Система смазки ГТЗА

В качестве масла в системах смазки паротурбинных установок используются турбинные масла марок: 22, 30, 46, и турбинное масло с присадкой Тп-46 по ГОСТ 9972-74. Для низкооборотных турбоустановок применяются более тяжелые масла, для высокооборотных – более легкие. В масляных системах с высокой кратностью циркуляции (в паротурбинных установках подводных лодок, где ограничены объемы отсеков энергетической установки), в последнее время применяется синтетическое авиационное масло марки Б-3В по ТУ 38-101295-85.

Системы смазки паротурбинных установок во многом схожи по своей структуре с системами смазки газотурбинных двигателей. Они также делятся на гравитационные, напорные и комбинированные. В состав системы смазки ГТЗА входит следующее оборудование:

• расходная и запасная масляные цистерны, цистерна грязного масла;
• масляные насосы;
• масляные фильтры;
• маслоохладители и маслоподогреватели;
• масляные сепараторы;
• трубопроводы с КИП и арматурой.

В системах смазки ГТЗА основным масляным насосом обычно является масляный насос с турбоприводом – турбомасляный насос ТМН. Резервный электромасляный насос ЭМН полностью идентичен по производительности основному насосу и, как правило, используется в режимах пуска и остановки ГТЗА, а также как аварийный источник смазки в случае выхода из строя основного масляного насоса. Основной масляный насос забирает масло из расходной масляной цистерны, прокачивает его через главные масляные фильтры и маслоохладитель, и подает его ко всем точкам смазки через индивидуальные фильтры, устанавливаемые на трубопроводах системы смазки. Масло от смазываемых узлов самотеком стекает обратно в расходную масляную цистерну – маслобак, который обычно располагается под редуктором ГТЗА. Кроме того в системе смазки предусматривается ЭМН малой подачи – маслоперекачивающий насос МПН, обеспечивающий перекачку масла между цистернами, а также смазку подшипников ГТЗА после вывода установки из действия в период остывания ГТЗА и проворачивания турбины от валоповоротного устройства. Подогрев масла перед пуском турбины и сепарация отстоя воды в масле производится масляным сепаратором. Часто ТМН имеет программное управление, обеспечивающее повышение давления масла от минимального значения для малых ходов судна, до полного рабочего давления, обеспечивающего максимальные ходовые режимы судна. Давление масла в каждой точке смазки регулируется дроссельными шайбами. При аварийной остановке основного масляного насоса автоматически запускается резервный насос. В случае дальнейшего падения давления в системе смазки (разрыве масляного трубопровода), сигнал по снижению давления в системе смазки ГТЗА подается в систему РУЗ ГТЗА на экстренную остановку турбоагрегата.

Масляные системы напорного типа достаточно компактны, но с целью улучшения показателей надежности в них обычно применяют резервирование основного оборудования.

Гравитационные системы смазки обычно используются на транспортных судах, где объемы МКО имеют необходимый запас для размещения цистерн на высоте 10 ÷ 12 м над уровнем подшипников ГТЗА. В этом случае масло из гравитационной цистерны самотеком поступает ко всем смазываемым узлам турбоагрегата, а пополнение гравитационной цистерны осуществляется периодически масляным насосом. Гравитационные системы более надежны, так как при выходе из строя масляных насосов обеспечивают смазку узлов ГТЗА в течение нескольких минут, достаточных для полной остановки турбины.

Конденсационная установка

Поверхность теплообмена главного конденсатора (рис. 66) состоит из трубных пучков. Трубы закрепляются в трубных досках методом вальцовки. Забортная вода циркуляционным насосом подается во входную водяную камеру, распределяется по трубкам и охлаждает их поверхность. Пар, поступающий в конденсатор от турбины, соприкасается с холодными стенками труб, конденсируется и стекает в виде капель и струй в нижнюю часть конденсатора – конденсатосборник. Из конденсатосборника образовавшаяся вода забирается конденсатным насосом. После прокачки трубок охлаждающая вода собирается в выходной водяной камере и сливается за борт. В конденсаторах регенеративного типа между пучками труб имеется пространство, по которому часть пара проходит не конденсируясь до поверхности конденсата и осуществляет его регенерацию (подогрев). Главный конденсатор крепится к фланцу выхлопного патрубка турбины и располагается непосредственно под корпусом турбины. Иногда (при размещении КТЭУ на судах с малыми объемами энергетических помещений), используется боковое расположение главного конденсатора относительно корпуса турбины.

В корпусе конденсатора имеются отверстия с фланцами:

• для всасывающего патрубка конденсатного насоса;
• для отсоса паровоздушной смеси главным эжектором;
• для сброса отработавшего пара от вспомогательных механизмов;
• для дренажа конденсата;
• трубопроводов системы продувания корпусов турбин и штоков клапанов.

Циркуляционная система предназначена для прокачки главного конденсатора забортной водой, а также подачи забортной воды на другие потребители КТЭУ: маслоохладители системы смазки ГТЗА и ВМ (вспомогательные механизмы); воздухоохладители машинно-котельных отделений; систему охлаждения цистерны грязных конденсатов; иногда – на холодильники эжекторов системы отсоса паровоздушной смеси.

Циркуляционные насосы должны обеспечивать большие расходы охлаждающей забортной воды. Диаметры трубопроводов циркуляционной системы достигают 750 мм и более. Поэтому в качестве циркуляционных насосов используются насосы осевого типа, часто имеющие турбопривод. На скоростях переднего хода судна свыше 10 ÷ 12 узлов охлаждение пара и его конденсация могут обеспечиваться самопротоком главного конденсатора за счет энергии набегающего потока забортной воды при движении судна. Циркуляционный насос в таких системах имеет программное управление, обеспечивающее автоматическое его отключение на передних ходах, и максимальный расход охлаждающей воды на режимах стоянки и заднего хода.

Конденсатно-питательная система

Конденсатно-питательная система предназначена для забора конденсата из главного конденсатора, приема, хранения и подачи питательной воды к котлам, подогревателям, фильтрам, элементам регулирования и управления КТЭУ (котлотурбинная энергетическая установка). В КПС (конденсатно-питательная система) также осуществляется докотловая обработка воды с целью снижения концентрации солей и растворенных газов в питательной воде, подаваемой к котлам. КПС является основным и наиболее сложным звеном паросиловой установки, связывающим между собой главный конденсатор и главные котлы.

КПС по своему типу делятся на открытые и закрытые. В открытых системах конденсатный насос подает воду в специальную емкость – теплый ящик, сообщающийся с внешней средой. Пополнение запасов питательной воды производится так же через теплый ящик. Но использование открытых систем возможно только для КТЭУ, работающих на невысоких параметрах пара (до 20 кгс/см²), так как в теплом ящике происходит контакт питательной воды с атмосферой и насыщение ее кислородом. На современных судах и кораблях с КТЭУ открытые системы уже практически не применяются. В закрытых КПС контакта конденсата и питательной воды с атмосферой нет.

Схема построения КПС зависит от тепловой схемы установки, примененной на судне (наличие или отсутствие подогрева питательной воды, количества ступеней подогрева воды, промежуточных отборов пара из главной турбины, типа водоподогревателя т.д.).

На рис. 67 изображена схема КПС закрытого типа. Конденсатный насос, работающий в тяжелых условиях, располагают ниже конденсатосборника главного конденсатора. Конденсатный насос забирает конденсат из главного конденсатора, прокачивает им холодильники главного эжектора, вспомогательного эжектора, и подает его через ионообменный обессоливающий фильтр в деаэратор, выполняющий в закрытой системе роль водоподогревателя . В деаэраторе мелко распыленный конденсат перемешивается с греющим паром. Подогретая питательная вода забирается из деаэратора бустерным насосом, создающим подпор для нормальной работы питательного насоса. Питательный насос через регулятор питания подает воду на питание главных котлов. Потери и протечки питательной воды восполняются подачей питательной воды из расходной цистерны РЦПВ в главный конденсатор через регулятор уровня воды в конденсаторе – РУК. Излишки воды из главного конденсатора направляются в РЦПВ.

В КПС может отсутствовать бустерный насос. В этом случае деаэратор размещают как можно выше над питательным насосом, чтобы обеспечить подпор для его работы за счет веса столба жидкости. В современных КТЭУ конденсатный, бустерный и питательный насосы часто объединяют в один насосный агрегат с общим турбоприводом – питательный конденсатно- бустерный турбоагрегат – ПКБТ.

Система поддержания вакуума в главном конденсаторе

Система предназначена для создания и поддержания вакуума в главном конденсаторе при работе паротурбинной установки. Вакуум в главном конденсаторе образуется за счет конденсации большого количества пара и уменьшения его объема до объема сконденсированной воды. Поддержание вакуума в главном конденсаторе улучшает условия работы последних ступеней турбин, позволяет обеспечить более полное расширение пара и получить большее значение эффективной мощности турбоагрегата. Но при работе паротурбинной установки через неплотности соединений трубопроводов и арматуры, работающих под вакуумом, в главный конденсатор попадает воздух, снижая величину вакуума. Для поддержания заданного значения вакуума, из конденсатора производится постоянное удаление паровоздушной смеси.

Удаление паровоздушной смеси осуществляется вакуумными насосами. Наибольшее распространение в системах создания вакуума получили пароструйные эжекторы, имеющие следующие преимущества перед другими типами вакуумных насосов: возможность достижения начального разрежения за короткое время; способность поддерживать глубокий вакуум в течение всего времени работы ПТУ; быстрый ввод в действие; компактность и надежность работы; отсутствие подвижных частей и необходимости смазки.

В сопло пароструйного эжектора (рис. 68) поступает пар, разгоняется до большой скорости и, проходя через камеру эжектора, создает в ней разрежение. За счет созданного разрежения в камеру осуществляется подсос паровоздушной смеси из полости главного конденсатора.

Паровоздушная смесь поступает в холодильник эжектора, и охлаждается при соприкосновении с трубками холодильника, прокачиваемыми охлаждающей водой. При этом пар конденсируется на поверхности трубок, конденсат стекает вниз и скапливается в нижней части эжектора, а воздух выбрасывается в машинное отделение.

Конденсат, образовавшийся в холодильнике эжектора, дренируется в главный конденсатор через специальные устройства – конденсатоотводчики и гидрозатворы, разделяющие теплообменные аппараты с различными давлениями внутри них (рис. 67). Для создания более глубокого вакуума в главных конденсаторах используются двухступенчатые эжекторы. В этом случае первая ступень эжектора отсасывает паровоздушную смесь из полости главного конденсатора, а вторая ступень – из холодильника первой ступени эжектора.

Система уплотнений турбин и отсоса пара из уплотнений

Система уплотнения турбин и отсоса пара из уплотнений предназначена для подачи уплотняющего пара в камеры концевых лабиринтовых уплотнений и отсоса паровоздушной смеси из них (рис. 69).

Паровые (внутренние) камеры лабиринтовых уплотнений соединены трубопроводами с уравнительным коллектором системы уплотнений турбины. В нем с помощью автоматического регулятора – Рег поддерживается постоянное избыточное давление, превышающее давление в машинном отделении на небольшую величину. Наружные камеры концевых уплотнений турбин соединены трубопроводами с эжектором системы уплотнений, который поддерживает в них разрежение.

Пар, подаваемый в паровые камеры уплотнений, создает подпор пару, просачивающемуся по валу из корпуса турбины через лабиринтовые уплотнения, а излишки пара и воздух, поступающий в концевые уплотнения из машинного отделения, отсасываются из камер низкого давления эжектором. Эжектор системы уплотнений прокачивается охлаждающей водой (конденсатом или забортной водой). Конденсат из холодильника эжектора дренируется в главный конденсатор через конденсатоотводчик и масляный фильтр. Масляный фильтр устанавливается в системе уплотнений турбин для предотвращения возможного попадания масла в питательную воду котлов (наружные уплотнения паровых турбин находятся в непосредственной близости от опорных подшипников турбины).

Паровые системы паротурбинной установки

Состав паровых систем паротурбинной установки во многом зависит от примененной тепловой схемы КТЭУ, параметров пара, вырабатываемых главными котлами, количества и типа главных турбин, главных котлов, состава вспомогательных механизмов и типа их привода. В общем случае тепловая схема КТЭУ может включать в себя следующие паровые системы:

• систему главного пара, предназначенную для подачи пара полных параметров от главных стопорных клапанов паровых котлов к маневровым устройствам главных паровых турбин;
• систему вспомогательного перегретого пара, предназначенную для подачи пара полных параметров от главных и вспомогательных котлов к турбоприводам наиболее мощных вспомогательных механизмов;
• систему вспомогательного насыщенного (слабоперегретого) пара, предназначенную для подачи пара пониженных параметров от главных и вспомогательных котлов на турбоприводы маломощных вспомогательных механизмов, пароструйные эжекторы, различные теплообменные аппараты (масло- и нефтеподогреватели), пароэжекторные холодильные машины, опреснительные установки и другое оборудование;
• систему отработавшего пара, предназначенную для сбора отработавшего в турбоприводах вспомогательных механизмов пара и подачи его в качестве греющей среды в водоподогреватели;
• системы продувания паропроводов и механизмов, предназначенные для удаления конденсата, образовавшегося после вывода из действия и остывания паросиловой установки из паропроводов, путевой арматуры, стопорных и быстрозапорных устройств, сопловых коробок турбомеханизмов.

Паропроводы свежего пара, штоки арматуры свежего пара, маневровые коробки главных турбин, турбомеханизмы продуваются в магистраль продувания высокого давления.

Паропроводы отработавшего пара и корпуса турбин вспомогательных механизмов продуваются в магистраль продувания низкого давления.

Корпус и полости главных турбин продуваются в главный конденсатор.

Продувание паропроводов, арматуры, корпусов турбин и турбоприводов вспомогательных механизмов осуществляется при каждом вводе установки в действие в период прогревания паром перечисленных элементов КТЭУ. Продувание главных турбин иногда осуществляется во время маневрирования и при реверсировании турбины.

Система регулирования, управления и защиты ГТЗА

Система РУЗ ГТЗА предназначена для пуска, остановки, изменения и регулирования частоты вращения, реверсирования ГТЗА, а также для автоматической или ручной его остановки в аварийных ситуациях.

Система РУЗ ГТЗА должна обеспечивать следующие операции:

• управление ГТЗА во всем диапазоне рабочих режимов, включая пуск, остановку и маневрирование;
• автоматическое предотвращение провалов и забросов давления свежего пара в переходных режимах работы турбины;
• аварийную защиту ГТЗА на всех режимах работы;
• выдачу импульсов в автономные системы управления на изменение режимов работы масляных, циркуляционных насосов, и в систему автоматического регулирования и защиты главных котлов;
• прием и обработку импульсов от системы автоматического регулирования и аварийной защиты главных котлов.

Применяемые в судовых КТЭУ системы РУЗ ГТЗА, в зависимости от основных режимов использования главных турбин, могут включать в себя следующие элементы:

• систему регулирования частоты вращения – РЧВ, включающую в себя: органы управления турбиной (сопловые, байпасные клапаны и маневровый клапан заднего хода) с сервоприводами; блок регулирования частоты вращения, и импульсные насосы – импеллеры;
• блок контрпара, предназначенный для организации подачи пара в турбину противоположного вращения в следующих случаях:
• при превышении фактической частоты вращения турбин над заданной;
• при превышении давления свежего пара в сопловой коробке определенного предельного значения для данного ГТЗА;
• при падении давления в системе смазки турбин.
• систему регулирования давления пара, обеспечивающую поддержание давления пара и предотвращение провалов и забросов давления пара на переходных режимах работы ГТЗА. На стационарных режимах работы турбин давление пара поддерживается системой автоматического регулирования главных котлов;
• автономную систему маслоснабжения;
• систему защиты главных турбин, обеспечивающую остановку ГТЗА по следующим параметрам:
• при падении давления в системе смазки ниже допустимого значения;
• при превышении частоты вращения турбины выше номинальной на 8 ÷ 12 %; Датчиками частоты вращения являются импульсные масляные насосы – импеллеры, расположенные на роторах турбин;
• при повышении давления в главном конденсаторе выше аварийного значения;
• при повышении давления пара в камере регулировочной ступени турбины выше допустимого значения для данного ГТЗА;
• при включении валоповоротного устройства турбины;
• при срабатывании системы защиты главных котлов;

Системы РУЗ (регулятор уровня воды в главном конденсаторе) ГТЗА обычно выполняются электрогидравлическими. Рабочей жидкостью является масло, подающееся в систему с напора главных масляных насосов. В современных установках часто применяется автономная система маслоснабжения РУЗ ГТЗА со своими масляными насосами. В аварийных случаях, при выходе из строя насосов автономной системы маслоснабжения, система РУЗ ГТЗА автоматически переключается на питание маслом от системы смазки главных турбин.

Аварийные сигналы по вышеперечисленным параметрам поступают на соответствующий золотник блока защиты. При срабатывании блока защиты по любому аварийному импульсу, выдается сигнал на закрытие быстрозапорного клапана турбины, прекращающего подачу пара к сопловым клапанам. Для обеспечения ускорения остановки ГТЗА по аварийным параметрам, блок защиты может выдавать сигнал на блок контрпара, подающий пар в турбину противоположного вращения до полной остановки ГТЗА. Система РУЗ ГТЗА обеспечивает и экстренную остановку турбины от ручного воздействия оператора на масляный выключатель блока защиты.

Кроме электрогидравлической системы РУЗ ГТЗА в паротурбинных установках применяются и механические средства защиты. Как правило, к ним относятся:

• регуляторы безопасности (выключатели предельного числа оборотов), воздействующие на быстрозапорные устройства ГТЗА при превышении частоты вращения турбины выше номинальной на 12 ÷ 15 %, и несрабатывании электрогидравлической системы защиты;
• выключатели предельного сдвига ротора, воздействующие на быстрозапорное устройство ГТЗА при осевом сдвиге ротора турбины на величину, превышающую допустимую.

Литература

Судовые энергетические установки. Котлотурбинные энергетические установки. Болдырев О.Н. [2004]

• Схема дизельной установки: механизмы и устройства
• Требования к судовым дизелям: конструкции деталей
• Дейдвудное устройство: подшипники, трубы, сальник
• Системы дизельных энергетических установок
• Конструкция основных элементов паровых турбин