Паротурбинная установка с охлаждением элементов проточной части цилиндра низкого давления на малорасходных режимах
STEAM TURBINE PLANT WITH COOLING OF THE ELEMENTS OF THE LOW-PRESSURE CYLINDER FLOW PATH IN LOW-FLOW MODES

Предлагаемое техническое решение относится к области энергомашиностроения, в частности, паротурбиностроения, и может быть использовано при проектировании и модернизации проточных частей цилиндров низкого давления паровых турбин тепловых и атомных станций.
Актуальной задачей паротурбиностроения в настоящее время является повышение надежности работы элементов проточных частей цилиндров низкого давления паровых турбин, в том числе диафрагм, рабочих лопаток, роторов, выхлопных патрубков, корпусов подшипников. При работе паровой турбины существенной технической проблемой является перегрев указанных элементов на малорасходных режимах. Малорасходным режимом является режим с малым расходом пара через проточную часть, недостаточным для отвода тепла, выделяемого в процессе вентиляционной работы рабочих лопаток. Перегрев направляющих лопаток может привести к недопустимому снижению их прочности с возможным увеличением прогиба диафрагм и возникновением трещин в лопатках, особенно в сварных швах при сварной конструкции лопаток. Перегрев рабочих лопаток может привести к недопустимым удлинениям с уменьшением радиальных зазоров и возможным задеванием о статор, снижению механических свойств рабочих лопаток, ослаблению крепления элементов пассивной противоэрозионной защиты рабочих лопаток (при их наличии), снижению надежности демпферных связей и, соответственно, ухудшению вибрационного состояния рабочих лопаток. Перегрев роторов может привести к их погибам, а также к перегреву подшипников и изменению эксплуатационных свойств турбинного масла. Перегрев выхлопных патрубков может привести к их недопустимым деформациям вплоть до задевания о рабочие лопатки, недопустимому повышению температуры машинного зала, нагреву корпусов подшипников, ведущему к их деформации с возможным изменением зазоров между ротором и масляными уплотнениями и изменению эксплуатационных свойств турбинного масла.
Решением вышеуказанной технической проблемы является разработка конструкции паротурбинной установки с эффективным охлаждением элементов проточной части цилиндра низкого давления паровой турбины на малорасходных режимах.
Известно изобретение «Выхлопной патрубок паровой турбины» (патент РФ№2290516; F01D 25/30; дата публикации 27.12.2006 г.). Данное решение направлено на повышение надежности и экономичности цилиндра низкого давления на малорасходных режимах за счет эффективного охлаждения последней ступени и выхлопного патрубка. Паровая турбина содержит цилиндр низкого давления с проточной частью и выхлопным патрубком. В проточной части размещен ротор с рабочими лопатками и диафрагма с направляющими лопатками. Выхлопной патрубок включает расположенный за рабочими лопатками коллектор, подключенный к источнику охлаждающего пара и сообщенный с проточной частью турбины кольцевой щелью, оснащенной направляющим аппаратом с лопатками. Применение данного технического решения обеспечивает охлаждение последней ступени проточной части турбины и выхлопного патрубка при помощи образования кольцевой струи с критической скоростью истечения из направляющего аппарата.
Недостатком данного технического решения является то, что периферийная часть комплекта рабочих лопаток и выхлопного патрубка расположены на значительном удалении от кольцевой щели с направляющим аппаратом, что может привести к недостаточно эффективному охлаждению этих элементов.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому техническому решению по совокупности существенных признаков и выбранным в качестве прототипа, является изобретение «Энергетическая паротурбинная установка, имеющая паровую турбину, и способ охлаждения паровой турбины в режиме вентиляции» (патент ЕР 0929736; F01D 5/18, F01D 9/02, F01D 25/08, F01D 25/12, F01K 7/22, F01K 13/02; дата публикации 12.11.2003 г.). Паротурбинная установка включает паровую турбину, содержащую цилиндр низкого давления с паровпускным патрубком и проточной частью, в которой размещен ротор с рабочими лопатками, диафрагмы с направляющими лопатками и выхлопной патрубок. По меньшей мере одна диафрагма снабжена полыми направляющими лопатками и ободом с кольцевой камерой. Каждая полая направляющая лопатка имеет по меньшей мере одну внутреннюю полость с каналами для выпуска охлаждающего влажного пара, соединяющими внутреннюю полость с проточной частью. Внутренняя полость выполнена сквозной по всей высоте направляющей лопатки. Каналы для выпуска охлаждающего влажного пара выполнены в виде отверстий круглой или эллиптической формы. Кольцевая камера соединена с трубопроводом подачи охлаждающего влажного пара, соединенным с трубопроводом подачи пара и трубопроводом подачи конденсата. Оба последних трубопровода соединены с емкостью для конденсата. Изобретение направлено на охлаждение паровой турбины в режиме вентиляции (малорасходном режиме).
При работе на малорасходном режиме за счет распыления конденсата в потоке подводимого пара создается поток охлаждающего влажного пара, который через кольцевую камеру, сквозные внутренние полости и каналы для выпуска охлаждающего влажного пара в направляющих лопатках подается в проточную часть в виде охлаждающей пленки для регулируемого охлаждения паровой турбины.
Недостатком данного решения является то, что внутренние полости в направляющих лопатках выполнены сквозными, что может приводить к непроизводительной с точки зрения охлаждения циркуляции охлаждающего влажного пара в сквозных внутренних полостях направляющих лопаток и кольцевой камере обода диафрагмы, а также то, что вдув охлаждающего влажного пара через каналы для выпуска охлаждающего влажного пара в виде круглых или эллиптических отверстий не создает сплошной охлаждающей завесы, что снижает эффективность охлаждения элементов проточной части цилиндра низкого давления на малорасходных режимах.
Также недостатком данного решения является то, что охлаждающий влажный пар подводится по одному трубопроводу подачи охлаждающего влажного пара, что не обеспечивает заполнение охлаждающим влажным паром кольцевой камеры обода по всей окружности и, соответственно, не обеспечивает подачу указанного пара к сквозным внутренним полостям и каналам для выпуска охлаждающего влажного пара направляющих лопаток, находящихся на значительном удалении от трубопровода подачи охлаждающего влажного пара. Указанный недостаток значительно снижает эффективность охлаждения элементов проточной части цилиндра низкого давления на малорасходных режимах.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эксплуатационной надежности паротурбинной установки за счет эффективного охлаждения элементов проточной части цилиндра низкого давления на малорасходных режимах в целях предотвращения недопустимых деформаций данных элементов, а также недопустимого снижения прочностных свойств их материала и, соответственно, продления срока службы диафрагм и рабочих лопаток.
Для достижения, указанного выше технического результата паротурбинная установка включает паровую турбину, содержащую цилиндр низкого давления с паровпускным патрубком и проточной частью, в которой размещен ротор с рабочими лопатками, диафрагмы с направляющими лопатками и выхлопной патрубок. По меньшей мере одна диафрагма снабжена полыми направляющими лопатками и ободом с кольцевой камерой, причем каждая полая направляющая лопатка имеет по меньшей мере одну внутреннюю полость с каналами для выпуска охлаждающего влажного пара, соединяющими внутреннюю полость с проточной частью, а кольцевая камера сообщена с трубопроводом подачи охлаждающего влажного пара, соединенным с трубопроводом подачи пара и трубопроводом подачи конденсата.
При этом, согласно заявляемому изобретению, внутренняя полость выполнена на высоте 0,15-0,25 высоты каждой полой направляющей лопатки в ее периферийной зоне со стороны выходной кромки, а каналы для выпуска охлаждающего влажного пара выполнены в виде сквозных щелей.
Кольцевая камера сообщена по меньшей мере с двумя трубопроводами охлаждающего влажного пара, каждый из которых имеет прямой участок на входе в кольцевую камеру, при этом длина прямого участка составляет от трех до шести диаметров указанного трубопровода.
В месте соединения начала каждого прямого участка с соответствующими трубопроводом подачи пара и трубопроводом подачи конденсата, установлен смеситель.
Трубопровод подачи пара соединен с паровпускным патрубком, а трубопровод подачи конденсата соединен с трубопроводом основного конденсата.
Смеситель выполнен в виде корпуса круглого сечения с концентрично установленным внутри него сужающимся соплом с отверстиями для впрыска конденсата, равномерно расположенными по окружности сопла.
Выполнение внутренней полости на высоте 0,15-0,25 высоты каждой полой направляющей лопатки в ее периферийной зоне со стороны выходной кромки, позволяет избежать избыточной потери вдуваемого охлаждающего влажного пара, в отличие от сквозных внутренних полостей направляющих лопаток в прототипе, где возможна паразитная циркуляция охлаждающего пара. Выполнение внутренней полости на определенной высоте соответствует полученным расчетным путем оптимальным значениям расхода охлаждающего пара для уменьшения расхода пара и конденсата и повышения эффективности охлаждения элементов проточной части.
Выполнение каналов для выпуска охлаждающего влажного пара в виде сквозных щелей, позволяет обеспечить при работе на малорасходных режимах сплошную коническую зону, подвергаемую охлаждению, что позволяет избежать повышения температуры материала диафрагмы, рабочих лопаток, ротора, выхлопного патрубка, корпуса подшипника выше допустимой и предотвратить деформации данных элементов, а также недопустимое снижение прочностных свойств их материала.
Сообщение кольцевой камеры по меньшей мере с двумя трубопроводами охлаждающего влажного пара, каждый из которых имеет прямой участок на входе в кольцевую камеру, обеспечивает равномерное распределение подводимого охлаждающего влажного пара по кольцевой камере обода диафрагмы, подачу охлаждающего влажного пара во внутренние полости всех направляющих лопаток, что повышает эффективность охлаждения элементов проточной части цилиндра низкого давления. Наличие прямых участков трубопроводов подачи охлаждающего влажного пара между местом присоединения смесителей к указанным трубопроводам и входом в кольцевую камеру обода, обеспечивает гарантированное смешение пара и конденсата для получения охлаждающего влажного пара требуемых параметров (температуры и дисперсности). Значение длины прямых участков от трех до шести диаметров трубопроводов подачи охлаждающего влажного пара определяется расчетным путем из соображений необходимости обеспечения равномерности указанных параметров охлаждающего пара.
Установка смесителя в месте соединения начала каждого прямого участка с соответствующими трубопроводом подачи пара и трубопроводом подачи конденсата предназначена для подготовки охлаждающего влажного пара и последующей его подачи в кольцевую камеру обода диафрагмы.
Для эффективного и равномерного перемешивания пара и конденсата смеситель выполнен в виде корпуса круглого сечения с концентрично установленным внутри него сужающимся соплом с отверстиями для впрыска конденсата, равномерно расположенными по окружности сопла.
Таким образом, предлагаемая конструкция паротурбинной установки в раскрытой выше совокупности существенных признаков позволяет обеспечить повышение ее эксплуатационной надежности за счет эффективного охлаждения на малорасходных режимах таких элементов, как диафрагма, рабочие лопатки, ротор, выхлопной патрубок, корпус подшипника, размещенных в проточной части цилиндра низкого давления, в целях предотвращения недопустимых деформаций данных элементов, а также недопустимого снижения прочностных свойств их материала и, соответственно, продления срока службы диафрагм и рабочих лопаток.
Представленные графические материалы содержат пример конкретного выполнения паротурбинной установки с охлаждением элементов проточной части цилиндра низкого давления на малорасходных режимах.
На фиг. 1 представлена часть принципиальной тепловой схемы паротурбинной установки; на фиг. 2 - вид проточной части цилиндра низкого давления в меридиональной плоскости, на фиг. 3 - главный вид диафрагмы с присоединенными к ней трубопроводами, на фиг. 4 - сечение А-А направляющей лопатки в горизонтальной плоскости в месте расположения внутренней полости, на фиг. 5 - выносной элемент Б, на котором показан смеситель.
На фиг. 1 части принципиальной схемы паротурбинной установки схематично изображен только цилиндр низкого давления 1 с паровпускным патрубком 2 и выхлопным патрубком 3. Изображение является также применимым в схемах, в которых имеется несколько (один или больше) цилиндров низкого давления, а также цилиндр высокого давления и цилиндр среднего давления. Компоненты схемы связаны между собой соединительными трубопроводами. Паровпускной патрубок 2 соединен трубопроводом подачи пара 4 с трубопроводом конденсата 5, причем в месте соединения установлен смеситель 6, в свою очередь соединенный трубопроводом подачи охлаждающего влажного пара 7 с цилиндром низкого давления 1. Выхлопной патрубок 3 соединен с конденсатором 8, из которого конденсат конденсатным насосом 9 подается в трубопровод основного конденсата 10 паротурбинной установки, при этом часть конденсата подается по трубопроводу 5 к смесителю 6.
На фиг. 2 изображен цилиндр низкого давления 1 с проточной частью, в которой размещен ротор 11 с рабочими лопатками 12, диафрагма 13 с полыми направляющими лопатками 14, ободом 15 с кольцевой камерой 16, выхлопной патрубок 3, подшипник 17. В конкретном примере выполнения показана одна диафрагма 13. Количество диафрагм 13, снабженных полыми направляющими лопатками 14, определяется габаритами диафрагм 13 и рабочих лопаток 12 и, соответственно, уровнем опасности перегрева элементов проточных частей. Каждая полая направляющая лопатка 14 имеет одну внутреннюю полость 18 с сквозными щелями 19 для выпуска охлаждающего влажного пара, соединяющих внутреннюю полость 18 с проточной частью (см. фиг. 4). Внутренняя полость 18 выполнена на высоте h=0,15-0,25 высоты Н каждой полой направляющей лопатки 14 в ее периферийной зоне со стороны выходной кромки. Количество внутренних полостей 18 определяется необходимой эффективностью охлаждения, т.е. количеством охлаждающего пара, подводимого к диафрагме 13. Сквозные щели 19 имеют ширину и протяженность, расположение относительно обода 15, и выполняются в количестве, достаточном для создания сплошной конической зоны охлаждения за направляющими лопатками 14, обеспечивающей надежное охлаждение элементов проточной части. В конкретном примере выполнения показана одна сквозная щель 19.
Кольцевая камера 16 сообщена с двумя трубопроводами подачи охлаждающего влажного пара 7 (см. фиг. 3). Количество трубопроводов 7 определяется необходимостью равномерного подвода охлаждающего пара к сквозным щелям 19 всех направляющих лопаток 14. Каждый трубопровод подачи охлаждающего влажного пара 7 имеет прямой участок на входе в кольцевую камеру 16. Длина L прямого участка составляет от трех до шести диаметров D трубопровода 7. В месте соединения начала каждого прямого участка с соответствующими трубопроводом подачи пара 4 и трубопроводом подачи конденсата 5, установлен смеситель 6. Смеситель 6 выполнен в виде корпуса круглого сечения 20 с концентрично установленным внутри него сужающимся соплом 21 с отверстиями 22 для впрыска конденсата, равномерно расположенными по окружности сопла 21 (см. фиг. 5). Предлагаемая конструкция работает следующим образом.
На малорасходных режимах работы паротурбинной установки по двум трубопроводам подачи пара 4 от паровпускного патрубка 2 пар подается в смесители 6, в которых смешивается с конденсатом, подаваемым по трубопроводам подачи конденсата 5. На прямых участках трубопроводов подачи охлаждающего влажного пара 7 происходит гарантированное смешение пара и конденсата и, соответственно, приготовление охлаждающего влажного пара заданных параметров. Охлаждающий влажный пар поступает в кольцевую камеру 16 обода 15 диафрагмы 13 и далее, растекаясь в тангенциальном направлении, поступает во внутренние полости 18 направляющих лопаток 14, и далее через сквозные щели 19 в проточную часть, охлаждая диафрагму 13, рабочие лопатки 12, ротор 11, выхлопной патрубок 3 и предупреждая перегрев подшипника 17. Охлаждающий пар, пройдя охлаждаемые элементы, из выхлопного патрубка 3 поступает в конденсатор 8, преобразуется в конденсат, и далее поступает при помощи конденсатного насоса 9 в трубопровод основного конденсата 10.