ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ И ЗАЩИТЫ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ
ELECTROMECHANICAL SYSTEMS OF STEAM TURBINE CONTROL AND PROTECTION

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при производстве, реконструкции и эксплуатации паровых турбин на электростанциях.
Известна электрогидравлическая система регулирования и парораспределения паровой турбины (RU №2243384 от 10.02.2003 г., F01D 17/26, авт. Иванов С.Н., Осипенко Е.В., Новоселов В.Б.). Известная система включает в себя регулирующие клапаны высокого давления, гидравлические сервомоторы с поршнями, штоками и пружинами для их привода, электрогидравлические преобразователи (ЭГП), электрическую систему регулирования частоты и мощности, электронный автомат безопасности (ЭАБ), электрические исполнительные механизмы (ЭИМ). В данной системе в качестве привода регулирующих и стопорных клапанов применяются двухсторонние гидравлические или гидравлические односторонние пружинные сервомоторы с отсечными золотниками, в которых в подавляющем большинстве случаев на электростанциях в качестве рабочего тела применяется турбинное масло. Масло в маслосистему подается либо от отдельно стоящих насосов, либо от главного масляного насоса, установленного на роторе турбины. В маслосистему, кроме насосного оборудования, входит развитая трубопроводная сеть, состоящая из высоконапорных и сливных трубопроводов с фланцевыми и сварными соединениями и арматурой; маслобак; маслоохладители; фильтры; инжекторы; система очистки масла; эксгаустеры и прочее вспомогательное оборудование. Сигналы от ЭИМ управления турбиной через ЭГП - в нормальных режимах работы турбины, или от ЭАБ через ЭГП или электромагнитный выключатель - в аварийных режимах работы турбины, - передаются по импульсным трубопроводам к отсечным золотникам: в первом случае - к золотникам сервомоторов регулирующих клапанов, во втором - к золотникам автозатворов стопорных клапанов. Отсечные золотники осуществляют открытие сервомоторов и автозатворов путем подачи напорного масла из системы маслоснабжения под их поршни, одновременно сжимая пружины. Закрытие сервомоторов и автозатворов осуществляется пружинами, воздействующими на их поршни, путем слива масла из-под них через отсечной золотник, причем быстродействие сервомоторов и автозатворов определяется размерами отсечного золотника и его сливных окон, его рабочим ходом, размерами присоединенных к золотнику напорных, импульсных и сливных трубопроводов.
Недостатками известной электрогидравлической системы регулирования и парораспределения являются следующие.
1. Недостаточная надежность работы и высокие эксплуатационные издержки при применении в электрогидравлической системе регулирования и парораспределения масляных сервомоторов и автозатворов для перемещения регулирующих и стопорных клапанов на подводе острого пара в турбину, пара из промперегрева или котла-утилизатора парогазовой установки, на нитках производственных, регенеративных, технологических отборов пара от турбины и т.д. Эти клапаны могут располагаться в различных точках турбоустановки на значительном расстоянии от органов управления турбиной и источников маслоснабжения их гидроприводов, что требует применения сложной маслосистемы с разветвленной сетью трубопроводов высокого давления и соответственно усложняет и удорожает эксплуатацию турбоустановки.
2. Существенно пониженная пожаробезопасность турбоустановки и электростанции в целом вследствие установки масляных сервомоторов, автозатворов и обслуживающих их напорных, импульсных и сливных трубопроводов с большим количеством фланцевых и сварных соединений и арматуры, смонтированных в непосредственной близости к горячим частям турбины. Эти обстоятельства могут стать причиной возгорания и серьезной аварии на станции из-за возможных утечек масла из неплотностей фланцевых соединений, трещин и свищей в сварных стыках трубопроводов и в местах их присоединения к арматуре из-за утекшего масла, накопленного в изоляции и обмуровке.
3. Недостаточное быстродействие гидравлических сервомоторов и автозатворов на закрытие регулирующих и стопорных клапанов, которое ограничивается конструктивными размерами отсечных золотников: их диаметром, рабочим ходом, размерами регулируемых ими сливных сечений, диаметрами обслуживающих их напорных, импульсных и сливных трубопроводов, снижает величину расхода рабочего масла, сливаемого из под поршней сервомоторов и автозатворов клапанов.
Известны электрические приводы, позволяющие перейти от электрогидравлических к электромеханическим системам регулирования и защиты (А.А.Калашников. Динамика регулирования турбин. - М.: Энергоатомиздат.1999 г. с.104-10, рис.2.26.), в которых в качестве привода клапанов турбины используется формирователь, который по заданному алгоритму формирует релейные сигналы, управляющие электрическими исполнительными механизмами с помощью реверсивного преобразователя, который соединен с одним концом рычага клапана и вращение которого вызывает поворот рычага клапана, второй конец которого удерживается электромагнитом, а через промежуточное сочленение рычаг перемещает шток клапана с пружиной относительно якоря электромагнита, который своей плоскостью прижат к горизонтальной плите электромагнита. При возникновении аварийной ситуации, например при срабатывании защиты турбины, по ее сигналу отключается блок питания катушки электромагнита и пружина получает возможность закрыть клапан независимо от действия электрических исполнительных механизмов.
Недостатками известного электрического привода клапанов при применении его в системах регулирования и защиты мощных паровых турбин высокого давления, снабженных регулирующими и стопорными клапанами, установленными на подводе свежего пара к турбине и т.д., на которые действуют значительные паровые усилия, являются следующие.
1. При индивидуальном управлении регулирующими и стопорными клапанами, нагруженными значительными паровыми усилиями, с помощью известных электрических приводов необходимо применение подъемных электромагнитов, рассчитанных на рабочие осевые усилия, соизмеримые с паровыми усилиями, действующими на клапан, что предопределяет значительную потребляемую мощность и габариты подъемного электромагнита. Так, например, электромагнит грузоподъемный типа МГ-70А грузоподъемностью 7 тонн потребляет 3,4 кВт мощности, имеет габариты 740×985 мм и допускает повторно-кратковременный режим работы с продолжительностью включений ПВ до 50%. Поскольку при нормальной работе турбины подъемные электромагниты должны находиться во включенном состоянии постоянно, т.е. ПВ=100%, то при их высокой мощности возрастает энергопотребление от питающих их аккумуляторных батарей, имеющих ограниченную энергоемкость, особенно если учесть, что от аккумуляторных батарей запитаны практически все системы защиты и оперативные системы управления электростанций, то это существенно снижает надежность и экономичность турбоустановки и электростанции в целом.
2. Высокая потребляемая мощность применяемых подъемных электромагнитов и, как следствие, высокая индуктивность их обмоток и массы подвижных частей якоря существенно снижают быстродействие известных электрических приводов клапанов турбины.
3. Значительные габариты подъемного электромагнита и применение рычажных передач в кинематической схеме привода от якоря электромагнита и от ЭИМ на шток клапана с пружиной существенно усложняет конструкцию и габариты индивидуальных приводов регулирующих и стопорных клапанов, что затрудняет их использование в электромеханических системах регулирования и защиты мощных паровых турбин высокого давления.
Главной причиной недостатков известного технического решения является то, что при применении его в системах регулирования и защиты паровой турбины с большим количеством регулирующих и стопорных клапанов с высокими действующими на них паровыми усилиями требуется установка подъемных электромагнитов большой мощности, энергоемкости, индуктивности обмоток и габаритных размеров, а также применение рычажных передач в кинематике привода от подъемных электромагнитов и ЭИМ к штокам клапанов турбины.
Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, включает повышение надежности, экономичности и быстродействия системы регулирования и защиты паровой турбины, упрощение конструкции и уменьшение габаритов электрической части индивидуальных приводов регулирующих и стопорных клапанов, повышение степени автоматизации, удобства эксплуатации и повышение степени пожаробезопасности турбоустановки и электростанции в целом и обуславливается следующим.
Для решения поставленных задач, согласно изобретению электромеханическая система регулирования и защиты паровой турбины, содержащая регулирующие и стопорные клапаны, сервомоторы и автозатворы для их привода, в корпусах которых размещены поршни и установленные между поршнями и корпусами пружины и штоки; электрическую систему регулирования частоты и мощности, электронный автомат безопасности, электрические исполнительные механизмы, электромагнитные муфты с управляющими обмотками, датчики частоты и мощности, при этом на корпусах сервомоторов и автозатворов установлены редукторы, в которых ведомые звенья через компенсаторы относительного теплового расширения штоков соединены с поршнями и пружинами, жестко скрепленными с регулирующими и стопорными клапанами, а на валу ведущего звена редуктора жестко установлен ротор электромагнитной муфты с управляющей обмоткой, в зубчиковое подвижное сцепление с которым входит якорь, установленный на валу электрического исполнительного механизма через шлицевое подвижное соединение, причем электрические входы управляющих обмоток роторов электромагнитных муфт сервомоторов и автозатворов соединены линиями связи с выходом электронного автомата безопасности, управляющие входы электрических исполнительных механизмов и входы управляющих обмоток роторов электромагнитных муфт сервомоторов регулирующих клапанов линиями связи соединены с выходами электрического регулятора частоты и мощности, а управляющие входы электрических исполнительных механизмов автозатворов стопорных клапанов линиями связи соединены с выходами электрического устройства автоматического расхаживания и взведения стопорного клапана.
Снабжение редукторами, установленными на корпусах сервомоторов и автозатворов, ведомое звено которых через компенсатор тепловых расширений штоков клапанов соединено с поршнем и пружиной, жестко скрепленными со стопорными и регулирующими клапанами и установка на валу ведущего звена редуктора ротора электромагнитной муфты позволяет повысить надежность, экономичность и быстродействия системы.
Упрощение конструкции и снижение габаритов привода клапанов достигается тем, что система снабжена редукторами, зубчатая рейка которых соединена с поршнем и пружиной, жестко скрепленных со стопорным и регулирующими клапанами, а на валу ведущего звена редуктора установлен электрический исполнительный механизм.
Повышение точности регулирования, степени автоматизации и пожаробезопасности, удобства эксплуатации турбоустановки достигается тем, что на валу ведущего звена редуктора жестко установлен ротор электромагнитной муфты с управляющей обмоткой, в зубчиковое подвижное сцепление с которым входит якорь, через шлицевое подвижное соединение установленный на валу электрического исполнительного механизма, причем электрические входы управляющих обмоток электромагнитных муфт сервомоторов и автозатворов линиями связи соединены с выходом электронного автомата безопасности, а управляющие входы электрических исполнительных механизмов и входы управляющих обмоток роторов электромагнитных муфт сервомоторов регулирующих клапанов линиями связи соединены с выходами электрического регулятора частоты и мощности паровой турбины, а управляющие входы электрических исполнительных механизмов автозатворов стопорных клапанов линиями связи соединены с выходами электрического устройства автоматического расхаживания и взведения. При этом в качестве электрических исполнительных механизмов могут быть применены, например, механизм электрический однооборотный или электрические серводвигатели типа EXLAR. Выбор типа электрического исполнительного механизма определяется динамическими характеристиками валопровода турбоагрегата как объекта регулирования частоты вращения и осуществляется исходя из обеспечения нормированной степени устойчивости системы регулирования: валопровод турбоагрегата - электрический исполнительный механизм - электрический регулятор частоты и мощности. В качестве редукторов могут быть использованы зубчатые передачи «рейка-шестерня» или винтовые передачи, например шариковинтовая и др.
Повышение надежности, экономичности и быстродействия электромеханических систем регулирования и защиты достигается за счет изъятия из кинематической схемы привода клапанов подъемных электромагнитов большой мощности и индуктивности.
Упрощение конструкции и сокращение габаритов привода клапанов достигается за счет изъятия подъемного электромагнита и рычажных передач, в кинематике привода от якоря электромагнита и от ЭИМ на шток клапана с пружиной.
Повышение степени автоматизации, пожаробезопасности и удобства эксплуатации турбоустановки достигается за счет использования индивидуальных электрических приводов в системе парораспределения турбины, исключения из работы в системе автоматического регулирования турбины (CAP) масла и ЭГП, повышения точности регулирования вырабатываемой турбиной электрической и тепловой мощности, а также повышения качества вырабатываемой электроэнергии.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где представлена схема предлагаемой электромеханической системы регулирования и защиты паровой турбины.
На линии подвода свежего пара по трубопроводу 1 к паровой турбине 2 установлены стопорный 3 и регулирующий 4 клапаны, которые управляются соответственно автозатвором 5, сервомотором 6 и штоками 7 и 8. В корпусах автозатвора 5 и сервомотора 6 размещены поршни 9 и 10, а также установленные между поршнями 9,10 и корпусами автозатвора 5 и сервомотора 6 пружины 11 и 12. На корпусах автозатвора 5 и сервомотора 6 установлены редукторы 13 и 14, зубчатые рейки 15 и 16, которые через компенсаторы 17 и 18 относительного теплового расширения штоков 7, 8 и корпусов автозатвора 5 и сервомотора 6 соединены с поршнями 9, 10 и пружинами 11, 12. На валах 19, 20 зубчатых шестерен 21, 22 редукторов 13, 14 жестко установлены роторы 23, 24 электромагнитных муфт (ЭММ) 25, 26 с управляющими обмотками 27, 28. В зубчиковое подвижное сцепление 29, 30 с роторами 23, 24 входят подвижные в осевом направлении якоря 31, 32, которые через шлицевые подвижные соединения 33, 34 установлены на валах электрических исполнительных механизмов (ЭИМ) 35, 36. При этом управляющие обмотки 27, 28 роторов 23, 24 ЭММ 25 и 26 автозатвора 5 и сервомотора 6 линиями связи 37, 38 соединены с выходом электронного автомата безопасности (ЭАБ) 39, управляющий вход ЭИМ 36 и управляющие входы обмотки 28 электромагнитной муфты 26 сервомотора 6 регулирующего клапана 4 линиями связи 40 и 41 соединены с выходами (ЭРЧМ) 42. Входы электронного автомата безопасности 39 и электрического регулятора частоты и мощности 42 линиями связи 43, 44 соединены с датчиками частоты 45 и мощности 46, установленными в схеме электрических соединений и защит генератора 47. Управляющие входы электрического исполнительного механизма 35 автозатвора 5 стопорного клапана 3 линиями связи 48 соединены с выходом устройства автоматического расхаживания и взведения 49 стопорного клапана 3.
Электромеханическая система регулирования и защиты паровой турбины работает следующим образом.
Паровая турбина 2 находится под контролем двух независимых, дублирующих друг друга контуров управления:
- контура регулирования,
- контура защиты.
Оба контура построены по принципу сочетания в одном механизме функций относительно медленно действующего, но позиционно точного органа управления регулирующими и стопорными клапанами 3, 4 в автоматическом или ручном режиме посредством электрических исполнительных механизмов 35, 36 и функции быстродействующего органа управления клапанами 3, 4 посредством пружинных приводов 9, 11 и 10, 12.
Элементами, позволяющими разделить эти две функции, являются электромагнитные муфты 25, 26, в которых при подаче на управляющие обмотки 27, 28 сигнала в виде напряжения постоянного тока якоря 31, 32 под воздействием магнитного поля через зубчиковые сцепления 29, 30 входят в зацепление с роторами 23, 24 электромагнитных муфт 25, 26. При этом происходит передача крутящего момента от электрических исполнительных механизмов ЭИМ 35, 36 через подвижные шлицевые соединения 33, 34 электромагнитных муфт 25, 26 на валы 19, 20 шестерен 21, 22, которые преобразуют вращательное движение валов электрических исполнительных механизмов в поступательное движение зубчатых реек 15, 16 и жестко связанных с ними штоков 7, 8. При подъеме штоков 7, 8 из положения полного закрытия клапанов 3, 4 сначала выбирается тепловой зазор между головками штоков 7, 8 и поршнями 9,10 в компенсаторах 17, 18 относительных тепловых расширений штоков клапанов 3, 4, которые дают возможность штокам клапанов 3, 4 свободно расширяться относительно поршней 9, 10 с пружинами 11, 12 и относительно корпусов автозатвора 5 и сервомотора 6, что позволяет избежать поломок в кинематической цепи: штоки 7, 8 - рейки 15, 16 - шестерни 21, 22 - электромагнитные муфты 25, 26 - электрические исполнительные механизмы 35,36 при неподвижном положении последних.
При нормальных рабочих режимах турбины 2 на управляющие обмотки 27, 28 электромагнитных муфт 25, 26 подают напряжение постоянного тока; якоря 31, 32 входят в сцепление 29, 30 с роторами 23, 24 электромагнитных муфт 25, 26. При этом стопорные клапаны 3 взведены посредством воздействия устройства автоматического расхаживания и взведения 49 через линию связи 48 на управляющий вход электрического исполнительного механизма 35, который через электромагнитную муфту 25 передает вращательный момент на вал 19 шестерни 21, которая преобразует в редукторе 13 вращательное движение вала 19 в поступательное движение рейки 15, штока 7, поршня 9, открывая тем самым стопорный клапан 3, одновременно сжимая пружину 11, подготавливая электромеханический автозатвор стопорного клапана к необходимым действиям в аварийной ситуации. Данная конструкция позволяет проводить регулярные плановые расхаживания стопорных клапанов 3 на частичный или полный ход по программе устройства автоматического расхаживания и взведения 49 стопорных клапанов 3.
Аналогичным образом работает электромеханические сервомоторы 6 регулирующих клапанов 4. В нормальной эксплуатации турбина 2 находится под управлением электрического регулятора частоты и мощности 42, который, получая сигналы от датчиков частоты 45 и мощности 46, подключенных к схеме электрических соединений и защит генератора 47, по линии связи 40 воздействует на электрический исполнительный механизм 36, который обладает высокой точностью позиционирования своего выходного вала. Далее от электрического исполнительного механизма 36 управляющее воздействие через электромагнитную муфту 26, в которой на управляющую обмотку 28 подано напряжение постоянного тока, а якорь 32 входит в сцепление 30 с ротором 24, передается на вал 20 шестерни 22, где в редукторе 14 преобразуется вращательное движение вала 20 в поступательное движение рейки 16, штока 8, поршня 10, открывая тем самым регулирующий клапан 4, одновременно сжимая пружину 12, подготавливая электромеханический сервомотор регулирующего клапана к необходимым действиям в аварийной ситуации. При возникновении аварийной ситуации, например при полном сбросе электрической нагрузки с отключением генератора 47 от сети, электрический регулятор частоты и мощности 42 по линии связи 41 отключает напряжение постоянного тока на обмотке 28 электромагнитной муфты 26, якорь 32 которой мгновенно выходит из зубчикового сцепления 30 с ротором 24, освобождая тем самым вал 20 с шестерней 22, рейку 16, шток 8, поршень 10 от силового влияния электрического исполнительного механизма 36. Далее, под действием пружины 12 и паровых усилий на клапан 4, поршень 10 с высокой скоростью (которая обусловлена малой массой разгоняемых частей - время закрытия клапана 4 на полный ход Тс<0,1 с) закрывает регулирующий клапан 4, отсекая подачу пара по трубопроводу 1 в турбину 2 (это первый контур защиты турбины от разгона). Одновременно с этим электрический регулятор частоты и мощности 42 по линии 40 подает команду на закрытие электрического исполнительного механизма 36. По достижении ЭИМ 36 положения полного закрытия электрический регулятор частоты и мощности 42 по линии 41 подает сигнал постоянного тока на обмотку 28 электромагнитной муфты 26, вводя в зубчиковое сцепление 30 ротор 24 и якорь 32, тем самым приводя в готовность к дальнейшей работе электромеханический привод регулирующего клапана. Далее, поддерживая заданную частоту вращения валопровода турбогенератора, ЭРЧМ 42 выводит турбину 2 на холостой ход, подготавливая ее и генератор 47 к последующему включению в сеть. Если после этих воздействий снижения частоты вращения до номинального уровня не происходит и аварийная ситуация продолжает развиваться, например, вследствие неплотностей или поломки регулирующих клапанов 4, то по достижении частоты вращения величины уставки срабатывания электронного автомата безопасности 39 последний по линиям связи 37 и 38 подает сигнал на отключение напряжения постоянного тока на обмотках 27, 28 электромагнитных муфт 25, 26, при этом якоря 31, 32 мгновенно выходят из зубчикового сцепления 29, 30 с роторами 23, 24, освобождая тем самым шестерни 21, 22, рейки 15, 16, штоки 7, 8, поршни 9, 10 от силового влияния электрических исполнительных механизмов 35, 36. Далее под действием пружин 11, 12 и паровых усилий клапаны 3 и 4 закрываются, отсекая доступ пара в турбину 2. Таким образом срабатывает второй дублирующий контур защиты турбины от разгона.
Реализация предлагаемого технического решения позволит:
1) повысить надежность, экономичность и быстродействие CAP турбины как за счет изъятия мощных подъемных электромагнитов с высокой индуктивностью, а также за счет изъятия высоконапорной гидравлической части системы регулирования и защиты паровой турбины;
2) упростить конструкцию и сократить габариты системы привода клапанов за счет изъятия подъемных электромагнитов и рычажных передач в кинематической схеме привода от якоря электромагнита и ЭИМ на штоки и пружины регулирующих и стопорных клапанов;
3) повысить точность регулирования, степень автоматизации, пожаробезопасности и удобства эксплуатации за счет применения электромеханической системы регулирования и защиты, в которой применены ЭИМ с высоким быстродействием и малым энергопотреблением (N=165 Вт при U=24 В), в которой также принципиально отсутствует масло как рабочее тело электрогидравлической системы регулирования и защиты турбины.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «новизна», т.к. из «уровня техники» не выявлено техническое решение с предложенной совокупностью существенных признаков.
Предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. из «уровня техники» не выявлены признаки, обеспечивающие достижение заявленного технического результата.
Предлагаемое техническое решения промышленно применимо.