大功率離合器在汽輪發電機的應用特性

苗國寬

（安陽鋼鐵集團公司動力廠，河南安陽 455004）

1 工藝簡介

安陽鋼鐵集團3#高爐鼓風站于2013年3月投用，采用兩爐兩機模式，站內配置2臺240 t/h高溫高壓全燃高爐煤氣鍋爐，1臺60 MW汽輪發電機組，1臺杭汽HNK63/90/120工業汽輪機驅動的陜鼓AV100-18鼓風機組，預留1臺備用鼓風機組。為保證大高爐安全穩定順行，并且最大發揮汽輪機效率，2015年對預留備用鼓風機組實施擴建，新建鼓風機組采用新工藝一機兩拖機組，即一套汽輪機兩端出軸通過離合器分別驅動高爐軸流壓縮機和發電機，汽輪機分別通過離合器與軸流壓縮機和發電機實現嚙合和脫開功能，兩者之間切換時，機組停到零轉速，進行換擋離合器的嚙合脫開工作（圖1）。

圖1 工藝配置簡圖

該機組于2017年元月21日72小時滿負荷試運完成并投入運行。但投用后發現機組在并網、加減負荷時振動、推力瓦溫波動較大，有時會造成運行參數超標停機，經分析認為大功率離合器的應用特性對發電機組的穩定運行起到了舉足輕重的作用。

主要設備及技術參數:

工業汽輪機型號：杭汽HNKS63/90兩端出軸多級冷凝式汽輪機，陜鼓軸流壓縮機：AV100-18全靜葉可調鼓風機組，南陽防爆發電機:QFW-50-2。機組的額定轉速：3000 r/min,汽輪機進汽壓力：8.83 MPa，進汽溫度：535 ℃

2 機組離合器的技術參數與工作原理

2.1 離合器的主要主要設計條件和技術參數

(1)轉速：3000 r/min，

(2)傳遞功率：50000 kW，

(3)額定扭矩:160000 Nm,

(4)風機靜阻力矩：2719 Nm、發電機靜阻力矩：600 Nm，

(5)汽輪機進汽端熱脹量：18.0 mm ，汽輪機排汽端熱脹量：7.0 mm，風機熱脹量：0.5 mm，發電機熱脹量：1.0 mm。

2.2 離合器的工作原理

離合器采用MAAG的ZEP11離合器，主要結構由驅動端的外齒圈、被驅動端的外齒圈、內齒滑動部件、支撐套筒、導向軸環等機械部件及換擋機構、液壓系統和儀控系統（圖2圖3）。工作原理：離合器的齒設計有尖定心，其它部分與不可分離離合器一樣，在嚙合狀態下表現為普通的齒式離合器，由內齒滑動部件的軸向位移實現嚙合/脫開，脫開狀態下滑動部件被移動在一端，并由支撐套筒來支撐，內齒滑動部件的軸向位移是通過換擋機構來實現，換擋機構采用伺服電機來實現。

圖2 離合器機構簡圖

圖3 離合器實物圖

3 離合器在汽輪發電機中的應用分析

3.1 離合器在汽輪發電機軸系的工作狀況分析

離合器在汽輪發電機軸系中的工作狀況如圖4所示，一旦汽輪發電機離合器嚙合，汽輪機轉子、離合器、發電機轉子便組成新的軸系，在機組開停及負荷變化過程中，由于汽輪機轉子四周被蒸汽包圍，轉子伸縮量對蒸汽量反應比較快，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，也就是轉子相對汽缸的改變量。

但是由于汽輪機推力軸承、發電機推力軸承的存在，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外齒發生相對移動產生的軸向力，因此離合器工作時受力狀況復雜，離合器內外齒會發生軸向和徑向位移導致運行狀態不穩定，而且整個汽輪發電機軸系工作狀態不穩定，極易造成推力瓦溫、軸振動的改變，如果短期大幅度增減負荷，甚至會引起軸瓦超溫、振動超標等停機事故。

圖4 汽輪發電機軸系

3.2 影響離合器在汽輪發電機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，在增減負荷引起后氣缸脹差改變時，內外齒之間發生位移時阻力越小，離合器的內外齒錯動時越容易。

（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，離合器內外齒面潤滑狀況越好，離合器的內外齒錯動時越容易。所以保證離合器供油的清潔十分重要。

（3）發電機負荷

發電機負荷越大，離合器傳遞扭矩越大，內外齒之間發生位移時阻力越大，離合器的內外齒錯動時越困難。

3.3 離合器對汽輪發電機軸系的影響

（1）由于整個汽輪發電機在開停機、升降負荷過程中汽輪機轉子、汽輪機外缸膨脹收縮的快慢速度不一致，導致后氣缸脹差發生改變，而脹差改變的位移要依靠離合器內外齒的錯動來吸收，而離合器內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，在機組負荷改變時發生軸系振動、推力瓦溫度改變是必然的。

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

（3）在汽輪發電機并網后及快速升負荷過程中，汽輪機轉子受熱快速膨脹，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外齒移動阻力大，導致離合器軸向遭受較大擠壓力，這時會引起發電機主推瓦溫上升，也會引起機組軸系振動快速上升。同時由于內齒輪受擠壓時會引起整個軸系發生軸向中心的改變，因此增加了軸系的不穩定性，更易造成振動超標。（汽輪發電機升速及加減負荷表5—10階段）

（4）在汽輪發電機快速降負荷過程中，汽輪機轉子收縮較快，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外齒移動阻力大，導致離合器軸向遭受較大拉應力，這時會引起發電機副推瓦溫上升，也會引起機組軸系振動快速上升。但此時內齒輪受拉伸，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荷影響大，不易造成振動超標。（汽輪發電機升速及加減負荷表10—12階段）。汽輪發電機升速及加減負荷 (僅列出影響較大參數)見表1。

表1 汽輪發電機升速及加減負荷表

4 結語

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