Устройство и способ контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора Российский патент 2021 года по МПК F01D25/28 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к турбостроению, и может быть использовано при гидравлических испытаниях конденсаторов, работающих в составе паротурбинных установок (ПТУ) на электростанции. Изобретение может использоваться как при вводе в строй новой ПТУ с новым конденсатором, так и в период эксплуатации и ремонта действующего оборудования.

Распространенным способом проверки плотности вакуумной системы ПТУ, включая плотность всех присоединений конденсатора и вальцовочных соединений труб поверхности теплообмена, является гидравлическое испытание конденсатора путем заполнения его парового пространства водой.

В большинстве своем конденсаторы ПТУ размещаются в габаритах фундаментов турбоагрегатов между верхней и нижней плитами фундамента и устанавливаются на пружинных блоках, расположенных между опорами конденсатора и нижней плитой фундамента (Г.Д. Баринберг, Ю.М. Бродов, А.А. Гольдберг и др. Паровые турбины и турбоустановки Уральского турбинного завода, 3-е изд., Екатеринбург: ОАО "ИЛИ "Уральский рабочий", 2017, 540 с., рис. 8.9, 8.13) (1).

По характеру присоединения пароприемного патрубка конденсатора к выхлопному патрубку цилиндра турбины делятся на два основных типа. Первый - в виде жесткой связи путем сварки (такое соединение имеют все конденсаторы, работающие в составе ПТУ АО "Уральский турбинный завод"). Второй тип соединения - также в виде сварки, но через компенсатор.

Ниже рассматриваются гидравлические испытания конденсатора с присоединением его пароприемного патрубка к выхлопному патрубку цилиндра турбины по первому типу, когда конденсатор и выхлопной патрубок цилиндра турбины становятся между собой жестко связанными (А.Д. Трухний, Б.В. Ломакин. Теплофикационные паровые турбины и турбоустановки. М.: Издательство МЭИ, 2002, 540 с., 189 стр.) (2).

Известно, что при проведении гидравлического испытания конденсатора с присоединением пароприемного патрубка конденсатора к выхлопному патрубку цилиндра турбины по первому типу (конденсаторы АО "Уральский турбинный завод") возникает такой существенный недостаток, как появление дополнительной нагрузки на цилиндр от воды, заполняющей паровое пространство конденсатора, которая (нагрузка) полностью передается на опорный пояс цилиндра (на верхнюю плиту фундамента). (Патент РФ №2280170 С2, изобретение "Способ монтажа конденсатора", F01K 11/02, опубл. 20.07.2006 Бюллетень №20) (3).

Известно устройство крепления конденсатора паровой турбины при гидравлическом испытании (AC SU 1430560, F01D 25/28, изобретение «Устройство крепления конденсатора паровой турбины при гидравлическом испытании», опубл. 15.10.1988 Бюллетень №38) (4), согласно которому в верхних частях конденсатора и стойках (колоннах) фундамента выполняются дополнительно опорные лапы и плиты соответственно, между которыми на время проведения гидроиспытания конденсатора размещаются временные жесткие опоры, тем самым разгружая турбину от нагрузок, связанных с отклонением температуры жидкости. Очевидно, турбина разгружается и от массы жидкости в конденсаторе. Недостатками такого устройства являются: его сложность и повышенные капитальные затраты (дополнительные плиты и лапы в фундаменте и конденсаторе); сохраняется дополнительная вертикальная нагрузка от массы жидкости на стойки (колонны) фундамента; в случае не установки по какой-либо причине жестких временных опор или при наличии между ними и опорными лапами конденсатора зазоров сохраняется опасность дополнительного нерасчетного нагружения турбины и верхней плиты фундамента.

Известен способ разгрузки фундамента турбоагрегата (его верхней фундаментной плиты и колонн) при гидравлическом испытании конденсатора, когда после приварки пароприемного патрубка (патрубков) конденсатора к выхлопному патрубку (патрубкам) цилиндра турбины между расположенными внизу штатными опорами конденсатора и нижней плитой фундамента устанавливаются временные металлические проставки (далее - временные проставки) для передачи дополнительной нагрузки от массы залитой воды непосредственно на нижнюю плиту фундамента в местах установки временных проставок (схема передачи нагрузок по варианту №1). После чего, паровое пространство приваренного к цилиндру турбины конденсатора, через трубопровод, присоединенный к паровому пространству, заполняется химически очищенной водой несколько ниже нижних образующих расточек под концевые уплотнения в цилиндре. При схеме передачи нагрузок по данному варианту исключается передача дополнительной нагрузки от массы залитой воды в паровое пространство конденсатора на выхлопной патрубок цилиндра, фундаментные рамы цилиндра, верхнюю плиту фундамента. (Б.В. Абалаков, В.П. Банник, Б.И. Резников Монтаж и наладка турбоагрегатов и вспомогательного оборудования машинного зала, 2-е изд., М., "Энергия", 1976, 208 с., раздел 9-5) (5).

Недостатком такого решения является отсутствие достоверного контроля, как за самим фактом установки временных проставок, так и за наличием надежного контакта между последними и опорами конденсатора и фундаментом. Места установки временных проставок расположены либо на полу конденсационного помещения, либо в подвале машинного зала, часто в условиях слабой освещенности. Персоналом, выполняющим операцию гидравлического испытания, факт установки временных проставок под опоры конденсатора определяется внешним осмотром. Проверка контакта между проставками и опорами конденсатора и фундаментом, выполняется либо визуально, либо, в лучшем случае, с помощью универсального набора щупов и во многом зависит от опыта и квалификации персонала. Как в проведении данных проверок, так и в принятии решения о заполнении водой парового пространства конденсатора по результатам этих проверок в значительной мере присутствует человеческий фактор.

Если временные проставки (временная проставка) между нижней плитой фундамента и опорами конденсатора не будут установлены, либо будут установлены с зазором (без должного натяга), нагрузки от массы залитой в паровое пространство конденсатора воды будут передаваться через пароприемный патрубок конденсатора, выхлопной патрубок, фундаментные рамы цилиндра, верхнюю плиту фундамента, колонны фундамента на нижнюю плиту фундамента, см. стр. 399 из источника информации (1) (схема передачи нагрузок по варианту №2). В этом случае дополнительную нагрузку от массы воды, залитой в паровое пространство конденсатора для проведения гидравлического испытания, воспримут верхняя плита и колонны фундамента. Величина такой дополнительной нагрузки для ПТУ АО "Уральский турбинный завод" может составлять от нескольких десятков до сотен тонн. Расчетная суммарная дополнительная нагрузка, воспринимаемая верхней плитой, колоннами фундамента турбоагрегата с одноцилиндровой турбиной номинальной мощностью 63 МВт при неустановленных проставках или отсутствии надежного контакта между ними и опорами конденсатора, составляет 180 т.Схемы приложения нагрузок и значения последних, см. суммарные вертикальные нагрузки при гидравлическом испытании Р₁ - Р₄, рис. 8.10 и табл. 8.5 из источника информации (1).

При таком нерасчетном нагружении из-за недостаточного сечения балок и ригелей верхней фундаментной плиты, колонн фундамента возможно снижение их жесткости, появление недопустимых деформаций и, как следствие, нарушение тепловых расширений турбины, повышение вибрации турбоагрегата и пр.

Понимая опасность последствий отсутствия проставок или установки их с зазорами (без должного натяга), АО "Уральский турбинный завод" в своем проектном задании специализированной организации предъявляет требование к выполнению расчета фундамента и для схемы нагружения без проставок, см. стр. 399 из источника информации (1).

В результате, элементы верхнего строения фундамента, как правило, оказываются повышенных размеров, что приводит к дополнительному расходу строительных материалов (бетона, строительной арматуры и пр.), росту стоимости и длительности работ по возведению фундамента.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является отсутствие достоверного контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора, выполнение усиленных элементов верхнего строения фундамента, высокие капитальные затраты и сроки строительства.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение надежного контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при проведении гидравлического испытания конденсатора, что позволит не выполнять усиленными элементы верхнего строения фундамента, сократить капитальные затраты и сроки строительства.

Сущность заявленного изобретения.

Устройство контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора, включает в себя расположенный в габаритах фундамента турбоагрегата конденсатор, временные проставки, установленные между опорами конденсатора и нижней плитой фундамента, трубопровод подачи воды в паровое пространство конденсатора с установленной на трубопроводе запорной арматурой. Отличительными существенными признаками изобретения является то, что для достоверного контроля разгрузки фундамента, снижения габаритов элементов его верхнего строения, капитальных затрат и сроков возведения фундамента, в верхнем опорном элементе каждой временной проставки со стороны опоры конденсатора выполнена гибкая балка с расположенным на ее верхней стороне центральным выступом высотой, равной величине натяга, требуемого между опорой конденсатора, нижней плитой фундамента и временной проставкой, а на ее нижней стороне расположены тензорезисторы, формирующие электрический сигнал о наличии данного натяга.

Центральный выступ на верхней стороне гибкой балки может быть выполнен как одно целое с гибкой балкой, в виде приваренного элемента к гибкой балке, или в виде головки штифта, установленного в гибкой балке.

Запорная арматура на трубопроводе подачи воды может иметь электропривод с блокировкой на открытие запорной арматуры, по электрической части связанной с тензорезисторами.

Указанное изобретение реализуется заявляемым способом контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора, заключающимся в том, что приваривают пароприемный патрубок конденсатора к выхлопному патрубку цилиндра турбины, присоединяют к паровому пространству конденсатора трубопровод подачи воды для проведения его гидравлического испытания с установленной на трубопроводе запорной арматурой с электроприводом, блокирующим открытие запорной арматуры, отличающимся тем, что разблокировка электропривода запорной арматуры происходит в результате передачи электрических сигналов, сформированных тензорезисторами, установленными в каждой временной проставке, по достижению требуемого натяга между каждой опорой конденсатора, нижней плитой фундамента и соответствующими временными проставками, в схему, преобразующую эти сигналы в электрический сигнал на снятие блокировки электропривода запорной арматуры.

В ходе проведения патентно-информационного поиска было выявлено несколько аналогичных решений, обладающих недостатками, которые устраняются заявляемым изобретением. Однако решений, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию патентоспособности «новизна».

Заявленное изобретение, направленное на решение технической проблемы, указанной в настоящем описании, не очевидно для специалиста, имеющего доступ ко всему уровню техники и обладающего общими знаниями в данной области техники, и соответствует критерию «изобретательский уровень».

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими фигурами:

фиг. 1 - общий вид расположения конденсатора в габаритах фундамента турбоагрегата,

фиг. 2 - установленная на свое место временная проставка,

фиг. 3 - временная проставка в исходном состоянии,

фиг. 4 - вид сверху на верхний опорный элемент временной проставки,

фиг. 5 - узел врезки в паровое пространство конденсатора трубопровода с установленным на нем запорной арматурой с электроприводом,

фиг. 6, 7 - размеры гибкой балки,

фиг. 8 - расчетная схема гибкой балки

фиг. 9 - пример выполнения центрального выступа в виде штифта с головкой.

Устройство контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при проведении гидравлического испытания конденсатора включает в себя конденсатор 1, размещенный в габаритах фундамента турбоагрегата, опирающийся своими опорами 2 через пружинные блоки 3 на опорные стойки 4 нижней плиты 5 фундамента. В опорных стойках 4 нижней плиты 5 фундамента предусмотрены места для установки домкратов 6 и временных проставок 7. Напротив площадок 8 для размещения временных проставок 7 в опорах 2 конденсатора 1 предусмотрены площадки 9 для опирания конденсатора на временные проставки 7. В каждой из временных проставок 7 в ее верхнем опорном элементе 10 со стороны опоры 2 конденсатора 1 выполнена гибкая балка 11 (Фиг. 2) с центральным выступом 12 высотой "Н" (фиг. 3) над рабочей поверхностью 13 верхнего опорного элемента 10 с одной стороны и расположенными на гибкой балке 11 с другой стороны тензорезисторами 14, например, фольговыми. В качестве центрального выступа 12 может также служить, например, штифт с головкой или элемент, приваренный непосредственно к гибкой балке 11. Пароприемный патрубок 15 конденсатора 1 жестко соединен путем сварки с выхлопным патрубком 16 цилиндра турбины, который через свои фундаментные рамы 17 опирается на верхнюю плиту 18 фундамента, которая, в свою очередь, через колонны 19 опирается на нижнюю плиту 5 фундамента. К паровому пространству 20 конденсатора 1 подведен трубопровод 21 с запорной арматурой 22 с электроприводом 23 для подачи воды при проведении гидроиспытания (Фиг. 5).

Высота "Н" центрального выступа 12 гибкой балки 11 равна величине требуемого натяга при установке на место временных проставок 7. Значения натяга 0,1-0,3 мм достаточно, чтобы гарантированно обеспечить передачу нагрузки от массы воды в паровом пространстве 20 конденсатора 1 через временные проставки 7 на нижнюю плиту 5 фундамента, исключив передачу этой нагрузки на верхнюю плиту 18 и колонны 19 фундамента. При этом, необходимо также обеспечение приемлемого усилия для установки временной проставки 7 на место. Для достижения таких требований предлагаемое использование, гибкой балки 11 с центральным выступом 12, а с ее противоположной стороны, установленными тензорезисторами 14, является наиболее подходящим. В качестве примера ниже представлен расчет гибкой балки 11. Размеры балки 11 должны учитывать конструктивные особенности и размеры временных проставок 7. На фиг. 6-7 представлены размеры гибкой балки 11, а на фиг. 8 ее расчетная схема применительно к устройству разгрузки фундамента турбоагрегата мощностью 63 МВт при гидравлическом испытании конденсатора К-6000, имеющего четыре опоры 2 и соответственно четыре временных проставок 7.

Расчет выполнен для гибкой балки 11, защемленной с обоих концов. Усилие на гибкую балку 11 приходится в месте центрального выступа 12. Максимальный прогиб гибкой балки 11 (натяг) в сечении центрального выступа 12 составляет:

f=P×1³/192 × E× I (см)

где Р - усилие, соответствующее максимальному прогибу гибкой балки (натягу), кгс;

1 - пролет гибкой балки, см;

Е - модуль упругости материала гибкой балки, кгс/см²;

I - момент инерции сечения гибкой балки, см⁴;

Отсюда:

Р=192×f×E×I/1³ (кгс)

I_x=b×h/12 (обозначения - см. фиг. 6-8)

где b=3 см; h=0,25 см; I_x=3×0,25³/12=0,0039 см⁴

Е ≈ 2×10⁶ кгс/см² - для стали; 1=10 см

Примем f = 0,2 мм = 0,02 см

Р=192×0,02×2×10⁶×0,0039/10³ ≈ 30 кгс.

Боковое усилие (усилие для установки - демонтажа временной проставки 7) составит:

F=f_тр × Р

f_тр - коэффициент трения скольжения

f_тр ≈ 0,3 (сталь по стали)

F=0.3×30 ≈ 9 кгс - приемлемое усилие для рабочего.

Таким образом, при высоте "Н" центрального выступа 12, равной значению максимального прогиба (натяг) f гибкой балки 11, обеспечивается величина требуемого натяга между временной проставкой 7 и между опорными стойками 4 фундамента и опорами 2 конденсатора 1.

Устройство контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора и способ его реализации могут быть осуществлены следующим образом. После заведения "сухого" конденсатора 1 в габариты фундамента турбоагрегата, подъема его с помощью домкратов 6 до стыковки его пароприемного патрубка 15 с выхлопным патрубком 16 цилиндра турбины, приварки патрубков между собой, фиксации пружинных блоков 3 в сжатом состоянии пружин, воспринимающих "сухую" массу конденсатора 1, удаляют домкраты 6. Нагрузка "сухого" конденсатора воспринимается пружинными блоками 3. Пароприемный патрубок 15 конденсатора 1, выхлопной патрубок 16 цилиндра турбины, фундаментные рамы 17 цилиндра турбины, верхняя плита 18 фундамента и его колонны 19 не нагружены массой "сухого" конденсатора 1. Находящиеся в исходном состоянии временные проставки 7 с небольшим боковым усилием заводят между площадками 8 опорных стоек 4 и площадками 9 опор 2 конденсатора 1.

В каждой из установленных на место с натягом временных проставок 7 гибкая балка 11 прогибается, центральный выступ 12, становится заподлицо с рабочей поверхностью 13 верхнего опорного элемента 10 временной проставки 7 (см. фиг. 2). Изогнувшиеся вместе с гибкими балками 11 расположенные на их нижней стороне тензорезисторы 14 формируют электрические сигналы, передаваемые в схему, где сигналы преобразуются в электрический сигнал на снятие блокировки электропривода 23 запорной арматуры 22. Появляется возможность вручную по месту или дистанционно с пульта управления открыть запорную арматуру 22 для заполнения водой парового пространства 20 конденсатора 1 для проведения гидроиспытаний. По достижению определенного уровня воды в паровом пространстве 20 запорную арматуру 22 вручную или дистанционно закрывают, перекрывая подачу воды в паровое пространство 20 конденсатора 1. Операция открытия -закрытия запорной арматуры 22 может быть обеспечена и в автоматическом режиме.

В случае, если хотя бы одна из временных проставок 7 не будет установлена на место между площадками 8 опорных стоек 4 и площадками 9 опор 2 конденсатора 1 или будет установлена даже с небольшим зазором, без того, чтобы гибкая балка 11 не прогнулась и центральный выступ 12 не стал заподлицо с рабочей поверхностью 13 верхнего опорного элемента 10, блокировка электропривода 23 снята не будет. Открытие запорной арматуры 22 не произойдет. Заполнение водой парового пространства 20 конденсатора 1 исключается.

Таким образом, заявляемое устройство, реализуемое предлагаемым способом, позволяет обеспечить контроль разгрузки фундамента, не допуская подачу воды в конденсатор для его гидравлического испытания без должного контакта временных проставок с опорами конденсатора и опорными стойками фундамента.

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к турбостроению, и может быть использовано при гидравлических испытаниях конденсаторов, работающих в составе ПТУ на электростанции. Техническим результатом изобретения является обеспечение надежного контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при проведении гидравлического испытания конденсатора, что позволяет не выполнять усиленными элементы верхнего строения фундамента, сократить капитальные затраты и сроки строительства. Сущность заявленного изобретения при проведении гидравлического испытания конденсатора (1) заключается в использовании временных проставок (7), в верхнем опорном элементе (10) каждой из которых выполнена гибкая балка (11) с центральным выступом (12) на ее верхней стороне, высотой (Н), равной величине требуемого натяга при установке временной проставки (7) на место, а с противоположной стороны гибкой балки (11) расположены тензорезисторы (14), формирующие сигналы о наличии натяга, их передачи в схему, преобразующую эти сигналы в электрический сигнал на снятие блокировки электропривода (23) запорной арматуры (22). 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора (1), включающее в себя расположенный в габаритах фундамента турбоагрегата конденсатор (1), временные проставки (7), установленные между опорами (2) конденсатора (1) и нижней плитой (5) фундамента, трубопровод (21) подачи воды в паровое пространство (20) конденсатора (1) с установленной на трубопроводе (21) запорной арматурой (22), отличающееся тем, что для достоверного контроля разгрузки фундамента, снижения габаритов элементов его верхнего строения, капитальных затрат и сроков возведения фундамента в верхнем опорном элементе (10) каждой временной проставки (7) со стороны опоры (2) конденсатора (1) выполнена гибкая балка (11) с расположенным на ее верхней стороне центральным выступом (12) высотой (Н), равной величине натяга, требуемого между опорой (2) конденсатора (1), нижней плитой (5) фундамента и временной проставкой (7), а на ее нижней стороне расположены тензорезисторы (14), формирующие электрический сигнал о наличии данного натяга.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что центральный выступ (12) на верхней стороне гибкой балки (11) выполнен как одно целое с гибкой балкой (11), в виде приваренного элемента к гибкой балке (11) или в виде головки штифта, установленного в гибкой балке (11).

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что запорная арматура (22), установленная на трубопроводе (21) подачи воды, имеет электропривод (23) с блокировкой на открытие запорной арматуры (22), по электрической части связанной с тензорезисторами (14).

4. Способ контроля разгрузки фундамента турбоагрегата при гидравлическом испытании конденсатора, заключающийся в том, что приваривают пароприемный патрубок (15) конденсатора (1) к выхлопному патрубку (16) цилиндра турбины, присоединяют к паровому пространству (20) конденсатора (1) трубопровод (21) подачи воды для проведения его гидравлического испытания с установленной на трубопроводе (21) запорной арматурой (22) с электроприводом (23), блокирующим открытие запорной арматуры (22), отличающийся тем, разблокировка электропривода (23) запорной арматуры (22) происходит в результате передачи электрических сигналов, сформированных тензорезисторами (14), установленными в каждой временной проставке (7), по достижении требуемого натяга между каждой опорой (2) конденсатора (1), нижней плитой (5) фундамента и соответствующими временными проставками (7), в схему, преобразующую эти сигналы в электрический сигнал на снятие блокировки электропривода (23) запорной арматуры (22).