Устройство для заземления подвижных частей предпочтительно турбоагрегатов Российский патент 2021 года по МПК F01D21/00 H05F3/02 

Заявляемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от возникновения паразитных потенциалов на вращающихся узлах паровых турбин, компрессоров, электродвигателей, способных запустить электроэрозионные процессы, приводящие к повреждениям оборудования турбин и агрегатов при протекании через них электрических токов, различных мощности и частоты.

Известно, что при работе турбоагрегатов (ТА), из-за трения микрокапелек воды от теряющего параметры пара о лопасти роторов среднего и низкого давлений, на роторах их турбин, наводятся и накапливаются статические электрические потенциалы образующие устойчивый ион, и потенциалы переменного и выпрямленного переменного тока от турбогенератора и его возбудителя. Для предотвращения негативных явлений, связанных с наведенным напряжением, осуществляют заземление вала ТА для выравнивания потенциала с заземленными частями и снижения величины потенциала до безопасных уровней, препятствующих возникновению пробоя. В качестве устройства для заземления используют графитовые или металлографитовые контактные щетки, устанавливаемые на валу и соединенные с контуром заземления.

В частности, для защиты от электроэрозии паровых турбин известны и широко применяются щетки с щеткодержателями, устанавливаемые на корпусе подшипников турбины, связанные контактными поверхностями непосредственно с вращающимся ротором ТА [SU1289139]. Графитовые или металлографитовые контактные щетки, соединенные с контуром заземления, способствуют снятию наведенных напряжений с подвижных элементов конструкции. Известное устройство применяется практически на всех турбинах и турбоагрегатах с 1984 года по настоящее время.

При этом известное устройство не обеспечивает эффективного заземления подвижных узлов ТА и стабильную защиту от электроэрозии в течение длительного времени, т.к. щетки быстро изнашиваются, теряют контакт с валом, что может привести к повреждению элементов его конструкции.

Для надежной работы турбоагрегата необходимо обеспечить качественное соединение его вала с контуром заземления [Эксплуатационный циркуляр № Ц-05-88/Э «О предотвращении электроэрозии турбоагрегатов». Министерство энергетики и электрификации СССР, 1988 г.]. Для надежности контакта с валом, это соединение осуществляют двумя контактными щетками. Одну (заземляющую), установленную на валу со стороны турбины, непосредственно соединяют с контуром заземления, а вторую (релейную), установленную на валу со стороны возбудителя генератора, соединяют с контуром заземления через устройство заземления.

Однако в процессе эксплуатации часто теряется контакт обеих щеток с валом, при этом щетка, установленная со стороны турбины, работает в более тяжелых условиях, менее доступна для ремонта и ее контакт с валом нарушается чаще.

Известно устройство заземления вала турбогенератора, содержащее первый вывод, предназначенный для подключения к контактной щетке, установленной на валу турбоагрегата со стороны возбудителя, второй вывод, предназначенный для подключения к контуру заземления, и включенную между указанными выводами параллельную RC-цепь [Amman С., Reichert К., Posedel Z. Shaft Voltages in Turbosets Operating Experience with RC-grounding and New Possibilites for Monitoring the Condition of Turbogenerators. - Proc. Of Int. Conf. «SM-100», Zurich, 27-29.08.91, pt. 111, 703-708].

К недостаткам следует отнести, что высокое сопротивление RC-цепи постоянному току ухудшает заземление вала, приводит к увеличению наведенного напряжения на валу. Это может привести к пробою масляного клина, протеканию тока через место пробоя и, как следствие, вызывает электроэрозию и повреждение деталей турбоагрегата.

Наиболее близким выбрано устройство заземления вала турбоагрегата, которое содержит элементы заземления вала, представляющие собой заземляющую щетку, расположенную со стороны турбины, и релейную (приборную) щетку, расположенную со стороны возбудителя турбогенератора. Заземляющая щетка соединена непосредственно с контуром заземления, а релейная щетка соединена с контуром заземления через блок заземления вала (патент на полезную модель RU103250, патент на полезную модель RU 52299).

Известное устройство заземления также направлено на использование щеток, выполненных из электрографита или металлографита.

Анализ известного уровня техники показывает, что во всех известных устройствах заземления в качестве основного элемента применяются щетки, материалом которых является электрографит или металлографит (ГОСТ 12 232-89 (СТ СЭВ 137-74, СТ СЭВ 2306-80) (МЭК 136-86). Щетки электрических машин). Известные щетки имеют пористую структуру, устанавливаются, как правило, на корпус подшипника № 1 турбины в сторону головки регулирования или цилиндра высокого давления в зоне высоких температур (около 250-300°С) и значительного выброса паров турбинного масла и водяного пара. При нагреве и температурном расширении графита, его поры увеличиваются, сопутствуя впитываемости турбинного масла, которое является изолятором. Щетка, пропитанная турбинным маслом, начинает искрить, разрушая поверхность вала, теряет функцию проводника электрического тока с последующей потерей электрического контакта. В результате известные щетки имеют короткий срок эксплуатации на подвижных узлах ТА (не более 2-х месяцев) и не обеспечивают стабильную и надежную защиту от электроэрозии, как из-за высокого износа, так и из-за попадания на щетки масла. Щетки не подлежат восстановлению, требуется их полная замена, что не обеспечивает длительного межремонтного периода.

Задача изобретения - обеспечение эффективной защиты от электроэрозии деталей ТА, работающих в условиях скользящего контакта путем надежного заземления подвижных узлов ТА в течение длительного времени.

Технический результат- повышение надежности, безопасности и эффективности заземления подвижных узлов в течение длительного времени.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство для заземления подвижных частей предпочтительно турбоагрегатов, содержащее элементы заземления, контактные к поверхности подвижной части и электрически подключенные к контуру заземления, при этом элементы заземления представлены жесткими витыми стержнями, выполненными из нитеобразного углеродного волокна, каждый витой стержень содержит расчетное под заданный диаметр количество нитей углеродного волокна, сформирован скручиванием прядей с получением жгута, обработанного кристаллизованным графитом, полученным осаждением углерода путем пиролиза углеводородов с последующей кристаллизацией продуктов пиролиза на жгуте при нагревании, витые стержни снабжены по меньшей мере одним пружинным элементом и закреплены по меньшей мере на одной траверсе, образуя узел токосъема, установленный на неподвижной опоре посредством по меньшей мере одного кронштейна.

Нитеобразное углеродное волокно представляет собой поликристаллические переходные структуры, широко используется в промышленности для производства композиционных материалов, представляет собой органический материал, содержащий 95-99,99% углерода.

Для изготовления витых стержней, используемых в качестве заземляющих элементов, берут нитеобразное углеродное волокно, например производства АО «НПК «Химпроминжиниринг», полученное из полиакрилонитрильного прекурсора, выпускаемое под маркой UMATEX (UMT49-12K-EP, UMT45-12K-EP, UMT42-24K-EP (содержащих от 6К до 24К феломентов), из которых скручиванием прядей углеродного волокна сначала формируют жгут, а после обработки при нагревании кристаллизованным графитом - витой стержень диаметром около 8-10 мм. Как правило, длина витого стержня для использования в качестве заземляющего элемента ТА, составляет 300 -310 мм. Для использования витых стержней в качестве заземляющих элементов для защиты от электроэрозии компрессоров и электродвигателей, они могут иметь меньшие размеры.

Формирование витого стержня осуществляют скручиванием прядей углеродного волокна на завивочном станке, каждая из прядей содержит как правило 6К-8К феломентов. В результате скручивания формируют жгут, который обрабатывают кристаллизованным графитом. Обработку жгута кристаллизованным графитом осуществляют осаждением углерода химическим методом путем пиролиза углеводородов, например, метана или природного газа, в печи в присутствии жгута при температуре 2200-2300°С и последующей кристаллизацией в графит при температуре до 2700°С на поверхности и в теле жгута. Полученные таким образом витые стержни представляют собой многослойное жесткое изделие, поверхность которого покрыта кристаллизованным графитом, а сам витой стержень имеет упорядоченную анизотропную структуру, где взаимодействие между слоями кристаллической решетки материала осуществляются Ван-дер-ваальсовыми силами.

Электрическое подключение элементов заземления к контуру заземления может быть осуществлено через штатный релейный блок или через электронный блок. Витые стрежни, имеющие количество феломентов меньше 24К, могут быть подключены без электронного блока или штатного релейного блока, к примеру на электродвигателях или компрессорах, непосредственно соединяя витой стержень к контуру заземления посредством электрических проводов. Такое подключение исключит повреждение электроэрозией подшипников и других элементов электродвигателей или компрессоров.

Дополнительное включение электронного блока, осуществляющего интегрирование и обработку осциллограмм в том числе мгновенных значений изменений тока и напряжения на валу турбины посредством аппаратного математического расчета данных, обеспечивает возможность передачи информации в локальную сеть электростанции, энергоблока или турбины, обеспечивая дополнительное улучшение надежности, информационности, безопасности и эффективности заявляемого устройства.

Закрепление витых стержней по меньшей мере на одной траверсе осуществляют с использованием пружинного элемента, в качестве которого могут быть использованы пружины спиральные постоянного нажатия, взаимодействующие с концами витых стержней, противоположных концам, взаимодействующим с поверхностью подвижной части ТА. Пружины спиральные постоянного нажатия устанавливаются в соответствующих зажимах для каждого витого стержня, обеспечивают взаимное расположение витых стержней друг относительно друга с постоянным уровнем контакта соответствующих концов витых стержней с поверхностями подвижной части ТА с набегающей и сбегающей сторон. При этом под подвижной частью понимается ротор или вал. Витые стержни могут быть установлены с использованием центрующей пружины, которая является общей для соответствующих витых стержней, закрепленных на траверсах. Также могут быть использованы и другие пружинные элементы, которые обеспечивают возможность надежного контакта концов витых стержней с подвижной частью ТА. Заявляемое устройство может содержать одну или более траверс. Траверсы выполнены с возможностью контролируемого перемещения относительно опорной поверхности. По меньшей мере одна траверса может быть установлена посредством кронштейна, закрепляемого на корпусе опорного подшипника турбины. Траверса может быть закреплена на любой неподвижной опорной поверхности, например может крепиться к фундаменту.

Как показали наши исследования, заявляемые жесткие витые стержни, в отличие от электрощеток, позволяют получить эффект работы проводника в более положительных областях потенциалов, на уровне электродов из благородных металлов, а также характеризуются однородностью структуры и отсутствием пор, высокими триботехническими свойствами, высокой плотностью, достигающих значений 2200 кг/м³, высокими тепло- и электропроводностью, прочностью, не разрушая поверхности контакта.

При этом, как показали эксплуатационные испытания, при повышении температуры среды, в которой используется жесткие витые стержни, до 200-600°С, триботехнические и электропроводные свойства улучшаются. При повышении собственной температуры витых стержней, их сопротивление снижается. Каждый витой стержень длительно выдерживает приложенный ток 15А.

Заявляемое устройство характеризуется новой совокупностью существенных признаков, относящейся к форме и материалу изготовления заземляющих элементов, что позволяет сделать вывод о соответствии условию «новизна».

Использование заявляемых жестких витых стержней в качестве элементов заземления обеспечивает получение нового технического результата, связанного с неожиданно высоким уровнем защиты от электроэрозии, повышением надежности, безопасности и эффективности заземления подвижных узлов в течение длительного времени. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства условию «изобретательский уровень».

Заявляемое устройство поясняется следующими рисунками, но не ограничивается ими.

На Фиг. 1 показан внешний вид витых стержней, используемых в качестве элементов заземления.

На Фиг. 2 Показано заявляемое устройство в сборе для штатного релейного блока, где с набегающей и сбегающей сторон вала размещено по одному витому стержню.

На Фиг. 3 Показано заявляемое устройство в сборе для использования совместно с электронным блоком, где с набегающей стороны вала размещено два параллельно подключенных витых стержня, а на сбегающей стороне размещен один витой стержень;

На Фиг. 4 показаны осциллограмма измеренного потенциала на валу с использованием в качестве заземляющих элементов известных электрощеток (А) и заявляемого устройства (Б);

На Фиг. 5 показано размещение заявляемого устройства на валу ТА с показаниями амперметра в режиме "Контроль";

На Фиг. 6 показана схема подключения элементов заземления через электронный блок к контуру заземления.

Заявляемое устройство состоит из жестких витых стержней 1 (Фиг. 1), представляющих собой скрученные пряди углеродного волокна, обработанные кристаллизованным графитом. Для использования витых стержней в качестве элементов заземления восемь прядей углеродного волокна 8К были свиты на завивочном станке в жгуты длиной 60-61 см., помещены в печь, обеспечивающую температуру 2200-2300°С, химически обработаны в среде метана путем проведения его пиролиза с последующей кристаллизацией при температуре до 2700°C с получением кристаллизованного графита, осажденного в процессе охлаждения в массе жгута и на его поверхности с образованием жестких витых стержней 1. Полученные жесткие витые стержни 1 имеют диаметр 8-10 мм и нарезаны длиной 300 мм. Витые стержни 1 (Фиг. 2 и Фиг. 3) установлены на траверсе 2, выполненной выдвижной в вертикальной плоскости и установленной на кронштейне 3 с рукояткой управления 4 выдвижения траверсы 2 верх или вниз. Витые стержни 1 соединены с траверсой 2 посредством зажимных контактов 5 и снабжены пружинным элементом 6, в качестве которого использованы спиральные пружины постоянного нажатия, фиксирующие положение витых стержней 1 друг относительно друга, обеспечивая контакт их концов с поверхностью вала 7 с набегающей 8 и сбегающей 9 сторон вала ТА. С набегающей 8 стороны вала 7 обеспечивается стекание тока (I), а со сбегающей 9 стороны вала обеспечивается снятие напряжения (U). Траверса 2 посредством кронштейна 3 закреплена на корпусе 10 опорного подшипника турбины ТА. Витые стержни 1 закреплены в клеммах зажимных контактов 5, электрически подключены к контуру заземления 14 (Фиг. 6). Витые стержни 1, контактирующие с поверхностями набегающей 8 и сбегающей 9 сторон вала 7 и закрепленные на траверсе 2, образуют узел токосъема ТА. С набегающей 8 стороны вала 7 узел токосъема может иметь один витой стержень (Фиг. 2) или два параллельных друг другу витых стержня 1 (Фиг. 3), а со сбегающей 9 стороны вала 7 узел токосъема может иметь один витой стержень 1, которые посредством высокотемпературных проводов через электронный блок (Фиг. 6) подключены к контуру заземления 14. Электронный блок функционально разделен на две зоны- зона тока (I) и зона напряжения (U). Узел токосъема электрически подключен к модулю 11, содержащий шунт 13 (зона тока (I), имеющая электрическое соединение с витыми стержнями 1, контактирующие с поверхностью вала 7 с набегающей 8 стороны) и трансформатор напряжения 12 (зона напряжения (U), имеющая электрическое подключение с витым стержнем, контактирующим с поверхностью вала 7 со сбегающей 9 стороны). Шунт 13 и трансформатор напряжения 12 через модуль защит 15 подключены к преобразователю 16 аналогового сигнала в цифровой, на который передаются также результаты измерений 17, 18 и 19 подстуловой изоляции подшипников генератора. Модуль защит 15, представляющий собой процессор, осуществляющий контроль и управление, предохраняет ТА от аварийных ситуаций, связанных с возможностью попадания электропитания 220 вольт с блока питания 21 на вал 7, а также для предохранения от воздействия больших уровней напряжения (U), полученных с вала 7 при аварийных режимах работы, например при пробое изоляции обмотки ротора генератора. Преобразователь 16 аналогового сигнала в цифровой соединен с электронным цифровым процессором 20, выполненный программируемым, соединенным с блоком питания 21, который подключен к распределительному узлу 22 (380 вольт) в сборе с автоматическим выключателем (сборка 0,4 кВ), и со встроенным модемом 23. Блок питания 21 соединен с выходным модулем 24, представляющий собой любое известное устройство для обработки и отображения информации, например, компьютер с соответствующим программным обеспечением, снабженный, например, жидкокристаллическим дисплеем 25, на котором отображаются полученные данные и параметры (выходные сигналы): высокий уровень потенциала 26 на валу ТА; высокий ток 27 стекания на «землю»; неисправность в комплексе 28; нарушение контакта 29 к валу ТА витого стержня 1 (U); нарушение контакта 30 к валу ТА витого стержня 1 (I); опасность повреждения элементов ТА 31; разомкнута цепь питания 32; разомкнута цепь контроля напряжения или тока 33 схемы подключения витых стержней 1.

Электронный блок предназначен для осуществления интегрирования и обработки полученных осциллограмм в том числе мгновенных значений изменений тока и напряжения на валу турбины. Расчет составляющих осуществляется аппаратно - математическим расчетом данных, методом "наложения парабол". В отличии от штатного релейного устройства, электронный блок заявляемого устройства не имеет функции подачи напряжения на вал ТА для контроля за прилеганием контактных к валу 7 витых стержней 1. Информация о качестве контакта интегрируется из данных осциллограмм напряжения (U) и тока (I).

Зона тока (I) набегающей 8 стороны вала 7 с низким сопротивлением (Ом, max-0,2, при v=250 kГц), снимают данные с шунта 13, а зона напряжения (U) сбегающей 9 стороны вала 7 с сопротивлением 10⁹ Ом - с трансформатора напряжения 12. Полученная информация в цифровом и аналоговом видах, передается на электронный цифровой процессор 20 и выходной модуль 24, обрабатывается и далее отображается на жидкокристаллическом дисплее 25. Электронный блок выполнен с возможностью передачи информации в локальную сеть электростанции, энергоблока или турбины.

Заявляемое устройство было установлено на действующий турбоагрегат электростанции (Нижневартовская ГРЭС), паровая турбина К-800-240-5, 3000 об/мин, с турбогенератором ТВВ-800-2ЕУЗ, диаметр вала в месте установки токосъемного устройства - 529 мм, что соответствует линейной скорости - 41,5 м/сек. Заявляемое устройство было закреплено на корпусе 10 опорного подшипника и подключено к валу 7 турбины. Испытания проведены по программе, включающей: измерение и фиксация температуры и влажности в месте установки узла токосъема ТА, измерение и фиксация данных потенциалов на валу ТА, измерение и фиксация данных работы штатного узла токосъема, измерение и фиксация данных при работе узла токосъема с заявляемым устройством, измерение распределения потенциала по всей длине вала ТА, анализ результатов, наработка витых стержней заявляемого устройства на износ, анализ результатов. При проведении измерений, применены осциллографы "Fluke" (Фиг3). Заявляемое устройство установлено на участок вала опорного подшипника №1 и подключено к штатной релейной схеме (Фиг. 4).

В результате проведенных агрегатных испытаний было установлено, что использование заявляемого устройства более 12 месяцев препятствует накоплению паразитных потенциалов на валу ТА, не требует проведений постоянного контроля, осмотров и чистки вала, не требует проведений технических обслуживаний ремонтным персоналом в процессе эксплуатации; надежный контакт к валу ТА, съем потенциала с вала ТА улучшен на 40% в сравнении с устройствами на графитовых щетках, не изнашивает шейку вала ТА, искрение отсутствует, высокая стойкость к пару, влаге, турбинному маслу, период замены витых стержней, являющихся расходным материалом, составляет не более 5 мин., устойчивая, длительная стабильная работа. Ток проверки качества контакта в режиме «Контроль» релейной схемы, 2 - 4 А (Фиг. 4). Срок работы одного комплекта витых стержней - 8760 часов. Для наилучших условий эксплуатации витых стержней заявляемого устройства, поверхность вала ТА должна иметь шероховатость - Ra, менее 1,6. При работе заявляемого устройства не образуется графитовой пыли. Наилучшие результаты достигаются при температурах 200-600°С. При увеличении температуры витого стержня, его внутреннее сопротивление снижается а триботехнические свойства улучшаются.

Применение заявляемого устройства обеспечивает возможность эффективной защиты от электроэрозии турбин, компрессоров, электродвигателей. Заявляемое устройство позволяет снизить напряжения на подвижных частях ТА до уровня, когда пробой невозможен. Заявляемое устройство обеспечивает возможность преднамеренного заземления ротора или вала или иной подвижной части в одной точке, что обеспечивает надежный контроль за процессом. Использование заявляемого изобретения позволит электростанциям снизить материальные и финансовые расходы на ремонты и обслуживание энергоблоков, повысить надежность эксплуатации и КПД турбоагрегатов.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для защиты от возникновения паразитных потенциалов на вращающихся узлах паровых турбин, компрессоров, электродвигателей, и может быть использовано для заземления турбоагрегатов (ТА). Устройство для заземления подвижных частей предпочтительно турбоагрегатов содержит элементы заземления, контактные к поверхности подвижной части и электрически подключенные к контуру заземления. Элементы заземления выполнены в виде витых стержней 1, представляющих собой скрученные в жгуты пряди углеродного волокна, обработанные кристаллизованным графитом, полученным пиролизом метана в печи при температуре 2200-2300^оС в присутствии обрабатываемых жгутов с последующей кристаллизацией графита в массе и на поверхности жгута с образованием жестких витых стержней диаметром около 8 -10 мм и длиной около 300 -310 мм. Витые стержни 1 установлены на траверсе 2, выполненной выдвижной в вертикальной плоскости и установленной на кронштейне 3 с рукояткой управления 4 выдвижения траверсы 2. Витые стержни 1 соединены с траверсой 2 посредством зажимных контактов 5 и снабжены пружинными элементами 6, фиксирующих положение витых стержней 1 друг относительно друга и обеспечивая контакт их концов с поверхностью вала 7 с набегающей 8 и сбегающей 9 сторон вала (ТА), образуя узел токосъема. Траверса 2 посредством кронштейна 3 закреплена на неподвижной опоре, например, на корпусе 10 опорного подшипника турбины ТА. С набегающей 8 стороны вала 7 узел токосъема может иметь один или более витых стержней 1, параллельных друг другу. Витые стержни 1 закреплены в клеммах зажимных контактов 5, электрически подключены к контуру заземления 14. Узел токосъема посредством высокотемпературных проводов через электронный блок или штатное реле или напрямую подключен к контуру заземления 14. Технический результат - повышение надежности, безопасности и эффективности заземления подвижных узлов в течение длительного времени. 9 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для заземления подвижных частей предпочтительно турбоагрегатов, содержащее элементы заземления, контактные к поверхности подвижной части и электрически подключенные к контуру заземления, отличающееся тем, что элементы заземления представлены жесткими витыми стержнями, выполненными из нитеобразного углеродного волокна, каждый витой стержень содержит расчетное под заданный диаметр количество нитей углеродного волокна, сформирован скручиванием прядей с получением жгута, обработанного кристаллизованным графитом, полученным осаждением углерода путем пиролиза углеводородов с последующей кристаллизацией продуктов пиролиза на жгуте при нагревании, витые стержни снабжены по меньшей мере одним пружинным элементом и закреплены по меньшей мере на одной траверсе, образуя узел токосъема, установленный на неподвижной опоре посредством по меньшей мере одного кронштейна.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что с набегающей стороны и со сбегающей стороны подвижной части узел токосъема имеет по одному витому стержню.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что с набегающей стороны подвижной части узел токосъема имеет два параллельных друг другу витых стержня, а со сбегающей стороны подвижной части узел токосъема имеет один витой стержень.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что траверса выполнена с возможностью перемещения в вертикальной плоскости.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пружинный элемент представляет собой пружину спиральную постоянного нажатия.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пружинный элемент представляет собой центрующую пружину.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что неподвижная опора представлена корпусом опорного подшипника вала или ротора.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел токосъема электрически подключен к контуру заземления через электронный блок, функционально разделенный на зону тока и зону напряжения, содержащий электрически соединенные друг с другом модули снятия параметров, их преобразования в цифровой сигнал, обработки цифровых сигналов программными средствами, отображения на дисплее результатов обработки сигналов и защиты от аварийных ситуаций.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел токосъема электрически подключен к контуру заземления через штатный релейный блок.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что узел токосъема напрямую подключен к контуру заземления посредством электрических проводов.