Способ управления регулирующими клапанами паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки и устройство для его осуществления
ICEBREAKER TURBO-GENERATOR ELECTRIC PROPULSION UNIT STEAM TURBINE CONTROL VALVES CONTROL METHOD AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при регулировании судовых паровых турбин, в частности - паровых турбин в составе ледокольных турбогенераторных установок.
В настоящее время все судовые главные энергетические установки, в том числе с паровыми турбоагрегатами, оснащаются системами автоматического регулирования, реализующими различные способы управления агрегатами, в частности - способ формирования регулирующих воздействий на исполнительные механизмы органов управления - регулирующих клапанов турбины в зависимости от сигнала рассогласования заданной и фактической частоты вращения ее ротора [1], [2].
Известен способ управления регулирующими клапанами паровой турбины, реализованный в электрогидравлической системе регулирования и парораспределения паровой турбины, структура и принцип действия которой представлены в патенте [3], являющийся ближайшим к предложенному способу по технической сущности и достигаемому результату.
Известный способ состоит в том, что в турбине с двумя и более подводами пара со своими органами парораспределения, например - регулирующими клапанами, симметрично расположенными относительно корпуса турбины и подключенными по пару к приемным патрубкам общей для них сопловой камеры турбины, управление клапанами осуществляют путем их синхронного перемещения с применением механизмов управления, например, силовых гидроприводов, путем перемещения регулирующих клапанов в сторону открытия или прикрытия по сигналам рассогласования заданных и фактических значений регулируемых параметров, например, частоты вращения ротора турбины.
Надежность механизмов управления паровой турбины, в том числе имеющей два и более подвода пара со своими органами парораспределения - регулирующими клапанами, в частности - надежность гидромеханических узлов управления, к которым относятся собственно регулирующие клапаны, а также гидравлические приводы, в большой степени определяется сроком службы указанных составных частей гидромеханических узлов, постоянно находящихся в движении.
Следует отметить, что условия работы паровых турбин в составе ледокольных турбогенераторных установок существенным образом отличаются от условий работы стационарных энергетических турбин, которые могут сутками и месяцами работать в установившихся режимах генерации электроэнергии и передачи ее в энергосеть.
При движении судна в ледовых условиях нагрузка на паровую турбину может изменяться в широком диапазоне по несколько десятков раз в час.
Актуальность увеличения срока службы гидромеханических узлов системы регулирования ледокольной турбоустановки, эксплуатирующейся в столь сложных условиях, очень велика.
Недостатком известного способа управления регулирующими клапанами турбины с двумя и более подводами пара со своими органами парораспределения, например -регулирующими клапанами, симметрично расположенными относительно корпуса турбины и подключенными по пару к приемным патрубкам общей для них сопловой камеры турбины, применительно к ледокольной турбогенераторной гребной электрической установке, является пониженная надежность систем регулирования, реализующих известный способ, обусловленная нерациональностью использования моторесурса механизмов управления регулирующими клапанами турбины при синхронном их движении.
Цель изобретения - повышение надежности и ресурса механизмов управления регулирующими клапанами паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки.
Для достижения поставленной цели в паровой турбине с двумя и более подводами пара, симметрично расположенными относительно корпуса турбины и подключенными по пару к приемным патрубкам общей для них сопловой камеры турбины, регулирующие клапаны перемещают таким образом, что расходы пара через все регулирующие клапаны в сумме обеспечивают мощностной режим турбины, а управление каждым отдельным клапаном с применением своих механизмов управления осуществляют, предварительно подсчитывая наработку каждого механизма управления клапаном в общей наработке турбины, и после достижения заранее заданного времени наработки включают в работу последовательно каждый из механизмов управления регулирующими клапанами турбины.
Также по предлагаемому способу динамические изменения расходов пара в турбину производят путем воздействия на минимально возможное количество механизмов управления регулирующими клапанами из общего их количества на турбине, удерживая остальные механизмы управления в неподвижном состоянии при разных положениях управляемых ими регулирующих клапанов.
Для реализации предложенного способа управления регулирующими клапанами паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки также заявляется устройство, а именно - электрогидравлическая система регулирования и парораспределения паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки, содержащая счетчик моторесурса турбины, регулятор частоты вращения ротора турбины, к входу которого подключены задатчик номинальной и датчик фактической частоты вращения ротора турбины, а также содержащая электрогидравлические преобразователи, выходами соединенные с гидроцилиндрами силовых гидроприводов управления регулирующими клапанами турбины, а входами соединенные с выходами сумматоров, входы которых подключены к выходам датчиков обратных связей по положению регулирующих клапанов и выходу регулятора частоты вращения турбины, в которой, согласно предлагаемому изобретению, между выходом регулятора частоты вращения турбины и входами сумматоров введены программируемые, согласно способу, ограничители сигнала, управляющие входы которых подключены к счетчику моторесурса турбины.
Предложенный способ управления регулирующими клапанами паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки иллюстрируется схемой, представленной на фиг. 1, где показана заявляемая электрогидравлическая система регулирования паровой турбины 1 ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки 2, содержащая счетчик 3 моторесурса турбины, регулятор 4 частоты вращения турбины 1, к входу которого подключены задатчик 5 номинальной и датчик 6 фактической частоты вращения ротора турбины 1, а также содержащая электрогидравлические преобразователи 7 и 8, выходами соединенные с гидроцилиндрами силовых гидроприводов 9 и 10 управления регулирующими клапанами 11 и 12 паровой турбины 1, а входами соединенные с выходами сумматоров 13 и 14, входы которых подключены к выходам датчиков 15 и 16 обратных связей по положению регулирующих клапанов 11 и 12, и к выходу регулятора 4 частоты вращения ротора турбины 1.
Согласно изобретению, между выходом регулятора 4 частоты вращения ротора турбины 1 и входами сумматоров 13 и 14 введены программируемые ограничители сигнала 17 и 18, управляющие входы которых подключены к счетчику 3 моторесурса турбины 1.
Функционирование заявляемой электрогидравлической системы регулирования паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки, реализующей заявленный способ управления регулирующими клапанами паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки, происходит следующим образом.
В эксплуатационном режиме турбина 1 вращает ротор генератора Г, питающего гребной электродвигатель М, приводящий во вращение гребной винт судовой гребной электрической установки 2. При отклонениях фактической частоты вращения ротора турбины 1 от заданной, сформированных сигналами от задатчика 5 и датчика 6 частоты вращения турбины, поступающими на вход регулятора 4, выходной сигнал регулятора 4 воздействует через сумматоры 13 и 14, электрогидравлические преобразователи 7 и 8 на силовые гидроприводы 9 и 10, перемещающие регулирующие клапаны 11 и 12 турбины 1 в новое положение. При этом в сумматорах 13 и 14 происходит компенсация сигналами обратных связей датчиков 15 и 16 выходных сигналов управляемых ограничителей сигналов 17 и 18.
Таким образом, каждому значению выходных сигналов ограничителей 17 и 18 в установившихся режимах работы турбины будет соответствовать определенное положение регулирующих клапанов, при этом суммарный расход пара через оба регулирующих клапана обеспечивает мощностной режим турбины.
В заявляемой электрогидравлической системе регулирования и парораспределения паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки, реализующей заявляемый способ управления, сигналы, поступающие на управляющие входы программируемых ограничителей сигналов 17 и 18 от счетчика моторесурса 3, вызывают изменение уровней ограничения сигнала, поступающего на ограничители с выхода регулятора 4 частоты вращения ротора турбины 1.
Причем, изменение уровней ограничения в программируемых ограничителях 15 и 16 происходит по-разному.
Например, в первый заранее заданный период времени эксплуатации турбины 1, отсчитываемый счетчиком 3 моторесурса турбины 1, ограничение сигнала от регулятора 4 происходит в ограничителе 17, следствием чего является некоторое прикрытие и фиксация в неподвижном состоянии регулирующего клапана 11. В этом положении обеспечивается сохранение моторесурса собственно клапана 11 и механизма управления регулирующим клапаном 11, включая гидропривод 9, что увеличивает его срок службы и, соответственно - надежность всей системы регулирования и парораспределения паровой турбины.
В рассматриваемой ситуации происходит некоторое снижение частоты вращения ротора турбины 1, уменьшается сигнал с датчика 6 частоты вращения, и регулятор 4 частоты вращения, увеличивая свой выходной сигнал, увеличивает открытие регулирующего клапана 12, выводя частоту вращения ротора турбины 1, на заданное значение, сформированное задатчиком 5.
Таким образом, произошла компенсация недостающего расхода пара через регулирующий клапан 11 за счет увеличения расхода пара через регулирующий клапан 12, который находится в работе и вырабатывает свой моторесурс. Изменение мощностного режима при этом возможно и происходит за счет перемещения только одного регулирующего клапана, а именно - 12.
Далее, согласно заявленному способу, через заранее заданный отрезок времени, рассчитываемый по результатам счетчика моторесурса 3, в программируемом ограничителе 17, происходит программное изменение уровня ограничения, и регулирующие клапаны 11 и 12 и их гидроприводы 9 и 10 занимают новые положения при неизменном мощностном режиме турбины. При этом зона перемещений клапана 12 сместится в другое место, что обеспечит более равномерную выработку деталей механизма управления клапанами в местах их соприкосновения и трения.
Аналогичным образом осуществляется работа системы регулирования при включении в работу программируемого ограничителя 18. При этом происходит выработка моторесурса регулирующего клапана 11, а клапан 12 фиксируется в неподвижном состоянии, в котором экономится моторесурс клапана 12 и его механизма управления с гидроприводом 10.
В системе регулирования на фиг 1 присутствуют два регулирующих клапана со своими гидроприводами, но в общем случае регулирующих клапанов может быть больше, и по предлагаемому способу, предварительно подсчитывая наработку каждого механизма управления клапаном в общей наработке турбины, после достижения заранее заданного времени наработки включают в работу последовательно каждый из механизмов управления регулирующими клапанами турбины.
При этом динамические изменения расходов пара в турбину производят путем воздействия на минимально возможное количество механизмов управления регулирующими клапанами из общего их количества на турбине (в случае системы на фиг. 1 - один клапан из двух удерживается в неподвижном состоянии, второй - работает), удерживая остальные механизмы управления в неподвижном состоянии при разных положениях управляемых ими регулирующих клапанов.
Заявляемая система электрогидравлическая система регулирования паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки обеспечивает в процессе эксплуатации турбины:
1) изменение во времени зон статических положений гидромеханической и паровой частей парораспределительных органов турбины, при котором более равномерно и в меньшей степени вырабатываются поверхности деталей в местах трения;
2) отработку возмущений турбины в установившихся эксплуатационных режимах поочередно одним и другим парораспределительным органом при неподвижном соседнем в соответствии с заранее заданным и запрограммированным алгоритмом в программируемых ограничителях. Такая, запрограммированная во времени, поочередная работа парораспределительных органов турбины позволяет увеличивать их суммарный срок службы.
Дополнительным преимуществом заявляемой системы является повышенная степень устойчивости автоматического регулирования в контуре под держания заданной частоты вращения турбины вследствие того, что в установившихся эксплуатационных режимах турбогенераторной установки отработка относительно небольших возмущений в системе регулирования происходит только одним регулирующим клапаном 11 или 12, второй - 12 или 11 - неподвижен при нахождении выходного сигнала регулятора 4 в зоне действия соответствующего программируемого ограничителя 17 или 18.
Таким образом, при использовании предложенного изобретения достигается заявленная цель изобретения, а именно - повышается надежность и ресурс механизмов управления регулирующими клапанами паровой турбины ледокольной турбогенераторной гребной электрической установки.
1. М.А. Воскресенский, Б.И. Есин «Электрогидравлическая система регулирования судовой турбины», а.с. №404705, F01D 17/24, 25.03.1975.
2. М.А. Воскресенский, В.А. Гулый, Б.И. Есин «Электрогидравлическая система регулирования судовой паротурбинной установки», а.с. №714026, F01D 17/22, 05.02.1980.
3. В.В. Благовещенский, Ю.Л. Лукашенко, Ю.М. Семенов, С.Д. Циммерман «Паровпуск паровой турбины», патент №2204022, F01D 17/26, 10.05.2003.