Автоматизация паротурбинных установок
ГЛАВА 5
Автоматизация паротурбинных установок
5.1. Регулируемые величины ПТУ
Паротурбинная установка является объектом регулирования с несколькими аккумуляторами и несколькими регулируемыми величинами, т.е. САР паротурбинной установки включает в себя несколько контуров регулирования.
В общем случае регулируемыми величинами паротурбинной установки являются:
¾ частота вращения вала турбозубчатого агрегата (ТЗА);
¾ давление пара в уплотнениях концевых частей роторов турбин;
¾ давление в системе отбора пара из промежуточных ступеней турбин;
Рекомендуемые материалы
¾ температура масла в системе смазки.
В зависимости от назначения турбины и условий эксплуатации некоторые из перечисленных параметров могут быть нерегулируемыми.
5.2. Регулирование частоты вращения вала
Частота вращения вала турбозубчатого агрегата регулируется в обязательном порядке только в турбоэлектрических установках либо в установках с ВРШ.
В главных турбозубчатых агрегатах, работающих на винты фиксированного шага, как правило, устанавливаются предельные регуляторы частоты вращения, срабатывающие при увеличении скоростного режима на 5—6%.
Паровпускные регулирующие органы контура регулирования частоты вращения ротора турбины выполняются различной конструкции в зависимости от схемы включения регулятора. В случае предельного регулирования сервомотор регулятора обычно воздействует на дроссельный клапан, установленный перед турбиной на паропроводе свежего пара, т.е. в этом случае осуществляется чисто качественное регулирование пара. При однорежимном регулировании, которое имеет место в случае работы турбины с постоянной частотой вращения и переменной нагрузкой (на генератор постоянного или переменного тока), а также в некоторых установках с ВРШ применение качественного регулирования будет приводить к заметному ухудшению экономических показателей, так как в отличие от случая предельного регулирования, когда изменение положения регулирующего органа происходит редко, а связанные с этим потери на дросселирование являются малыми, при однорежимном регулировании эти потери будут ощутимыми. В связи с этим при однорежимной схеме включения регулятора применяют количественно-качественное регулирование, при котором сопловый аппарат ТВД разбивают на несколько групп сопел и расход пара в каждую из них изменяют отдельным клапаном. Перемещение штоков этих клапанов осуществляется в определенной последовательности от одного сервомотора.
В качестве чувствительного элемента частоты вращения в судовых турбинных установках широкое распространение получили гидродинамические чувствительные элементы, конструктивно выполняемые в виде центробежного масляного насоса, называемого импеллером, в котором частота вращения ротора турбины преобразуется в давление масла.
Усилительные устройства и исполнительные механизмы этих регуляторов выполняются также гидравлическими. В большинстве случаев масляная система регулятора выполняется общей с системой смазки ТЗА.
Схема однорежимного гидродинамического регулятора частоты вращения показана на рис. 62.
Центробежный насос 1 (импеллер), приводимый во вращение от вала турбины, подает масло из полости А в полость Б. При изменении частоты вращения ротора турбины изменяется давление масла в полости Б, в результате чего положение золотника 2, находящегося в динамическом равновесии под действием усилия от давления масла и натяжения пружины 3, также изменится.
Рис. 62. Схема гидродинамического регулятора
В случае повышения частоты вращения и давления масла золотник 2 будет перемещаться вверх, а в случае снижения—вниз.
При перемещении золотника вверх нижние окна его будут прикрываться, а верхние — открываться, в результате чего давление масла под поршнем сервомотора 4 понизится, поршень переместится вниз и прикроет сопловые клапаны турбины.
При снижении частоты вращения все действия будут происходить в обратном порядке.
Втулка 5 золотника имеет приспособление 6 для перемещения вручную, при помощи которого изменяется установка регулятора, обеспечивающая необходимый скоростной режим.
Схема гидродинамической системы предельного регулирования частоты вращения главного турбозубчатого агрегата, работающего на винт фиксированного шага, установленной на судах отечественной постройки, приведена на рис. 63. Там же показаны и средства защиты турбины, описание которых будет приведено ниже.
Как и на предыдущей схеме, масло под давлением, пропорциональным квадрату частоты вращения импеллера 14, поступает к золотниковому устройству 12, установленному непосредственно над импеллером. Золотник этого устройства находится в динамическом равновесии под действием усилия пружины сверху и давления масла снизу. При перемещении указанного золотника вверх прикрываются нижние и открываются верхние окна, выполненные во втулке золотника. В результате такого открытия одних и закрытия других окон давление масла, выходящего из золотникового устройства и поступающего к регулирующему золотнику 6 сервомотора быстрозапорного клапана 1, будет изменяться.
Так, при частоте вращения ротора турбины менее 103% от номинальной давление масла, развиваемое импеллером, будет недостаточным для преодоления усилия пружины золотникового устройства. Золотник 6 будет находиться в нижнем положении и поэтому давление в импульсном трубопроводе III будет равно давлению в системе смазки.
Рис. 63. Схема автоматического регулирования и защиты ГТЗА:
1 — быстрозапорный клапан; 2 — автоматическая захлопка отбора пара; 3 — регулятор безопасности; 4 — ускорительный клапан; 5 — золотник регулятора безопасности; 6 — золотник сервомотора; 7 — сервомотор; 8 — золотник автоматической захлопки; 9 — вакуум-реле; 10 — масляный выключатель; 11 — устройство защиты от осевого сдвига; 12 — золотник регулятора частоты вращения; 13 — ротор ГТЗА; 14 — импеллер; 15—18 — золотники масляного
выключателя; 19 — реле блокировки валоповоротного устройства
При частоте вращения свыше 103% от номинальной золотник 12 переместится вверх, прикроет нижние и приоткроет верхние окна, в результате чего давление масла в импульсном трубопроводе V повысится, регулирующий золотник 6 сервомотора 7 поднимется, быстрозапорный клапан приоткроется. В случае если частота вращения ротора превысит 108% от номинальной, золотник достигнет своего верхнего положения, при котором нижние окна полностью закрыты, а верхние — полностью открыты. В этом случае давление в импульсном трубопроводе III будет максимальным, равным давлению, развиваемому импеллером, регулирующий золотник сервомотора будет находиться в крайнем верхнем положении, а быстрозапорный клапан будет иметь минимальное открытие. Быстрозапорный клапан полностью закрывается при частоте вращения, на 15% превышающей номинальную.
5.3. Регулирование давления пара в уплотнениях
Для герметизации концевых частей роторов с целью предотвращения утечек пара в машинное отделение и подсоса воздуха на всех режимах работы турбины внутренние паровые камеры уплотнительных коробок сообщаются со специальным паровым коллектором, а наружные паровые камеры соединяются с эжектором, отсасывающим паровоздушную смесь. В паровом коллекторе на всех режимах автоматически поддерживается давление пара в пределах 1,05—1,20 кгс/см2. При повышении давления в коллекторе избыток пара из него стравливается в конденсатор, а при понижении коллектор подпитывается паром из магистрали.
Схема САР давления пара в уплотнениях концевых роторов турбин показана на рис. 64, а конструкция регулирующего органа — на рис. 65.
Рис. 64. Схема САР уплотнения концевых частей роторов турбины:
1 — регулятор давления; 2 — регулирующий клапан; 3 — уравнительный
бачок; 4 — холодильник эжектора отсоса пара от уплотнений
От привода сервомотора 1 внутри втулки перемещается золотник 2. При верхнем положении золотника окна во втулке, соединяющие уравнительный коллектор с паровой магистралью, закрыты, а окна, соединяющие его с конденсатором, открыты. При таком положении золотника происходит стравливание избытка пара на конденсатор.
При перемещении золотника вниз сначала закрываются нижние окна, и прекращается стравливание пара на конденсатор, а при дальнейшем движении его открываются верхние окна и осуществляется подпитка системы паром.
Принцип действия остальных элементов системы понятен из приведенной на рис. 64 схемы САР. В качестве чувствительного элемента регулятора давления обычно используются сильфоны. Усилители применяются золотникового типа, как показано на схеме, либо струйного типа. В качестве рабочей жидкости используется масло либо конденсат.
5.4. Регулирование давления в системе отбора пара
Для повышения экономичности силовой установки пар низких параметров, необходимый для питания вспомогательных механизмов и различного рода подогревателей, берется из промежуточных ступеней турбины.
В зависимости от назначения судна, состава оборудования машинного отделения и тепловой схемы пар может отбираться из промежуточных ступеней главной турбины, работающей на винт, либо из турбин, приводящих в движение генераторы судовой электростанции. Схема системы автоматического регулирования давления в системе отбора будет зависеть от указанных выше обстоятельств.
При отборе пара из промежуточных ступеней турбогенераторов, мощность которых значительно меньше мощности главной турбины, количество отбираемого пара будет соизмеримо с количеством пара, срабатываемым турбиной, поэтому изменение расхода в системе отбора пара будет в значительной степени влиять на колебания частоты вращения ротора.
Рис. 65. Регулирующий орган САР давления пара в концевых
уплотнениях роторов турбины
Для ослабления влияния отбора на колебания частоты вращения схему САР частоты вращения и давления в отборе следует выполнять связанной автономной, сущность которой заключается в том, что регуляторы вращения и давления в отборе должны быть соединены между собой связями, при этом связи подбирают таким образом, чтобы каждый из регуляторов полностью управлял процессом самостоятельно без вмешательства другого. Это означает, что при изменении нагрузки турбогенератора регулятор частоты вращения должен одновременно воздействовать на регулирующие органы как свежего пара, так и пара в отборе, а при изменении давления пара в отборе регулятор давления в отборе должен одновременно воздействовать на те же самые регулирующие органы.
Схема связанного регулирования паровой турбины приведена на рис. 66.
Рис. 66. Схема связанного регулирования частоты вращения ротора
и давления в отборе паровой турбины
В судовых паротурбинных установках в основном осуществляется отбор пара из промежуточных ступеней главной турбины. Давление пара в камерах отбора изменяется в зависимости от режима работы главной турбины, а при стоянке либо работе на задний ход поступление пара из отбора к потребителям не будет иметь места. В связи с этим из промежуточных ступеней пар отбирается только на тех режимах, когда давление в камерах отбора выше давления в магистрали, куда должен подаваться пар. Исходя из изложенного, регулирование давления в системе отбора пара из промежуточных ступеней заключается в сбросе излишков пара от отбора либо подпитке магистрали отбора редуцированным свежим паром.
Для осуществления такого регулирования регулирующий орган САР давления пара выполняют в виде сдвоенного клапана с общим приводом от одного сервомотора. К одному из этих клапанов подается пар из отбора, а к другому — редуцированный свежий пар.
Привод управления этими клапанами устроен так, что каждый из клапанов может открываться только после полного закрытия другого клапана. Для предотвращения обратного движения пара из магистрали в камеру отбора дополнительно устанавливается невозвратный клапан.
5.5. Регулирование температуры масла в системе смазки
Регулирование температуры масла в системе смазки ГТЗА обычно осуществляется изменением количества воды, прокачиваемой через маслоохладитель. Обычно применяют чувствительные элементы температуры масла манометрического типа. Для исключения влияния температуры окружающей среды САР температуры выполняют с двухкаскадным усилителем. В этом случае чувствительный элемент можно располагать непосредственно на маслопроводе.
Схема САР температуры масла с двухкаскадным усилением и жесткой обратной связью приведена на рис. 67.
В представленной схеме первый каскад усиления 1 состоит из чувствительного элемента сильфонного типа и дроссельного усилителя отсечного типа. Корпус усилителя разделен двумя жестко связанными мембранами с промежуточной вставкой, имеющей осевое и боковое отверстия, на три полости, из которых средняя (между мембранами) сообщена со сливом, а нижняя — с чувствительным элементом второго каскада усиления. Отверстие в нижнем торце вставки, соединяющей мембраны, закрыто снизу подпружинным шариком.
При заданном значении температуры масла все три полости усилителя разобщены, а золотник второго каскада усиления находится в среднем положении.
Рис. 67. Схема регулятора температуры масла с двухкаскадным усилением:
1 — первый каскад усиления; 2 — отсечный золотник; 3 — сервомотор;
4 — регулирующий орган
При повышении температуры масла давление паров на донышко сильфона увеличивается, в результате чего мембраны вместе с соединяющей их вставкой переместятся вниз и отожмут шарик от донышка корпуса усилителя, соединяя полость под нижней мембраной, а следовательно, и чувствительный элемент второго каскада усиления с напорной магистралью. Золотник второго каскада усиления переместится вниз, поршень сервомотора переместит регулирующий орган в сторону увеличения подачи охлаждающей воды. При понижении температуры сильфон и связанные с ним мембраны чувствительного элемента под действием пружины переместятся вверх, при этом промежуточная вставка отойдет от шарика и через продольное и поперечное отверстия соединит нижнюю полость усилителя со средней, а также обе полости (верхнюю и нижнюю) чувствительного элемента второго каскада усиления со сливом. Под действием пружины золотник второго каскада усиления переместится вверх, а поршень сервомотора переместит регулирующий орган в сторону уменьшения подачи охлаждающей воды.
При перемещении поршня сервомотора рычаг обратной связи придвинет золотник к среднему положению.
5.6. Системы защиты паротурбинной установки
Современные паровые турбины относятся к категории тепловых двигателей, в которых отдельные параметры, определяющие надежную работу их, в аварийной ситуации изменяются с такой быстротой, что обслуживающий персонал в ряде случаев не в состоянии принять какие-либо меры по предотвращению аварии. В связи с этим для обеспечения безаварийной работы турбины снабжаются устройствами аварийной защиты и сигнализации.
В общем случае современные паротурбинные установки оборудуются защитными устройствами по следующим параметрам:
¾ частота вращения ротора каждой из турбин;
¾ падение вакуума в конденсаторе;
¾ давление в системе смазки;
¾ смещение роторов турбины.
Перечисленные средства защиты воздействуют через масляный выключатель на быстрозапорное устройство, установленное на главном паропроводе. При срабатывании быстрозапорного устройства мгновенно прекращается подача пара к турбине.
Схема включения и взаимодействия масляного выключателя и быстрозапорного устройства показана на рис. 63. Конструкция быстрозапорного устройства 1, включенного в состав маневрового устройства турбины, приведена на рис. 68. В открытом состоянии быстрозапорное устройство удерживается за счет давления на поршень масла, подведенного в верхнюю полость цилиндра.
В случае аварийного значения какого-либо из защищаемых параметров масляный выключатель отключает подачу масла в цилиндр быстрозапорного устройства и сообщает его со сливной магистралью. Давление над поршнем падает до атмосферного, и поршень под действием пружины быстро переместится вверх, закрывая при этом паровой клапан. Первоначально открыть быстрозапорное устройство можно вручную.
Масляный выключатель, установка которого показана на рис. 63 (поз. 10), позволяет воздействовать на один перепускной клапан (см. рис. 68) быстрозапорного устройства нескольким чувствительным элементам, контролирующим различные параметры агрегата.
Защита турбины по частоте вращения ротора срабатывает при превышении ее на 10—12% от номинальной.
Конструктивно защитные устройства выполняются механического и гидродинамического типа, каждое из которых может быть прямого либо непрямого действия.
На главных турбозубчатых агрегатах применяют устройства непрямого действия с гидродинамическим либо механическим чувствительным элементом.
Схема защитного устройства непрямого действия с механическим чувствительным элементом показана на рис. 69.
Чувствительный элемент выполнен в виде бойка 1, центр тяжести которого смещен относительно оси вращения вала турбины. При частоте вращения ротора турбины, не превышающей 110—112% от минимальной, центробежная сила, появляющаяся в результате вращения эксцентрично расположенной массы, уравновешивается натяжением пружины 2.
При превышении указанной частоты вращения центробежная сила преодолевает натяжение пружины, боек выступает за габариты вала и воздействует на рычаг 3, нагруженный пружиной. При повороте рычага замок 4 освобождает масляный золотник 5, который под действием пружины 6 переместится влево и соединит окно 7 со сливным окном.
В результате этого (см. рис. 63) давление в верхней полости перепускного клапана быстрозапорного устройства падает, перепускной клапан перемещается и сообщает полость над поршнем быстрозапорного устройства со сливом; поршень сервомотора под действием пружины перемещается вверх и закрывает паровой клапан быстрозапорного устройства.
В случае применения гидродинамического чувствительного элемента (импеллера) масло от него подводится к нижней полости золотника масляного выключателя, изображенного на рис. 70. Этот золотник находится в равновесии под действием пружины сверху и давления масла от импеллера — снизу. При частоте вращения, не превышающей допустимой, золотник находится в нижнем положении. При повышении частоты вращения сверх допустимой под действием повысившегося давления масла золотник 1 переместится вверх, а напорное масло через осевое и радиальное сверления в золотнике и систему отверстий в корпусе поступит в верхнюю полость золотника выключателя 5, который опускаясь вниз, сообщит верхнюю полость перепускного клапана быстрозапорного устройства (см. рис. 68) со сливной магистралью, в результате чего поршень сервомотора быстрозапорного устройства под действием пружины переместится вверх и закроет паровой клапан.
Рис. 69. Схема предельного регулятора скорости непрямого действия:
1 – боек; 2, 6 – пружины; 3 – рычаг; 4 – замок; 5 – масляный золотник; 7 и 8 - окна
Защита по падению давления в системе смазки состоит из устройств, осуществляющих запуск резервного масляного насоса и прекращение подачи пара к турбине, если в результате пуска резервного насоса давление масла не повысилось.
Устройство для автозапуска резервного масляного насоса включает в себя реле давления, срабатывающее при падении давления. В случае, если резервный масляный насос имеет электрический привод, реле давления включает пусковое устройство электродвигателя насоса при наличии турбоприводного резервного масляного насоса реле давления открывает клапан на трубопроводе свежего пара.
В случае, если после пуска резервного масляного насоса давление в системе смазки продолжает падать, золотник 4 масляного выключателя (см. рис. 70), поддерживаемый в верхнем положении давлением масла из системы смазки, под действием пружины переместится вниз, а быстрозапорное устройство прекратит подачу пара к турбине аналогично случаю превышения частоты вращения.
Защита по падению вакуума в конденсаторе. Падение вакуума или повышение давления в конденсаторе свидетельствует о неисправностях конденсатора (прекращение прокачки забортной водой, выход из строя эжектора, нарушение плотности и т.д.), поэтому при снижении вакуума до 500 — 550 мм рт.ст. турбина должна быть остановлена. В качестве чувствительного элемента, измеряющего давление в конденсаторе, обычно применяют вакуум-реле, конструкция которого приведена на рис. 71.
При падении вакуума, т.е. при повышении давления, в конденсаторе мембрана 1 вакуум-реле прогнется, переместит золотник 2 вниз и соединит верхнее и нижнее окна золотника между собой. Так как одно из окон сообщено с напорной масляной магистралью, а другое — с золотником 2 масляного выключателя (см. рис. 70), то в результате сработает масляный клапан быстрозапорного устройства и прекратит подачу пара к турбине.
Защита от осевого смещения роторов турбины. В качестве чувствительного элемента, измеряющего осевой сдвиг ротора турбины обычно используется проточный масляный золотник (реле осевого сдвига), схема которого приведена на рис. 72.
При перемещении ротора турбины вследствие выплавления упорного подшипника изменится зазор между гребнем вала 1 турбины и выходным сечением золотника, что приведет к изменению давления импульсного масла. В результате этого золотник 3 масляного выключателя переместится, сработает быстрозапорное устройство и прекратится подача пара к турбине.
Информация в лекции "Психология наблюдательности и методика ее развития" поможет Вам.
Рис. 71. Датчик системы защиты по падению Рис. 72. Проточный золотник защиты агрегата
вакуума в конденсаторе (вакуум-реле): по осевому смещению ротора турбины:
1 — мембрана; 2 — золотник; 3 — золотниковая 1 — гребень вала; 2 — корпус; 3 — золотниковая
втулка;4 — ограничитель хода втулка; 4 — золотник; 5 — дроссельные шайбы
Вопросы для самоконтроля:
- Назвать регулируемые величины в паротурбинной установке.
- Как осуществляется регулирование давления в системе отбора пара?
- По каким параметрам оборудуются современные паротурбинные установки в плане их защиты?
Литература [6, 9].
