СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ И ЗАЩИТЫ ПАРОВЫХ ТУРБИН Российский патент 1997 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при контроле работоспособности элементов системы регулирования и защиты паровых турбин.

Известен способ определения технического состояния системы регулирования турбоагрегата, на вход которой подают управляющие воздействия и отклонения регулируемых параметров, путем подачи на вход системы единичного прямоугольного сигнала заданной длительности и амплитуды, измерения и сравнения с эталонными значениями величины выходного сигнала и времени его запаздывания и выявления на этой основе увеличения люфтов и сил трения [1]
Однако этот способ имеет ограниченные возможности и недостаточную достоверность, так как измерения производятся только в динамике, когда оказывают влияние на результат измерения другие факторы.

Известен способ контроля работоспособности гидравлического сервомотора клапанов турбины, снабженного отсечным золотником с силовой и импульсной линиями подвода рабочей жидкости, путем подачи прямоугольного сигнала к отсечному золотнику с длительностью и амплитудой, выбранными в соответствии с эталонными временем и величиной перемещения клапанов, измерения фактического времени перемещения клапанов под воздействием прямоугольного сигнала, определения времени запаздывания начала перемещения по отношению к прямоугольному сигналу, сравнения фактического времени перемещения и найденного времени запаздывания с эталонными значениями и выявления на этой основе нарушений в работе, причем прямоугольный сигнал подают по силовой линии [2]
Однако этот способ имеет недостаточную достоверность из-за влияния волновых процессов, что, кроме того, снижает надежность работы системы регулирования турбины.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ определения технического состояния элементов системы регулирования и защиты паровых турбин, заключающийся в том, что периодически снимают зависимости нагрузки гидроусилителей от их положения и по степени приближения этих зависимостей к границам поля допусков на эталонных графиках оценивают работоспособность системы [3]
Недостатком способа является его интегральный характер, что затрудняет точное выявление причин и мест возникновения факторов, снижающих работоспособность системы.

Цель изобретения повышение точности оценки, информативности и достоверности получаемых результатов.

Эта цель достигается тем, что согласно способу определения технического состояния элементов системы регулирования и защиты паровой турбины, например гидравлических сервомоторов и паровых клапанов, зависимость давления рабочей жидкости под (и над) поршнем от его положения определяют при n различных фиксированных полезных нагрузках на поршень, например усилий от пружин, или паровых усилий, или от веса подвижных частей, причем при каждой фиксированной нагрузке, начиная с суммарной, поршень перемещают непрерывно в прямом и обратном направлениях в пределах полного хода m раз, каждый раз с различными скоростями от i (минимальной) до j (максимальной), включая ступенчатое (с остановками) перемещение поршня, предшествующее минимальной скорости, при этом дополнительно измеряют отклонение управляющего золотника, давление рабочей жидкости перед ним и давление пара до и после парового клапана, а давление под поршнем в момент начала движения поршня с верхнего упора сопоставляют с давлением рабочей жидкости перед золотником, учитывают отклонение золотника и оценивают величину утечек из рабочей полости, определяют отклонение золотника и величину давления под (и над) поршнем в момент начала движения с нижнего упора и оценивают величину утечек из рабочей полости и величину усилия от предварительного сжатия пружин, определяют наклон зависимости в диапазоне полного хода и оценивают жесткость пружин, определяют зоны локального изменения наклона зависимости для n различных полезных нагрузок и оценивают величину и степень влияния трения в подвижных частях, определяют изменение наклона зависимостей в этих локальных зонах от изменения скорости поршня и оценивают влияние волновых процессов и полусухого трения, определяют зоны максимального отклонения зависимостей прямого и обратного хода друг от друга (гистерезис) для тех же нагрузок и скоростей и оценивают влияние люфтов, случайных упоров и зон повышенного трения, определяют величину и координаты штатных скачков давления, изменение наклона зависимостей и гистерезис в зоне скачков и оценивают отклонения в ходе разгрузочного клапана, трение в момент посадки ступенчатых поршней на упор или в момент вступления в работу очередных паровых клапанов, имеющих общий привод от одного гидроусилителя, люфты в сочленениях и усилия от предварительного сжатия пружин этих элементов, определяют разность между давлением рабочей жидкости перед золотником и максимальным давлением под поршнем в различных положениях его между упорами и определяют запас по перестановочному усилию.

На фиг. 1 представлен спектр m скоростей, гидроусилителей (от i до j), которые возможно обеспечивать подачей сигналов через штатные входы системы регулирования и защиты для реализации способа; на фиг.2 n полезных нагрузок, действующих на гидроусилитель, которые селективно (поочередно) используются при реализации способа; на фиг.3 зависимости давления под (и над) поршнем гидроусилителя при его перемещениях для различных полезных нагрузок и скоростей и возможные отклонения этих зависимостей от эталонных.

Сигналы, подаваемые через штатные входы системы регулирования и защиты, обеспечивают следующие m скоростей выходных гидроусилителей, используемых при реализации способа (на фиг.1 обозначены): скорости, получаемые от расхаживающих устройств стопорных клапанов 1, скорости, получаемые от регулятора скорости 2, скорости, получаемые от механизма управления турбиной 3, скорости, получаемые от защитных устройств 4, скорости, получаемые от электрогидравлического преобразователя 5. На фиг.1 не представлен процесс ступенчатого (с остановами) перемещения поршня гидроусилителя.

Полезные нагрузки на гидроусилителе образуют совокупность n следующих нагрузок (на фиг. 2 обозначены): нагрузка от паровых усилий 6, нагрузка от сжатия пружин гидроусилителя 7, нагрузка от сжатия пружин паровых клапанов 8, нагрузка от веса подвижных частей гидроусилителя 9, нагрузка от веса подвижных частей распределительного устройства 10, нагрузка от веса подвижных частей парового клапана 11, суммарная нагрузка от всех вышеперечисленных нагрузок 12, давление рабочей жидкости перед золотником P_с, давление в полости под поршнем P_п, давление в полости над поршнем P_н, давление пара перед клапанами P_о, давление пара за клапанами P₁.

В соответствии с предлагаемым способом проверки работоспособности элементов системы регулирования и защиты могут осуществляться при следующих сочетаниях полезных нагрузок.

Вариант 1. Суммарная полезная нагрузка включает все виды нагрузок. Испытания проводятся на работающей турбине.

Вариант 2. Суммарная полезная нагрузка не содержит паровых усилий. Испытания проводятся на остановленной турбине.

Вариант 3. Суммарная полезная нагрузка не содержит паровых усилий, усилий от пружин паровых клапанов и их веса. Испытания проводятся на остановленной турбине при отсоединенном распределительном устройстве.

Вариант 4. Суммарная полезная нагрузка включает только усилия от пружин и веса подвижных частей гидроусилителя.

Число вариантов полезных нагрузок определяется конструктивными особенности турбины, числом клапанов, типом гидроусилителей, наличием распределительного устройства и пр. Выбор вариантов сочетания из n полезных нагрузок и последовательности их использования определяется конкретной задачей оценки технологического состояния и результатами, получаемыми в предшествующих проверках.

Фиксируя давление рабочей жидкости под (и над) поршнем гидроусилителя при его перемещении с заданной (от i до j) скоростью с n-й полезной нагрузкой, получают ряд зависимостей, некоторые из которых представлены на фиг.3, где приняты следующие обозначения: верхний упор для поршня 13, нижний упор для поршня 14, промежуточный упор (для ступенчатого поршня) 15, эталонные (расчетные) зависимости (прямой и обратный ход) 16, допусковые (предельные) значения нагрузочных характеристик 17, рабочая зависимость, получаемая при скорости 6 входного сигнала 18, рабочая зависимость, получаемая при скорости 5 входного сигнала 19, зоны локального изменения наклона зависимостей 20, зоны максимального отклонения зависимостей прямого и обратного хода (гистерезис) 21, отклонение золотника S (на фиг.2), изменение давления в момент начала движения поршня с нижнего упора ΔP_н, изменение давления в пределах полного хода поршня ΔP_р, изменение давления в момент начала движения поршня с верхнего упора ΔP_в.

Эталонные (расчетные) нагрузочные характеристики 16 определяются до начала эксплуатации. Допусковые (предельные) значения нагрузочных характеристик 17 задаются заводом-изготовителем и приводятся в формулярах.

Реальное состояние элементов системы регулирования и защиты отражают эксплуатационные нагрузочные характеристики, например характеристики 18 и 19 (фиг. 3). Они позволяют определить влияние различных факторов, приводящих к возникновению нештатных нагрузок, гистерезиса и других факторов, вызывающих деформацию эталонных нагрузочных характеристик 16. К нештатным нагрузкам относятся нерасчетные силы трения в подвижных частях органов парораспределения T_к, в подвижных частях распределительного устройства T_р, и гидроусилителя T_с (обозначения нештатных нагрузок приведены на фиг.2), подштатные силы трения от случайных упоров в корпусах пружин T_п, нештатные силы трения в подшипниках кулачкового вала T_в, шарнирах распределительного устройства T_у и др. Возникновение гистерезиса связано также с появлением повышенных люфтов в соединениях и шарнирах органов парораспределения Δ_к, распределительного устройства Δ_р, Δ_ш и гидроусилителя Δ_c.

К факторам, вызывающим деформацию нагрузочных характеристик, помимо перечисленных выше, относятся: нерасчетные утечки рабочей жидкости через уплотнения поршня и штока гидроусилителя Q_у, изменения жесткости пружин регулирующих клапанов C_к, гидроусилителя C_с, а также волновые процессы в паровом потоке V_п и гидравлических связях V_г. Влияние последних отражает, например, зависимость 19.

Нагрузочные характеристики в процессе эксплуатации можно получать, фиксируя перемещения поршня и золотника, давления под (и над) поршнем гидроусилителя при их штатных проверках (расхаживаниях), а также давления до и после паровых клапанов при изменениях нагрузки турбоагрегата. Фиксирование параметров можно осуществлять, используя штатные датчики, вручную, с использованием двухкоординатного графопостроителя или ЭВМ.

Полученные нагрузочные характеристики позволяют контролировать работоспособность гидроусилителей и паровых клапанов путем сопоставления текущих зависимостей с эталонными и оценки степени их приближения к предельным значениям.

При деформации текущих зависимостей и существенных их отклонениях от эталонных можно путем анализа установить причину, вызвавшую деформацию зависимости, и, следовательно, фактор, приводящий к нарушению работоспособности элемента и место появления такого фактора следующим образом:
сопоставляя фактическое и эталонное значения перепада давления ΔP_н (фиг. 3), можно оценить состояние пружин регулирующих клапанов и гидроусилителя, а учитывая при этом отклонение золотника S, состояние уплотнений поршня гидроусилителя;
сопоставляя фактическое и эталонное значения перепада давления ΔP_р, можно оценить интегрально величину сил трения в гидроусилителе, распределительном устройстве и регулирующих клапанах, а варьируя полезными нагрузками (проводя измерение этого перепада без регулирующих клапанов, затем без распределительного устройства и т.д.) можно достаточно точно установить место возникновения сил трения или люфтов;
сопоставляя фактическое и эталонное значения перепада давления ΔP_п, можно оценить запас по перестановочному усилию гидроусилителя на открытие и величину утечек через уплотнения поршня;
сопоставляя локальные изменения наклона зависимости в зоне перемещения поршня, можно установить, в каких элементах возникли силы трения и оценить причину их появления.

Указанные операции приведены в качестве примера из числа приемов распознавания нарушения работоспособности в подтверждение повышения точности и достоверности предлагаемого способа. Кроме того, способ позволяет осуществлять количественную оценку усилий, нарушающих работоспособность (нештатных нагрузок). Для этого необходимо оценить изменение давления в рассматриваемой локальной зоне в сравнении с эталонным и расчетным путем оценить величину силы трения. Это также подтверждает, что поставленная задача повышения точности достигнута.

Для получения данных о месте возникновения нештатных усилий необходимо получить нагрузочные характеристики для различных сочетаний полезных нагрузок (см. выше). Графические зависимости для таких случаев в описании не приводятся.

Таким образом, поставленная задача повышения точности и достоверности контроля (а в совокупности и информативности) решена.

Способ опробован на ряде крупных электростанций и хорошо себя зарекомендовал.

Использование: в теплоэнергетике, для контроля работоспособности и диагностирования элементов системы регулирования и защиты паровых турбин. Сущность изобретения: нагрузочные характеристики (зависимости давления рабочей жидкости под (и над) поршнем от его положения) определяются при n различных фиксированных полезных нагрузках на поршень, причем при каждой фиксированной полезной нагрузке, начиная с суммарной, поршень перемещают непрерывно в прямом и обратном направлениях в пределах полного хода m раз, с различными скоростями от i (минимальной) до j (максимальной), включая ступенчатое (с остановами) перемещение поршня, предшествующее минимальной скорости, при этом дополнительно измеряют отклонения управляющего золотника, давление рабочей жидкости перед ним и давление пара до и после паровых клапанов. Путем анализа полученных нагрузочных характеристик и величин дополнительно измеряемых параметров устанавливают причину и место возникновения факторов, приводящих к снижению работоспособности гидроусилителя и органов парораспределения. 3 ил.

Способ определения технического состояния элементов системы регулирования и защиты паровых турбин, например гидравлических сервомоторов и паровых клапанов, путем периодического определения зависимости нагрузки на поршень от его положения, измерения давления рабочей жидкости под/над поршнем и сопоставления получаемых зависимостей с эталонными, отличающийся тем, что нагрузочные характеристики определяют при n различных фиксированных полезных нагрузках на поршень, например усилий от пружин, или паровых усилий, или от веса подвижных частей, причем при каждой фиксированной нагрузке, начиная с суммарной, поршень перемещают непрерывно в прямом и обратном направлениях в пределах полного хода m раз, каждый раз с различными скоростями от i-й (минимальной) до j-й (максимальной), включая ступенчатое (с остановами) перемещение поршня, предшествующее минимальной скорости, при этом дополнительно измеряют величину отклонения управляющего золотника, давление рабочей жидкости перед ним и давление пара до и после парового клапана и это давление под поршнем в момент начала движения поршня с верхнего упора сопоставляют с давлением рабочей жидкости перед золотником, учитывают при этом отклонение золотника и оценивают величину утечек из рабочей полости, определяют отклонение золотника и величину давления под/над поршнем в момент начала движения с нижнего упора и оценивают величину утечек из рабочей полости и величину усилия от предварительного сжатия пружин, определяют наклон зависимости в диапазоне полного хода и оценивают жесткость пружин, определяют зоны локального изменения наклона зависимости для n различных полезных нагрузок и оценивают величину и степень влияния трения в подвижных частях, определяют изменение наклона зависимости в этих локальных зонах от изменения скорости поршня и оценивают влияние волновых процессов и полусухого трения, определяют зоны максимального отклонения зависимостей прямого и обратного хода друг от друга (гистерезис) для тех же нагрузок и скоростей и оценивают влияние люфтов, случайных упоров и зон повышенного трения, определяют величину и координаты штатных скачков давления, изменение наклона зависимости и гистерезис в зоне скачков и оценивают отклонения в ходе разгрузочного клапана в момент посадки ступенчатого поршня на упор или в момент вступления в работу очередных паровых клапанов, имеющих общий привод от одного гидроусилителя, люфты в сочленениях и усилия от предварительного сжатия пружин этих клапанов, определяют разность между давлением рабочей жидкости перед золотником и максимальным давлением под поршнем в различных положениях его между упорами и оценивают запас по перестановочному усилию.