自動同步離合器在供熱汽輪機中的應用

謝明江+宋建華+彭金龍+趙春芳+蘇鑫海

摘 要：介紹了包括SSS離合器、MAAG離合器在內的自動同步離合器的技術特點及在供熱汽輪機中的應用。

關鍵詞：自同步離合器；供熱汽輪機；SSS離合器；MAAG離合器

中圖分類號：TK262 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.154

自動同步離合器是一種高效精密一體化傳動裝置。其結構緊湊，可靠性高，適用范圍廣，目前已被廣泛應用于艦船驅動、鋼鐵行業BPRT系統、鼓風機行業驅動、化工行業供水泵裝置等領域。與常規供熱調節方式不同，供熱汽輪機采用自同步離合器可以完全將汽輪機低壓轉子脫開，將低壓部分蒸汽全部用于供熱輸出，滿足機組最大供熱需求，熱電效率高，技術優勢凸顯，可靠性顯著提升。

1 自動同步離合器

機械自動同步離合裝置簡稱“自動同步離合器”，是通過齒輪元件傳遞功率及扭矩的全自動型超越離合器，包括目前常規的英國SSS公司設計制造的SSS（Synchro-Self-Shifting）離合器、瑞士RENK-MAAG公司的MS離合器等產品。自動同步離合器產品可以根據需要傳遞不同功率和轉速等級，滿足不同的應用領域。

自動同步離合器是純機械離合裝置，其主要分為3大部件：輸入部件、輸出部件和中間滑動部件。輸入端與輸出端通過剛性法蘭軸或半撓性聯軸器與兩側的軸連接，根據設計需要，兩側的軸通過離合器的嚙合或脫開實現連接或斷開，以傳遞相應的功率或扭矩。自動同步離合器的嚙合及脫開動作完全依靠其輸入端、輸出端的轉速差而自動完成。當離合器的輸入端轉速大于輸出轉速時，輸入端帶動滑動部件與輸出端嚙合，離合器自動嚙合后將輸入端與輸出端連成整體；反之，當輸入端轉速小于輸出端轉速時，通過滑動部件的運行，輸入部件與輸出部件自動脫開。這種特性是由離合器自身的結構特點決定的，純機械、無控制。與同擋功率的其他傳動元部件相比，具有結構緊湊、部件精密度高、質量輕、安全可靠性高等特點。

自動同步離合器的基本原理可比擬為螺母擰在螺栓上的動作。如果螺母不受力，當螺栓轉動時，螺母將隨螺栓一同轉動。如果螺母受限制而螺栓繼續轉動，則螺母將沿螺栓做直線平移的運動。這一原理應用了螺紋線的旋轉-位移特性。根據這一基本原理，再加上相關的限位組件及棘爪組件即可實現離合器輸入端軸和輸出端軸的自動嚙合和脫開。目前，各種自同步離合器產品的設計原理和自動嚙合、脫開過程都是類似的，本文不再詳細描述。

2 自動同步離合器的具體應用

供熱汽輪機具備熱電聯供能力，在環保、熱效率、調峰性能方面都優于常規發電機組，尤其在目前國家能源規劃調整、環保和熱電綜合經濟性要求高的情況下，具備較強供熱能力的汽輪機已越來越適應市場的需求。尤其在北方供熱需求大的地區，為了使機組在冬季供熱工況能夠盡量為熱網提供熱量，同時在其他工況下具有良好的發電量和發電效率以及變工況的靈活性，在汽輪機的中壓缸和低壓缸之間采用自同步離合器連接是很好的選擇。不同于常規的中壓排汽供熱蝶閥等調整手段，采用自動同步離合器連接低壓轉子和高中壓轉子，可以在供熱期將低壓轉子脫開，最大化地利用中壓排汽對外供熱。帶離合器的汽輪機發電機組常規布置為：發電機—高中壓模塊—離合器—低壓模塊，如圖1所示。

將自動同步離合器技術特點與供熱汽輪機相結合，使汽輪機低壓缸通過自動同步離合器進行自動脫開和嚙合，以實現供熱汽輪機純凝、供熱工況的自動切換，對實現最大供熱化的功能具有重要的技術意義和經濟價值。同時，結合不同自動同步離合器的技術差異，需要對離合器與汽輪機技術進行再次挖掘，實現更優化的機組布置，以進一步提高機組安全性和可靠性，降低電站投資成本及汽輪機設計制造成本。

2.1 供熱調節方式

熱電聯產發電機組（CHP）可為一定區域供熱（區域供熱模式），同時發電模式可以提供較大的電能。該機組也可以在部分供熱的情況下運行。將汽輪機低壓轉子與自動同步離合器輸入端相連，高中壓轉子與輸出端相連，通過連接或斷開HP/IP缸和LP缸之間的離合器，汽輪機發電機組可以實現純凝運行、全供熱背壓運行及抽凝運行等運行模式，并可以根據需要進行模式的快速切換。在純凝工況或抽凝工況下，離合器嚙合，汽輪機的高中壓、低壓缸一起工作，帶動發電機發電，可保證汽輪機的發電效率；為使機組供熱最大化，即汽輪機背壓運行，關閉低壓進汽閥門，低壓轉子轉速下降后使得離合器自動脫開，高中壓汽缸帶動發電機發電，中壓排汽全部用于熱網供熱，使供熱量最大化，并減少了汽輪機低壓通流冷卻浪費的流量。

2.2 SSS離合器與MAAG離合器的方案比較

國內目前采用自動同步離合器的已投運供熱汽輪機基本上都是聯合循環汽輪機，在火電超臨界35萬等機組上有部分咨詢項目，由于自動同步離合器的技術優勢，后續可望在其他火電供熱汽輪機上得以應用，因此市場前景是客觀存在的。

目前用于供熱汽輪機的典型自動同步離合器有2種，即英國SSS公司的SSS離合器和瑞士MAAG公司的MS同步離合器。SSS離合器在國內與東汽、上汽、哈汽機組均有配合，且已有相應的運行業績。目前國內市場上配套的主要有2種形式汽輪機產品，即15萬等級的一拖一機組和30萬等級的二拖一機組，對應300T和340T 2種規格尺寸的SSS離合器。SSS離合器已在國內多個電廠機組上進行脫開、嚙合切換，大多數運行正常，但部分汽輪機組的SSS離合器出現了無法正常脫開、嚙合，且嚙合齒出現多次嚴重磨損的故障，在多次更換離合器后其故障機理仍不明確，為汽輪機組的運行造成較大風險。因此，后續采用SSS離合器的機組，尤其是當低壓缸功率較大時，離合器設計尺寸相應增大，輸入組件、輸出組件與中間滑動部件間的軸向漲差、徑向偏差等都將增大，離合器發生故障的概率增加。從目前的故障情況來看，在離合器尺寸變大后，某些故障原因預判性變得更加復雜。