模塊化液力偶合器應用于600MW超臨界燃煤發電機組的適應性分析

余麗萍

（上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

0 引言

我國的能源結構決定了電力工業以煤炭為主，超臨界機組可高效率利用燃煤進行發電，具有單機容量大、效率高、可靠性高、調節性能好、造價低廉等特點。600MW超臨界燃煤發電機組的鍋爐給水泵按驅動形式可分為汽動給水泵組和電動給水泵組。采用小汽輪機直接驅動給水泵的汽動泵組，可減少主機排氣，有利于主機低壓段的合理設計和有效運行；采用電動機加模塊化液力偶合器驅動給水泵的電動泵組，可使超臨界燃煤發電機組的熱力系統設計簡化及運行可靠。在600MW超臨界燃煤發電機組中，采用2臺50%容量汽動泵組加1臺30%～50%容量電動泵組的配置，得到了廣泛的應用。電動泵組的液力偶合器具有轉速高、功率大、調速靈敏等特點，能使給水泵在接近空載下平穩、無沖擊啟動，無級變速，實現了給水系統的自動調節，并能選用功率小的電動機以節約廠用電。

模塊化液力偶合器是在普通型液力偶合器的基礎上發展起來的，其針對性的結構設計和性能特點，在用于配套600MW超臨界燃煤發電機組乃至1000MW超超臨界燃煤發電機組鍋爐調速給水泵組時被廣泛采用。

1 適應單元機組的大容量及高參數

600MW超臨界燃煤發電機組效率較高，供電端效率高達40%以上。機組效率高主要是通過提高鍋爐主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和鍋爐熱效率來達到。由于主機設備的大容量、高參數，其關鍵輔機給水泵的性能參數也相應較高。600MW超臨界燃煤發電機組鍋爐調速給水泵，出口揚程高于3 300m，出水流量約900m3／h，軸功率為9 000kW。模塊化液力偶合器目前采用3種方式來適應其要求。

1.1 容積調節型調速方式

由于液力偶合器傳遞動力的能力與其工作腔的充液率成正比，在運行中改變液力偶合器工作腔的充液率，便可以在輸入轉速nB不變的情況下，改變其輸出力矩MT和輸出轉速nT。采用容積調節型液力偶合器調速方式，不同的充液率和液力偶合器對應的特性曲線如圖1所示。

由圖1可知，不同的充液率V1、V2、V3，液力偶合器對應的ab、ac、ad三條特性曲線，給水泵特性曲線是MZ。給水泵特性曲線與不同充液量下的液力偶合器曲線分別交于1、2、3點，相應的輸出轉速分別為nT1、nT2、nT3。很顯然，調節液力偶合器工作腔的充液率也就調節了其輸出轉速。采用容積調節型調速方式的優點是調速方便，可有進口、出口、復合多種調節方式，調速精度較高。

圖1 容積調節型調速方式

1.2 出口調節伸縮勺管型調速方式

伸縮勺管調節是在進口流量基本恒定、利用勺管的伸縮位置變化調節導流腔油環厚度、改變出口流量來進行調速的。勺管相當于一個旋噴泵，具有截取隨旋轉容器一起旋轉的油環中油液的功能，與油泵的功能相同，如圖2所示。

圖2 勺管調速原理示意圖

由圖2（a）可見，以圓周速度Vx旋轉的油環，當碰到固定不轉但能斜向或直向移動的勺管端口時，旋轉油環所形成的動能便轉化成位能，在迎著旋轉油環的勺管端口處產生一定的壓頭，在此壓頭的作用下，油環中的油液便被勺管導出，并通過管路排入箱體。因導流腔與工作腔有過流孔相通，所以通過伸縮勺管的位置變化來調節液力偶合器工作腔的充液量，從而調節液力偶合器的輸出力矩和輸出轉速。

采用出口調節調速的優點是調速時間短，反應靈敏；供油泵功率大、流量大、排油能力略大于供油能力、充排油時間短、換熱能力強；有堅固的箱體，支承穩定可靠；可傳遞較大功率，適應較寬的轉速范圍；自動化控制水平高。

1.3 前置齒輪增速方式

在液力偶合器內設置一對前置增速齒輪，用以提高偶合器的輸入轉速，提高傳遞功率，滿足高轉速給水泵的要求。因此，模塊化液力偶合器可滿足600MW超臨界燃煤發電機組的大容量、高參數，輸入轉速為1 500r／min，輸出轉速最高為14 822r／min，輸入功率最高為18 202kW，調速范圍為25%～100%。

2 適應單元機組的高效及節能

機組效率的提高，尤其對于600MW超臨界燃煤發電機組，具有極其重要的意義。如果機組效率提高0.1%，對于1臺1000MW以上機組，相當于多輸出近1MW的電量，可見其經濟效益相當可觀。給水泵是燃煤電廠最大的輔機，其能耗的高低對電廠的績效影響較大。模塊化液力偶合器使給水泵適應600MW超臨界燃煤發電機組主汽輪機和鍋爐的滑壓運行需要，從而提高機組效率，在機組負荷率低于70%～80%時可以顯現良好的節能效果。

模塊化液力偶合器采用模塊化設計，將設備上同一功能單元，設計成具有不同性能、可以互換的模塊，選用不同模塊即可組成不同類型、不同規格的設備，以匹配給水泵滿足超臨界燃煤發電機組各種工況的轉速要求，減少自身的滑差損耗。

3 適應單元機組的安全及可靠運行

我國已投運的600MW超臨界燃煤發電機組可用率為88%，平均年運行小時超過7 000h，體現了很高的可靠性。模塊化液力偶合器采用優化結構設計，用以滿足大型燃煤發電機組的可靠性要求。

1）將一級增速齒輪和偶合器泵、渦輪、調速機構置于同一箱體內，結構緊湊。

2）增速齒輪為人字齒，采用優質合金鋼制造。齒面經滲碳淬火處理，磨削加工，特別適用于承受交變載荷。

3）支持軸承為烏金襯套中分式滑動軸承和自位瓦塊式雙向推力軸承。

4）除軸承油封以外，無任何直接機械摩擦，故障率低。

4 適應單元機組的調節運行特性

超臨界燃煤發電機組的熱工自動控制系統，具有良好的調節性能，機組運行方式為定壓—滑壓—定壓，夜間停機、快速啟動以及頻繁改變負荷的能力很強，高負荷和低負荷時都能保持高效率。模塊化液力偶合器采用電液執行器驅動伸縮勺管方式適應上述要求，同時還能實現模塊化液力偶合器的自動控制，即能采集也能輸出4～20mA電流信號，而且集成化程度高，體積相對較小。VEHS電液執行器的控制原理如圖3所示。

圖3 VEHS電液執行器的控制原理

如圖3所示，VEHS電液執行器的控制原理為：勺管始終由液壓缸上的位置傳感器監測，反饋信號（4～20mA）與控制室的4～20mA信號比較后，由控制器產生差動信號，差動信號控制三位四通閥中的液壓油流向，從而控制液壓缸的運動，達到控制勺管的目的。

VEHS電液執行器為自成一體的電液執行器，執行器的內部接線以及與接線盒之間的接線已由制造廠完成，客戶只需將控制信號和反饋信號接至控制室即可完成對偶合器的邏輯控制。輸入信號至輸出轉速間的線性關系，由VEHS執行器的線性單元完成。自成一體的電液執行器、液壓控制集成的啟動裝置，使泵組從靜止到滿負荷只需5s，控制精度高及快速響應，充分滿足了大容量燃煤發電機組的電動給水泵組，從零轉速的備用狀態啟動至給水泵出口的壓力和流量達到額定參數的時間（12～15s）要求，非常適應單元機組的調節運行特性。

5 適應單元機組的低投資

600MW超臨界燃煤發電機組與2臺同參數的300MW超臨界燃煤發電機組相比，它的投資可減少10%～20%，占地面積可減少20%，熱耗降低0.5%，并且制造和安裝周期可縮短。模塊化液力偶合器采用優化設計，用于降低造價。采用先進的鑄造工藝，使工作油、潤滑油在箱體的鑄造隱蔽油路中流動，使整體設計更加緊湊和容易維護。

將液力偶合器的機械部分和調速部分，分別設計成獨立的單元模塊，分為齒輪箱模塊、渦輪箱模塊、油路系統模塊等。公共接口采用標準接口，可根據給水泵不同的功率和速度進行組合，實現技術的可匹配性。

液力偶合器自帶完整的工作油、潤滑油和輔助油系統，工作油和潤滑油采用同一種油。工作油泵（離心泵）和主潤滑油泵（齒輪泵）組合成一充油泵組，由偶合器的輸入軸驅動；在偶合器啟動、停機和故障時，由一電動輔助潤滑油泵向各軸承供油。除此之外，液力偶合器能滿足外部設備的供油需求，電動機和給水泵的潤滑可由液力偶合器的潤滑油系統提供，其回油回到液力偶合器油箱，液力偶合器在電機側和給水泵側的潤滑油出口管道上裝有流量孔板，在給水泵組試運轉前可按所需的油流量和壓力，對這些孔板進行調整，達到整個給水泵組油系統的合理配置。

6 結語

發展大容量、高參數的超臨界和超超臨界發電機組是當今世界和我國燃煤發電機組的趨勢，模塊化液力偶合器順應了燃煤發電機組裝備的發展方向，其設計遵循了滿足需要、經濟合理、可靠性高、優化整合、標準化和低維修的原則，至今已有多臺應用于我國600MW超臨界燃煤發電機組鍋爐電動調速給水泵組中。我國正在加快對超臨界機組引進的輔機裝備的國產化，通過分析吸收，掌握核心技術，加快創新進程，實現模塊化液力偶合器完全國產化，將會產生巨大的社會效益和經濟效益。