Фрагин М.С. Регулирование и маслоснабжение паровых турбин: настоящее и ближайшая перспектива

Подождите немного. Документ загружается.

Предисловие 11

отвечавшими всем предъявляемым на данный момент

требованиям. И, что ещё не менее важно - сохранить при всех

сменах поколений квалифицированный коллектив конст-

рукторов, который вряд ли уступает тому, в который я пришёл

много лет назад.

Годы "перестройки" оказались трудными для конст-

рукторского коллектива. Чтобы загрузить производство,

потребовалась разработка большого числа новых проектов

турбин, различающихся по мощности и назначению. В этой

книге мне хотелось дать общий взгляд на то, что и почему было

сделано в последние годы (до 1999 г.) и предстоит сделать в

ближайшее время. Это не учебник и не описание, это именно

общий взгляд, он тоже часто необходим и тем, кто будет

применять эти системы и работать с ними в последующие годы,

и тем, кто захочет их модернизировать. Дальше новая практика

приведёт, конечно, к новым идеям и конструкциям, но на всё

это требуется время.

Наряду с данной книгой полезно ознакомиться с книгой

"Паровые турбины сверхкритических параметров ЛМЗ" [К1],

в которой подробно изложен материал по системам регули-

рования и смазки турбин ЛМЗ по состоянию на 1985 г.

Недостаток той книги в том, что в суматохе тех лет (конец

1991 г.!) была потеряна половина тиража и при подготовке книги

из неё исчезла библиография. Поэтому в библиографии этой

книги уделено больше внимания работам завода, в том числе

патентам и авторским свидетельствам на изобретения,

содержание многих из которых только кратко обозначено в

книге, но кого-то может заинтересовать.

Разделы книги неравноценны. По алгоритмам ЭЧСР

вообще и последних турбин в особенности можно было бы

12 Предисловие

написать очень много, но здесь и происходит больше изменений

в связи с развитием микропроцессорной техники. По некоторым

другим вопросам я не мог сказать ничего существенно нового

по сравнению с опубликованным. В этих случаях я ограни-

чивался только упоминанием проблемы.

Вместе с тем, я счёл полезным включить в книгу

некоторые материалы по простым динамическим расчётам

систем регулирования, которые позволяют лучше понять

особенности систем регулирования турбин ЛМЗ. В настоящее

время имеется возможность проведения расчётов по уравне-

ниям любой степени сложности, например, приведенным в

[СЗЗ]. Однако, при проектировании их целесообразно

выполнять, как правило, при поверочных расчётах спроек-

тированных систем. При новом же проектировании, разработке

новых узлов, систем, решении вопросов, возникающих при

наладке конкретных систем, больший эффект может быть

получен от несложных оценочных расчётов по приближенным

моделям, создаваемым для исследования конкретных проблем.

Так как в этом случае модели могут быть очень упрощены,

результаты часто могут быть получены в общем виде, что

помогает быстрее наметить пути решения этих проблем.

Методика некоторых таких расчётов излагается ниже. Часть

этих методик изложена также в [К2].

Важную роль в разработке систем регулирования и

смазки турбин ЛМЗ сыграли работы по замене минеральных

масел огнестойкими, проводимые ЛМЗ совместно с лабора-

торией ВТИ под руководством Е.Д. Вилянской (в 1989 г. она

была отмечена Премией Совета Министров СССР), и работы

по разработке и внедрению электрической части систем

регулирования с учётом требований энергосистем, проводимые

Предисловие 13

совместно с лабораторией ВЭИ, возглавляемой B.C. Мельни-

ковым, дружескую поддержку которых я постоянно чувствовал

все эти годы. Работы эти достаточно известны [К1, КЗ, С1, С11].

В приложении дополнительно приводится только обзор

перспектив использования огнестойких масел в системах

смазки турбин по состоянию на 2001 г., а также анализ некоторых

характеристик энергоблоков, которые могут влиять на

протекание системных аварий, подобных 14 августа 2003 г. в

объединённой энергосистеме Северо-Востока США и Канады.

Я высоко ценю труд всех, с кем вместе работал, круг

этот достаточно большой и виден из библиографии, приведен-

ной в книге, хотя этим не исчерпывается. Особые дружеские

отношения меня связывают с М.Л. Волчегорским, с которым

мы тесно сотрудничали с 1961 г., с момента его прихода на ЛМЗ,

и который возглавил отдел после моего ухода с завода в 1998 г.

И я рад возможности выразить ему благодарность также за

поддержку при подготовке этой книги и её рецензировании.

Я признателен членам редакционной коллегии изда-

тельства "Энерготех": Н.П. Агафоновой, Б.Н. Агафонову,

А.И. Кириллову, Е.Л. Григорьевой, благодаря усилиям которых

стало реальностью осуществление этого проекта, несмотря на

расстояние, разделяющее нас.

Моя жена, Г.Л. Фрагина, с которой мы вместе 50 лет,

всегда была мне верной опорой в жизни, в том числе и при

выполнении этой работы.

14 Глава 1

Глава 1. Предпосылки усовершенствования и

модернизации систем регулирования

Необходимое обновление установленного парка

турбинного оборудования электростанций России и стран,

расположенных на постсоветском пространстве, ввиду

масштабности задачи будет осуществляться различными

путями:

- установкой нового оборудования взамен морально и

физически изношенного или модернизацией существующего;

- с сохранением профиля электростанции или с изме-

нением теплового цикла, использованием комбинированных

парогазовых циклов, приданием новых качеств по выработке

тепла, маневренным свойствам;

- с участием иностранных инвесторов и поставщиков

или без них и т.д.

Поставщики турбинного оборудования и, в частности,

их систем регулирования обязаны быть готовыми быстро

отреагировать на любые предъявляемые требования и, вместе

с тем, обеспечить высокий уровень поставляемого оборудо-

вания. ЛМЗ наверняка должен быть активным участником этой

работы, т.к. имеет в этом регионе сотни изготовленных и

работающих турбин, которых это коснётся. Это турбины

мощностью от 25 до 1200 МВт, конденсационные и с отбором

пара на теплофикацию и на промышленные нужды.

Естественный путь решения этой проблемы - разра-

ботка и отработка типовых конструкций узлов регулирования,

их элементов, типовых схем, позволяющих быстро создавать

системы, необходимые для удовлетворения конкретных

требований заказчика.

Глава 1 15

Таким образом поступали и раньше при возникновении

подобных ситуаций. Так например, разработанные в конце войны

и сразу после войны системы регулирования с двусторонними

сервомоторами, суммированием на проточных линиях

управляющих сигналов от различных датчиков и сигналов

обратной связи, кулачковым парораспределением и поворот-

ными диафрагмами, были выполнены с высочайшей степенью

поузловой унификации [К4].

В конце 50-х - начале 60-х гг., при переходе к исполь-

зованию турбоагрегатов на сверхкритические параметры пара,

был осуществлён переход к системам регулирования с

индивидуальными односторонними пружинными серво-

моторами, установленными на выносных клапанных коробках,

непроточной системой передачи воздействий от усилителей к

сервомоторам, собственной маслостанцией с электронасосами,

с электроприставкой [К5]. Подобная система была применена

далее на турбинах мощностью от 200 до 1200 МВт, отличаясь

лишь размерами клапанов и сервомоторов, объёмом электри-

ческой части [С2, К6, К7, К1].

С учетом опыта эксплуатации этих систем в 90-е годы

были разработаны новые узлы и схемы, на основе которых

создавались и создаются электрогидравлические системы

регулирования следующего поколения для всех вновь

изготавливаемых ЛМЗ или модернизируемых с участием ЛМЗ

турбин. Конструкции базировались на имевшихся на ЛМЗ

технологических возможностях и учитывали имевшуюся

инфраструктуру сервиса в России, при которой ремонт в

местных условиях всё ещё является предпочтительным. Далее

излагаются основные технические решения, принятые при

создании этих систем.

16 Глава 2

Глава 2. Клапаны для впуска пара в турбину

2.1. Надёжность регулирующих клапанов

Надёжность и экономичность - главные требования,

предъявляемые к регулирующим и стопорным клапанам

паровых турбин на впуске пара в турбину (ЦВД и ЦСД).

Известно, что на многих регулирующих клапанах ЦВД

турбин разных типов и разных заводов наблюдались обрывы

штоков. Как правило, эти обрывы происходили из-за уста-

лостных разрушений штоков вследствии возникновения в

определённых зонах открытия продольной или поперечной

вибрации клапана.

В результате выполненных в течении многих лет

экспериментальных, теоретических [СЗ, С4] и конструкторс-

Рис. 2.1. Клапан с профилированной чашкой

Глава 2 ____________________________________________17

ких [К1] работ были выработаны и проверены практикой

принципы проектирования, обеспечивающие вибрационную

надёжность регулирующих клапанов во всех зонах открытий

клапана при давлении пара вплоть до 240 ата.

Клапан, спроектированный с учётом этих принципов,

показан на рис. 2.1.

Эти принципы включают выполнение следующих

мероприятий:

- применение регулирующих клапанов разгруженного

типа с выполнением зазоров между штоком и чашкой клапана

и соответствующими буксами таким образом, чтобы попе-

речная вибрация чашки не могла развиваться и не передавалась

на шток клапана. Это обеспечивается тем, что зазоры между

чашкой и буксой выполняются меньше зазоров между штоком

и буксой, например, 0,2 и 0,25 мм соответственно. Зазоры могут

обеспечиваться просто выбором диаметров наружных по-

верхностей штока и чашки и допусков. Применение буксы штока

из наборных колец с разными диаметрами внутренней расточки

позволит оптимально решить эту проблему при длинной буксе;

- применение формы чашки клапана,

предотвращающей возник- новение

продольной вибрации штока на начальном этапе

открытия клапана без использования

для этих целей порш- невых колец и

вносимого ими трения. Эта форма

чашки может быть спе- циально

профилированной для выпол- нения степени

конфузорности клапан- ного канала не

менее 0,6 и обеспечения выхода потока

из клапанного канала

Рис.2.2. Клапан с

подрезанной чашкой

18 Глава 2

близкого к осевому, а также стабилизированного отрыва потока

при выходе из клапанного канала от плоского дна [П2] или быть

выполнена в виде торцевой подрезки чашки (рис. 2.2) почти по

самому посадочному диаметру [Ш]. Отсутствие поршневых

колец само по себе повышает надёжность клапана, т.к при

поломке колец и попадании обломков в зазор часто происходило

зависание чашки клапана или даже обрыв штока;

- применение специальной системы паровой подгрузки

клапана по мере увеличения его открытия [ПЗ], в результате

чего уменьшение усилия, действующего на шток клапана,

происходит по мере открытия более медленно. На рис. 2.1 окна

подгрузки показаны в закрытом положении и открываются по

мере подъёма клапана, при этом меняется также ширина окон.

При такой подгрузке переход усилия через ноль происходит при

значительно большем открытии клапана, и в этой точке

величина первой производной усилия по ходу клапана

оказывается меньшей, чем при от-

сутствии подгрузки. Как было опре-

делено, ограничение величины этой

производной (dP/dH ), например,

величиной 150 кг/мм для применя-

емых клапанов ЛМЗ часто является

достаточным условием предотвра-

щения осевой вибрации клапана в

средней зоне его открытия;

- применение повышенной сте-

пени разгрузки клапана (до 0,95 по диаметру), что уменьшает

общий уровень напряжений в штоке;

Рис. 2.3.

Шаровое соединение

- применение разъёмной конструкции соединения штока

клапана с сервомотором, как правило, шаровой формы

Глава 2 19

(рис. 2.3), в результате чего возможно уменьшение почти до

нуля люфта в этом соединении при сохранении его подвижности,

что также предотвращает возможность развития продольных

автоколебаний. Такая конструкция исключает также повреж-

дения штока при разборке этого соединения после длительной

эксплуатации в условиях высокой температуры и загрязнён-

ности, что выгодно отличает её от прежней широко приме-

нявшейся пальцевой конструкции;

- применение новой конструкции (рис. 2.1) соединения

чашки клапана со штоком (типа "орудийного замка"),

отличительной особенностью которой является отсутствие

резьбы в этих соединениях [П4, П5]. Отсутствие резьбовых

соединений, которые как правило, после длительной работы

невозможно разобрать без повреждений, обеспечивает лёгкость

разборки и сборки деталей клапана для осмотра штока при

ремонтах, если требуется, даже во время остановки на

непродолжительное время;

- применение увеличенных "натягов" при осуществ-

лении посадки седла клапана в

корпус и крепления седла штиф-

тами, что в сочетании с режим-

ными мероприятиями предотв-

ращает "выпрессовку" седла

при длительной эксплуатации и

возникновение его вибрации

совместно с клапаном;

- применение жидко- металлических

уплотнений што- ков клапанов (рис.

2.4) [С5] и ликвидация отсосов

от штоков

Рис. 2.4.

Жидкометаллическое

плотнение

20_ ______________________________________ Глава 2

регулирующих клапанов свежего пара сверхвысокого давления.

Это мероприятие не только исключает протечки пара в отсосы

и повышает экономичность, но и повышает надёжность работы

клапана, предотвращая занос зазора между штоком и буксой

отложениями, содержащимися в паре.

Выполнение указанных мероприятий полностью или

частично резко уменьшило отказы регулирующих клапанов во

время эксплуатации и обеспечило проведение качественного

контроля за состоянием клапанов во время ремонта.

Следует отметить, что с учётом основных указанных

принципов спроектированы также регулирующие клапаны ЗАО

«Энерготех», широко поставляемые на турбины ЛМЗ в качестве

запасных или для замены.

2.2. Надёжность стопорных клапанов

Надежность стопорных клапанов всегда была выше,

чем регулирующих. Стопорные клапаны были, как правило,

неразгруженными, хотя и имели небольшой разгрузочный

клапан; в стопорных клапанах не применялись поршневые кольца

и выполнялись большие зазоры во избежание заеданий из-за

больших перекосов температур при прогреве или при останове.

Поэтому стопорные клапаны можно было открыть только при

закрытых регулирующих клапанах и после открытия разгрузоч-

ного клапана, в результате чего давление за стопорным клапаном

поднималось почти до величины давления перед стопорным

клапаном. Это требовало выполнения в соединении клапана с

сервомотором амортизатора на большой ход и большое усилие,

т.к. во время закрытия стопорного клапана при частично

открытом регулирующем клапане на стопорном клапане могли

возникать усилия на закрытие, значительно превосходящие

возможные усилия сервомотора. Амортизатор должен был