связанного водяного регулирования скорости с двумя регулируемыми отборами; на фиг.4 система водяного регулирования паровой турбины с односторонне связанным регулированием скорости и производительности паропроизводительной установки.

Поскольку турбины этого типа (фиг.1) в качестве регулируемого параметра имеют только регулирование скорости, изобретение представляет собой систему гидродинамического регулирования скорости с двумя ступенями усиления: первой
проточной, в виде дифференциального усилителя следящего типа, второй - отсечной, в виде отсечного золотника с сервомотором и рычажной обратной связью.

Эта система (фиг.1) включает в себя: насос-регулятор 1, сильфонный приемник импульса скорости 2, дифференциальный усилитель 3, отсечной золотник 4, сервомотор 5, парораспределение 6, рычаг обратной связи 7, синхронизатор 8, сильфон защиты 9 и пусковое устройство 10.

Датчиком импульса скорости является насос-регулятор 1, представляющий собой центробежный насос, колесо которого закреплено на роторе турбины.

Приемник импульса скорости 2, измеряющий напор насоса-регулятора, состоит из двух одинаковых сильфонов, закрепленных на одном основании противоположно друг другу. К внутренней полости верхнего сильфона подведена жидкость из напорного патрубка насоса-регулятора, а к внутренней полости нижнего сильфона жидкость из всасывающего патрубка. Подвижные днища этих сильфонов соединены между собой подпружиненным вильчатым стаканом, на верхнем конце которого имеется упор-заслонка, закрывающая сливное отверстие в отростке поршня дифференциального усилителя 3. Разность усилий, создаваемых давлением жидкости внутри сильфонов приемника импульса скорости, уравновешивается пружиной, воздействующей на вильчатый стакан. В работе, когда обеспечен подвод воды к дифференциальному усилителю 3, между упором-заслонкой и торцом отростка устанавливается зазор, обеспечивающий постоянное давление в нижней полости дифференциального поршня, необходимое для его статического равновесия.

При изменении частоты вращения турбины и соответственно напора насоса-регулятора вильчатый стакан приемника импульса скорости перемещается и упором-заслонкой меняет слив воды из нижней полости дифференциального поршня. Давление в этой полости изменяется и поршень повторяет движение стакана, осуществляя следящую схему усиления импульса.

Поршень дифференциального усилителя жестко связан с отсечным золотником 4, который управляет подводом силовой воды в полости сервомотора 5. Поршень сервомотора, в свою очередь, рычажной передачей связан с регулирующими клапанами парораспределения 6, устанавливая ими требуемый впуск пара в турбину. При движении поршня сервомотора его шток через рычаг обратной связи 7 перемещает буксу отсечного золотника и осуществляет жесткую обратную связь путем прекращения подачи воды в соответствующую полость сервомотора.

Синхронизатор 8 предназначен для изменения частоты вращения турбины за счет соответствующего перемещения точки опоры рычага обратной связи, расположенной на его шпинделе.

Под приемником импульса скорости 2 расположен сильфон-защиты 9, который в комплекте с пусковым клапаном 10 и диафрагмой 11 служит для управляемого пуска и останова турбины, а также для закрытия регулирующих клапанов 6 одновременно со стопорным клапаном 12 при срабатывании защиты.

Пуск турбины производится закрытием пускового клапана 10. При этом давление воды в сильфоне защиты 9 увеличивается, его вильчатый стакан, отжимая пружину, двигается вниз, за ним под воздействием своей пружины двигается вниз вильчатый стакан приемника импульса скорости 2. Также двигается вниз поршень дифференциального усилителя 3 с отсечным золотником 4, который, опускаясь, открывает регулирующие клапаны 6 и пускает турбину.

Для останова турбины необходимо открывать пусковой клапан 10, при этом давление воды в сильфоне защиты будет уменьшаться, пружина сильфона защиты поднимет вверх вильчатые стаканы и отсечной золотник, последний закроет регулирующие клапаны и остановит турбину.

Быстрый останов турбины производится стопорным клапаном 12 путем слива воды из системы защиты: автоматически при срабатывании любого элемента защиты, или дистанционно воздействием на дистанционный выключатель 13.

Одновременно с закрытием стопорного клапана 12 пружина сильфона защиты 9 поднимает отсечной золотник 4 в крайнее верхнее положение и закрывает регулирующие клапаны парораспределения 6.

Система связанного водяного регулирования паровой турбины с регулируемым отбором пара (фиг.2) обеспечивает автономное регулирование как электрической энергии, так и количества отбираемого пара.

В систему (фиг.2) входят следующие основные узлы: навешенный на вал турбины насос-регулятор 1, приемник импульса регулятора скорости 2, дифференциальный усилитель 3, отсечной золотник 4, сервомотор ЧВД 5, парораспределение ЧВД 6, рычаг обратной связи 7, парораспределение ЧНД 8, сервомотор ЧНД 9, рычаг обратной связи 10, регулятор давления 11, дифференциальный усилитель 12, отсечной золотник 13, рычаг связи ЧВД с ЧНД 14, рычаг связи ЧНД с ЧВД 15, синхронизатор 16, дроссельная шайба синхронизатора 17, пусковой клапан 18, сильфон защиты 19, дроссельная шайба 20, задатчик давления в отборе 21, дроссельная шайба 22, дистанционный выключатель 23 и стопорный клапан 24. Все связи системы выполнены рычажными, при этом точка опоры рычага обратной связи сервомотора ЧВД 7 через рычаг 15 соединена с золотником 13 регулятора давления, а точка опоры рычага обратной связи ЧНД 10, через рычаг 14 соединена с золотником 4 приемника импульса регулятора скорости. Благодаря этому при изменении электрической нагрузки золотник 4 регулирования скорости производит соответствующие перестановки регулирующих клапанов парораспределений ЧВД и ЧНД, оставляя неизменной электрическую нагрузку турбогенератора.

Приспособление для изменения частоты вращения турбины (синхронизатор) выполнено в виде сливного клапана 16 с ручным и дистанционным управлением, установленного на напорной линии от насоса-регулятора 1 к сильфону приемника импульса регулирования скорости 2 после дроссельной диафрагмы 17. Открытием и закрытием этого клапана производится изменение уровня давления воды в напорном сильфоне приемника импульса, благодаря чему изменяется частота вращения турбины, работающей в индивидуальную электросеть, или ее электрическая нагрузка при работе в параллельную электросеть.

Для изменения давления отбираемого пара в регуляторе давления 12 противоположно основному сильфону расположен специальный сильфон к которому через дроссельную шайбу 22 подведена вода из линии питания системы. За шайбой установлен сливной клапан 21 с ручным и дистанционным приводом, открытием и закрытием которого производится изменение давления воды в специальном сильфоне, а значит и уровня давления пара в отборе, поддерживаемого регулятором давления 11.

Пуск турбины осуществляется пусковым клапаном 18, уставленным после дроссельной диафрагмы 20 на линии подвода воды из системы защиты во внутреннюю полость сильфона защиты 19. Перед пуском клапан 18 полностью открыт, давление воды в сильфоне защиты отсутствует, пружина сильфона защиты удерживает золотник 4 в крайнем верхнем положении и регулирующие клапаны ЧВД находятся в полностью закрытом положении. При этом сливной клапан 21 должен быть в полностью закрытом положении, регулятор давления отключен и регулирующие клапаны ЧНД находятся в полностью открытом положении.

Для пуска турбина после взвода дистанционного выключателя 23 и открытия стопорного клапана 24 включается на закрытие пусковой клапан 18, давление воды в сильфоне защиты увеличивается сильфон его отжимает пружину и опускает вильчатые стаканы, вместе с которыми опускаются вниз дифференциальный поршень 3 и золотник 4, открывающий регулирующие клапаны парораспределения ЧВД и пускающий турбину. После вступления в работу регулирования скорости и выхода турбины на минимальные обороты холостого хода пусковой клапан 18 должен быть полностью закрыт. Дальнейшие операции по изменению частоты вращения турбины, принятию электрической и тепловой нагрузок производятся клапаном 16 синхронизатора регулирования скорости и клапаном 21 регулятора давления.

При срабатывании любого элемента защиты, в том числе и регулятора безопасности, исчезает давление воды в системе защиты и закрывается стопорный кран 24, прекращая доступ пара в турбину. При этом также исчезает давление воды в сильфоне защиты 19, пружина его поднимает вверх вильчатый стакан сильфона защиты и стакан приемника импульса скорости. Вместе с ними поднимается вверх отсечной золотник 4 и закрывает регулирующие клапаны ЧВД и ЧНД, уменьшая вероятность угона турбины.

3. Система связанного водяного регулирования скорости с двумя регулируемыми отборами (фиг.3) обеспечивает автономное регулирование скорости, давления пара отбираемого из первого регулируемого отбора и давления пара отбираемого из второго регулируемого отбора турбины. Основными узлами системы (фиг. 3) являются: насос-регулятор 1, приемник импульса регулятора скорости 2, дифференциальный усилитель 3, отсечной золотник 4, сервомотор ЧВД 5, парораспределение ЧВД 6, рычаг обратной связи ЧВД 7, парораспределение ЧСД 8, сервомотор ЧСД 9, рычаг обратной связи ЧСД 10, регулятор давления первого отбора 11, дифференциальный усилитель 12, отсечной золотник 13, парораспределение ЧНД 14, сервомотор ЧНД 15, рычаг обратной связи ЧНД 16, регулятор давления второго отбора 17, дифференциальный усилитель 18, отсечной золотник 19, рычаг связи ЧВД с ЧСД и ЧНД 20, рычаг опоры обратной связи ЧВД 21, рычаг связи ЧСД с ЧВД и ЧНД 22, рычаг опоры обратной связи ЧСД 23, рычаг связи ЧНД с ЧВД и ЧСД 24, рычаг опоры обратной связи ЧНД 25, дроссельная шайба синхронизатора 26, синхронизатор 27, сильфон защиты 28, пусковой клапан 29, дроссельная шайба сильфона защиты 30, задатчик давления в первом отборе 31, дроссельная шайба 32, задатчик давления во втором отборе 33, дроссельная шайба 34, дистанционный выключатель 35 и стопорный клапан 36.

Для обеспечения автономного регулирования трех параметров в точках опоры рычагов обратных связей сервомоторов этой системы установлены рычаги первого рода, которые соединены с рычагами связей регуляторов. Каждый из рычагов связей регуляторов соединен с соответствующим отсечным золотником и с двумя другими рычагами опор обратных связей сервомоторов.

При изменении электрической нагрузки изменяется напор насоса-регулятора 1, этот импульс поступает в приемник импульса 2 и его отсечной золотник 4 производит соответствующее изменение расхода пара в ЧВД турбины. Одновременно этот золотник поворачивает рычаг 20 связи ЧВД с ЧСД и ЧНД и связанные с ним рычаги опор 23 и 25, которые через рычаги обратных связей 10 и 16 перемещают буксы отсечных золотников 13 и 29 и изменяют расходы пара через ЧСД и ЧНД турбины, оставляя неизменными количества отбираемого пара в первом и втором отборах.

При изменении расхода пара в первом отборе изменяется давление в сильфоне регулятора давления 2 и его отсечной золотник 13 производит соответствующие изменения расхода пара в ЧСД турбины. Одновременно этот золотник поворачивает рычаг 22 связи ЧСД с ЧВД и ЧНД и связанные с ним рычаги опор 21 и 25, которые через рычаги обратных связей 7 и 16 перемещают буксы отсечных золотников 4 и 19 и изменяют расходы пара через ЧВД и ЧНД турбины, оставляя неизменными электрическую нагрузку и расход пара во второй отбор.

При изменении расхода пара во втором отборе изменяется давление в сильфоне регулятора давления 17 и его отсечной золотник 19 производит соответствующие изменения расхода в ЧНД турбины. Одновременно этот золотник поворачивает рычаг 24 связи ЧНД с ЧВД и ЧСД и связанные с ним рычаги опор 21 и 23, которые через рычаги обратных связей 7 и 10 перемещают буксы отсечных золотников 4 и 13 и изменяют расходы пара через ЧВД и ЧСД турбины, оставляя неизменными электрическую нагрузку и расход пара в первый отбор.

Таким образом установка рычагов первого рода на опорах рычагов обратных связей сервомоторов обеспечивает жесткую связь каждого регулятора с двумя другими регуляторами и при правильном выборе отношений обеспечивает автономное регулирование каждого из регулируемых параметров.

Изменение частоты вращения турбины, работающей в индивидуальную электросеть, или электрической нагрузки при работе в общую сеть производится гидравлическим синхронизатором, состоящим из дроссельной диафрагмы 26, установленной на напорной лини насоса-регулятора 1, и установленного за ней на этой линии сливного клапана 27 с ручным и дистанционным управлением. Открытием этого клапана производится изменение давления воды в напорном сильфоне приемника импульса регулятора скорости 2 и, соответственно, изменяется частота вращения или электрическая нагрузка турбины.

Регуляторы давления 11 и 17 также имеют гидравлические приспособления для изменения давления отбираемого пара. Для этой цели в каждом регуляторе противоположно основному сильфону установлен специальный сильфон, к которому через дроссельную шайбу 32 и 34, подводится вода из рабочей магистрали. За каждой шайбой установлен сливной клапан 31 и 33 с ручным и дистанционным управлением. Изменением степени открытия сливного клапана производится изменение давления воды во вспомогательном сильфоне регулятора и, соответственно, изменяется уровень регулируемого давления пара в отборе.

Пуск турбины производится пусковым клапаном 29, установленным за дроссельной шайбой 30 на подводе воды из системы защиты во внутреннюю полость сильфона защиты 28. В начальном положении этот клапан полностью открыт, давление воды в сильфоне защиты отсутствует, пружина сильфона защиты удерживает золотник 4 в крайнем верхнем положении и регулирующие клапаны 6 парораспределения ЧВД полностью закрыты. В этом положении сливной клапан 27 регулирования скорости должен быть в закрытом положении, регуляторы давления пара в отборах должны быть отключены и регулирующие клапаны 8 и 14 парораспределений ЧСД и ЧНД должны быть полностью открыты. После взвода дистанционного выключателя 35 и открытия стопорного клапана 36 начинается закрытие пускового клапана 29, давление воды в сильфоне защиты 28 увеличивается, сильфон его отжимает пружину и опускает вниз вильчатый стакан, за которым следует стакан приемника импульса регулятора скорости 2 и следящие за ним дифференциальный поршень 3 с золотником 4. Последний открывает регулирующие клапаны ЧВД и впускает пар в турбину. С ростом частоты вращения турбины вступает в работу регулирование скорости и турбина выходит на минимальные обороты холостого хода. На этом режиме пусковой клапан 29 должен быть полностью закрыт, а дальнейшие операции по изменению частоты вращения турбины, принятию электрической и тепловых нагрузок производятся клапаном 27 синхронизатора регулирования скорости, клапаном 31 задатчика давления пара в первом отборе и клапаном 33 задатчика давления пара во втором отборе.

При срабатывании любого элемента защиты, в том числе и регулятора безопасности, исчезает давление в системе защиты и закрывается стопорной клапан 36, прекращая доступ пара в турбину. При этом исчезает также давление воды в сильфоне защиты 28, пружина его поднимает вверх вильчатый стакан сильфона защиты и стакан приемника импульса скорости 2. Вместе с ними поднимается вверх отсечной золотник 4 и закрывает регулирующие клапаны ЧВД, а также через рычаг связи 20 и клапаны парораспределений ЧСД и ЧНД, уменьшая вероятность угона турбины.

Система водяного регулирования паровой турбины с односторонне связанными регулированием скорости и производительности паропроизводительной установки (ППУ) представлена на фиг. 4. Регулирование частоты вращения турбины в представленном варианте аналогично регулированию конденсационной турбины.

Для обеспечения работы ППУ в систему включены (фиг.4): регулятор давления 14 с дифференциальным усилителем 15 и отсечным золотником 16, сервомотор 17 и дроссельно-увлажнительная установка (ДУУ) 18.

В соответствии с расходной характеристикой ППУ регулятор давления 14 поддерживает в ней заданное давление, изменяя расход пара через ДУУ в конденсатор. Так, при повышении давления в ППУ подвижное днище сильфона регулятора давления 14 перемещается вверх, дифференциальный поршень 15 с золотником 16 также поднимаются вверх и последний открывает подачу воды в верхнюю полость сервомотора 17, поршень его двигается вниз и открывает клапан ДУУ 18, увеличивая сброс пара в конденсатор. Одновременно, двигаясь вниз шток сервомотора, через рычаг обратной связи 19, поднимает буксу золотника вверх и прекращает подачу воды в сервомотор ДУУ, останавливая клапан его в новом соответствующем положении.

При снижении давления в ППУ клапан ДУУ закрывается и уменьшает сброс пара в конденсатор.

Связь парораспределения 6 и клапанов ДУУ обеспечивается тем, что точка опоры рычага обратной связи 19 при помощи рычага 20 соединена с приводом регулирующих клапанов. В результате, при закрытии регулирующих клапанов клапан ДУУ открывается, а при открытии регулирующих клапанов, клапан ДУУ закрывается. Благодаря этому при изменениях электрической нагрузки турбины производительность ППУ остается неизменной.

В рассматриваемой системе при срабатывании любого элемента защиты давление воды в системе защиты падает, стопорный клапан 12 закрывается и прекращает подачу пара в турбину. Одновременно пружина сильфона защиты 9 поднимает вверх золотник 4 и закрывает регулирующие клапаны парораспределения 6, а рычаг его через рычаги 20 и 19 опускает вниз буксу отсечного золотника 16 и через ДУУ открывает сброс пара в конденсатор, оставляя неизменной производительность ППУ.

Прямая связь между паровпуском в турбину и сбросом пара в ДУУ с целью поддержания постоянной паропроизводительности ППУ может быть выполнена на паровых турбинах других типов, при этом клапаны ДУУ должны иметь связь только с парораспределением ЧВД.

Использование: на турбинах с водяной смазкой подшипников. Сущность изобретения: система имеет две ступени усиления импульсов: первую - дифференциально-проточного типа, располагаемую непосредственно в регуляторах или в приемниках соответствующего импульса, и вторую - отсечного типа, в виде отсечных золотников и гидравлических сервомоторов. Основными элементами системы являются: насос-регулятор, приемник импульса регулирования скорости, отсечные золотники, сервомоторы, парораспределения, пусковые и управляющие клапаны гидросистемы. Для турбин с регулируемыми отборами, или с противодавлением, система дополняется регуляторами давления пара с соответствующими управляющими и защитными клапанами, а также внутренними парораспределительными органами. Необходимые связи между отдельными элементами системы выполнены рычажными, что повышает экономичность работы турбины за счет снижения расходов воды. С целью повышения надежности система снабжена отдельными устройствами для закрытия регулирующих клапанов одновременно со стопорными при срабатывании элементов защиты. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система водяного регулирования паровых турбин, состоящая из насоса-регулятора, рычагов и сервомотора, отличающаяся тем, что приемник импульса регулирования скорости состоит из двух одинаковых сильфонов, закрепленных на одном основании, противоположно друг другу, при этом верхний сильфон соединен с напорной камерой насоса-регулятора, насаженного на вал турбины, а нижний сильфон со всасывающей камерой, подвижные днища обоих сильфонов соединены подпружиненным вильчатым стаканом, на верхнем торце которого имеется упор-заслонка, расположенный против сливного отверстия в отростке поршня дифференциального усилителя, жестко связанного с отсечным золотником, букса которого через рычаг связана со штоком сервомотора, а точка опоры этого рычага использована для установки синхронизатора, под приемником импульса скорости расположен сильфон защиты, внутренняя полость которого соединена с линией защиты, а его подвижное днище связано с подпружиненным вильчатым стаканом, верхний торец которого является упором, контактирующим с нижним торцом вильчатого стакана приемника импульса регулирования скорости, при отсутствии давления воды в сильфоне защиты отсечной золотник отжат пружиной вильчатого стакана в крайнее верхнее положение, соответствующее полному закрытию регулирующих клапанов, на линии подвода воды из системы защиты к сильфону защиты установлен дроссель и пусковой клапан с ручным и дистанционным приводом, обеспечивающие ручной и дистанционный автоматизированный пуск и останов турбины. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что для турбин с одним регулируемым отбором пара имеет регулятор давления с дифференциальным усилителем и отсечным золотником, сервомотор ЧНД и парораспределение ЧНД, а приспособление для изменения частоты вращения турбины выполнено в виде сливного клапана с ручным и дистанционным управлением, установленного на напорной линии от насоса-регулятора к приемнику импульса регулирования скорости после дроссельной диафрагмы, устройство для изменения давления отбираемого пара выполнено в виде сливного клапана с ручным и дистанционным управлением, установленного за дроссельной шайбой на линии подвода силовой воды к сильфону, расположенному в регуляторе давления, противоположно основному сильфону, измеряющему давление отбираемого пара, рычаг связи регулятора скорости соединен с золотником приемника импульса регулятора скорости и точкой опоры рычага обратной связи ЧНД, а рычаг связи регулятора давления соединен с золотником регулятора давления и с точкой опоры рычага обратной связи ЧВД. 3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что для турбин с двумя регулируемыми отборами пара она имеет второй регулятор давления с дифференциальным усилителем, отсечным золотником, сервомотором и парораспределением, а в точках опоры рычагов обратных связей сервомоторов установлены рычаги первого рода, которые соединены с рычагами связей регуляторов, каждый из рычагов связей регуляторов соединен с соответствующим отсечным золотником и с двумя другими рычагами опор обратных связей сервомоторов. 4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что для турбины, работающей в блочной схеме с паропроизводительной установкой, она имеет регулятор давления с дифференциальным усилителем и отсечным золотником и дроссельно-увлажнительной установкой со своим сервомотором и рычагом обратной связи, а привод паровпускных клапанов турбины соединен с точкой опоры рычага обратной связи сервомотора дроссельно-увлажнительной установки так, что при закрытии регулирующих клапанов турбины клапаны дроссельно-увлажнительной установки открываются, а при открытии регулирующих клапанов турбины клапаны дроссельно-увлажнительной установки закрываются, оставляя неизменной производительность паропроизводительной установки.