Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób eksploatacji turbozespołu parowego i turbozespół parowy. Turbozespół parowy posiada zespół turbiny parowej i, połączony z nim, zespół maszyny roboczej do wytwarzania prądu elektrycznego.

Turbozespoły stosuje się najczęściej do zasilania sieci elektrycznej, której częstotliwość wynosi 50 Hz (lub 60 Hz). Przy dużych mocach (około 30 MVA i więcej) ze względów ekonomicznych korzystne jest zasilanie turbiny parowej przy użyciu generatorów dwubiegunowych o prędkości obrotowej od 3000 (względnie 3600) obrotów na minutę. Dla mniejszych mocy bardziej korzystne dla turbiny są jednak - zależnie od mocy - większe prędkości obrotowe, wynoszące od 3000 do 16000 obrotów na minutę. Pomiędzy szybko obracającym się wałem turbiny parowej i obracającym się odpowiednio do żądanej częstotliwości prądu wałem generatora potrzebne jest wówczas przełożenie osiągane za pomocą przekładni.

Szczególne problemy związane są tutaj ze smarowaniem i chłodzeniem łożysk i przekładni.

Specjalnego smarowania w przekładni wymagają nie tylko miejsca osadzenia wałów przekładni, lecz ponadto trzeba starannie smarować i chłodzić, zwłaszcza silnie obciążone boki współpracujących ze sobą zębów przekładni. Duże prędkości obrotowe i obciążenia wymagają każdorazowo doboru odpowiedniego środka chłodząco-smarującego, przy czym dotychczas do dyspozycji pozostawały praktycznie tylko oleje.

Zazwyczaj turbozespół parowy zawiera obieg oleju, spełniający w zasadzie trzy zadania:

Po pierwsze olej służy jako środek chłodząco-smarujący dla łożysk turbiny parowej i generatora. Po drugie zawory regulacyjne turbiny parowej są zasilane za pomocą działających na olej, hydraulicznych cylindrów nastawczych. Po trzecie olej służy do chłodzenia i smarowania przekładni. Powstające ciepło jest oddawane do obiegu oleju i odprowadzane do wymiennika olejowo-wodnego. Ogólnie rzecz biorąc, do spełnienia tych trzech zadań potrzebne są stosunkowo duże ilości oleju. Stosunek ilości oleju smarującego do oleju sterującego do oleju przekładniowego wynosi około 1:6:2.

Te ilości oleju mogą przyczyniać się do powstania istotnych problemów. W przypadku przecieków w obiegu oleju należy się liczyć z zanieczyszczeniem środowiska przez wypływający olej. To z kolei wymaga zastosowania środków zapobiegawczych, jak na przykład zbiorniki do wychwytywania oleju względnie murowanych zbiorników olejowych. Poza tym wyciekający olej stanowi poważne zagrożenie pożarowe. W razie styku z nagrzanymi do ok. 500°C częściami turbiny istnieje wysokie prawdopodobieństwo zapłonu. Stosowane alternatywnie, trudnopalne ciecze są najczęściej toksyczne. Skomplikowane i drogie rozwiązania w zakresie osadzania wałów turbin parowych są niezbędne zwłaszcza w turbozespołach o osiowym przepływie pary, aby olej nie przedostawał się do strumienia pary wychodzącej z turbiny. Powoduje to zanieczyszczenie obiegu pary przez medium innego rodzaju, co może powodować szereg zakłóceń.

Ilość oleju w obiegu można znacznie zredukować, jeżeli zrezygnuje się z działających na olej, hydraulicznych cylindrów nastawczych i przejdzie się na inne medium (które wymaga wówczas odrębnego obiegu) lub zastosuje inne zasady napędu zaworów regulacyjnych (na przykład napędy liniowe, które w pewnych okolicznościach również wymagają chłodzenia). To jednak nie zapobiega ani zanieczyszczeniu wylotu pary wypływającym z turbiny olejem łożyskowym, ani wyciekom oleju do otoczenia. Wyeliminowanie tych zjawisk wymaga dużych nakładów technologicznych, co wyraźnie wynika z licznych opisów zgłoszeniowych (na przykład europejskiego opisu zgłoszeniowego nr EP 0306 634, międzynarodowego opisu zgłoszeniowego nr WO 94/01713 i niemieckiego opisu zgłoszeniowego nr DE 19606088.5). Problem ten można rozwiązać przy użyciu wałów łożyskowanych magnetycznie (przedstawionych na przykład w niemieckich opisach zgłoszeniowych nr DE-PS 42 27 280 lub DE 31 46 354 C2) względnie za pomocą innych łożysk magnetycznych z elementami w postaci magnesów trwałych i/lub elementów nadprzewodzących (niemiecki opis zgłoszeniowy nr DE-A-44 44 587), które jednak również oznaczają konieczność poniesienia nakładów. Dla przekładni nie jest jednak znany zamiennik, który pracuje bez środka chłodzącego, a jednocześnie zapewnia pożądany efekt.

Z opisu DE 2105494 znane jest urządzenie do zasilania w energię elektryczną, składające się z kotła parowego, generatora turbinowego, skraplacza, itp.. do przeprowadzania procesu wytwarzania energii w siłowni parowej, w którym generator parowy, pompowy i osprzęt są wykonane jako bezdławnicowe.

Działające na wodę, hydrauliczne cylindry nastawcze sterujących dopływem pary lub regulujących ten dopływ zaworów, względnie inne, pracujące bez użycia oleju, elementy nastawcze tych zaPL 195 761B1 worów zapobiegają niebezpieczeństwom i trudnościom, powodowanym przez olej. To samo dotyczy osadzenia bez użycia oleju generatorów względnie agregatów, znajdujących się w jednostce maszyny napędowej (generatorów, pomp, sprężarek i innych). W ramach wynalazku przewidziano zwłaszcza zastosowanie silników liniowych jako napędów nastawczych dla zaworów. Chłodzone wodą łożyska nadają się do maszyny roboczej, o ile ilość dostarczanej wody jest wystarczająca do smarowania i chłodzenia, i woda jest dostarczana pod dostatecznym ciśnieniem.

Przekładnia potrzebna jest jedynie wówczas, gdy na wale napędzanym przez turbinę parową ma zachodzić przełożenie, zmniejszające lub zwiększające liczbę obrotów. Jeżeli jednak turbina parowa i maszyna robocza są napędzane z jednakową liczbą obrotów, wówczas można zrezygnować z przekładni, eliminując zarazem problemy związane z jej chłodzeniem. Aby zapewnić zasilanie prądem o zadanej częstotliwości sieci elektrycznej lub odbiornika, konieczne jest dopasowanie pomiędzy liczbą obrotów wału generatora (czyli liczbą obrotów wysokoobrotowej turbiny parowej) do niższej częstotliwości prądu elektrycznego za pomocą podłączonej do generatora przetwornicy częstotliwości. Jeżeli maszyna robocza zawiera pompy, sprężarki lub inne urządzenia, wówczas przekładnia również nie jest konieczna, jeżeli odpowiednie maszyny są dostosowane do wysokiej liczby obrotów turbiny parowej. Turbinę parową zespołu turbiny parowej i generator zespołu maszyny roboczej można połączyć ze sobą za pomocą sprzęgła lub poprzez kołnierze.

Wynalazek wykorzystuje fakt, że w jednostce turbiny parowej jako środek smarująco-chłodzący stosowana jest woda, co eliminuje związane z użyciem oleju niebezpieczeństwo pożaru, a także niebezpieczeństwo zanieczyszczenia środowiska wskutek wycieków oleju. W całym turbozespole można zatem praktycznie zrezygnować z oleju. Media innego rodzaju nie wnikają zatem w strumień pary wychodzącej z turbiny, jeżeli łożyska są usytuowane w osiowym urządzeniu odpływowym, zaś woda do smarowania względnie chłodzenia jest pobierana z obiegu wody, należącego do siłowni parowej.

Sposób eksploatacji turbozespołu parowego z zespołem turbiny parowej i, zawierającym generator do wytwarzania energii elektrycznej, zespołem maszyny roboczej, przy czym osadzoną w zespole turbiny parowej w łożysku część wału wprawia się w obroty za pomocą turbiny parowej, te same obroty wału przenosi się na generator bez wstawiania przekładni pomiędzy oba elementy, za pomocą, osadzonej w łożysku bez użycia oleju w zespole maszyny roboczej, części wału, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do zespołu turbiny parowej doprowadza się parę za pomocą napędzanych bez użycia oleju zaworów, łożysko wału zespołu turbiny parowej smaruje się wodą, stanowiącą środek chłodząco-smarujący, zaś prąd o zadanej częstotliwości dostarcza się z generatora do sieci odbiorczej przez elektryczną przetwornicę częstotliwości.

Wszystkie łożyska obracających się części smaruje się i chłodzi uzdatnioną wodą z obiegu wody.

Z obiegu wody pobiera się również wodę do wytwarzania pary dla zespołu turbiny parowej.

Turbozespół parowy z zespołem turbiny parowej i zespołem maszyny roboczej, przy czym do turbiny parowej przez zawory nastawcze doprowadzana jest para, za pomocą której osadzona w łożysku część wału zespołu turbiny parowej jest wprawiana w obroty, zaś przez wał napędzany jest generator zespołu maszyny roboczej, oraz zawierający część wału generatora, napędzaną bez wstawiania przekładni, bezpośrednio przez turbinę parową, osadzoną w łożysku bez użycia oleju według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera obieg wody, stanowiącej środek smarująco-chłodzący dla łożyska wału oraz nie korzystające z oleju napędy dla zaworów nastawczych, przy czym za generatorem umieszczona jest przetwornica częstotliwości do wytwarzania prądu o żądanej częstotliwości, doprowadzanego do sieci odbiorczej.

Wał składa się z części wału, należącej do zespołu turbiny parowej, części wału, należącej do zespołu maszyny roboczej, oraz sztywnego połączenia obu części wału.

Wał, zawierający część wału, należącą do zespołu turbiny parowej, i część wału, należącą do zespołu maszyny roboczej, stanowi całość i jest osadzony tylko w łożysku.

Zespół turbiny parowej ma odpływ w kierunku osiowym, zaś łożysko wału jest usytuowane w tym odpływie.

Co najmniej jedno łożysko dla napędzanej części wału, należącej do zespołu maszyny roboczej, jest smarowane wodą jako środkiem smarująco-chłodzącym.

Zawory nastawcze mają nie korzystające z oleju napędy liniowe.

Obieg wody jest zasilany uzdatnioną wodą z wodnego obiegu siłowni, zwłaszcza wodnego obiegu, dostarczającego parę do zespołu turbiny parowej.

Turbozespół parowy zawiera zespół turbiny parowej i zespół maszyny roboczej zawierający generator, przy czym zespoły te są połączone ze sobą bez użycia przekładni. Część wału, napędzana

PL 195 761B1 przez turbinę parową, i część wału, napędzająca generator, są zatem, celem utworzenia wspólnego wału, połączone bezpośrednio ze sobą w obszarze pomiędzy zespołami, na przykład za pomocą kołnierza, lub tworzą sztywny (na przykład jednoczęściowy) wał, przy czym oba łożyska pomiędzy turbiną parową i maszyną roboczą można zastąpić pojedynczym łożyskiem.

Do smarowania i chłodzenia łożysk wału w zespole turbiny stosuje się obieg nie korzystający z oleju, mianowicie obieg wodny. Również do osadzenia wału w zespole maszyny roboczej stosowane są wyłącznie łożyska bez użycia oleju. Aby generator wytwarzał prąd elektryczny o żądanej częstotliwości, za generatorem umieszczona jest przetwornica częstotliwości. Do uruchamiania zaworów nastawczych turbiny parowej można zastosować zwłaszcza napęd liniowy lub podobny, w każdym jednak przypadku zespół napędowy pracujący bez użycia oleju (zwłaszcza w kombinacji z elektrycznym względnie elektronicznym układem regulacyjnym).

Zespół turbiny parowej może być różnie ukształtowany, przykładowo może zawierać jedną lub kilka turbin parowych, zaopatrzonych w odprowadzenie pary do góry lub do dołu (ogólnie rzecz biorąc, w kierunku bocznym) względnie w kierunku osiowym. Odpływ osiowy jest najczęściej wymagany przy płaskim ustawieniu turbin parowych z generatorem (na przykład w jednym ciągu z turbiną gazową). Generator jest wówczas przyłączony z boku wlotu pary.

Dzięki temu olej lub inny środek smarny można w całym turbozespole parowym zastąpić wodą. Turbozespół zawiera korzystnie tylko elementy pracujące bez użycia oleju, ponieważ również chłodzenie elementów stacjonarnych (na przykład przetwornika częstotliwości) można realizować za pomocą innych mediów (na przykład wody lub powietrza).

Do chłodzenia i smarowania łożysk wału przeznaczony jest co najmniej jeden obieg wody, z którego do poszczególnych łożysk wychodzą kanały doprowadzające wodę. Możliwe jest również rozwiązanie, polegające na tym, że w zespole turbiny parowej umieszczony jest wał składający się z kilku części i/lub umieszczonych jest kilka łożysk, zasilanych ze wspólnego obiegu wody. Przez kanały odprowadzające woda, wykorzystywana jako środek chłodząco-smarujący, jest korzystnie zawracana do obiegu. Przy użyciu tego obiegu wody można jednocześnie obsługiwać systemy chłodzące zespołu generatora lub zespołu maszyny roboczej, a także doprowadzanie pary do jednostki turbiny parowej. To samo dotyczy przetwornicy częstotliwości, o ile zostanie ona zastosowana i będzie wymagała chłodzenia. Również napędy liniowe do uruchamiania zaworów nastawczych turbiny parowej mogą być zaopatrywane, jeżeli wymagają chłodzenia, przez obieg wody. Dzięki temu pojedynczy obieg wody może przejąć odprowadzanie całego ciepła traconego w turbozespole. Przekazana do wody obiegowej energia cieplna jest następnie przekazywana do wymiennika ciepła. Wymiennik ten jest obsługiwany przez otwarty obieg wody, może być jednak również wymiennikiem ciepła, chłodzonym powietrzem.

Ponieważ woda ma stosunkowo dużą pojemność cieplną, poszczególne elementy chłodzące mogą być stosunkowo małe. Poza tym mniejsze elementy można stosować również dlatego, że można zredukować objętość potrzebną dotychczas dla oleju sterującego, wykorzystywanego do sterowania cylindrów nastawczych turbiny parowej i oleju przekładniowego. Ogólnie rzecz biorąc, uzyskuje się redukcję pozostającej w obiegu ilości medium. Oddziałuje to zarówno na wielkość elementów takich, jak przewody rurowe i chłodnica, jak też na wymaganą moc systemu pomp, powodującego krążenie wody w obiegu. Ubytki wody w obiegu są zwykle uzupełniane uzdatnianą wodą, wytwarzaną w siłowniach, aby wodę przeznaczoną do zasilania turbiny w parę prowadzić w odpowiednim obiegu.

Ponieważ obieg środka smarująco-chłodzącego jest zasilany tym samym medium, co turbina parowa, potrzebną do obiegu wodę można pobierać także z obiegu parowo-wodnego siłowni. Korzystnie następuje przy tym uzdatnianie wody. Odfiltrowaniu ulegają bowiem cząstki, oderwane wskutek ścierania, lub inne zanieczyszczenia, pochodzące na przykład z łożysk.

Ponieważ to samo medium stosuje się zarówno jako środek chłodząco-smarujący dla łożysk wału, jak też do wytwarzania pary dla turbiny parowej, zwłaszcza w turbinach z osiowym odpływem możliwe jest umieszczenie łożyska wału w strumieniu pary wychodzącej z turbiny parowej, bez obawy, że w razie wystąpienia przecieków w uszczelnieniu łożysk mogłoby nastąpić zanieczyszczenie obiegu pary przez medium innego rodzaju.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w dwóch przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia pracujący bez użycia oleju, turbozespół parowy z wodą jako medium smarująco-chłodzącym, z bocznym (mianowicie skierowanym w dół) urządzeniem odpływowym dla pary, zaś fig. 2 pracujący bez użycia oleju, turbozespół parowy z wodą jako medium smarująco-chłodzącym, z osiowym urządzeniem odpływowym dla pary.

PL 195 761B1

Na fig. 1 przedstawiony jest schematycznie turbozespół parowy 1, zawierający zespół 2 turbiny parowej i zespół 3 maszyny roboczej zawierający generator. Zespoły 2 i 3 są połączone ze sobą wałem 4. Wał ten składa się z kilku części (w przedstawionym przykładzie wykonania dwóch części 41, 42 wału), obracających się z jednakową prędkością obrotową. Część 41 wału prowadzi przez zespół 2 turbiny parowej. Wewnątrz turbiny parowej 20 na tej części 41 wału umieszczone są łopatki 211 turbiny wirujące, z których dla lepszej przejrzystości na rysunku przedstawiono jedynie dwie sztuki. Pomiędzy łopatkami wirującymi 211 na ściance turbiny parowej 20 umieszczone są dodatkowo łopatki kierujące 212, z których również dla lepszej przejrzystości na rysunku przedstawiono jedynie dwie sztuki. Część 42 wału prowadzi przez generator 30. Na nim umieszczony jest twornik 31 generatora 30, którego stojan 32 otacza twornik 31 w kierunku obwodowym i znajduje się w obudowie generatora 30. Obie części 41 i 42 wału 4 są połączone ze sobą kołnierzami 43. Z generatora 30 wytwarzany przezeń prąd jest doprowadzany przez przewody 51 do przetwornicy 5 częstotliwości. Przetwornica 5 częstotliwości przetwarza częstotliwość wyjściową prądu generatora, wyznaczoną przez liczbę obrotów i liczbę biegunów wału 4, w częstotliwość odpowiadającą wymaganej częstotliwości sieciowej zasilanej sieci prądowej. Prąd jest podawany do sieci prądowej przez przewody 52.

Doprowadzanie pary napędzającej turbinę 20 odbywa się przez doprowadzenie 22 pary. Dopływ pary jest regulowany za pomocą zaworów nastawczych 221, które ze swej strony są zasilane jednym lub kilkoma napędami liniowymi 222 lub regulatorami elektrycznymi 223.

Odprowadzanie pary z turbiny odbywa się w tym przykładzie wykonania przez skierowane w dół urządzenie odpływowe 23 dla pary. Tego typu boczne, skierowane w dół, urządzenie odpływowe dla pary w porównaniu do odpływu osiowego (porównaj fig. 2) jest o tyle korzystne, że nie jest potrzebne osadzenie wału 4 wewnątrz urządzenia odpływowego 23 dla pary.

Wał 4 jest osadzony za pomocą łożysk 6, mających tutaj postać łożysk ślizgowych. Jako środek smarująco-chłodzący dla tych łożysk 6 wału służy woda, dostarczana przez przewód doprowadzający 70 i przewód powrotny 71. Cyrkulacja w obiegu wody jest utrzymywana przez pompę 80. Doprowadzanie wody obiegowej, działającej jako środek smarująco-chłodzący, do łożysk 6 wału odbywa się przez wychodzące z obiegu wody przewody doprowadzające 72. W łożysku 6 wału woda obiegowa działa jak medium chłodząco-smarujące. Dzięki temu energia cieplna, wytwarzana wskutek tarcia ślizgowego w łożysku, jest odprowadzana przez wodę obiegową. Z łożysk 6 wału woda jest przez przewód odprowadzający 73 wodę doprowadzana do przewodu powrotnego 71.

Korzystnie woda z obiegu zawierającego przewód doprowadzający 70 i przewód powrotny 71 może służyć do chłodzenia innych części turbozespołu. W przykładzie wykonania z fig. 1 woda obiegowa jest również wykorzystywana do chłodzenia generatora 30. Przez przewód doprowadzający 74 woda obiegowa jest dostarczana do systemu chłodzącego 33 generatora 30 i stamtąd, przez przewód odprowadzający 75, kierowana do przewodu powrotnego 71. Analogicznie również wymagane chłodzenie liniowych napędów 222 odbywa się tak, że woda obiegowa jest do nich doprowadzana przez przewód doprowadzający 76, a następnie przez przewód odprowadzający 77 kierowana do przewodu powrotnego 71. W taki sam, korzystny sposób realizuje się chłodzenie przetwornicy 5 częstotliwości. Do (nie przedstawionego na rysunku) systemu chłodzenia tej przetwornicy woda obiegowa jest doprowadzana przez przewód doprowadzający 78 i przez przewód odprowadzający 79 kierowana do przewodu powrotnego 71.

Chłodzenie wody obiegowej 70, 71 odbywa się przez przenośnik 8 ciepła w ten sposób, że energia cieplna wody obiegowej jest oddawana do otwartego obiegu 81 wymiennika ciepła. Alternatywnie lub w kombinacji z powyższym rozwiązaniem chłodzenie wody obiegowej może się odbywać również za pomocą chłodzonego powietrzem urządzenia 9 do przekazywania ciepła.

Wyjątkowo korzystne rozwiązanie polega na pobieraniu wody chłodzącej z (nie przedstawionego na rysunku) obiegu odpowiedniej siłowni, dostarczającej także wodę do wytwarzania pary zasilającej turbinę. Szczególna zaleta tego wariantu zawiera się w tym, że woda obiegowa jest w tym przypadku przetwarzana razem z wodą z obiegu pary.

Na fig. 2, dotyczącej drugiego przykładu wykonania, ukazany jest pracujący bez oleju turbozespół parowy z wodą jako medium smarująco-chłodzącym i osiowym urządzeniem odpływowym dla pary. Części odpowiadające przykładowi wykonania z fig. 1 są opatrzone takimi samymi odnośnikami. Turbozespół w całości jest oznaczony odnośnikiem 1. Również tutaj zespół 2 turbiny parowej jest połączony z zespołem 3 maszyny roboczej, zawierającym generator, wałem 4 (mianowicie dwiema częściami 41 i 42) wału. Części 41 i 42 wału są połączone ze sobą bezpośrednio poprzez kołnierze 43. Na części 42 wału w generatorze 30 umieszczony jest twornik 31. Twornik 31 otacza, również

PL 195 761B1 umieszczony w generatorze 30, stojan 32. Prąd elektryczny wytwarzany przez generator 30 jest przewodami 51 doprowadzany do przetwornicy 5 częstotliwości, która po zmianie częstotliwości dostarcza prąd elektryczny przewodami 52 do sieci elektrycznej. Wewnątrz turbiny 20 część 41 wału ma łopatki wirujące 211. W przestrzeniach pomiędzy łopatkami wirującymi 211 na statycznej części turbiny parowej 20 umieszczone są łopatki kierujące 212.

W porównaniu do przykładu wykonania z fig. 1 turbina parowa 20 ma w przykładzie wykonania z fig. 2 urządzenie odpływowe 23' dla pary, wymuszające osiowy odpływ pary. Tego typu osiowy odpływ pary jest konieczny zwłaszcza przy płaskim ustawieniu turbin parowych z generatorem (na przykład w jednym ciągu z turbiną gazową). Jak widać na figurze, generator 30 jest wówczas przyłączony z boku wlotu 22 pary do turbiny parowej 20. Z urządzeniem odpływowym 23' dla pary połączony jest zazwyczaj (nie przedstawiony tutaj) skraplacz lub króciec przeciwciśnieniowy. W przeciwieństwie do przykładów wykonania turbin parowych z odpływem pary do dołu lub na bok, turbina z odpływem osiowym wymaga usytuowania łożyska wału w strumieniu pary. Taka konstrukcja jest widoczna w prawej części fig. 2. Otaczające wał 4 łożysko 6 znajduje się tam wewnątrz urządzenia odpływowego 23' dla pary, co stwarza istotne niebezpieczeństwo, że środek chłodząco-smarujący przedostanie się z łożyska 6 do obiegu pary. W przewidzianym tu zastosowaniu wody obiegowej z przewodu doprowadzającego 70 do smarowania i chłodzenia łożyska 6, takie zanieczyszczenie medium jest praktycznie niemożliwe.

Zasilanie łożyska 6 wodą obiegową odbywa się przez przewód doprowadzający 72. Przez przewód odprowadzający 73 woda obiegowa przedostaje się do przewodu powrotnego 71. Podobnie jak w przykładzie wykonania z fig. 1, tutaj również korzystne jest zasilanie systemu chłodzącego 33 generatora 30 wodą obiegową przez przewód doprowadzający 74 i przewód odprowadzający 75. Korzystne jest także chłodzenie napędów liniowych 222 i przetwornicy 5 częstotliwości - jeżeli jest to wymagane -wodą z obiegu 70/71 wody.

W obu wymienionych przykładach wykonania wał 4, przedstawiony w postaci dwuczęściowej, można zastąpić wałem jednoczęściowym.