Цилиндр среднего давления паровой турбины

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ЦИЛИНДР СРЕДНЕГО ДАВЛЕНИЯ ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Кащеев Владимир Петрович Тимошпольский Владимир Исаакович Озерец Александр Владимирович Хаимов Вячеслав Аркадьевич Воронов Евгений Олегович Кащеева Ольга Владимировна Полетаев Эдуард Иванович Сорокин Владимир Николаевич(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(57) Цилиндр среднего давления паровой турбины, включающий корпус с камерой паровпуска, направляющий аппарат первой ступени, расположенные за ним с зазором рабочие лопатки первой ступени с периферийным бандажом, обечайку статора, размещенную радиально над бандажом рабочих лопаток первой ступени со стороны диафрагмы второй ступени с образованием между обечайкой и корпусом кольцевой полости, а между обечайкой и торцом направляющего аппарата осевого зазора, при этом кольцевая полость соединена через сепаратор с полостью меньшего давления, в нижней половине обечайки между рабочими лопатками первой ступени и направляющими лопатками диафрагмы второй ступени выполнены отверстия, сообщенные с прикрепленным к наружной поверхности обечайки 42032008.02.28 коллектором, соединенным через сепаратор с полостью меньшего давления, на торце обечайки установлено кольцо, внутренний диаметр которого соответствует периферийному диаметру лопаток направляющего аппарата первой ступени, а зазор между его торцом и торцом направляющего аппарата больше зазора между кольцом и бандажом рабочих лопаток, на наружной поверхности кольца и обечайки выполнена кольцевая канавка, при этом камера паровпуска имеет корпус, два входных патрубка, оси которых направлены под углом друг к другу, штатный дренажный штуцер, соединенный с входным патрубком сепаратора, снабженного накопителем твердых частиц и подсоединенного к полости меньшего давления, отличающийся тем, что в камере паровпуска над штатным дренажным штуцером по его диаметру, параллельному оси турбины, установлена непроницаемая перегородка, делящая нижнюю часть камеры паровпуска на две равные части.(56) 1. Щегляев А.В. Паровые турбины. 6-е издание. - М. Энергоатомиздат, 1993. Книга 2. С. 337, рис. 10-20. 2. Патент США 6.332.323, МПК 01 1/02, 2002. 3. Патент Японии 3.095.734323, МПК 01 25/00, 1/02, 2001. 4. Патент Российской Федерации 2.208.682 323, МПК 01 1/02, 2001. 5. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбасов Основы расчетов на трение и износ. - М. Машиностроение, 1977. - 526 с. Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована при конструировании и модернизации паровых турбин, работающих с промежуточным перегревом пара. Известен цилиндр среднего давления паровой турбины (ЦСД) с промежуточным перегревом пара, содержащий корпус с камерой паровпуска, имеющей два входных патрубка,оси которых направлены под углом друг к другу, и штатный дренажный штуцер, соединенный с входным патрубком сепаратора, снабженного накопителем твердых частиц 1. Недостатком известного технического решения является то, что транспортируемые паром в цилиндр среднего давления через камеру паровпуска отслаивающиеся от стенок промежуточного пароперегревателя оксидные пленки в виде окалины концентрируются в первой и второй ступенях цилиндра среднего давления турбины, вызывая повреждение их лопаточного аппарата и разрушение надбандажных уплотнений, что вызывает значительное сокращение ресурса лопаточного аппарата и снижение экономичности ЦСД турбины. Известен цилиндр среднего давления паровой турбины с промежуточным перегревом пара, содержащий корпус с камерой паровпуска, имеющей входные патрубки, оси которых направлены под углом друг другу 2. С целью увеличения экономичности и надежности турбины ее лопатки выполнены с износостойкими защитными элементами. Недостатком данного технического решения является повышение стоимости лопаточного аппарата при сохранении износа, хотя и с меньшей интенсивностью. Известен цилиндр среднего давления паровой турбины с промежуточным перегревом пара, содержащий корпус с камерой паровпуска, имеющей входные патрубки, оси которых направлены под углом друг другу 3. С целью повышения экономичности и надежности паровой турбины путем снижения износа лопаточного аппарата и уменьшения разрушения надбандажных уплотнений на каждом входном патрубке установлены ловушки для твердых частиц в виде трубчатого кармана глубиной 2,5( - диаметр патрубка), размещенного под углом 90 к патрубку. 2 42032008.02.28 Установка ловушек снижает количество твердых частиц, поступающих в проточную часть турбины, но, во-первых, снижение количества частиц невысокое, во-вторых, установка ловушек приводит к увеличению гидравлических потерь при проходе пара, втретьих, к возрастанию размеров входной части паровой турбины. Ближайшим техническим решением к предлагаемому является изобретение Цилиндр среднего давления паровой турбины 4, разработанное применительно к паровой турбине закритических параметров с промежуточным перегревом пара Т-250/300-240. Цилиндр среднего давления паровой турбины состоит из двух частей ЦСД-1 и ЦСД-2. Ввод пара в камеру паровпуска ЦСД-1 осуществляется через два паропровода. ЦСД-1 включает корпус с камерой паровпуска, направляющий аппарат первой ступени, расположенные за ним с зазором рабочие лопатки первой ступени с периферийным бандажом, обечайку статора,размещенную радиально над бандажом рабочих лопаток первой ступени со стороны диафрагмы второй ступени с образованием между обечайкой и корпусом кольцевой полости,а между обечайкой и торцом направляющего аппарата осевого зазора, при этом кольцевая полость соединена через сепаратор с полостью меньшего давления, в нижней половине обечайки между рабочими лопатками первой ступени и направляющими лопатками диафрагмы второй ступени выполнены отверстия, сообщенные с прикрепленным к наружной поверхности обечайки коллектором, соединенным через сепаратор с полостью меньшего давления, на торце обечайки установлено кольцо, внутренний диаметр которого соответствует периферийному диаметру лопаток направляющего аппарата первой ступени, а зазор между его торцом и торцом направляющего аппарата больше зазора между кольцом и бандажом рабочих лопаток, на наружной поверхности кольца и обечайки выполнена кольцевая канавка, при этом камера паровпуска имеет корпус, два входных патрубка, оси которых направлены под углом друг к другу, штатный дренажный штуцер, соединенный с входным патрубком сепаратора, снабженного накопителем твердых частиц и подсоединенного к полости меньшего давления. С целью повышения надежности и экономичности первых ступеней ЦСД-1 турбины за счет снижения абразивного износа лопаточного аппарата и надбандажных уплотнений организованы 3 отбора пара с твердыми частицами одно из камеры паровпуска, второе из цилиндра за направляющим аппаратом 13-ой ступени (в ЦСД это первая ступень), третье из цилиндра за рабочим колесом 13-ой ступени. Организация трех ступеней отбора пара действительно снижает уровень абразивного износа лопаточного аппарата и надбандажных уплотнений, но, во-первых, не может его полностью устранить, поскольку из камеры паровпуска удаляют только часть твердых частиц на входе пара в цилиндр среднего давления. Во-вторых, столкновение потоков пара при его вводе в камеру паровпуска по двум патрубкам приводит к частичной потере скорости пара, что ухудшает КПД турбины. В-третьих, из-за микроколебаний расхода пара через каждый патрубок на входе в камеру паровпуска зона смешения потоков пара немного перемещается относительно оси турбины с какой-то частотой. Это приводит к микроколебаниям передней части оси турбины, которые могут привести к усталостным трещинам вала турбины и элементов ее проточной части. Но самое главное, ничего не сделано для дробления крупных абразивных частиц на мелкие, а именно крупные и вызывают наибольший износ проточной части турбины. Абразивное воздействие наиболее сильно проявляется при первом ударе, а при повторных контактах и после дробления частиц сила удара и их воздействие на лопатку существенно уменьшаются. Природа износа, по мнению большинства исследователей, состоит в режущем и ударно-режущем действии абразивных частиц, соударяющихся с изнашиваемой поверхностью. Согласно 5, при ударе частицы о лопатку всеми реальными силами можно пренебречь, кроме мгновенной силы удара, которая пропорциональна синусу угла падения и скорости соударения в первой степени, размеру частицы - во второй степени и корню квадратному из предела текучести материала лопатки и плотности частицы. 3 42032008.02.28 Данные недостатки в значительной степени устраняются 1) при организации ввода пара в камеру паровпуска без взаимодействия потоков пара друг с другом 2) при организации дробления крупных абразивных частиц на мелкие. Такой ввод может быть обеспечен путем изменения углов наклона патрубков, подводящих пар в камеру паровпуска, изменением формы подводящих патрубков, комбинацией этих конструктивных решений, а для дробления крупных абразивных частиц на мелкие можно организовать их ударное взаимодействие с какими-то устройствами. Задача полезной модели - повысить эффективность работы паровой турбины закритических параметров при удешевлении ее эксплуатации. Поставленная задача достигается тем, что в цилиндре среднего давления паровой турбины, включающем корпус с камерой паровпуска, направляющий аппарат первой ступени,расположенные за ним с зазором рабочие лопатки первой ступени с периферийным бандажом, обечайку статора, размещенную радиально над бандажом рабочих лопаток первой ступени со стороны диафрагмы второй ступени с образованием между обечайкой и корпусом кольцевой полости, а между обечайкой и торцом направляющего аппарата осевого зазора, при этом кольцевая полость соединена через сепаратор с полостью меньшего давления, в нижней половине обечайки между рабочими лопатками первой ступени и направляющими лопатками диафрагмы второй ступени выполнены отверстия, сообщенные с прикрепленным к наружной поверхности обечайки коллектором, соединенным через сепаратор с полостью меньшего давления, на торце обечайки установлено кольцо, внутренний диаметр которого соответствует периферийному диаметру лопаток направляющего аппарата первой ступени, а зазор между его торцом и торцом направляющего аппарата больше зазора между кольцом и бандажом рабочих лопаток, на наружной поверхности кольца и обечайки выполнена кольцевая канавка, при этом камера паровпуска имеет корпус, два входных патрубка, оси которых направлены под углом друг к другу, штатный дренажный штуцер, соединенный с входным патрубком сепаратора, снабженного накопителем твердых частиц и подсоединенного к полости меньшего давления, в камере паровпуска над штатным дренажным штуцером по его диаметру, параллельному оси турбины,установлена непроницаемая перегородка, делящая нижнюю часть камеры паровпуска на две равные части. Установка непроницаемой перегородки-пластины в камере паровпуска, кроме увеличения КПД за счет исключения потери кинетической энергии при столкновении потоков пара и устранения микроколебаний передней части вала из-за плавного ввода пара в проточную часть ЦСД, приводит к столкновению абразивных твердых частиц с ней, чем частично разбивает их на более мелкие фрагменты, что уменьшает производимый ими эрозионный износ проточной части турбины. Таким образом, самый опасный первый удар у частиц происходит преимущественно с непроницаемой перегородкой, так как твердые частицы, имеющие немного другую траекторию пути в поле центробежных сил, чем пар,попадают прямо на нее. Частицы ударяются о пластину и ползут вдоль нее, при этом интенсивно истираясь. Прижимание частиц к стенке происходит за счет Кориолисовой силы. Данное заявляемое решение позволяет повысить работоспособность и экономичность паровой турбины за счет 1) уменьшения затрат на поддержание в работоспособном состоянии лопаточного аппарата и надбандажных уплотнений из-за снижения их абразивного износа 2) повышения КПД турбины 3) повышения срока службы вала турбины. Таким образом, поставленная задача полезной модели - повышение эффективности работы паровой турбины закритических параметров при удешевлении ее эксплуатации выполнена. 4 42032008.02.28 Полезная модель иллюстрируется чертежами на фиг. 1 - устройство первых ступеней цилиндра среднего давления и камеры паровпуска на фиг. 2 - схема движения пара и твердых частиц в камере паровпуска. Цилиндр среднего давления ЦСД-1 паровой турбины Т-250/300-240 включает расположенные в камере 1 паровпуска перегородку-экран 2 и обтекатель 3, сваренные между собой и приваренные к стенкам камеры 1 паровпуска. Перегородка 2 и обтекатель 3 делят нижнюю часть камеры 1 паровпуска на две равные полости, между которыми находится штатный дренажный штуцер 4. Штуцер 4 соединен с входным патрубком сепаратора 5 выходной патрубок сепаратора 5 подключен через регулирующие клапаны 6, 7 и параллельно соединенный с ними запорный вентиль 8 и штуцер 9 с патрубком 10 третьего регенеративного отбора пара (пар идет на ПВД-3). Накопитель сепаратора 5, расположенный в его нижней части, подключен через запорный клапан 11 к расширителю дренажей среднего давления (РДСД) либо к другой полости пониженного давления. Для контроля давления пара в сепараторе 5 предусмотрен манометр 12 с отсечным клапаном 13. Этот сепаратор 5 с арматурой и трубопроводами образует первый и основной контур отвода твердых частиц из проточной части ЦСД-1. Второй контур предназначен для отвода абразивных продуктов из межвенечного (между сопловым аппаратом и рабочим колесом) зазора 14 1-й ступени ЦСД-1 в сепаратор 15 и возврата очищенного пара в третий отбор. Он включает межвенечный зазор 14, направляющий аппарат 16, открытый осевой зазор 17, промежуточную камеру 18, закрытый обтекателем 3 дренажный канал 19, соединенный через штуцер 20 с сепаратором 15. Выходной патрубок сепаратора 15 через регулирующие клапаны 21, 22 и параллельно с ними запорным клапаном 23 соединен со штуцером 24 патрубка 10 третьего отбора. Накопитель сепаратора 15, расположенный в его нижней зоне, соединен через запорный клапан 25 с расширителем дренажей среднего давления либо с другой полостью пониженного давления. Для контроля давления пара в сепараторе 15 предназначен манометр 26, подсоединенный к сепаратору 15 через отсечный клапан 27. В средней части корпусов сепараторов 5 и 15 расположены термоэлектрические преобразователи 28 и 29 типа ТХК 9419. Третий контур предназначен для эвакуации твердых частиц из межвенечного зазора 30 2-й ступени ЦСД-1. Он образован входной камерой 31, отверстием 32, находящимся в ободе диафрагмы 2-й ступени, и каналом 33, ведущим к сепарационной установке, аналогичной двум вышеприведенным. Работа устройства происходит следующим образом. При пуске турбины открытие отсечных и регулирующих клапанов 34 сопровождается поступлением перегретого пара,содержащего абразивные продукты. Паровые потоки из подводящих патрубков 35, встречаясь с перегородкой 2, замедляют скорость и изменяют направление. Твердые частицы,имеющие немного другую траекторию пути в поле центробежных сил, чем пар, движутся,в основном, вдоль нижней стенки пароподводящих патрубков и попадают прямо на перегородку 2, из-за чего частично разбиваются на более мелкие фрагменты, что уменьшает производимый ими эрозионный износ проточной части турбины. Из-за потери энергии они теряют скорость и концентрируются в нижней области камеры 1 паровпуска, где находится штуцер 4. Перегородка 2 и обтекатель 3, помимо увеличения концентрации частиц в нижней области камеры 1 паровпуска, одновременно улучшают газодинамические характеристики камеры 1 паровпуска, поскольку уменьшают потери отнепосредственной встречи паровых потоков после правого и левого регулирующих клапанов. Твердые частицы, сконцентрированные в окрестности входного отверстия штуцера 4,увлекаются паровой продувкой в сепаратор 5, где происходит отделение крупнодисперных частиц, способных повреждать элементы проточной части, и возврат паровой фазы в патрубок третьего отбора 10. Оптимальный расход пара в продувке, определяемый как 5 42032008.02.28 компромиссная величина между снижением мощности ввиду байпасирования 1-й и 2-й ступеней ЦСД-1 и эффективностью эвакуации абразивных продуктов, устанавливается регулирующими клапанами 6 и 7. По мере увеличения массы твердых частиц в накопителе сепаратора 5 осуществляют сброс собранных частиц открытием запорного клапана 11 в расширитель дренажей среднего давления. Для включения режима форсированной продувки первого контура кратковременно открывают запорный клапан 8 при этом отвод из проточной части твердых частиц существенно возрастает, однако снижение экономичности ЦСД-1 может оказаться заметным. Поэтому целесообразная длительность режима форсированной продувки должна быть установлена наладочными испытаниями системы защиты. Твердые частицы, не попавшие в первый продувочный контур, транспортируются паровым потоком в межлопаточные каналы направляющего аппарата 16 1-й ступени, частично или полностью осаждаясь на выпуклых поверхностях направляющих лопаток. Поскольку контакт частиц с направляющими лопатками происходит при малых скоростях и преимущественно под малыми углами, процесс повреждения металла лопаток незначителен. Так как скорость абразивных продуктов меньше скорости парового потока, твердые частицы встречаются с рабочими лопатками 1-й ступени под большими отрицательными углами. При этом часть продукта, содержащая, главным образом, фрагменты меньших размеров, поступает в каналы рабочего колеса и далее движется в них, смещаясь в периферийном направлении. Другая часть частиц после удара о входные кромки рабочих лопаток отражается от них с высокой скоростью и движется, пересекая паровой поток, в сторону направляющих лопаток 2-ой ступени, причиняя повреждения их выходным кромкам со стороны выпуклой поверхности. В результате такого характера движения на периферии межвенечного зазора 14 концентрируется, прежде всего, среднедисперсная часть спектра частиц, которая через открытый зазор 17 поступает в промежуточную камеру 18, а оттуда - через канал 19 и штуцер 20 в сепаратор 15, работающий аналогично сепаратору 5 первого контура. Твердые частицы, преодолевшие рабочие лопатки 1-й ступени, поступают в направляющий аппарат 2-й ступени и концентрируются в периферийной области межвенечного зазора 30, откуда удаляются через входную камеру 31, отверстие 32 и канал 33 в сепарационное устройство, аналогичное двум рассмотренным. Таким образом, снижается интенсивность повреждения периферийного зазора 2-й ступени и уменьшается потеря ее экономичности, защищается от эрозии следующая по ходу пара проточная часть турбины. Предлагаемая полезная модель реализована в устройстве, установленном на Минской ТЭЦ-4 на 5-ом энергоблоке с турбиной Т-250/300-240. Оценка экономического эффекта от использования полезной модели. 1. Вначале учтем экономический эффект от экономии топлива, принимая во внимание то, что без системы защиты от абразивного износа КПД ЦСД-1 даже за первый год эксплуатации снижается на 2 , а затем продолжает уменьшаться с какой-то возрастающей скоростью. Межремонтный период для данного энергоблока составляет 4 года. Поэтому,даже принимая, что среднее ухудшение КПД ЦСД-1 за этот период составляет всего 2 ,получим уменьшение КПД всей турбоустановки в целом следующим образом. Весь сработанный теплоперепад на турбине Т-250/300-240 (при разных режимах) составляет около 1500 кДж/кг, а на ЦСД-1 - примерно 350 кДж/кг, поэтому экономия от изобретения составит 0,02350/15000,00470,47 . Если на этом энергоблоке на выработку одного кВт-ч электрической энергии идет 0,25 кг у.т. (такие хорошие показатели достигаются за счет теплофикации, а в среднем по Беларуси этот показатель составляет 0,326 кг у.т./кВт-ч), то при работе энергоблока в среднем за 1 год 5500 часов экономия топлива составит 0,00470,25250,00070002056,6 ту.т. То есть около 2000 тонн условного топлива при числе часов работы в году 5500 часов. При цене топлива 100 долларов за 1 ту.т. это составит 200.000 долларов в год. 6 42032008.02.28 2. Экономия от уменьшения стоимости ремонтов проточной части ЦСД-1, повреждаемой абразивным износом. Ранее ремонт проводился 1 раз в 4-е года. Стоимость ремонта около 35,000-45,000 долларов. Следовательно, экономия в среднем за 1 год составит порядка 10,000 долларов. Итого, суммарный экономический эффект составит порядка 210,000 долларов в год. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7