大功率離合器在汽輪發(fā)電機(jī)的應(yīng)用特性

苗國寬

（安陽鋼鐵集團(tuán)公司動力廠，河南安陽 455004）

1 工藝簡介

安陽鋼鐵集團(tuán)3#高爐鼓風(fēng)站于2013年3月投用，采用兩爐兩機(jī)模式，站內(nèi)配置2臺240 t/h高溫高壓全燃高爐煤氣鍋爐，1臺60 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，1臺杭汽HNK63/90/120工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動的陜鼓AV100-18鼓風(fēng)機(jī)組，預(yù)留1臺備用鼓風(fēng)機(jī)組。為保證大高爐安全穩(wěn)定順行，并且最大發(fā)揮汽輪機(jī)效率，2015年對預(yù)留備用鼓風(fēng)機(jī)組實(shí)施擴(kuò)建，新建鼓風(fēng)機(jī)組采用新工藝一機(jī)兩拖機(jī)組，即一套汽輪機(jī)兩端出軸通過離合器分別驅(qū)動高爐軸流壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)，汽輪機(jī)分別通過離合器與軸流壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)嚙合和脫開功能，兩者之間切換時，機(jī)組停到零轉(zhuǎn)速，進(jìn)行換擋離合器的嚙合脫開工作（圖1）。

圖1 工藝配置簡圖

該機(jī)組于2017年元月21日72小時滿負(fù)荷試運(yùn)完成并投入運(yùn)行。但投用后發(fā)現(xiàn)機(jī)組在并網(wǎng)、加減負(fù)荷時振動、推力瓦溫波動較大，有時會造成運(yùn)行參數(shù)超標(biāo)停機(jī)，經(jīng)分析認(rèn)為大功率離合器的應(yīng)用特性對發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行起到了舉足輕重的作用。

主要設(shè)備及技術(shù)參數(shù):

工業(yè)汽輪機(jī)型號：杭汽HNKS63/90兩端出軸多級冷凝式汽輪機(jī)，陜鼓軸流壓縮機(jī)：AV100-18全靜葉可調(diào)鼓風(fēng)機(jī)組，南陽防爆發(fā)電機(jī):QFW-50-2。機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速：3000 r/min,汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力：8.83 MPa，進(jìn)汽溫度：535 ℃

2 機(jī)組離合器的技術(shù)參數(shù)與工作原理

2.1 離合器的主要主要設(shè)計條件和技術(shù)參數(shù)

(1)轉(zhuǎn)速：3000 r/min，

(2)傳遞功率：50000 kW，

(3)額定扭矩:160000 Nm,

(4)風(fēng)機(jī)靜阻力矩：2719 Nm、發(fā)電機(jī)靜阻力矩：600 Nm，

(5)汽輪機(jī)進(jìn)汽端熱脹量：18.0 mm ，汽輪機(jī)排汽端熱脹量：7.0 mm，風(fēng)機(jī)熱脹量：0.5 mm，發(fā)電機(jī)熱脹量：1.0 mm。

2.2 離合器的工作原理

離合器采用MAAG的ZEP11離合器，主要結(jié)構(gòu)由驅(qū)動端的外齒圈、被驅(qū)動端的外齒圈、內(nèi)齒滑動部件、支撐套筒、導(dǎo)向軸環(huán)等機(jī)械部件及換擋機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和儀控系統(tǒng)（圖2圖3）。工作原理：離合器的齒設(shè)計有尖定心，其它部分與不可分離離合器一樣，在嚙合狀態(tài)下表現(xiàn)為普通的齒式離合器，由內(nèi)齒滑動部件的軸向位移實(shí)現(xiàn)嚙合/脫開，脫開狀態(tài)下滑動部件被移動在一端，并由支撐套筒來支撐，內(nèi)齒滑動部件的軸向位移是通過換擋機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，換擋機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。

圖2 離合器機(jī)構(gòu)簡圖

圖3 離合器實(shí)物圖

3 離合器在汽輪發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用分析

3.1 離合器在汽輪發(fā)電機(jī)軸系的工作狀況分析

離合器在汽輪發(fā)電機(jī)軸系中的工作狀況如圖4所示，一旦汽輪發(fā)電機(jī)離合器嚙合，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、離合器、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子便組成新的軸系，在機(jī)組開停及負(fù)荷變化過程中，由于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子四周被蒸汽包圍，轉(zhuǎn)子伸縮量對蒸汽量反應(yīng)比較快，而汽缸比較厚重，隨著蒸汽量改變汽缸伸縮量較慢，故而會造成后氣缸脹差的改變，也就是轉(zhuǎn)子相對汽缸的改變量。

但是由于汽輪機(jī)推力軸承、發(fā)電機(jī)推力軸承的存在，使后汽缸脹差的改變量必須依靠離合器內(nèi)外齒之間的軸向移動來吸收，這樣一來，離合器在傳遞扭矩的同時，還要承受因汽缸脹差的改變對離合器內(nèi)外齒發(fā)生相對移動產(chǎn)生的軸向力，因此離合器工作時受力狀況復(fù)雜，離合器內(nèi)外齒會發(fā)生軸向和徑向位移導(dǎo)致運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，而且整個汽輪發(fā)電機(jī)軸系工作狀態(tài)不穩(wěn)定，極易造成推力瓦溫、軸振動的改變，如果短期大幅度增減負(fù)荷，甚至?xí)疠S瓦超溫、振動超標(biāo)等停機(jī)事故。

圖4 汽輪發(fā)電機(jī)軸系

3.2 影響離合器在汽輪發(fā)電機(jī)軸系中動作精度的因素

（1）離合器齒面光潔度

離合器齒面越光潔，在增減負(fù)荷引起后氣缸脹差改變時，內(nèi)外齒之間發(fā)生位移時阻力越小，離合器的內(nèi)外齒錯動時越容易。

（2）離合器潤滑油的清潔程度與供油量

潤滑油越清潔供油量越多，離合器內(nèi)外齒面潤滑狀況越好，離合器的內(nèi)外齒錯動時越容易。所以保證離合器供油的清潔十分重要。

（3）發(fā)電機(jī)負(fù)荷

發(fā)電機(jī)負(fù)荷越大，離合器傳遞扭矩越大，內(nèi)外齒之間發(fā)生位移時阻力越大，離合器的內(nèi)外齒錯動時越困難。

3.3 離合器對汽輪發(fā)電機(jī)軸系的影響

（1）由于整個汽輪發(fā)電機(jī)在開停機(jī)、升降負(fù)荷過程中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)外缸膨脹收縮的快慢速度不一致，導(dǎo)致后氣缸脹差發(fā)生改變，而脹差改變的位移要依靠離合器內(nèi)外齒的錯動來吸收，而離合器內(nèi)外齒間移動必然引起軸向力的改變，因此由于離合器及兩端推力軸承的存在，在機(jī)組負(fù)荷改變時發(fā)生軸系振動、推力瓦溫度改變是必然的。

（2）在開機(jī)過程中，進(jìn)汽量較小，轉(zhuǎn)子受熱膨脹較快，汽缸膨脹較慢，因此會出現(xiàn)較大的汽輪機(jī)脹差，這個過程也是離合器內(nèi)外齒錯動較快的階段。但此時汽輪機(jī)負(fù)荷低，離合器傳遞扭矩較小，內(nèi)外齒移動阻力小，該階段離合器內(nèi)外齒移動順暢，不會對整個軸系的振動及推力瓦溫造成明顯影響。（汽輪發(fā)電機(jī)升速及加減負(fù)荷表1—5階段）

（3）在汽輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后及快速升負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子受熱快速膨脹，引起后汽缸脹差快速增大，這時離合器由于承受較大扭矩造成內(nèi)外齒移動阻力大，導(dǎo)致離合器軸向遭受較大擠壓力，這時會引起發(fā)電機(jī)主推瓦溫上升，也會引起機(jī)組軸系振動快速上升。同時由于內(nèi)齒輪受擠壓時會引起整個軸系發(fā)生軸向中心的改變，因此增加了軸系的不穩(wěn)定性，更易造成振動超標(biāo)。（汽輪發(fā)電機(jī)升速及加減負(fù)荷表5—10階段）

（4）在汽輪發(fā)電機(jī)快速降負(fù)荷過程中，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子收縮較快，引起后汽缸脹差快速減小，這時離合器由于承受較大扭矩造成內(nèi)外齒移動阻力大，導(dǎo)致離合器軸向遭受較大拉應(yīng)力，這時會引起發(fā)電機(jī)副推瓦溫上升，也會引起機(jī)組軸系振動快速上升。但此時內(nèi)齒輪受拉伸，不會對軸系中心造成較大影響，因此軸系振動沒有快速加負(fù)荷影響大，不易造成振動超標(biāo)。（汽輪發(fā)電機(jī)升速及加減負(fù)荷表10—12階段）。汽輪發(fā)電機(jī)升速及加減負(fù)荷 (僅列出影響較大參數(shù))見表1。

表1 汽輪發(fā)電機(jī)升速及加減負(fù)荷表

4 結(jié)語

大功率離合器雖然可以傳遞較大力矩，但如果應(yīng)用于內(nèi)外齒反復(fù)發(fā)生大量相對位移的場合中，其受力狀況復(fù)雜且對整個軸系振動影響較大，在運(yùn)行過程中要注意發(fā)電機(jī)主付推力瓦溫、軸系振動的變化，不要快速加減負(fù)荷。同時要保持潤滑油的清潔，并且定期對離合器齒面情況進(jìn)行檢查維護(hù)。