УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ Российский патент 2004 года по МПК F01D21/02 

Изобретение относится к области защиты паровой турбины, преимущественно турбины с конденсатором смешивающего типа.

Устройства защиты паровой турбины известны.

Известно [1] устройство защиты паровой турбины, в которой обеспечена защита паровой турбины по отклонению технологических параметров турбины.

Устройство содержит датчики технологических параметров турбины (частоты вращения, давления масла, осевого сдвига ротора и т.п.), стопорный клапан с быстрозапорным гидравлическим приводом, автоматический затвор и дистанционный масляный выключатель с управляющими золотниками.

Привод стопорного клапана последовательно подключен через межпоршеньковые полости управляющих золотников к источнику масла высокого давления. Кроме того, каждая из них подключена к сливу масла в маслобак турбины. При срабатывании управляющие золотники перекрывают подвод масла высокого давления в привод стопорного клапана и сообщают его с маслобаком. Под действием пружин стопорный клапан закрывается и прекращает подвод пара в турбину.

На паровых турбинах со смешивающим конденсатором в некоторых случаях устройство не обеспечивает защиту по аварийному повышению уровня конденсата в конденсаторе. Это имеет место, когда охлаждающая вода поступает в конденсатор путем самовсасывания из бассейна охлаждающей воды (за счет перепадов давления в конденсаторе и атмосферного давления). Отвод конденсата из конденсатора при этом осуществляется (в градирню) при помощи откачивающего электронасоса. При выходе из строя электронасоса (или обесточивании) происходит быстрое переполнение конденсатора. Уровень конденсатора при этом достигает лопаточного аппарата турбины, что приводит к аварии турбины.

Недостаток устройства заключается в том, что оно не обеспечивает защиту паровой турбины при аварийном повышении уровня конденсата в смешивающем конденсаторе с самовсасыванием охлаждающей воды при аварийном отказе в работе электронасоса откачки воды из конденсатора.

Известно [2] устройство защиты паровой турбины (прототип), в котором обеспечена защита паровой турбины со смешивающим конденсатором с самовсасыванием охлаждающей воды по предельному отклонению технологических параметров турбины и при аварийном повышении уровня конденсата в конденсаторе.

Устройство защиты турбины содержит стопорный клапан и элементы защиты по предельным отклонениям технологических параметров турбины. Межпоршеньковые полости золотников элементов защиты подключены к сливу в маслобак турбины. Через них гидравлический привод стопорного клапана последовательно подключен к источнику масла высокого давления.

Устройство снабжено подпружиненным нормально открытым быстродействующим клапаном подрыва вакуума с гидравлическим приводом, подключенным к паровому пространству конденсатора и к атмосфере. Устройство снабжено также поплавковым гидравлическим реле с управляющим и импульсным золотниками с межпоршеньковыми полостями и торцевыми камерами.

Управляющий золотник установлен первым по ходу масла высокого давления к приводу стопорного клапана. При этом межпоршеньковая полость управляющего золотника подключена также к приводу клапана подрыва вакуума и к сливу масла в маслобак турбины через первую межпоршеньковую полость импульсного золотника. Торцевая камера и межпоршеньковая полость управляющего золотника гидравлически сообщены между собой и подключены через вторую межпоршеньковую полость импульсного золотника к источнику масла высокого давления и через его торцевую камеру - к маслобаку турбины.

Управляющий золотник обеспечивает защиту турбины при аварийном повышении уровня конденсата в конденсаторе (как и остальные элементы защиты по технологическим параметрам турбины) путем прекращения подачи масла высокого давления в межпоршеньковую полость и сообщения её со сливом в маслобак турбины (через первую межпоршеньковую полость импульсного золотника). Давление масла в приводах стопорного клапана и клапана подрыва вакуума падает и они срабатывают, прекращая подвод свежего пара в турбину и подрывая вакуум в конденсаторе. Поступление (самовсасыванием за счет перепада давлений в конденсаторе и атмосферы) охлаждающей воды в конденсатор прекращается, что обеспечивает защиту турбины по аварийному повышению уровня конденсата в конденсаторе.

Импульсный золотник предназначен для обеспечения весьма важной функции - расхаживания поплавкового гидравлического реле на работающей турбине.

При включении электромагнита импульсный золотник перемещается в крайнее положение и перекрывает слив масла из межпоршеньковой полости управляющего золотника через свою первую межпоршеньковую полость в маслобак турбины и сообщает торцевую камеру управляющего золотника через вторую межпоршеньковую полость импульсного золотника с источником масла высокого давления. При этом под действием силы давления масла в торцевой камере управляющий золотник (с рычажной передачей и поплавком) перемещается в свое второе крайнее положение, перекрывая подвод масла высокого давления в межпоршеньковую полость управляющего золотника по основному каналу и открывая окно слива масла из этой полости, однако слив масла не происходит, поскольку первая межпоршеньковая полость импульсного золотника, через которую осуществляется слив масла в маслобак, при этом отсечена. Компенсация протечек масла через элементы защиты турбины в маслобак в этом режиме осуществляется за счет масла высокого давления, поступающего по вспомогательному каналу из торцевой камеры в межпоршеньковую полость управляющего золотника. В результате при перемещении управляющего золотника в положение, соответствующее аварийному повышению уровня конденсата в конденсаторе, давление масла в приводах стопорного клапана и клапана подрыва вакуума не снижается и они не срабатывают.

При выключении электромагнита импульсный золотник под действием пружины перемещается в свое исходное положение, при котором вторая межпоршеньковая полость золотника отключается от источника масла высокого давления и одновременно с первой межпоршеньковой полостью сообщается со сливом в маслобак турбины.

Управляющий золотник под действием силы тяжести поплавка и силы натяжения пружины также перемещается в свое исходное положение, вытесняя масло из торцевой камеры через вторую межпоршеньковую полость импульсного золотника в маслобак. При достижении исходного положения управляющего золотника цикл расхаживания реле на работающей турбине заканчивается, устройство вновь готово к выполнению своих функций по защите турбины по отклонению технологических параметров турбины и по аварийному повышению уровня конденсата в конденсаторе.

Недостаток устройства-прототипа заключается в том, что в некоторых случаях при расхаживании реле уровня конденсата на работающей турбине может произойти несанкционированное срабатывание стопорного клапана и клапана подрыва вакуума с прекращением подачи пара в турбину и подрывом вакуума в конденсаторе.

Причина отмеченного недостатка устройства-прототипа в том, что торцевая камера импульсного золотника подключена к маслобаку турбины и не заполнена маслом. При выключении электромагнита импульсный золотник перемещается в исходное положение весьма быстро. Торцевая же камера управляющего золотника при расхаживании подключена к источнику масла высокого давления, заполнена маслом и, кроме того, подпитывается маслом из межпоршеньковой полости золотника, поэтому его возвращение в исходное положение происходит значительно медленнее (из-за необходимости вытеснения масла из его торцевой камеры), с запаздыванием.

При этом может иметь место ситуация, когда межпоршеньковые полости импульсного золотника уже сообщены со сливом в маслобак, в то время, как межпоршеньковая полость управляющего золотника ещё не отключена от первой межпоршеньковой полости импульсного золотника и не подключена к источнику масла высокого давления. В результате при расхаживании реле из-за запаздывания срабатывания управляющего золотника может произойти падение давления масла в приводах и срабатывание стопорного клапана и клапана подрыва вакуума.

Цель изобретения - создать устройство защиты паровой турбины с конденсатором смешивающего типа, не имеющего указанного недостатка.

Цель изобретения достигается тем, что устройство защиты паровой турбины содержит стопорный клапан, клапан подрыва вакуума в конденсаторе, элементы защиты турбины по предельным отклонениям технологических параметров, поплавковое гидравлическое реле уровня конденсата в конденсаторе с управляющим золотником и импульсный золотник.

Межпоршеньковые полости золотников элементов защиты турбины подключены к маслобаку. Привод стопорного клапана последовательно подключен к источнику масла высокого давления через межпоршеньковую полость управляющего золотника реле уровня и через межпоршеньковые полости золотников элементов защиты турбины. Привод клапана подрыва вакуума в конденсаторе подключен к источнику масла высокого давления через межпоршеньковую полость управляющего золотника, которая сообщена также с маслобаком турбины через первую межпоршеньковую полость импульсного золотника. Вторая межпоршеньковая полость импульсного золотника подключена к источнику масла высокого давления и к торцевой камере управляющего золотника. Торцевая камера управляющего золотника сообщена с маслобаком через торцевую камеру импульсного золотника.

Новым является то, что межпоршеньковая полость управляющего золотника подключена также к первой межпоршеньковой полости импульсного золотника, первая и вторая межпоршеньковые полости импульсного золотника гидравлически сообщены между собой. При этом импульсный золотник снабжен гидравлическим демпфером, для чего в его золотнике выполнена расточка и в корпусе импульсного золотника выполнен цилиндрический выступ, образующий в корпусе кольцевую проточку. Выступ входит в расточку золотника с радиальным зазором.

При взведении импульсного золотника выступ выходит из проточки и она заполняется маслом. При обратном ходе золотника выступ выдавливает масло из кольцевой проточки, что обеспечивает демпфирование и замедление движения золотника. За время замедления импульсного золотника управляющий золотник занимает исходное положение. Благодаря этому исключается возможность несанкционированного срабатывания системы защиты при расхаживании реле уровня конденсата в конденсаторе.

Предлагаемое устройство защиты паровой турбины изображено на чертежах фиг.1, фиг.2 и фиг.3.

На фиг.1 изображена схема устройства в исходном (рабочем) положении, на фиг.2 импульсный золотник изображен в среднем (промежуточном) положении, которое он проходит при включении электромагнита, и на фиг.3 импульсный и управляющий золотники изображены в крайних положениях, занимаемых при расхаживании устройства.

На фиг.1: конденсатор 1 смешивающего типа, выхлопной патрубок 2 турбины, ротор 3 с облопачиванием последней ступени 4. На корпусе 5 конденсатора 1 установлен клапан 6 подрыва вакуума, закреплена рычажная передача 7 с поплавком 8 и форсунка 9 для подвода охлаждающей воды по трубопроводу 10. Конденсат 11 откачивается электронасосом 12 в градирню по трубопроводу 13. Стопорный клапан 14 с гидроприводом 15 подключен по входу 16 к источнику свежего пара и по выходу 17 - к паровпуску турбины. Устройство защиты турбины имеет реле уровня конденсата в конденсаторе 1, содержащее управляющий золотник 18, соединенный с рычажной передачей 7, импульсный золотник 19, а также первый элемент 20 и второй элемент 21 защиты турбины по предельному повышению технологических параметров турбины. Управляющий золотник 18 содержит золотник 22 с межпоршеньковой полостью 23 и торцевой камерой 24 и имеет рабочие окна 25, 26 и 27. Импульсный золотник 19 содержит золотник 28 с первой, второй, третьей и четвертой межпоршеньковыми полостями 29, 30, 31 и 32, электромагнит 33, соединенный с золотником 28, подпружиненный пружиной 34, и имеет рабочие окна 35,36, 37, 38, 39 и 40. В золотнике 28 выполнен канал 41, сообщающий между собой межпоршеньковые полости 29 и 30, и выполнена расточка 42. В расточку 42 входит с радиальным зазором цилиндрический выступ 43 с отверстием 44, выполненный внутри корпуса импульсного золотника 19.

Элементы защиты 20 и 21 содержат золотники 45, 46, подпружиненные пружинами 47, 48 с межпоршеньковыми полостями 49, 50 и имеют рабочие окна 51, 52 и 53, 54. Торцевые камеры 55, 56 подключены к линиям 57, 58 импульсного масла системы защиты турбины.

Клапан подрыва вакуума содержит поршень 59, на штоке которого подвешена тарелка 60. Рабочая поверхность тарелки 60 притерта к рабочей поверхности седла 61. Поршень 59 подпружинен пружиной 62. В сборе с корпусом 63 он образует камеры 64 и 65. Камера 66 сообщена окнами с атмосферой. Устройство подключено к источнику масла высокого давления маслопроводом 67. Составные части устройства соединены между собой маслопроводами 68, 69, 70, 71, 72, 73.

Маслопровод 74 подключен к маслобаку турбины. Между корпусом управляющего золотника 18 и торцем золотника 22 имеется зазор 75, определяющий ход золотника 22.

На фиг.2: золотник 28 импульсного золотника 19 изображен в промежуточном положении, которое он занимает (проходит) под действием электромагнита 33. В этом положении торец золотника 28 выведен из кольцевой проточки 76 и находится на уровне цилиндрического выступа 43. При этом окна 36 и 40 перекрыты поршеньками золотника 28, окно 39 совмещено с межпоршеньковой полостью 31, окна 37 и 38 - закрыты. Золотник 22 управляющего золотника 18 находится в своем исходном положении.

На фиг.3: золотник 28 импульсного золотника 19 занимает под действием электромагнита 33 свое второе крайнее положение. Торец золотника 28 удален от торца цилиндрического выступа 43. Кольцевая проточка 76 заполнена маслом до уровня торца цилиндрического выступа 43. Пространство между уровнем масла в проточке 76 и торцем золотника 28 сообщено через отверстие 44 с атмосферой маслобака.

При этом положении золотника 28 окна 36 и 40 по-прежнему закрыты, окно 37 сообщено с межпоршеньковой полостью 30 и окно 38 - открыто и сообщено через межпоршеньковую полость 31 с окном 39. Золотник 22 управляющего золотника 18 находится в своем втором крайнем положении, при котором окно 25 открыто и окно 27 - закрыто.

Устройство защиты паровой турбины работает следующим образом.

На чертеже фиг.1 устройство изображено в рабочем положении. Масло высокого давления подведено от источника масла по маслопроводу 67 и межпоршеньковую полость 23 в камеру 64 клапана 6 подрыва вакуума, а также через межпоршеньковые полости 49, 50 элементов 20, 21 защиты турбины - к гидравлическому (быстрозапорному) приводу 15 стопорного клапана 14. При этом клапан 14 открыт и свежий пар по паропроводам 16 и 17 поступает в турбину. Отработавший пар из выхлопного патрубка 2 турбины поступает в паровое пространство конденсатора 1, в которое за счет перепада атмосферного давления и давления в конденсаторе по трубопроводу 10 поступает через форсунку 9 охлаждающая вода. Электронасос 12 по трубопроводу 13 откачивает конденсат 11 в градирню, из которой сливается в бассейн, замыкая круг циркуляции охлаждающей воды.

Торцевая камера 24 управляющего золотника 18 сообщена по маслопроводу 69 через окно 40 и межпоршеньковую полость 32 с воздушным пространством маслобака турбины.

При отклонении технологических параметров турбины (частота вращения, давление масла системы смазки и др.) соответствующие датчики формируют сигналы (падение давления импульсного масла 57 или 58) на один из элементов защиты (47 или 48). Элементы 47 и 48 действуют одинаково: например, если датчики резко понизили давление импульсного масла 57, то золотник 45 переместится под действием пружины так, что поршеньки золотника 45 перекроют окно 51 и откроют окно 52. В результате подвод масла высокого давления будет отсечен и привод 15 соединен через окно 52 со сливом масла в маслобак турбины. Стопорный клапан 14 закроется и прекратит подачу свежего пара в турбину. Вакуум в конденсаторе 1 при этом сохранится, насос 12 будет продолжать работать.

При аварийном останове электронасоса 12 уровень конденсата 11 в конденсаторе 1 растет за счет самовсасывания охлаждающей воды из бассейна и мог бы достичь облопачивания последней ступени 4. Однако по мере повышения уровня конденсата 11 всплывает поплавок 8 и он через рычажную передачу 7 переместит золотник 22 так, что его поршеньки перекроют окно 27 и откроют окно 25. При этом будет прекращен подвод в привод 15 масла высокого давления и открыт через окна 25, 26, 35, межпоршеньковую полость 29 и окно 36 слив масла из привода 15, а также из камеры 64 в маслобак турбины. В результате стопорный клапан 14 закроется и отсечет подачу свежего пара в турбину, а тарелка 60 клапана 6 подрыва вакуума под действием пружины 62 откроется и соединит паровое пространство конденсатора 1 через камеру 66 и седло 61 с атмосферой. Произойдет подрыв вакуума в конденсаторе 1 и охлаждающая вода перестанет поступать из бассейна в конденсатор. После снижения уровня конденсата поплавок 8 переместится под действием силы тяжести и переместит золотник 22 управляющего золотника 18 в исходное положение. При этом будет перекрыто окно 25 слива масла в маслобак и открыто окно 27. Масло высокого давления поступит в камеру 64, сожмет пружину 62 и плотно прижмет тарелку 60 к седлу 61. Паровое пространство конденсатора 1 будет разобщено с окружающей атмосферой. С этого момента можно восстанавливать вакуум в конденсаторе 1. Вновь охлаждающая вода через форсунку 9 будет поступать в конденсатор 1 и, следовательно, электронасос 12 должен быть включен в работу. Масло высокого давления поступит также в привод 15, что позволит взвести стопорный клапан 14.

Защита турбины по уровню конденсата в конденсаторе 1 является весьма ответственной. Для поддержания высокой степени надежности защиты необходимо периодически расхаживать ее элементы. Для этой цели предназначен импульсный золотник 19. Он работает следующим образом.

Для расхаживания золотника 22 и рычажной передачи 7 с поплавком 8 на работающей турбине подают электрический сигнал на электромагнит 33. Электромагнит 33 сжимает пружину 34, перемещая золотник 28 в его второе крайнее положение.

На первом этапе движения, когда торец золотника 28 перемещается в пределах кольцевой проточки 76, в последней создается разряжение и она заполняется через радиальный зазор между отверстием 42 и выступом 43 воздухом (из отверстия 42, сообщенного с атмосферой маслобака турбины). Перепад давлений воздуха на торцы золотника 28 уменьшает скорость движения золотника 28. В промежуточном по ходу положении золотника 28, изображенном на чертеже фиг.2, окна 36, 37, 38 и 40 перекрыты его поршеньками, торцевая камера 24 отсечена от масла высокого давления и от слива в маслобак турбины и поэтому золотник 22 занимает свое прежнее исходное (рабочее) положение. При этом плоскости торцев золотника 28 и цилиндрического выступа 43 находятся на одном уровне. Начиная с этого промежуточного положения, дальнейшее перемещение золотника 28 в положение, изображенное на чертеже фиг.3, происходит без перепада давлений воздуха на торцы золотника 28 с максимальной скоростью, определяемой разностью сил электромагнита 33 и пружины 34. В положении, изображенном на чертеже фиг.3, масло высокого давления через окна 38, 39 поступает в камеру 24 и перемещает золотник 22 с рычажной передачей 7 и поплавком 8 в его второе крайнее положение, при котором окно 27 закрыто и окно 25 - открыто. При этом при движении золотника 22 его поршеньки вначале закрывают окно 27 и лишь затем открывают окно 25, благодаря чему исключается провал давления масла в маслопроводе 71 и срабатывание защиты турбины.

Электромагнит 33 удерживает золотник 28 во втором крайнем положении в течение некоторого промежутка времени, определяемого длительностью действия электрического сигнала. За это время масло высокого давления из маслопровода 69 протекает через окно 40 и зазор между поршеньком золотника 28 и расточкой корпуса импульсного золотника 19 в кольцевую проточку 76 и заполняет ее маслом. В дальнейшем протечки масла переливаются через выступ 43 в маслобак турбины. После снятия электрического сигнала электромагнит 33 выключается и золотник 28 под действием пружины 34 начинает перемещаться в свое первоначальное (рабочее) положение, причем первую часть пути (до положения, изображенного на чертеже фиг.2) он проходит с максимальной скоростью, определяемой силой натяжения пружины 34. Поскольку при этом поршеньки золотника 28 перекрывают окна 37 и 40, отсекая камеру 24, заполненную маслом, от источника масла высокого давления и от слива в маслобак турбины, то золотник 22 находится в положении, изображенном на чертеже фиг.3.

Начиная с этого момента, для продолжения движения золотника 28 в его исходное (рабочее) положение пружина 34 должна обеспечить выдавливание масла, находящегося в кольцевой проточке 76 в маслобак турбины через радиальный зазор между выступом 43 и отверстием 42. В результате скорость перемещения золотника 28 существенно замедляется. При этом открывается окно 40, камера 24 управляющего золотника 18 сообщается с маслобаком турбины и сила тяжести поплавка 8 перемещает золотник 22 в исходное (рабочее) положение, перекрывая окно 25 и открывая окно 27. По окончании процесса расхаживания на работающей турбине золотник 22 с рычажной передачей 7 и поплавком 8 принимают исходное (рабочее) положение, изображенное на чертеже фиг.1, и устройство защиты паровой турбины вновь готово выполнять свои защитные функции в полном объеме.

Расхаживание управляющего золотника 18 можно осуществлять аналогичным образом также и на остановленной турбине.

Литература

[1] Паровые турбины малой мощности КТЗ. / Под ред. В.И.Кирюхина. - М.: Энергоиздат, 1987, с.134, рис.7.1.

[2] Патент №2174180, 27.09.2001, F 01 D 21/02.

Устройство предназначено для защиты паровой турбины со смешивающим конденсатором. Устройство содержит стопорный клапан и элементы защиты по предельному отклонению технологических параметров турбины. Через межпоршеньковые полости привод стопорного клапана по маслопроводу последовательно подключен к источнику масла высокого давления. Устройство снабжено подпружиненным нормально открытым клапаном подрыва вакуума, подключенным через седло с тарелкой к паровому пространству конденсатора и окружающей атмосфере. Устройство снабжено поплавковым реле уровня конденсата в конденсаторе с управляющим золотником, а также импульсным золотником. Межпоршеньковая полость управляющего золотника включена первой по ходу масла от источника масла высокого давления к приводу стопорного клапана. Межпоршеньковая полость подключена также к приводу клапана подрыва вакуума. К источнику масла высокого давления и к маслобаку межпоршеньковая полость управляющего золотника подключена через первую межпоршеньковую полость импульсного золотника. Торцевая камера подключена через вторую межпоршеньковую полость импульсного золотника, а также через межпоршеньковую полость и торцевую камеру последнего – к маслобаку. Золотник импульсного золотника снабжен гидравлическим демпфером, для чего в нем выполнена расточка, а в корпусе импульсного золотника выполнен цилиндрический выступ с образованием кольцевой проточки, входящей в расточку с радиальным зазором. По электрическому сигналу электромагнит отключает привод от маслобака турбины и байпасирует подвод к нему масла высокого давления. Гидравлический демпфер замедляет движение золотника так, что золотник успевает перейти в свое исходное положение без аварийного снижения масла в маслопроводе системы защиты турбины. 3 ил.

Устройство защиты паровой турбины, содержащее стопорный клапан, клапан подрыва вакуума в конденсаторе, элементы защиты турбины по предельным отклонениям технологических параметров, межпоршеньковые полости золотников которых подключены к маслобаку, и поплавковое гидравлическое реле уровня конденсата в конденсаторе с управляющим золотником, через межпоршеньковые полости которых привод стопорного клапана последовательно подключен к источнику масла высокого давления, к которому через межпоршеньковую полость управляющего золотника подключен также привод клапана подрыва вакуума, и импульсный золотник, через первую межпоршеньковую полость которого межпоршеньковая полость управляющего золотника сообщена с маслобаком, а его вторая межпоршеньковая полость подключена к источнику масла высокого давления и к торцевой камере управляющего золотника, которая сообщена с маслобаком через торцевую камеру импульсного золотника, отличающееся тем, что межпоршеньковая полость управляющего золотника подключена также к первой межпоршеньковой полости импульсного золотника, которая сообщена с его второй межпоршеньковой полостью, причем импульсный золотник снабжен гидравлическим демпфером, для чего в золотнике выполнена расточка и в корпусе импульсного золотника выполнен цилиндрический выступ, образующий в корпусе кольцевую проточку, входящий с радиальным зазором в расточку золотника.