Способ модернизации гидросистемы управления парораспределительными органами турбины и модернизированная гидросистема управления парораспределительными органами турбины Российский патент 2023 года по МПК F01D17/22 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в гидросистемах управления парораспределительными органами паровых турбин.

Известны гидросистемы управления парораспределительными органами энергетических турбин с использованием конденсата в качестве рабочей жидкости - К-300-240 ХТГЗ, Т-250/300-240 ТМЗ и подобные им (Паровая турбина К-300-240 ХТГЗ, под ред. Ю.Ф. Косяка, Москва, 1982, стр. 111; Бененсон Е.И., Иоффе Л.С.Теплофикационные паровые турбины. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр. 205-241).

Указанные гидросистемы предназначены для управления парораспределительными органами турбины, в частности, но, не ограничиваясь, защитными (стопорными и отсечными) и регулирующими клапанами, расположенными в блоках клапанов части высокого давления и блоках клапанов части среднего давления (промперегрева). Известные гидросистемы имеют следующие основные признаки. Гидравлическая насосная станция, содержащая бак для рабочей жидкости (объем V=23 м³) и резервированные насосы низкого давления (центробежные, обеспечивающие давление на уровне Р=2,0 МПа и с расходом Q=3000 л/мин). Вода в качестве рабочей жидкости гидросистемы. Напорные, сливные и исполнительные магистрали (линии). Гидравлические приводы парораспределительных органов: автозатворы защитных (стопорных и отсечных) клапанов, которые относятся к гидравлическому каналу защиты турбины; сервомоторы регулирующих клапанов и сервомотор поворотных регулирующих диафрагм, которые относятся к гидравлическому каналу регулирования турбины. Каждый гидравлический привод имеет в своем составе гидроцилиндр и распределительный золотник. Автозатворы защитных клапанов могут иметь в своем составе электромеханический преобразователь для управления распределительным золотником с целью опробования (расхаживания) узла в работе. Каждый гидравлический привод, за исключением гидравлических приводов регулирующих клапанов в блоках клапанов части высокого давления, непосредственно связан с соответствующим парораспределительным органом. Регулирующие клапаны в блоках клапанов части высокого давления приводятся от гидравлических приводов через кулачково-распределительные устройства. Широко применяются нержавеющие стали и антикоррозионное азотирование в конструкции узлов гидросистемы. Управление гидравлическими приводами осуществляется через гидравлические связи при помощи системы проточных золотников от регулятора скорости, использующего гидромеханический датчик частоты вращения или насос-импеллер, установленный на валу турбины, а также от механизма управления турбиной, гидравлического регулятора давления, механогидравлического автомата безопасности и электрогидравлических преобразователей. Перечисленные узлы являются оригинальной конструкцией завода-изготовителя турбины. Указанные гидросистемы нашли широкое применение в энергетике и обеспечивают удовлетворительную работу энергетических турбин.

Недостатком известных решений, несмотря на принятые защитные меры, является их повышенная коррозия. Данная коррозия увеличивает нечувствительность узлов и люфты в кинематической связи до регулирующих клапанов турбины, что отрицательно сказывается на качестве управления турбиной и ее надежности. Кроме того, качество и надежность управления турбиной от сервомоторов регулирующих клапанов части высокого давления со временем снижается вследствие наличия кулачково-распределительного устройства, которое из-за износа вносит дополнительную нечувствительность и люфты. Данные факторы приводят к увеличению затрат на запасные части и ремонт, т.е. снижению экономичности работы турбины.

Вместе с тем основные требования, предъявляемые к гидросистемам управления парораспределительными органами турбины, совпадают с требованиями к гидросистемам, применяемыми на металлургических предприятиях (Гидропривод металлургических машин, С.Н. Басков и др., Магнитогорск, 2006). Отличие последних состоит в том, что они построены с использованием унифицированной серийной гидроаппаратуры (сервоклапанов, гидрораспределителей, насосов и др.), выпускаемой широким рядом специализированных предприятий, и применяемой для высокоточного позиционирования исполнительных механизмов. Гидравлическая насосная станция (гидростанция) в таких гидросистемах имеет малый объем бака для рабочей жидкости (до 5 м³) и насосы высокого давления (на уровне 16-35 МПа). Для решения вопроса коррозионной стойкости в подобных гидросистемах в качестве рабочей жидкости используется гидравлическое масло (например, типа HL), а для дополнительной пожарной безопасности может использоваться специальная огнестойкая рабочая жидкость (например, типа HFDU), которая является безвредной с точки зрения загрязнения окружающей среды.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является высокая нечувствительность узлов гидросистемы, люфт в кинематической связи до регулирующих клапанов турбины и повышенная коррозия, что отрицательно сказывается на качестве управления турбиной и ее надежности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности, уменьшение люфтов и нечувствительности в управлении регулирующими клапанами турбины; уменьшение габаритов гидравлической насосной станции, что приводит к повышению надежности, качества и экономичности работы турбины. Экономический эффект от использования изобретения основан на уменьшении затрат на запасные части и ремонт гидросистемы при использовании гидравлического масла или огнестойких рабочих жидкостей, а также применения унифицированной серийной гидроаппаратуры.

Технический результат заявленного изобретения достигается реализацией способа модернизации гидросистемы управления парораспределительными органами турбины заключающийся в том, что выполняют модернизацию гидравлических приводов защитных клапанов турбины (путем их ремонта или замены на аналогичные), взамен привода через кулачково-распределительные устройства устанавливают индивидуальные гидравлические приводы для управления регулирующими клапанами турбины, устанавливают гидроаппаратуру для управления гидравлическими приводами защитных клапанов турбины (т. н. блок защиты), прошедшими ремонт или замену на аналогичные по результатам их ревизии, а также на месте прежней или на другом свободном месте в пределах площадок обслуживания паротурбинной установки устанавливают гидравлическую насосную станцию с резервированными насосами высокого и низкого давления, причем насосы низкого давления подключают к гидравлическим приводам защитных клапанов турбины, а насосы высокого давления подключают к гидравлическим приводам регулирующих клапанов турбины.

Для турбин в составе, которых имеются поворотные регулирующие диафрагмы, дополнительно модернизируют гидравлический привод поворотных регулирующих диафрагм.

Модернизацию гидравлического привода поворотных регулирующих диафрагм выполняют путём его замены на электромеханический привод. Также возможны варианты его модернизация путем ремонта или замены на гидравлический привод, к которому подключают насосы высокого, либо низкого давления с установкой в напорной магистрали к гидравлическому приводу по крайней мере одного гидроаккумулятора.

В ходе использования заявленного способа модернизации согласно независимому пункту 1 формулы изобретения создана гидросистема управления парораспределительными органами турбины согласно независимому пункту 6 формулы изобретения, содержащая гидравлическую насосную станцию с резервированными насосами низкого и высокого давления, гидравлическими приводами защитных клапанов турбины, гидравлическими приводами регулирующих клапанов турбины. Новым в такой гидросистеме является то, что насосы низкого давления подключены к гидравлическим приводам защитных клапанов, а насосы высокого давления подключены к гидравлическим приводам регулирующих клапанов турбины.

В качестве рабочей жидкости в гидросистеме может использоваться минеральное масло, либо огнестойкая жидкость. Каждая пара в виде насоса низкого давления и насоса высокого давления может быть соединена в тандем и приводиться от одного электродвигателя. Для организации охлаждения и фильтрации рабочей жидкости гидравлическая насосная станция может содержать дополнительные резервированные насосы.

Анализ уровня техники, осуществленный заявителем и включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, а также выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не выявил технического решения, характеризующегося признаками, тождественными или эквивалентными предлагаемым. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

Для проверки предлагаемого технического решения на соответствие критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень» проведён дополнительный поиск по известной из уровня техники информации. Результаты поиска показали, что предлагаемое изобретение не вытекает из известного уровня техники явным образом для специалиста. Более того, как видно из описания, для достижения желаемого технического результата заявитель внес в гидросистему управления парораспределительными органами турбины принципиальные и неочевидные конструктивные изменения, а также снабдил ее новыми элементами и связями.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Сущность заявленного изобретения согласно формуле изобретения поясняется на примере модернизации гидросистемы управления парораспределительными органами турбины семейства Т-250 УТЗ с поворотными регулирующими диафрагмами, но также применимо и для турбин, не имеющих поворотные регулирующие диафрагмы, и показана на следующих фигурах, на которых изображено:

Фиг. 1 - схема гидросистемы управления парораспределительными органами турбины с вариантом применения электромеханического привода поворотных регулирующих диафрагм;

Фиг. 2 - схема гидросистемы управления парораспределительными органами турбины с вариантом применения гидравлического привода поворотных регулирующих диафрагм существующей конструкции с подключенными насосами низкого давления;

Фиг. 3 - схема гидросистемы управления парораспределительными органами турбины с вариантом установки гидравлического привода поворотных регулирующих диафрагм с подключенными насосами высокого давления.

На прилагаемых фигурах обозначены следующие позиции:

1 - бак гидравлической насосной станции;

2 - насос низкого давления;

3 - насос высокого давления;

4 - гидроаккумулятор низкого давления;

5 - гидроаккумулятор высокого давления;

6 - блок клапанов части высокого давления;

7 - турбина;

8 - гидроцилиндр привода регулирующего клапана;

9 - гидроаппаратура для управления гидравлическим приводом;

10 - регулирующий клапан;

11 - блок клапанов части среднего давления (промперегрева);

12 - защитные (стопорные и отсечные) клапаны;

13 - гидравлические приводы (автозатворы);

14 - гидроаппаратура для управления автозатворами;

15 - поворотные регулирующие диафрагмы;

16 - электромеханический привод;

17 - электродвигатель;

18 - гидроаккумулятор привода регулирующих диафрагм;

19 - гидравлический привод (сервомотор) поворотных регулирующих диафрагм;

20 - гидроцилиндр привода поворотных регулирующих диафрагм;

21 - гидроаппаратура привода поворотных регулирующих диафрагм.

Сущность изобретения состоит в том, что проводится модернизация гидросистемы управления парораспределительными органами турбины следующим способом:

1. Устанавливают гидравлическую насосную станцию (гидростанцию) с резервированными насосами низкого 2 и высокого давления 3. Устанавливаемая гидравлическая насосная станция содержит бак 1 (объем V=3 м³), резервированные насосы низкого давления 2 переменной производительности (например, поршневые, обеспечивающие давление на уровне Р=2,0 МПа и с расходом Q=375 л/мин) и резервированные насосы высокого давления 3 переменной производительности (например, поршневые, обеспечивающие давление на уровне Р=16 МПа и с расходом Q=60 л/мин), по крайней мере один гидроаккумулятор низкого давления 4, по крайней мере один гидроаккумулятор высокого давления 5. В качестве рабочей жидкости используется гидравлическое масло (например, типа HL), а для дополнительной пожарной безопасности может использоваться специальная огнестойкая рабочая жидкость (например, типа HFDU).

2. Устанавливают в блоках клапанов части высокого давления 6 турбины 7 индивидуальные гидравлические приводы, состоящие из гидроцилиндров 8 привода регулирующего клапана с гидроаппаратурой 9 для управления гидравлическим приводом, для непосредственного привода каждого регулирующего клапана 10 взамен привода через кулачково-распределительные устройства. К данным гидравлическим приводам подключены насосы высокого давления 3.

3. В блоках клапанов части среднего давления 11 турбины 7 взамен существующих сервомоторов устанавливают гидравлические приводы (гидроцилиндры 8 привода регулирующего клапана с гидроаппаратурой 9 для управления гидравлическим приводом и регулирующими клапанами 10), к которым подключены насосы высокого давления 3.

4. Для привода защитных (стопорных и отсечных) клапанов 12 устанавливают гидравлические приводы (автозатворы) 13, прошедшие ремонт или замену на аналогичные по результатам их ревизии. К данным узлам подключены насосы низкого давления 2. Для управления гидравлическими приводами (автозатворами) 13 в гидросистеме устанавливают гидроаппаратуру 14 для управления автозатворами, которая управляется от системы защиты турбины, для управления защитными клапанами 12 турбины 7.

5. Гидравлический привод (сервомотор) поворотных регулирующих диафрагм 15 заменяют на электромеханический привод 16. Также возможен вариант ремонта или замены на гидравлический привод (сервомотор) 19 поворотных регулирующих диафрагм 15 аналогичный существующей конструкции по результатам его ревизии, к которому подключают насосы низкого давления 2 (фиг.2) или вариант замены на гидравлический привод (гидроцилиндр 20 привода поворотных регулирующих диафрагм с гидроаппаратурой 21 привода поворотных регулирующих диафрагм), к которому подключают насосы высокого давления 3 для привода поворотных регулирующих диафрагм 15 (фиг. 3). В вариантах модернизации с гидравлическим приводом применяется двухсторонний гидроцилиндр, для которого требуется снабжение рабочей жидкостью с высоким расходом в аварийных режимах работы турбины 7. Для выполнения данного требования в напорной магистрали к данному гидравлическому приводу может быть установлен по крайней мере один гидроаккумулятор 18 (фиг. 2, фиг. 3).

6. Систему существующих проточных золотников регулирования и защиты, а также связанные с ней регулятор скорости с гидромеханическим датчиком частоты вращения или насосом-импеллером, механизм управления турбиной, гидравлический регулятор давления, механогидравлический автомат безопасности и электрогидравлические преобразователи исключают из состава гидросистемы управления парораспределительными органами турбины.

Указанные ранее недостатки существующих гидросистем турбин связаны с узлами канала регулирования, а именно - сервомоторами регулирующих клапанов, где требуется высокая точность и динамика управления исполнительными механизмами и малая нечувствительность. Узлы канала защиты, а именно гидравлические приводы (автозатворы) 13 защитных (стопорных и отсечных) клапанов 12 не требуют позиционирования с высокой точностью в промежуточных положениях и имеют по сути два рабочих состояния - «открыт», «закрыт». Таким образом, к узлам гидравлического канала регулирования и канала защиты предъявляются различные требования.

В результате, с целью повышения качества управления турбиной 7, целесообразнее для привода регулирующих клапанов 10 установить индивидуальные гидравлические приводы (гидроцилиндры 8 для привода регулирующего клапана с гидроаппаратурой 9 для управления гидравлическим приводом) взамен привода через кулачково-распределительное устройство. Применение индивидуальных гидравлических приводов регулирующих клапанов 10 предъявляет высокие требования к усилиям их гидроцилиндров 8 для привода регулирующего клапана. Совместная установка нескольких гидравлических приводов на блоки клапанов части высокого 6 и среднего 11 давления турбины 7, предъявляет определенные ограничения к габаритам приводов. С этой точки зрения целесообразнее использовать решения, применяемые в гидросистемах на металлургических предприятиях - использование насосов высокого давления 3 и унифицированной серийной гидроаппаратуры 9 для управления гидравлическим приводом. Следуя принятому в турбостроении принципу разделения каналов регулирования и защиты, а также для унификации решений, в блоках клапанов части среднего давления 11 турбины взамен существующих сервомоторов также устанавливают гидравлические приводы (гидроцилиндры 8 привода регулирующего клапана с гидроаппаратурой 9 для управления гидравлическим приводом и регулирующими клапанами 10), к которым подключены насосы высокого давления 3.

Для снижения затрат на модернизацию и с учетом разделения функций гидравлических каналов, целесообразнее применить гидравлические приводы существующей конструкции (автозатворы) 13 для привода защитных (стопорных и отсечных) клапанов 12 турбины 7. По результатам ревизии данных гидравлических приводов проводится их ремонт, в крайнем случае - замена на аналогичные. Так как существующие гидравлические приводы (автозатворы) 13 рассчитаны на низкое давление рабочей жидкости, требуется установка насосов низкого давления 2 в составе гидравлической насосной станции.

Вопрос повышения коррозионной стойкости гидросистемы, а вместе с тем ее надежности, решается применением в качестве рабочей жидкости гидравлического масла (например, типа HL) или специальной огнестойкой рабочей жидкости (например, типа HFDU), которая также обладает противокоррозионными свойствами и является безвредной с точки зрения загрязнения окружающей среды. Также для снижения затрат на модернизацию привод насосов низкого 2 и высокого 3 давления может быть выполнен от одного электродвигателя 17 - т.н. тандем насосов. Для сглаживания колебаний давления за насосами, а также для компенсации провалов давления при переключении насосов с рабочего на резервный к напорным линиям насосов подключаются гидроаккумуляторы низкого 4 и высокого 5 давления. С учетом того, что большую часть времени регулирующие клапаны 10 и защитные клапаны 12 турбины 7 находятся в неподвижном состоянии или совершают малые колебания, предлагается для повышения экономичности работы турбины и снижения тепловых потерь в гидросистеме (снижения затрат на организацию охлаждения рабочей жидкости) применить насосы низкого 2 и высокого 3 давления переменной производительности. Вновь устанавливаемая гидравлическая насосная станция может быть размещена на месте прежней или на другом свободном месте в пределах площадок обслуживания паротурбинной установки. Прежняя гидравлическая насосная станция исключается из состава модернизированной гидросистемы управления парораспределительными органами турбины и может быть демонтирована.

Исключенная из состава модернизированной гидросистемы управления парораспределительными органами турбины система существующих проточных золотников регулирования и защиты, а также связанные с ней регулятор скорости с гидромеханическим датчиком частоты вращения или насосом-импеллером, механизм управления турбиной, гидравлический регулятор давления, механогидравлический автомат безопасности и электрогидравлические преобразователи могут быть демонтированы. Функции регулирования и защиты, выполняемые до модернизации перечисленными элементами, реализуются после модернизации в составе существующей или вновь устанавливаемой микропроцессорной автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП) турбины. Функции преобразования электрических сигналов управления в гидравлические и их усиления реализуются гидроаппаратурой 9, 21 (сервоклапаны, гидрораспределители и др.). Для управления гидравлическими приводами (автозатворами) 13, которые относятся к гидравлическому каналу защиты, в гидросистеме устанавливают гидроаппаратуру 14, управляемая от системы защиты турбины.

Гидроаппаратура 14 формирует гидравлический сигнал управления защитными клапанами 12 турбины 7 по заложенной логике, например, логике «2 из 3» или любой другой.

Данную модернизацию возможно провести как отдельно на существующих турбинах на электростанциях, так и в рамках работ по модернизации собственно турбины или паротурбинной установки. Также возможно оснащать модернизированной гидросистемой новые турбины подобного типа.

Таким образом, вышеуказанные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании изобретения следующей совокупности условий:

средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, используется в турбостроении, а именно при модернизации систем регулирования турбин;

средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в гидросистемах управления парораспределительными органами паровых турбин. Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является высокая нечувствительность узлов гидросистемы, люфт в кинематической связи до регулирующих клапанов турбины и повышенная коррозия, что отрицательно сказывается на качестве управления турбиной и ее надежности. Техническим результатом изобретения является повышение надежности, качества и экономичности работы турбины. Технический результат заявленного изобретения достигается реализацией способа модернизации гидросистемы управления парораспределительными органами турбины, заключающегося в том, что выполняют модернизацию гидравлических приводов защитных клапанов турбины, устанавливают индивидуальные гидравлические приводы для управления регулирующими клапанами турбины, гидроаппаратуру для управления гидравлическими приводами защитных клапанов турбины, а также устанавливают гидравлическую насосную станцию с резервированными насосами высокого и низкого давления, причем насосы низкого давления подключают к гидравлическим приводам защитных клапанов турбины, а насосы высокого давления подключают к гидравлическим приводам регулирующих клапанов турбины. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ модернизации гидросистемы управления парораспределительными органами турбины, характеризующийся тем, что выполняют модернизацию гидравлических приводов защитных клапанов турбины, взамен привода через кулачково-распределительные устройства устанавливают индивидуальные гидравлические приводы для управления регулирующими клапанами турбины, устанавливают гидроаппаратуру для управления гидравлическими приводами защитных клапанов турбины, прошедшими ремонт или замену на аналогичные по результатам их ревизии, а также на месте прежней или на другом свободном месте в пределах площадок обслуживания паротурбинной установки устанавливают гидравлическую насосную станцию с резервированными насосами высокого и низкого давления, причем насосы низкого давления подключают к гидравлическим приводам защитных клапанов турбины, а насосы высокого давления подключают к гидравлическим приводам регулирующих клапанов турбины.

2. Способ модернизации по п. 1, отличающийся тем, что в турбине, имеющей в своем составе поворотные регулирующие диафрагмы, дополнительно модернизируют гидравлический привод поворотных регулирующих диафрагм.

3. Способ модернизации по п.1 или 2, отличающийся тем, что модернизацию гидравлического привода поворотных регулирующих диафрагм выполняют путем его замены на электромеханический привод.

4. Способ модернизации по п.1 или 2, отличающийся тем, что модернизацию гидравлического привода поворотных регулирующих диафрагм выполняют путем его ремонта или замены на аналогичный гидравлический привод, к которому подключают насосы низкого давления с установкой в напорной магистрали к гидравлическому приводу по крайней мере одного гидроаккумулятора.

5. Способ модернизации по п.1 или 2, отличающийся тем, что модернизацию гидравлического привода поворотных регулирующих диафрагм выполняют путем его замены на гидравлический привод, к которому подключают насосы высокого давления с установкой в напорной магистрали к гидравлическому приводу по крайней мере одного гидроаккумулятора.

6. Гидросистема управления парораспределительными органами турбины, характеризующаяся наличием гидравлической насосной станции с резервированными насосами низкого и высокого давления, гидравлическими приводами защитных клапанов турбины, гидравлическими приводами регулирующих клапанов турбины, отличающаяся тем, что насосы низкого давления подключены к гидравлическим приводам защитных клапанов турбины, а насосы высокого давления подключены к гидравлическим приводам регулирующих клапанов турбины.

7. Гидросистема по п.6, отличающаяся тем, что в качестве рабочей жидкости в гидросистеме применяют минеральное масло.

8. Гидросистема по п.6, отличающаяся тем, что в качестве рабочей жидкости в гидросистеме применяют огнестойкую жидкость.

9. Гидросистема по п.6, отличающаяся тем, что каждая пара в виде насоса низкого давления и насоса высокого давления соединена в тандем и приводится от одного электродвигателя.

10. Гидросистема по п.6, отличающаяся тем, что гидравлическая насосная станция содержит дополнительные резервированные насосы для организации охлаждения и фильтрации рабочей жидкости.