ПАРОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УТЕЧКИ В ПАРОВОЙ ТУРБИНЕ Российский патент 2013 года по МПК F01D1/00 

Настоящее изобретение относится к электростанции, более конкретно к устройству и способу определения утечки в паровой турбине.

Для большинства паровых турбин, содержащих противоположные секции высокого давления и промежуточного давления, работающих при высокой температуре нагрева свыше 1050°F (566°C), необходима внешняя система охлаждения для поддержания допустимых уровней нагрузки первой стадии промежуточного подогрева. В результате взаимодействия между системой охлаждения и внутренними утечками между секциями высокого давления и промежуточного давления, трудно определить количество пара, проходящего между секциями высокого давления и промежуточного давления. Более конкретно, во время работы существует рабочий зазор между валом, соединяющим секции высокого давления и промежуточного давления, и ограничивающим (уплотнительным) узлом, который обеспечивает герметизацию (уплотнение) вокруг вала. Рабочий зазор является причиной утечки высокотемпературного пара высокого давления из секции высокого давления вдоль вала в секцию промежуточного давления. Утечка высокотемпературного пара высокого давления влияет на общую эффективность паровой турбины. То есть при увеличении объема утечки пара эффективность паровой турбины уменьшается.

Были предприняты многочисленные попытки определить объем утечки для регулировки рабочего зазора и уплотнительной конфигурации для повышения эффективности паровой турбины. В настоящее время используется логический вывод для расчета объема утечки. Проверка вывода зависит от измерения эффекта на выпускную часть секции промежуточного давления, полученного в результате изменений параметров на впускной части секции высокого давления. По существу, на основании логического вывода измеряется косвенный параметр для определения изменений энталпии в выпускной части секции промежуточного давления для оценки количества пара, проходящего вдоль вала. Использование косвенного измерения для определения объема утечки приводит к решению, которое является в лучшем случае на порядок выше приближенной оценки. Определение объема утечки даст возможность инженерам регулировать рабочий зазор и уплотнительную конфигурацию между валом и ограничивающим узлом для обеспечения дополнительной эффективности в работе паровой турбины. Без определенной информации относительно количества высокотемпературного пара высокого давления, проходящего вдоль вала, регулировка рабочего зазора и уплотнительной конфигурации для повышения эффективности паровой турбины будет оставаться трудоемким, дорогостоящим и неточным методом проб и ошибок.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Паровая турбина, выполненная в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения, включает в себя первую секцию турбины, содержащую поток высокотемпературного пара, вторую секцию турбины и вал, функционально соединяющий первую секцию турбины и вторую секцию турбины. Паровая турбина дополнительно включает в себя ограничивающий узел, расположенный вокруг вала. Ограничивающий узел ограничивает величину расхода пара высокого давления, проходящего вдоль вала из первой секции турбины во вторую секцию турбины. Первая труба соединена по текучей среде с ограничивающим узлом. Первая труба выполнена с возможностью подачи потока низкотемпературного пара низкого давления в ограничивающий узел. Вторая труба также соединена по текучей среде с ограничивающим узлом вниз по потоку от первой секции турбины и вверх по потоку от первой трубы. Вторая труба принимает часть высокотемпературного пара высокого давления, проходящего в ограничивающий узел из первой секции турбины. Клапан соединен по текучей среде со второй трубой. Клапан выполнен с возможностью селективного приведения в действия для обеспечения смешивания высокотемпературного пара высокого давления с низкотемпературным паром низкого давления во второй трубе.

Примеры осуществлений настоящего изобретения также включают в себя способ определения утечки в паровой турбине, содержащей первую и вторую противоположные секции турбины, соединенные валом, окруженным ограничивающим узлом. Первая секция турбины пропускает высокотемпературный пар высокого давления вдоль вала внутри ограничивающего узла. Паровая турбина содержит первую и вторую трубы, соединенные с ограничивающим узлом, причем вторая труба расположена между первой трубой и первой секцией турбины. Способ включает в себя направление высокотемпературного пара высокого давления через вторую трубу и подачу низкотемпературного пара низкого давления в первую трубу. Низкотемпературный пар низкого давления проходит вдоль вала по направлению ко второй трубе. Способ дополнительно требует приведение в действие клапана, соединенного по текучей среде со второй трубой, и смешивание высокотемпературного пара высокого давления и низкотемпературного пара низкого давления во второй трубе для образования комбинированного потока пара. По меньшей мере, измеряется один параметр комбинированного потока пара, и клапан регулируется до тех пор, пока, по меньшей мере, один параметр комбинированного потока пара не уменьшится относительно соответствующего параметра высокотемпературного пара высокого давления. Количество высокотемпературного пара высокого давления, выходящего из первой секции турбины вдоль вала по направлению ко второй секции турбины, рассчитывается на основании комбинированного потока пара.

Дополнительные признаки и преимущества реализуются с помощью оборудования примеров осуществления настоящего изобретения. Другие примеры осуществлений и аспекты настоящего изобретения описаны подробно в данном документе и считаются частью заявленного изобретения. Для лучшего понимания настоящего изобретения с его преимуществами и признаками необходимо изучить описание и чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 изображает схематический вид паровой турбины, содержащей противоположные турбины высокого давления и промежуточного давления, выполненные в соответствии с примерами осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 изображает блок-схему устройства для определения объема утечки между турбинами высокого давления и промежуточного давления; и

фиг.3 изображает схему последовательности операций, иллюстрирующую способ определения утечки между турбинами высокого давления и промежуточного давления на фиг.1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Как показано на фиг.1, паровая турбина, которая в соответствии с примером осуществления настоящего изобретения изображена в качестве части паровой турбины с комбинированным циклом, обычно обозначена ссылочным номером 2. Паровая турбина 2 включает в себя первую секцию 4 турбины или секцию турбины высокого давления, функционально соединенную с противоположной второй секцией 6 турбины или секцией турбины промежуточного давления с помощью вала 8. Средний ограничивающий (уплотнительный) узел 10 проходит вокруг вала 8. Средний ограничивающий узел 10 содержит множество уплотнительных колец (не показаны), которые обеспечивают герметизацию вокруг вала 8. Паровая турбина 2 также содержит первую трубу 14, соединенную по текучей среде с ограничивающим (уплотнительным) узлом 10. Первая труба 14 содержит первую концевую секцию 16, соединенную по текучей среде с ограничивающим узлом 10, которая проходит ко второй концевой секции 17 через промежуточную секцию 18. В соответствии с изображенным примером осуществления второй концевой участок 17 соединяется с котлом промежуточного давления (отдельно не обозначен) второй секции 6 турбины. Паровая турбина 2 дополнительно содержит вторую трубу 24, содержащую первый концевой участок 26, соединенный по текучей среде с ограничивающим узлом 10, который проходит ко второму концевому участку 27 через промежуточный участок 28. Второй концевой участок 27 соединяется с конденсатором 30 в изображенном примере осуществления. Однако необходимо понимать, что второй концевой участок 27 может соединяться с любым устройством низкого давления, соединенным с паровой турбиной 2. Вторая труба 24 содержит датчик 40 давления для измерения давления пара во второй трубе 24, датчик 42 температуры для измерения температуры пара во второй трубе 24, расходомер 44 для измерения расхода пара во второй трубе 24 и клапан 48. В изображенном примере осуществления клапан 48 электрически приводится в действие для регулирования расхода пара, проходящего через вторую трубу 24. Однако необходимо понимать, что клапан 48 также может приводиться в действие вручную.

Первая секция 4 турбины принимает поток высокотемпературного пара 54 высокого давления из теплоутилизационного парогенератора (HRSG) 56. Высокотемпературный пар 54 высокого давления имеет температуру около 1050°F и давление приблизительно 2000 фунт/кв. дюйм. Во время работы часть высокотемпературного пара 54 высокого давления проходит вдоль вала 8 внутри ограничивающего узла 10 по направлению ко второй секции 6 турбины. Высокотемпературный пар 54 высокого давления, входящий во вторую секцию 6 турбины, оказывает влияние на общую эффективность паровой турбины 2. С этой целью необходимо регулировать утечку вокруг вала 8.

Для определения объема утечки внутри ограничивающего узла 10, паровая турбина 2 содержит устройство 60 для измерения объема утечки, проиллюстрированное на фиг.2. Устройство 60 для измерения объема утечки включает в себя устройство 104 управления, функционально соединенное с датчиком 40 давления, датчиком 42 температуры, расходомером 44 и клапаном 48. Как будет описано более подробно ниже, поток низкотемпературного пара 164 низкого давления подается в первую трубу 14. Необходимо понимать, что термин «низкотемпературный пар низкого давления» относится к пару, температура и давление которого ниже температуры и давления высокотемпературного пара высокого давления в первой секции 4 турбины. Устройство 60 для измерения объема утечки селективно открывает клапан 48 для обеспечения смешивания высокотемпературного пара 54 высокого давления внутри ограничивающего узла 10 с низкотемпературным паром 164 низкого давления для образования комбинированного однородного потока 174 пара во второй трубе 24. Устройство 104 управления определяет объем утечки высокотемпературного пара высокого давления на основании параметров, по меньшей мере, комбинированного потока.

Ссылка будет сделана на фиг.3 при описании способа 200 определения количества высокотемпературного пара высокого давления, проходящего в ограничивающий узел 10. Вначале высокотемпературный пар 54 высокого давления принудительно проходит из первой секции 4 турбины вдоль ограничивающего узла 10 по направлению ко второй секции 6 турбины, как указано в блоке 202. Высокотемпературный пар 54 высокого давления образуется во время работы паровой турбины 2. Когда паровая турбина 2 достигает рабочих уровней, клапан 48 открывается, как указано в блоке 204. При падении давления внутри ограничивающего узла 10 низкотемпературный пар 164 низкого давления, имеющий известную температуру и известное давление, начинает проходить по направлению ко второй трубе 24, как указано в блоке 206. Устройство 104 управления контролирует температуру и давление пара, проходящего через вторую трубу 24. Клапан 48 остается открытым, вызывая падение давления во второй трубе 24. Давление высокотемпературного пара 54 высокого давления продолжает падать до тех пор, пока низкотемпературный пар 164 низкого давления не войдет во вторую трубу 24 для образования комбинированного потока 174 пара. Когда параметр, например температура, комбинированного потока начинает опускаться к заданной температуре, измеренной датчиком 42 температуры, устройство 104 управления посылает запрос в расходомер 44 относительно скорости комбинированного потока 174, как указано в блоке 210. На основании формулы, приведенной ниже, устройство 104 управления рассчитывает количество высокотемпературного пара 54 высокого давления, проходящего в ограничивающий узел 10, как указано в блоке 212. На данном этапе эффективный (предельный) рабочий зазор между ограничивающим узлом 10 и валом 8 может быть рассчитан в блоке 214.

Q = kAη,

где k = коэффициент расхода на основании типа элементов ограничивающего узла,

A = площадь поперечного сечения пути потока,

η = f (давление и геометрия элементов ограничивающего узла).

При этом необходимо понимать, что настоящее изобретение описывает устройство и способ определения объема утечки пара в паровой турбине с использованием известных величин вместо предварительно оцененных параметров. Использование известных величин повышает точность измерения, позволяя инженерам устанавливать эффективный рабочий зазор между валом и ограничивающим узлом для повышения качества работы паровой турбины. Необходимо также понимать, что хотя описан низкотемпературный пар низкого давления, выходящий из котла промежуточного давления турбины промежуточного давления, могут использоваться различные другие источники низкотемпературного пара низкого давления пара, имеющего известные температуры и давления. В конечном счете необходимо понимать, что температуры и давления, описанные выше, приведены в иллюстративных целях и могут изменяться в объеме примеров осуществления настоящего изобретения.

В основном данное письменное описание использует примеры для раскрытия настоящего изобретения, в том числе лучший вариант осуществления настоящего изобретения, и также дает возможность специалисту в данной области техники применять на практике настоящее изобретение, включая создание и использование любых устройств и систем и осуществления включенных способов. Патентоспособный объем настоящего изобретения определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые придут на ум специалистам в данной области техники. Подразумевается, что такие другие примеры входят в объем примеров осуществления настоящего изобретения, если они содержат конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального языка формулы изобретения, или если они включают в себя эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального языка формулы изобретения.

ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕМЕНТОВ

2 - электростанция

4 - первая секция турбины (низкое давление)

6 - вторая секция турбины (промежуточное давление)

8 - вал

10 - ограничивающий узел (среднее уплотнение) со множеством уплотнительных колец (не показаны)

14 - первая труба

16 - первая концевая секция

17 - вторая концевая секция

18 - промежуточная секция (котел промежуточного давления, не обозначен)

24 - вторая труба

26 - первый концевой участок

27 - второй концевой участок

28 - промежуточный участок

30 - конденсатор

40 - датчик давления

42 - датчик температуры

44 - расходомер

56 - клапан

48 - теплоутилизационный парогенератор HRSG

54 - высокотемпературный пар высокого давления

164 - низкотемпературный пар низкого давления

174 - комбинированный поток

104 - устройство управления

Паровая турбина содержит вал, функционально соединяющий первую секцию турбины и вторую секцию турбины. Ограничивающий узел расположен вокруг вала. Первая труба соединена по текучей среде с ограничивающим узлом. Первая труба выполнена с возможностью подачи потока низкотемпературного пара низкого давления в ограничивающий узел. Вторая труба также соединена по текучей среде с ограничивающим узлом вниз по потоку от первой секции турбины и вверх по потоку от первой трубы. Вторая труба принимает часть высокотемпературного пара высокого давления, проходящего в ограничивающий узел из первой секции турбины. Клапан соединен по текучей среде со второй трубой. Клапан выполнен с возможностью селективного приведения в действие для обеспечения смешивания высокотемпературного пара высокого давления с низкотемпературным паром низкого давления во второй трубе. Технический результат изобретения - повышение эффективности работы паровой турбины. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Паровая турбина (2) содержит:
первую секцию (4) турбины, содержащую поток высокотемпературного пара (54);
вторую секцию (6) турбины;
вал (8), функционально соединяющий первую секцию (4) турбины и вторую секцию (6) турбины;
ограничивающий узел (10), расположенный вокруг вала (8), причем ограничивающий узел (10) ограничивает количество потока пара (54) высокого давления, проходящего вдоль вала (8) из первой секции (4) турбины во вторую секцию (6) турбины;
первую трубу (14), соединенную по текучей среде с ограничивающим узлом (10), причем первая труба (14) выполнена с возможностью подачи потока низкотемпературного пара (164) низкого давления в ограничивающий узел (10);
вторую трубу (24), соединенную по текучей среде с ограничивающим узлом (10) ниже по потоку от первой секции (4) турбины и выше по потоку от первой трубы (14), причем вторая труба (24) принимает часть высокотемпературного пара (54) высокого давления, проходящего в ограничивающий узел (10) из первой секции (4) турбины; и
клапан (48), соединенный по текучей среде со второй трубой (24), причем клапан (48) выполнен с возможностью селективного приведения в действие для обеспечения смешивания высокотемпературного пара (54) высокого давления с низкотемпературным паром (164) низкого давления во второй трубе (24).

2. Паровая турбина (2) по п.1 дополнительно содержит расходомер (44), соединенный по текучей среде со второй трубой (24), причем расходомер (44) определяет расход потока пара, проходящего через вторую трубу (24).

3. Паровая турбина (2) по п.1 дополнительно содержит датчик (40) давления, функционально соединенный со второй трубой (24), причем датчик (40) давления измеряет давление пара во второй трубе (24).

4. Паровая турбина (2) по п.1 дополнительно содержит датчик (42) температуры, функционально соединенный со второй трубой (24), причем датчик (42) температуры измеряет температуру пара во второй трубе (24).

5. Паровая турбина (2) по п.1 дополнительно содержит конденсатор (30), причем вторая труба (24) проходит от ограничивающего узла (10) к конденсатору (30).

6. Паровая турбина (2) по п.1, в которой вторая турбина содержит поток низкотемпературного пара, причем поток пара низкого давления проходит из второй секции турбины в первую трубу.

7. Паровая турбина (2) по п.1, в которой первой секцией (4) турбины является секция высокого давления турбины, и второй секцией (6) турбины является секция промежуточного давления турбины.

8. Паровая турбина (2) по п.1 дополнительно содержит теплоутилизационный парогенератор (56), функционально соединенный с первой секцией (4) турбины.