自動(dòng)同步離合器在供熱汽輪機(jī)中的應(yīng)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(nèi)的自動(dòng)同步離合器的技術(shù)特點(diǎn)及在供熱汽輪機(jī)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：自同步離合器；供熱汽輪機(jī)；SSS離合器；MAAG離合器

中圖分類(lèi)號(hào)：TK262 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.154

自動(dòng)同步離合器是一種高效精密一體化傳動(dòng)裝置。其結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，適用范圍廣，目前已被廣泛應(yīng)用于艦船驅(qū)動(dòng)、鋼鐵行業(yè)BPRT系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)行業(yè)驅(qū)動(dòng)、化工行業(yè)供水泵裝置等領(lǐng)域。與常規(guī)供熱調(diào)節(jié)方式不同，供熱汽輪機(jī)采用自同步離合器可以完全將汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子脫開(kāi)，將低壓部分蒸汽全部用于供熱輸出，滿足機(jī)組最大供熱需求，熱電效率高，技術(shù)優(yōu)勢(shì)凸顯，可靠性顯著提升。

1 自動(dòng)同步離合器

機(jī)械自動(dòng)同步離合裝置簡(jiǎn)稱“自動(dòng)同步離合器”，是通過(guò)齒輪元件傳遞功率及扭矩的全自動(dòng)型超越離合器，包括目前常規(guī)的英國(guó)SSS公司設(shè)計(jì)制造的SSS（Synchro-Self-Shifting）離合器、瑞士RENK-MAAG公司的MS離合器等產(chǎn)品。自動(dòng)同步離合器產(chǎn)品可以根據(jù)需要傳遞不同功率和轉(zhuǎn)速等級(jí)，滿足不同的應(yīng)用領(lǐng)域。

自動(dòng)同步離合器是純機(jī)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(dòng)部件。輸入端與輸出端通過(guò)剛性法蘭軸或半撓性聯(lián)軸器與兩側(cè)的軸連接，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，兩側(cè)的軸通過(guò)離合器的嚙合或脫開(kāi)實(shí)現(xiàn)連接或斷開(kāi)，以傳遞相應(yīng)的功率或扭矩。自動(dòng)同步離合器的嚙合及脫開(kāi)動(dòng)作完全依靠其輸入端、輸出端的轉(zhuǎn)速差而自動(dòng)完成。當(dāng)離合器的輸入端轉(zhuǎn)速大于輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，輸入端帶動(dòng)滑動(dòng)部件與輸出端嚙合，離合器自動(dòng)嚙合后將輸入端與輸出端連成整體；反之，當(dāng)輸入端轉(zhuǎn)速小于輸出端轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)滑動(dòng)部件的運(yùn)行，輸入部件與輸出部件自動(dòng)脫開(kāi)。這種特性是由離合器自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，純機(jī)械、無(wú)控制。與同擋功率的其他傳動(dòng)元部件相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、部件精密度高、質(zhì)量輕、安全可靠性高等特點(diǎn)。

自動(dòng)同步離合器的基本原理可比擬為螺母擰在螺栓上的動(dòng)作。如果螺母不受力，當(dāng)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺母將隨螺栓一同轉(zhuǎn)動(dòng)。如果螺母受限制而螺栓繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，則螺母將沿螺栓做直線平移的運(yùn)動(dòng)。這一原理應(yīng)用了螺紋線的旋轉(zhuǎn)-位移特性。根據(jù)這一基本原理，再加上相關(guān)的限位組件及棘爪組件即可實(shí)現(xiàn)離合器輸入端軸和輸出端軸的自動(dòng)嚙合和脫開(kāi)。目前，各種自同步離合器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理和自動(dòng)嚙合、脫開(kāi)過(guò)程都是類(lèi)似的，本文不再詳細(xì)描述。

2 自動(dòng)同步離合器的具體應(yīng)用

供熱汽輪機(jī)具備熱電聯(lián)供能力，在環(huán)保、熱效率、調(diào)峰性能方面都優(yōu)于常規(guī)發(fā)電機(jī)組，尤其在目前國(guó)家能源規(guī)劃調(diào)整、環(huán)保和熱電綜合經(jīng)濟(jì)性要求高的情況下，具備較強(qiáng)供熱能力的汽輪機(jī)已越來(lái)越適應(yīng)市場(chǎng)的需求。尤其在北方供熱需求大的地區(qū)，為了使機(jī)組在冬季供熱工況能夠盡量為熱網(wǎng)提供熱量，同時(shí)在其他工況下具有良好的發(fā)電量和發(fā)電效率以及變工況的靈活性，在汽輪機(jī)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(guī)的中壓排汽供熱蝶閥等調(diào)整手段，采用自動(dòng)同步離合器連接低壓轉(zhuǎn)子和高中壓轉(zhuǎn)子，可以在供熱期將低壓轉(zhuǎn)子脫開(kāi)，最大化地利用中壓排汽對(duì)外供熱。帶離合器的汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組常規(guī)布置為：發(fā)電機(jī)—高中壓模塊—離合器—低壓模塊，如圖1所示。

將自動(dòng)同步離合器技術(shù)特點(diǎn)與供熱汽輪機(jī)相結(jié)合，使汽輪機(jī)低壓缸通過(guò)自動(dòng)同步離合器進(jìn)行自動(dòng)脫開(kāi)和嚙合，以實(shí)現(xiàn)供熱汽輪機(jī)純凝、供熱工況的自動(dòng)切換，對(duì)實(shí)現(xiàn)最大供熱化的功能具有重要的技術(shù)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)，結(jié)合不同自動(dòng)同步離合器的技術(shù)差異，需要對(duì)離合器與汽輪機(jī)技術(shù)進(jìn)行再次挖掘，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的機(jī)組布置，以進(jìn)一步提高機(jī)組安全性和可靠性，降低電站投資成本及汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造成本。

2.1 供熱調(diào)節(jié)方式

熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)電機(jī)組（CHP）可為一定區(qū)域供熱（區(qū)域供熱模式），同時(shí)發(fā)電模式可以提供較大的電能。該機(jī)組也可以在部分供熱的情況下運(yùn)行。將汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子與自動(dòng)同步離合器輸入端相連，高中壓轉(zhuǎn)子與輸出端相連，通過(guò)連接或斷開(kāi)HP/IP缸和LP缸之間的離合器，汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)純凝運(yùn)行、全供熱背壓運(yùn)行及抽凝運(yùn)行等運(yùn)行模式，并可以根據(jù)需要進(jìn)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(jī)的高中壓、低壓缸一起工作，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，可保證汽輪機(jī)的發(fā)電效率；為使機(jī)組供熱最大化，即汽輪機(jī)背壓運(yùn)行，關(guān)閉低壓進(jìn)汽閥門(mén)，低壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降后使得離合器自動(dòng)脫開(kāi)，高中壓汽缸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，中壓排汽全部用于熱網(wǎng)供熱，使供熱量最大化，并減少了汽輪機(jī)低壓通流冷卻浪費(fèi)的流量。

2.2 SSS離合器與MAAG離合器的方案比較

國(guó)內(nèi)目前采用自動(dòng)同步離合器的已投運(yùn)供熱汽輪機(jī)基本上都是聯(lián)合循環(huán)汽輪機(jī)，在火電超臨界35萬(wàn)等機(jī)組上有部分咨詢項(xiàng)目，由于自動(dòng)同步離合器的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，后續(xù)可望在其他火電供熱汽輪機(jī)上得以應(yīng)用，因此市場(chǎng)前景是客觀存在的。

目前用于供熱汽輪機(jī)的典型自動(dòng)同步離合器有2種，即英國(guó)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(guó)內(nèi)與東汽、上汽、哈汽機(jī)組均有配合，且已有相應(yīng)的運(yùn)行業(yè)績(jī)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上配套的主要有2種形式汽輪機(jī)產(chǎn)品，即15萬(wàn)等級(jí)的一拖一機(jī)組和30萬(wàn)等級(jí)的二拖一機(jī)組，對(duì)應(yīng)300T和340T 2種規(guī)格尺寸的SSS離合器。SSS離合器已在國(guó)內(nèi)多個(gè)電廠機(jī)組上進(jìn)行脫開(kāi)、嚙合切換，大多數(shù)運(yùn)行正常，但部分汽輪機(jī)組的SSS離合器出現(xiàn)了無(wú)法正常脫開(kāi)、嚙合，且嚙合齒出現(xiàn)多次嚴(yán)重磨損的故障，在多次更換離合器后其故障機(jī)理仍不明確，為汽輪機(jī)組的運(yùn)行造成較大風(fēng)險(xiǎn)。因此，后續(xù)采用SSS離合器的機(jī)組，尤其是當(dāng)?shù)蛪焊坠β瘦^大時(shí)，離合器設(shè)計(jì)尺寸相應(yīng)增大，輸入組件、輸出組件與中間滑動(dòng)部件間的軸向漲差、徑向偏差等都將增大，離合器發(fā)生故障的概率增加。從目前的故障情況來(lái)看，在離合器尺寸變大后，某些故障原因預(yù)判性變得更加復(fù)雜。