ПАРОВАЯ ТУРБИНА И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
STEAM TURBINE AND OPERATION METHOD THEREOF

Настоящее изобретение относится к паровой турбине, а также к способу ее эксплуатации.
На тепловых электростанциях для работы паровых турбин в качестве рабочей среды применяют пар. Водяной пар нагревают в паровом котле и в качестве технологического пара направляют по трубопроводам в паровую турбину. В паровой турбине полученную тепловую энергию рабочей среды преобразуют в кинетическую энергию. Посредством кинетической энергии приводят в действие генератор, преобразующий полученную механическую энергию в электрическую энергию. После этого дросселированный и охлажденный технологический пар поступает в конденсатор для конденсирования путем теплоотдачи в теплообменнике, и затем его в жидком виде снова подают в паровой котел для нагревания.
Обычные паровые турбины включают, по меньшей мере, блок высокого давления и, по меньшей мере, блок низкого давления. В блоке низкого давления температура технологического пара сильно падает, что может вызвать частичную конденсацию технологического пара. При этом блок низкого давления высокочувствителен к влажности технологического пара. Если влажность технологического пара в блоке низкого давления паровой турбины достигает примерно 8-10%, необходимо принять меры для понижения влажности технологического пара до допустимого значения перед его входом в блок низкого давления.
Для повышения КПД теплоэлектростанции (ТЭЦ) технологический пар перед подачей в блок низкого давления подают в блок промежуточного перегрева. В блоке промежуточного перегрева технологический пар нагревают для понижения влажности. При таком промежуточном перегреве массовый поток пара целиком выводят после блока низкого давления из паровой турбины, подают его в блок промежуточного перегрева и доводят его температуру примерно до температуры острого пара. Затем технологический пар подается в часть низкого давления. Без такого промежуточного перегрева паровую турбину следует останавливать, так как капли водного конденсата могут попасть на лопатки вращающейся турбины и повредить ее.
В многоступенчатых паровых турбинах между отдельными ступенями турбины осуществляют такой промежуточный перегрев технологического пара. Это повышает КПД, так как перегретый водяной пар обеспечивает более эффективную отдачу механической энергии в ступенях турбины.
В случае встраивания системы промежуточного перегрева в паровую турбину материал внешней стенки, в частности между отдельными ступенями турбины испытывает высокие нагрузки. Из первой ступени турбины забирают более холодный водяной пар, подают его на промежуточный перегрев, а нагретый технологический пар подают во вторую ступень турбины. При этом на внешней стенке перехода между первой и второй ступенями турбины возникает большой перепад температур. Из-за близкого расположения первой ступени турбины, из которой забирают более холодный технологический пар, и начала второй ступени турбины, куда подают горячий технологический пар после промежуточного перегрева, во внешней стенке возникает высокое термонапряжение. Это может привести к негерметичности или трещинам внешней стенки. Также существует опасность образования конденсата на внутренней стенке внешнего корпуса, так как при заборе холодного технологического пара из первой ступени турбины присутствуют параметры влажного пара. Тем самым возрастает термонапряжение на внешней стенке. Чтобы перегретый технологический пар не вызывал вредное термонапряжение, перегретый технологический пар охлаждают для снижения термонапряжения. Это, как правило, осуществляют в предвключенных впускных корпусах. Однако эти дополнительные впускные корпуса могут вызвать энергопотери.
У паровых турбин с однослойным корпусом и промежуточным перегревом сильно перегретый технологический пар заводят в турбину в двух местах. При этом высоким тепловым нагрузкам подвержен, в частности, внешний корпус паровой турбины за счет возникающей температуры и давления.
Паровые турбины с промежуточным перегревом выполняют до настоящего времени либо с двухслойным корпусом турбины, либо применяют в них более низкие параметры пара, чтобы избежать перегрузки однослойного внешнего корпуса.
Однако возникающие необходимые параметры часто превышают возможные параметры однослойного корпуса турбины. В европейском патенте EP 2 997 236 B1 раскрыта паровая турбина, в которой указанная проблематика учтена, по меньшей мере, частично.
В основу изобретения положена задача, предложить компактную, безопасную и эффективную паровую турбину, а также способ соответствующей эксплуатации паровой турбины.
Указанную задачу решают посредством формулы изобретения. В частности, указанную задачу решают посредством паровой турбины по пункту 1 формулы, а также посредством способа по пункту 10 формулы. Другие предпочтительные варианты раскрыты в зависимых пунктах формулы, в описании и на чертежах. При этом описанные в связи с этой паровой турбиной признаки и подробности действительны как для этой паровой турбины, так и для способа по данному изобретению, и соответственно наоборот, что обеспечивает постоянную возможность взаимообратной ссылки при раскрытии изобретения на отдельные аспекты изобретения.
По первому аспекту изобретения предложена паровая турбина. Паровая турбина имеет внешний корпус паровой турбины. Паровая турбина имеет также внутренний корпус высокого давления с первым участком входа технологического пара и первым участком выхода технологического пара для пропускания технологического пара через внутренний корпус высокого давления от первого участка входа технологического пара к первому участку выхода технологического пара в первом устройстве разрежения технологического пара. Паровая турбина имеет также внутренний корпус низкого давления со вторым участком входа технологического пара и вторым участком выхода технологического пара для пропускания технологического пара через внутренний корпус низкого давления от второго участка входа технологического пара ко второму участку выхода технологического пара во втором устройстве разрежения технологического пара. Кроме этого паровая турбина имеет блок промежуточного перегрева, расположенные ниже по течению внутреннего корпуса высокого давления и выше по течению внутреннего корпуса низкого давления, причем внутренний корпус высокого давления и внутренний корпус низкого давления расположены внутри внешнего кожуха паровой турбины. Внутренний корпус высокого давления и внутренний корпус низкого давления расположены таким образом, первый участок входа пара внутреннего корпуса высокого давления обращен в сторону второго участка входа пара внутреннего корпуса низкого давления.
Под обращенностью первого участка входа пара внутреннего корпуса высокого давления в сторону второго участка входа пара внутреннего корпуса низкого давления понимают то, что первый участок входа пара внутреннего корпуса высокого давления направлен или ориентирован в противоположном или, главным образом, в противоположном направлении по сравнению со вторым участком входа пара внутреннего корпуса низкого давления. Соответственно первое устройство разрежения технологического пара проходит в противоположном или, главным образом, в противоположном направлении относительно второго устройства разрежения технологического пара.
Т.е. внутренний корпус высокого давления и внутренний корпус низкого давления расположены таким образом, что направление потока технологического пара через внутренний корпус высокого давления противоположно, в частности, развернуто на 180° относительно направлению потока технологического пара через внутренний корпус низкого давления.
Расположение внутреннего корпуса высокого давления и внутреннего корпуса низкого давления принципиально отличает данное изобретение от обычной конструкции. Опыты в рамках данного изобретения выявили, что компоновка по данному изобретению не только обеспечивает сокращение расстояния между подшипниками, но и возможность особенно безопасного способа эксплуатации паровой турбины. Сокращение расстояния между подшипниками обеспечивает соответствующую компактную конструкцию паровой турбины. Это, в свою очередь, обеспечивает особенно эффективную конструкцию относительно роторной динамики паровой турбины.
Применение данной паровой турбины обеспечивает возможность подачи перегретого технологического пара в виде острого пара во внутренний корпус высокого давления, вращаемый против направления пара, и его разрежение до уровня и температуры т.н. холодного промежуточного перегрева. После выхода технологического пара из внутреннего корпуса высокого давления его подают в блок промежуточного перегрева. Промежуточно перегретый пар из блока промежуточного перегрева направляют во внутренний корпус низкого давления, обращенный в сторону основного направления потока, и разрежают там до стадии конденсирования в паровой турбине.
Под внутренним корпусом низкого давления в данном случае понимают внутренний корпус, в котором создают или образуется в среднем более низкое давление, чем во внутреннем корпусе высокого давления. Т.е. под внутренним корпусом низкого давления понимают также, в частности, внутренний корпус усредненного давления. В предпочтительном варианте осуществления под внутренним корпусом низкого давления понимают, таким образом, внутренний корпус среднего давления.
Под технологическим паром понимают, в частности, водяной пар, проходящий в процессе эксплуатации паровой турбины через детали конструкции паровой турбины.
Компоновка по данному изобретению внутреннего корпуса высокого давления и внутреннего корпуса низкого давления минимизирует возбуждаемые силы во внутреннем корпусе низкого давления под действием перепада давления в блоке промежуточного перегрева. Технологический пар можно направить непосредственно в следующий конструктивный блок, например, в следующий внутренний корпус низкого давления, без его предварительного перенаправления. Кроме этого с предложенной компоновкой можно отказаться от уплотнительного вкладыша. Во втором участке выхода технологического пара последний направляют, в частности, из внутреннего корпуса низкого давления или внутреннего корпуса среднего давления непосредственно во внутренний корпус низкого давления или в последующий внутренний корпус среднего давления, так как направление разрежения технологического пара внутреннего корпуса низкого давления или внутреннего корпуса среднего давления соответствует направлению разрежения технологического пара последующего внутреннего корпуса низкого давления.
Под направлением разрежения в данном изобретении понимают главным образом направление движения или подачи технологического пара. Т.е. при движении технологического пара в участке паровой турбины, например, слева направо по спирали или с закруткой под этим упрощенно понимают линейное направление разрежения вправо. Также в данном изобретении под направлением разрежения понимают вектор давления из области высокого давления в область низкого давления или в область с более низким давлением, чем в области высокого давления. Соответственно под участком турбины выше по течению понимают участок, расположенный против направления разрежения.
В усовершенствованном варианте выполнения данного изобретения обеспечена возможность выполнения в паровой турбине ниже по потоку внутреннего корпуса высокого давления участка перенаправления технологического пара из первого участка выхода пара в направлении, противоположном первому направлению разрежения пара, в охлаждающий трубопровод паровой турбины, причем охлаждающий трубопровод выполнен в зоне рядом с внутренним корпусом высокого давления. Это обеспечивает возможность простого с экономией места использования холодного технологического пара для охлаждения внешнего корпуса паровой турбины и, тем самым, для охлаждения паровой турбины. Это, в свою очередь, обеспечивает защиту паровой турбины от перегрева и за счет этого особенно безопасную ее эксплуатацию. Для этого технологический пар из внутреннего корпуса высокого давления перенаправляют в основное направление потока и пропускают вокруг внутреннего корпуса высокого давления. Для обеспечения необходимого эффекта охлаждения охлаждающий трубопровод проходит или выполнен вдоль внутренней стенки внешнего корпуса паровой турбины и/или вдоль внешней стенки внутреннего корпуса высокого давления.
Обеспечена также возможность расположить охлаждающий трубопровод в паровой турбине, по меньшей мере, частично, в частности непосредственно между внутренней стенкой внешнего корпуса паровой турбины и внешней стенкой внутреннего корпуса высокого давления. Т.е. технологический пар, по меньшей мере, частично, пропускают вокруг внутреннего корпуса высокого давления или вдоль внутреннего корпуса высокого давления и затем отводят его непосредственно или опосредовано через внешний корпус паровой турбины на промежуточный перегрев. Это обеспечивает предпочтительный эффект охлаждения внешнего корпуса паровой турбины.
Также в паровой турбине по данному изобретению обеспечена возможность расположить охлаждающий трубопровод дополнительно или альтернативно, по меньшей мере, частично между, в частности, непосредственно между внутренней стенкой внешнего корпуса паровой турбины и внешней стенкой внутреннего корпуса низкого давления. Т.е. технологический пар пропускают также, по меньшей мере, частично вокруг внутреннего корпуса низкого давления или вдоль внутреннего корпуса низкого давления и затем отводят его через внешний корпус паровой турбины на предварительный перегрев. Это дополнительно усиливает эффект охлаждения внешнего корпуса паровой турбины. В итоге это обеспечивает особенно компактную, эффективную и безопасную в эксплуатации систему охлаждения паровой турбины.
Кроме этого, в паровой турбине по данному изобретению обеспечена возможность установить на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса высокого давления, на котором выполнен первый участок входа пара, уплотнительный вкладыш для герметизации оконечного участка выше по течению внутреннего корпуса высокого давления, а на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса низкого давления, на котором выполнен второй участок входа технологического пара, установить уплотнительный вкладыш для герметизации оконечного участка выше по течению внутреннего корпуса низкого давления, причем уплотнительный вкладыш высокого давления и уплотнительный вкладыш низкого давления расположены смежно. Испытания, проведенные в рамках данного изобретения, показали, что паровую турбину с обоими уплотнительными вкладышами в этой зоне просто монтировать, демонтировать, обслуживать и ремонтировать. Одновременно обеспечена относительная компактность конструкции. Под смежным расположением в данном случае следует понимать расположение рядом друг с другом, т.е. не обязательно вплотную друг к другу. Т.е. между уплотнительными вкладышами можно установить еще дополнительные детали или оба уплотнительных вкладыша расположены предпочтительно с небольшим отстоянием друг от друга, а не непосредственно рядом друг с другом.
В паровой турбине по данному изобретению обеспечена альтернативная возможность установить на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса высокого давления, на котором выполнен первый участок входа технологического пара, и на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса низкого давления, на котором выполнен второй участок входа технологического пара, установить общий уплотнительный вкладыш для герметизации обоих оконечных участков. Можно также отказаться от применения дополнительного уплотнительного вкладыша. Это обеспечивает экономию веса паровой турбины, а также сокращение логистических затрат при изготовлении паровой турбины.
Кроме этого, в паровой турбине по данному изобретению на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса низкого давления выполнен уплотнительный поясок для герметизации участка паровой турбины между оконечным участком ниже по течению внутреннего корпуса низкого давления и внешним корпусом паровой турбины. В данной паровой турбине технологический пар в рабочем режиме обтекает внутренний корпус низкого давления, а внутренний корпус высокого давления отделен от внутреннего корпуса низкого давления уплотнительным пояском, выполненным предпочтительно в виде встроенного уплотнительного пояска на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса низкого давления. С применением уплотнительного пояска отпадает необходимость внутреннего уплотнительного вкладыша на оконечном участке ниже по течению внутреннего корпуса низкого давления. Необходимо указать, что в данном случае под уплотнительным вкладышем следует понимать уплотнительный вкладыш из уровня техники, и поэтому здесь подробно не описанный.
Также предпочтительна установка промежуточного перегревателя вне внешнего корпуса паровой турбины. Это особенно предпочтительно с учетом монтажа, демонтажа, технического обслуживания и ремонта паровой турбины.
Для паровой турбины по данному изобретению также обеспечена возможность изготовления внутреннего корпуса высокого давления и внутреннего корпуса низкого давления в виде самостоятельных деталей. Это предпочтительно для простой и малозатратной сборки паровой турбины по принципу конструктора.
Данное изобретение относится в данном случае предпочтительно к разрежению технологического пара в одном единственном внешнем корпусе паровой турбины с высокого давления до давления ниже давления промежуточного перегрева. Разрежение низкого давления осуществляют на отдельном участке той же самой паровой турбины или в отдельной паровой турбине низкого давления.
Согласно другому аспекту данного изобретения предложен способ эксплуатации подробно описанной выше паровой турбины. Тем самым, способ по данному изобретению имеет те же преимущества, как подробно описанные для паровой турбины по данному изобретению. Способ включает следующие этапы:
• подачу технологического пара из технологического парогенератора через первый участок входа технологического пара во внутренний корпус высокого давления,
• подачу технологического пара из первого участка входа технологического пара в первый участок выхода технологического пара, и
• подачу технологического пара через первый участок выхода технологического пара из внутреннего корпуса высокого давления через участок перенаправления технологического пара и охлаждающий трубопровод на промежуточный перегрев.
Описанный выше способ обеспечивает простое и компактное охлаждение паровой турбины. Надежное охлаждение паровой турбины обеспечивает ее безопасную эксплуатацию. Тем самым предложен способ надежного охлаждения паровой турбины.
Другие усовершенствования изобретения следуют из дальнейшего описания разных вариантов осуществления изобретения, схематично представленных на чертежах. Все признаки и/или предпочтения из пунктов формулы, описания и чертежей, включая детали конструкции и постранственое местоположение существенны как сами по себе, так и в разных комбинациях.
На чертежах схематично представлено следующее:
фиг. 1 - функциональная схема паровой турбины по первому варианту осуществления данного изобретения;
фиг. 2 - функциональная схема паровой турбины по второму варианту осуществления данного изобретения.
Элементы с одинаковыми функцией и принципом действия обозначены на фиг. 1 и 2 одинаковыми условными обозначениями.
На фиг. 1 показана паровая турбина 1а согласно первому варианту осуществления. Паровая турбина 1а имеет внешний корпус 20 паровой турбины, в котором расположен внутренний корпус 30 высокого давления, внутренний корпус 40 низкого давления в виде внутреннего корпуса среднего давления, а также дополнительный внутренний корпус 90 низкого давления. Выше по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления расположен генератор 10 острого или технологического пара для подачи технологического пара во внутренний корпус 30 высокого давления. Внутренний корпус 30 высокого давления имеет первый участок 31 входа технологического пара и первый участок 32 выхода технологического пара для пропускания технологического пара через внутренний корпус 30 высокого давления от первого участка 31 входа технологического пара к первому участку 32 выхода технологического пара в первом устройстве 33 разрежения технологического пара. Внутренний корпус 40 низкого давления имеет второй участок 41 входа технологического пара и второй участок 42 выхода технологического пара для пропускания технологического пара через внутренний корпус 40 высокого давления от второго участка 41 входа технологического пара ко второму участку 42 выхода технологического пара во втором устройстве 43 разрежения технологического пара. Паровая турбина 1а имеет также промежуточный перегреватель 50, расположенный ниже по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления и выше по течению внутреннего корпуса 40 низкого давления.
Как показано на фиг. 1, внутренний корпус 30 высокого давления и внутренний корпус 40 низкого давления расположены таким образом, чтобы первый участок 31 входа пара внутреннего корпуса 30 высокого давления был обращен в сторону второго участка 41 входа пара внутреннего корпуса 40 низкого давления.
Ниже по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления в паровой турбине 1а расположен участок 60 перенаправления технологического пара из первого участка 32 выхода пара в направлении первого устройства 33 разрежения пара в охлаждающий трубопровод 70 паровой турбины 1а. Охлаждающий трубопровод 70 выполнен внутри внешнего корпуса 20 паровой турбины в зоне рядом с внутренним корпусом 30 высокого давления. Охлаждающий трубопровод 70 проходит также частично между внутренней стенкой внешнего корпуса 20 паровой турбины и внешней стенкой внутреннего корпуса 30 высокого давления. Кроме этого охлаждающий трубопровод 70 проходит частично между внутренней стенкой внешнего корпуса 20 паровой турбины и внешней стенкой внутреннего корпуса 40 низкого давления.
Согласно первому варианту осуществления на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления, на котором выполнен первый участок 31 входа технологического пара, установлен уплотнительный вкладыш 34 высокого давления, по меньшей мере, для частичной герметизации оконечного участка выше по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления. Кроме этого на оконечном участке выше по течению внутреннего корпуса 40 низкого давления, на котором выполнен второй участок 41 входа пара, установлен уплотнительный вкладыш 44 низкого давления, по меньшей мере, для частичной герметизации оконечного участка выше по течению внутреннего корпуса 40 низкого давления. Уплотнительный вкладыш 34 высокого давления и уплотнительный вкладыш 44 низкого давления расположены рядом друг с другом. На оконечном участке ниже по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления, на котором выполнен первый участок 32 выхода технологического пара, установлен дополнительный уплотнительный вкладыш 35, по меньшей мере, для частичной герметизации оконечного участка ниже по течению внутреннего корпуса 30 высокого давления.
На оконечном участке ниже по течению внутреннего корпуса 40 низкого давления выполнен уплотнительный поясок 80 для герметизации зоны паровой турбины между оконечным участком ниже по течению внутреннего корпуса 40 низкого давления и внешним корпусом 20 паровой турбины. Промежуточный перегреватель расположен вне внешнего корпуса 20 паровой турбины. Внутренний корпус 30 высокого давления и внутренний корпус 40 низкого давления выполнены в виде самостоятельных деталей конструкции внешнего корпуса 20 паровой турбины.
На фиг. 2 паровая турбина 1b представлена согласно второму варианту осуществления. Паровая турбина 1b по второму варианту осуществления главным образом соответствует паровой турбине 1а по первому варианту осуществления. Вместо обоих отдельных уплотнительных вкладышей или уплотнительного вкладыша 34 высокого давления уплотнительного вкладыша 44 низкого давления установлен только один уплотнительный вкладыш 100 между внутренним корпусом 30 высокого давления и внутренним корпусом 40 низкого давления.
В соответствии с фигурой 1 описан также способ согласно одному из вариантов осуществления. В рамках способа технологический пар сначала подают от генератора 10 технологического пара через первый участок 31 входа технологического пара во внутренний корпус 30 высокого давления. Затем технологический пар подают от первого участка 31 входа технологического пара в первый участок 32 выхода технологического пара и после этого через первый участок 32 выхода технологического пара из внутреннего корпуса 30 высокого давления через участок 60 перенаправления технологического пара и охлаждающий трубопровод 70 на промежуточный перегреватель 50. При этом технологический пар пропускают через охлаждающий трубопровод 70 для охлаждения внешнего корпуса 20 паровой турбины или паровой турбины 1а вдоль внутреннего корпуса 30 высокого давления, а также вдоль внутреннего корпуса 40 низкого давления. После нагрева технологического пара в промежуточном перегревателе 50 при том же давлении до заданной температуры нагретый или перегретый технологический пар из промежуточного перегревателя 50 подают через второй участок 41 входа технологического пара во внутренний корпус низкого или среднего давления. Оттуда технологический пар подают с сохранением направления разрежения в дополнительный внутренний корпус низкого давления. Там технологический пар дополнительно разрежают и конденсируют.