Регулирование турбин

Регулирование чисто конденсационной турбины имеет своей целью непрерывно поддерживать равенство между нагрузкой генератора и развиваемой турбиной мощностью при минимальном колебании числа оборотов.

Регулирующий механизм такой турбины состоит из:

1. центробежного (скоростного) регулятора;
2. парораспределительных устройств;
3. передачи от регулятора к парораспределительным устройствам;
4. предохранительного выключателя и его передачи к стопорному клапану.

У теплофикационных турбин регулирующий механизм осложняется устройствами для регулирования давления отбираемого пара или противодавления.

Прежде чем приступить к изучению способов регулирования турбин, познакомимся с некоторыми деталями регулирующего механизма и их назначением, что облегчит понимание схем, с которыми мы будем иметь дело ниже.

Центробежный регулятор

Центробежный регулятор (регулятор скорости) есть аппарат, расположение некоторых частей которого меняется под действием центробежных сил при изменении числа оборотов двигателя, чем вызывается необходимая перестановка парораспределительных устройств.

Схема устройства центробежного регулятора показана на (рис. 81). Вращающийся вал 1 паровой турбины посредством шестерен или червячной передачи приводит во вращение вертикальный валик 2 регулятора. Грузы 3, шарнирно соединены с валиком посредством рычагов и стянутые пружиной, вращаются вместе с валиком, описывая окружность, диаметр которой зависит от числа оборотов. При увеличении скорости вращения (числа оборотов) диаметр этой окружности возрастает, так как под действием центробежной силы грузы стремятся удалиться от центра вращения. Для каждого определенного числа оборотов существует определенного положение грузов, при котором действие центробежной силы уравновешивается натяжением пружины и влиянием веса грузов.

Грузы 3 шарнирно связаны с муфтой 4 посредством рычагов и, расходясь, поднимают муфту, а сходясь, опускают ее. Перемещение муфты вызывает соответствующее перемещение клапана 5, регулирующего поступление пара в турбину. При перемещении муфты вверх клапан прикрывается и пропуск пара в турбину уменьшается, при перемещении муфты вниз клапан открывается и пропуск пара увеличивается.

Каждой нагрузке турбины соответствует определенный пропуск пара, то есть определенное положение паровпускного клапана и муфты регулятора, а следовательно,- определенное число оборотов, при котором только и возможно это положение. Наименьшее число оборотов и наибольшее открытие клапана будут иметь место при максимальной нагрузке турбины, а наибольшее число оборотов- при холостом ходе турбины. Отсюда следует, что центробежный регулятор не может держать строго неизменным число оборотов турбины при изменяющейся нагрузке, а только ограничивает колебания числа оборотов в определенных пределах.

Если обозначить через n₁ число оборотов турбины на холостом ходу и через n₂- число оборотов при максимальной нагрузке, то среднее число оборотов равно:

n_ср=n₁+n₂/2

Разность между наибольшим и наименьшим числами оборотов, выраженная в процентах от среднего числа оборотов, называется степенью неравномерности регулирования и обозначается греческой буквой ð (дельта):

ð=n₁-n₂/n_ср*100%

Величина степени неравномерности зависит то конструкции и качества выполнения регулирующего механизма; в современных турбинах она составляет обычно 3-5%. Таким образом, при ð=5% и нормальном числе оборотов n_ср=3000 об/мин регулирующий механизм будет иметь колебания числа оборотов в пределах от n₁=3075 об/мин до n₂=2925 об/мин.

Согласно правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей, степень неравномерности регулирования должна быть 4+/-1%

Одна из конструкций регулятора показана на (рис. 82). Регуляторный валик 5 приводится во вращение шестерней 1, сцепленной с червяком, сидящим на конце главного вала. При увеличении числа оборотов вала колодки (грузы) 2 регулятора стремятся разойтись преодолевая натяжение пружин 3, и тем меняют положение муфты 4 на валике 5. При уменьшении числа оборотов турбины явление протекает в обратном порядке. Муфта 4 связана с парораспределительными органами передаточным механизмом, на (рис. 82) не показанным и каждое ее положение соответствует определенному состоянию последних. Валик описанного регулятора расположен горизонтально (см. рис. 96); в паровых турбинах иногда применяют также регуляторы с вертикальным расположение валика (см. например, рис. 86).

Очевидно, что при изменении нагрузки турбины регулятор ее начинает изменять свое положение не сразу а тогда, когда изменение числа оборотов окажется достаточным, чтобы преодолеть трение в механизме регулятора. Только после того, как это трение преодолено, фактически начинается регулирование числа оборотов турбины.

Если обозначить первоначально установившееся число оборотов через n, а число оборотов, при котором муфта начнет двигаться вниз, через n^/, то отношение

2*n-n^//n*100%=£

будет определять степень нечувствительности регулятора которая не должна превышать 0,5%. Чем лучше конструкция, изготовление и состояние регулятора, тем ближе значение £ к нулю. Однако степень нечувствительности самого лучшего по конструкции регулятора может резко ухудшиться из-за плохой эксплуатации (ржавление трущихся деталей регулятора, недостаток или отсутствие смазки в шарнирных соединениях, разработка их и т. п.).

 

Представленный на (рис. 82) регулятор, как и другие регуляторы подобного типа, является тихоходным и обладает большим числом трущихся частей, что сильно снижает его чувствительность. Московским энергетическим институтом и ЛМЗ созданы оригинальные конструкции высокооборотных высокочувствительных центробежных регуляторов для паровых турбин. Регулятор МЭИ представлен на (рис. 83); он состоит в основном из закрепленного на конце вала 1 кольца 2, выполненного из десяти витков плоской пружины и несущего два груза 5. При вращении вала грузы 5 расходятся, растягивая пружинное кольцо 2; при этом деталь3 (так называемый "отбойный диск"), закрепленная на кольце 2, перемещается вдоль геометрической оси вала подобно муфте обычного регулятора. Перемещение детали 3 вызывает изменение ширины сливной щели а (см. деталь А), что приводит к изменению давления масла в системе регулирования и через посредство усилителей- к перестановке клапанов, управляющих впуском пара в турбину.

Регулятор турбины, соединенной с электрическим генератором, должен обладать особой чувствительностью, так как изменение числа оборотов генератора вызывает колебания напряжения и частоты электрического тока в присоединенной сети.

Регулятор будет тем чувствительнее, чем меньше его перестановочная сила, складывающаяся из силы собственного трения регулятора и силы сопротивления движению приводимых им деталей; поэтому регуляторы турбин почти никогда не соединены непосредственно с парораспределительными органами, а воздействуют на них косвенным образом через вспомогательный механизм, называемый сервомотором. Для уменьшения потерь на трение все движущиеся части регулятора пригоняют с большой точностью и помещают его в закрытый кожух, где он работает с обильной смазкой.

Регулятор всегда снабжают приспособлением, дающим возможность от руки несколько изменить по желанию в ту или иную сторону число оборотов турбогенератора, что бывает необходимо при включении последнего на параллельную работу и при распределении нагрузки между несколькими турбогенераторами. Устройство таких приспособлений, называемых синхронизаторами, рассмотрено ниже.

Масляный сервомотор

Для совершения работы перемещения парораспределительных органов пользуются энергией масла циркулирующего под давлением от 1,5 до 12 кг в системе турбогенератора, используя эту энергию посредством вспомогательного двигателя- сервомотора. Схема простейшего соединения регулятора с сервомотором показана на (рис. 84). Муфта 1 регулятора при изменении числа оборотов турбины поднимается или опускается по валику 2 и посредством рычага 3 и штока 4 перемещает не сам клапан, как на (рис. 81), а цилиндрический золотник 5.

Допустим, что число оборотов турбины начинает увеличиваться из за уменьшения нагрузки; муфта 1 поднимется и опустит вниз золотник 5 который откроет каналы 10 и 11; поступающее под давлением из канала 6 масло пойдет по нижнему каналу 11 под поршень 7 сервомотора, а по верхнему каналу 10 масло будет уходить из верхней полости сервомотора на слив. Поршень 7 будет подниматься, и вместе с этим будет закрываться клапан 8, управляющий впуском пара в турбину.

Из этой схемы, очевидно, что, увеличивая площадь поршня 7, мы можем получить от сервомотора любую необходимую нам мощность, не нагружая регулятор, роль которого сводится к незначительной работе передвижения золотника 5, причем давление масла на золотник вполне уравновешенно, так как оно одновременно действует на оба поршенька золотника в разные стороны.

Описанная схема простейшего соединения, однако практически непригодна. Причины этого следующие: продолжая начатое рассуждение мы увидим, что в какой-то момент времени клапан закроется как раз настолько, что мощность турбины станет равна нагрузке генератора, но золотник при этом не будет находится в среднем положении и масло будет продолжать поднимать поршень сервомотора и закрывать клапан. Мощность турбины окажется уже недостаточной, и число оборотов станет падать; тогда муфта регулятора под действием сходящихся грузов опустится вниз, что вызовет перемещение золотника вверх, подачу масла под давлением в верхнюю полость сервомотора и открытие клапана. При этом произойдет увеличение пропуска пара, но больше, чем нужно, число оборотов станет вновь возрастать и процесс изменения пропуска пара и колебания числа оборотов будет повторяться, причем с увеличением амплитуды колебаний.

Чтобы устранить эти колебания, нужно выполнить рычажную систему по (рис. 85). В ней точка В качания рычага 3 сделана подвижной и соединена тягой А (так называемой "обратной связью") с контрштоком сервомотора. При перемещении муфты регулятора кверху рычаг 3 поворачивается вокруг точки В, опускает золотник вниз, и это приводит к подъему поршня сервомотора вверх, как и в схеме (рис. 84). Однако здесь одновременно с подъемом поршня сервомотора будет подниматься кверху тяга обратной связи А; она воздействует на рычаг 3 и заставляет его повернуться вокруг точки С, что приводит к возвращению золотника в среднее положение и прекращению подачи масла в сервомотор. Если равновесие между нагрузкой и движущей силой еще не установилось, муфта регулятора будет продолжать подниматься и процесс будет повторяться до тех пор, пока муфта не остановиться, что произойдет при равенстве мощности и нагрузки.

Основанное на этом принципе регулирующее устройство турбины, отличающееся от схемы (рис. 85) только расположением деталей, показано в разрезе на (рис. 86); эта конструкция типична для многих турбин средней мощности. Изображенный на (рис. 86) механизм имеет приспособление (синхронизатор), дающее возможность менять от руки число оборотов на 5%; устроено это приспособление следующим образом.

Муфта 19 соединена с зубчатым колесом и сидит на винтовой резьбе, нарезанной на штоке 15 клапана 5; вращение второго зубчатого колеса 16 посредством маховичка 18 или электромотора 17 (если управление происходит дистанционно) муфту 19 можно передвинуть вверх или вниз, что вызовет вращение рычага 7 вокруг оси 9, изменит положение золотника 11 и, следовательно, приведет к некоторому перемещению дроссельного клапана.

Различными заводами применяются и другие схемы устройства приспособлений для изменения числа оборотов. В схеме, показанной на (рис. 87), вращением ручного маховичка 1 можно изменять натяжение пружины 2, и этим влиять на положение муфты 4, а следовательно, и на пропуск пара в турбину.

В схеме (рис. 88) золотник сервомотора имеет подвижную вставную втулку 1 с отверстиями, расположенными против масляных каналов; поднимая или опуская эту втулку при помощи маховичка 2, можно влиять на поступление масла в цилиндр сервомотора. Передвинув, например, втулку в положение, показанное пунктиром, мы откроем доступ масла под поршень сервомотора и слив его из верхней полости, вследствие чего прикроется дроссельный клапан; одновременно золотник станет в новое среднее положение.

Способы регулирования и парораспределительные приспособления

Задача регулирования, как мы уже говорили, состоит в том, чтобы развиваемая турбиной мощность и нагрузка всегда уравновешивали друг друга, для чего при изменении величины нагрузки должна соответственно изменяться и развиваемая мощность.

Регулировать мощность можно:

1. изменением количества подаваемого пара (количественное регулирование);
2. изменением работоспособности подаваемого пара (качественное регулирование);
3. одновременным изменением количества и работоспособности пара (смешанное регулирование).

Количественное регулирование заключается в том, что количество протекающего в единицу времени пара меняется в соответствии с нагрузкой, но давление его перед соплами остается неизменным. Достигнуть этого можно только плавным изменением пропускного сечения сопел первой ступени. Количественное регулирование в чистом виде не применяют, так как механизм его получился бы очень сложным.

При чисто качественном регулировании пропуск пара через турбину должен оставаться неизменным, а мощность должна меняться за счет изменения начальных параметров (давления) пара. Такой способ регулирования в чистом виде стационарных установках не применяется, так как в условиях относительно небольших изменений нагрузки он не экономичен и вызвал бы большие трудности при осуществлении на электростанции.

В практике находит применение только смешанное регулирование, при котором изменение мощности достигается за счет одновременного изменения как пропуска пара так и располагаемого теплопадения всего подводимого к турбине пара (дроссельное парораспределение) или какой-то его части (сопловое парораспределение).

Дроссельное парораспределение заключается в том, что при уменьшении нагрузки паровпускной (дроссельный) клапан под действием регулятора прикрывается и дросселирует свежий пар, давление которого за клапаном понижается. Изображенный на (рис. 86) механизм является устройством именно такого рода.

Одновременно с дросселированием пара дроссельный клапан изменяет и количество пара, поступающего в турбину.

Дросселированием или торможением пара называется такое снижение его давления, в результате которого теплосодержание пара не меняется. Теплосодержание дросселированного пара после расширения в соплах будет выше, чем теплосодержание недросселированного пара, расширившегося в тех же соплах до того же конечного давления; за счет этого и уменьшается теплопадение, то есть работоспособность дроселированного пара.

При полном открытии дроссельного клапана турбина развивает свою номинальную мощность. На случай снижения начальных параметров пара или ухудшения вакуума иногда устанавливают один или несколько добавочных клапанов для впуска пара в дополнительные группы сопел первой ступени.

Перед дроссельным клапаном и за ним устанавливают манометры, по показаниям которых можно судить о положении клапана; при полном его открытии показания манометров почти совпадают, так как дросселирование пара очень незначительно. При неполной нагрузке дроссельный клапан частично прикрыт, и показание манометра, включенного за клапаном, будет значительно меньше, чем включенного перед ним, из-за большой потери давления в клапане. По показаниям этих манометров можно довольно точно определить расход пара и нагрузку турбины.

Достоинством дроссельного парораспределения является простота конструкции, недостатком- плохая экономичность при неполных нагрузках турбины, так как дросселируется весь пар, поступающий в турбину, а дросселирование пара неизбежно связано со снижением его работоспособности.

Кроме того, мы знаем, что наибольший к.п.д. турбины получается, если между скоростью лопаток и скоростью истечения пара из сопел имеется определенное соотношения; скорость лопаток при работе турбины остается практически неизменной, но скорость истечения пара при изменении расхода его изменяется (это относится главным образом к последним ступеням турбины). Следовательно, турбина будет иметь наименьший расход пара на единицу мощности (удельный расход)только при одной определенной величине нагрузки (при полной нагрузке), а при уменьшении ее удельный расход пара будет повышаться.

Сопловое парораспределение, получившее в современных турбинах наибольшее распространение, выполняется так: сопла перовой ступени разбивают на несколько групп, к каждой из которых доступ пара открывается отдельным клапаном, связанным с регулятором. Клапаны открываются последовательно друг за другом; следующий клапан начинает открывается лишь после почти полного открытия предыдущего. Таким образом, при любой нагрузке турбины дросселирование пара может происходить лишь в одном клапане, другие же будут полностью закрыты или открыты, то есть дросселировать пар не будут.

Допустим, что турбина мощностью 5000 квт имеет четыре группы сопел; тогда регулирование в пределах нагрузки от 0 до примерно 1000 квт будет производится дросселированием пара в первую группу сопел. когда нагрузка достигнет 1000 квт, клапан этот будет открыт полностью; при дальнейшем увеличении нагрузки постепенно начнет открываться клапан, управляющий второй группой сопел; при нагрузке примерно 2500 квт клапан второй группы будет открыт полностью, и начнет вступать в действие третья группа сопел и так далее.

Пример конструктивного выполнения соплового парораспределения показан на (рис. 90). Регулятор скорости турбины связан с сервомотором 1, который соединен штоком 2, рычагом 3 и двумя штоками 4 с траверсой 5. Перемещение поршня сервомотора 1 вверх или вниз вызывает соответствующие перемещения траверсы 5 в вертикальной плоскости.

В траверсе 5 имеется четыре отверстия, через которые свободно с небольшим зазором входят хвостовики четырех парораспределительных клапанов, имеющие разную длину. В данном конкретном случае хвостовик клапана 6 имеет свободный конец 24,6 мм между траверсой и гайкой, сидящей на его конце, клапан 7- только 1 мм, клапан 8- 11,3 мм и клапан 9, самый длинный,- 39,5 мм. Находясь в крайнем нижнем положении траверса 5 прижимает головки всех четырех клапанов к их седлам, закрывая доступ свежего пара в проточную часть турбины. При перемещении траверсы 5 вверх под действием импульсов, полученных от регулятора скорости, траверса последовательно тянет за собой клапаны, начиная с клапана 7, имеющего самый короткий хвостовик, и устанавливает доступ пара в турбину, соответствующий ее нагрузке.

Число парораспределительных клапанов может достигать 10. Штоки 4, перемещающие траверсу 5, проходят через лабиринтовые уплотнения 10 в крышке клапанной коробки.

Таким образом, в этой конструкции парораспределительного механизма нет пружин и зубчатых передач, что делает ее вполне надежной в работе.

В другой распространенной конструкции сопловое парораспределительного механизма управление клапанами осуществляется посредством валика с кулачками различного профиля, открывающими клапаны в нужной последовательности. Примеры таких конструкций приведены на (рис. 4-2)

Обводное парораспределение. У современных крупных турбин регулирование в некоторых случаях бывает рассчитано так, что на экономической нагрузке (нагрузка, при которой к.п.д. турбины достигает наибольшего значения) полностью открыты все групповые клапаны или дроссельный клапан, а каких-либо перегрузочных сопел в первой ступени нет. В таких случаях для целей перегрузки применяют обводное парораспределение, заключающееся в добавочном впуске свежего пара непосредственно в одну из промежуточных ступеней части высокого давления через специальный обводной (байпасный) канал.

Для управления впуском пара служит обводной клапан, при открытии которого давление в перегрузочной и последующих ступенях и их пропускная способность увеличиваются; следовательно, турбина развивает повышенную мощность. Чем дальше от первой ступени находится перегрузочная ступень, тем больше ее пропускная способность, то есть тем больше можно перегрузить турбину. Поэтому иногда устраивают две или три перегрузочные ступени и соответственно два или три обводных клапана, открывающихся в зависимости от требуемой перегрузки турбины (рис. 91).

По мере открытия обводного клапана давление в соответствующей перегрузочной ступени постепенно повышается; вследствие этого перепад давления, а следовательно, и тепловой перепад в первых (обводимых) ступенях уменьшается. При полном открытии обводного клапана первые ступени могут быть разгружены на столько, что будут работать в холостую, несмотря на небольшой пропуск пара через них. Для хорошей вентиляции первых ступеней (отвода тепла, развивающегося от трения дисков о пар) необходимо, чтобы перепад давлений между первой ступенью и перегрузочной камерой был не меньше 1 - 1,5 кг.

Рассмотренную схему парораспределения принято называть схемой с внешним обводом пара.

В некоторых случаях применяют внутренний обвод пара (рис. 92), при котором пар, прошедший через ступени высокого давления, может через открытый байпасный клапан попасть в ступени низкого давления, минуя ступени среднего давления. Такое парораспределение часто применяется для судовых турбин, работающих с резким изменением нагрузки и числа оборотов.

Передача от регулятора к парораспределительными устройствам. Во всех рассмотренных нами схемах передача импульсов от регулятора к сервомотору и взаимная связь между различными органами регулирующего механизма осуществлялись посредством рычагов и тяг.

Рычажная передача является самой простой и до сего времени наиболее распространенной системой, но она не свободна от некоторых недостатков. В частности шарниры передачи с течением времени разрабатываются, иногда заедают, инерция рычагов уменьшает чувствительность регулирования и так далее. Поэтому некоторыми турбостроительными заводами применяется гидравлическая передача, в которой взаимная связь между органами регулирования осуществляется маслом под давлением, циркулирующим в системе регулирования.

         Далее  ► ► ►                              Содержание                               Главная страница