燃氣蒸汽聯合循環機組SSS離合器嚙合相位角控制技術

楊 光， 劉 洋， 姚正林， 閆文辰

(1. 西安熱工研究院有限公司， 西安 710032；2. 華能江陰燃氣輪機熱電有限責任公司， 江蘇無錫 214400)

單軸布置帶有同步自脫(SSS)離合器的燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，因其占地面積小、輔助設備少、機組啟停方便等特點，近年來新建、投產的臺數相繼增多。該型機組大多存在SSS離合器處軸振大的問題；為此，設備廠家在吸取相關經驗后，對近期投產的機組進行了優化。從新機試運的振動數據來看，振動問題得到了很大改善。

針對SSS離合器自身特性，為了更好地控制SSS離合器處軸振，設備廠家設計了SSS離合器嚙合相位角控制裝置，筆者介紹該裝置在機組的實際應用情況及效果。

1 機組概況

某電廠2套400 MW級燃氣-蒸汽聯合循環發電機組為西門子SCC5-4000F系列高效單軸聯合循環發電機組，燃氣輪機為西門子SGT5-4000F重型燃氣輪機，汽輪機為三壓、雙缸(中低壓合缸)、再熱、軸向排汽、凝汽式汽輪機，型號為SST5-3000，發電機為全氫冷發電機，型號為SGen5-2200H。燃氣輪機和發電機采用剛性連接，發電機和汽輪機采用SSS離合器連接。

SSS離合器是一種完全依靠自身機構自動完成齒輪嚙合或脫離的機械裝置。當動力輸入設備主動齒和輸出設備從動齒轉速相同時SSS離合器自動軸向移位并嚙合，將動力輸入設備和輸出設備連接起來，當動力輸入設備轉速低于輸出設備轉速時，SSS離合器自動分離，動力輸入設備和輸出設備分開[1]。

機組的軸系結構見圖1，共有8個支撐軸承。1號、2號軸承支撐燃氣透平-壓氣機轉子，3號、4號軸承支撐發電機轉子，5號、6號、7號、8號軸承支撐SSS離合器、汽輪機高壓缸及中低壓缸轉子；其中2號軸承、7號軸承為徑向推力聯合軸承。

圖1 機組軸系結構示意圖

2 機組振動測量及保護

機組軸系每個支撐軸承處裝有與轉子徑向垂線成45°夾角的X、Y2個方向的電渦流傳感器，分別測量轉子的相對振動，并在每個軸承蓋處配置2個加速度傳感器，測量軸承蓋的絕對振動。燃氣輪機鍵相探頭安裝在2號軸承測速齒輪盤端面，汽輪機鍵相探頭安裝在7號軸承測速齒輪盤端面。

機組軸系振動報警及保護邏輯為：

(1) 燃氣輪機及發電機軸承(1～4號)中任一軸振峰-峰值達到165 μm輸出W級報警，峰-峰值達到240 μm輸出A級報警。(W級報警為警示報警，提醒當前設備運行參數存在異常；A級報警為保護報警，當A級報警發出，即當前設備運行參數達到保護動作值或達到推薦手動打閘值。)

(2) 燃氣輪機及發電機軸承中任一軸承蓋振速達到9.3 mm/s輸出W級報警。

(3) 燃氣輪機及發電機軸承中任一軸承蓋2個測點的振速均達到14.7 mm/s，或1個達到14.7 mm/s、1個故障，或2個全故障，輸出軸承蓋振速大，燃氣輪機跳閘。

(4) SSS離合器處軸承(5號、6號)軸振峰-峰值達到240 μm輸出W級報警，軸振峰-峰值達到260 μm輸出A級報警。

(5) 汽輪機側軸承(7號、8號)軸振峰-峰值達到165 μm輸出W級報警，軸振峰-峰值達到240 μm輸出A級報警。

(6) 5號、7號、8號軸承蓋振速達到9.3 mm/s，輸出W級報警；6號軸承蓋振速到達5 mm/s，輸出W級報警。

(7) 5號軸承蓋2個測點的振速均達到11.8 mm/s，或1個達到11.8 mm/s、1個故障，或2個全故障，輸出軸承蓋振速大，燃氣輪機跳閘。7號、8號軸承中任一軸承蓋2個測點的振速均達到11.8 mm/s，或1個達到11.8 mm/s、1個故障，或2個全故障，輸出軸承蓋振速大，汽輪機跳閘。

(8) 6號軸承蓋2個測點的振速均達到7 mm/s，或1個達到7 mm/s、1個故障，或2個全故障，輸出軸承蓋振速大，汽輪機跳閘。

3 SSS離合器振動分析及嚙合相位角選擇

單軸布置的燃氣-蒸汽聯合循環機組，SSS離合器處軸振大的問題在多個電廠發生，其表現為SSS離合器嚙合或脫離時離合器處軸振突增或機組帶負荷運行階段軸振一直偏高。分析振動產生的原因，多為油膜失穩；通過適當調高振動軸承的標高、減小長徑比、降低軸承頂隙、提高潤滑油溫等方法，振動問題得到了有效解決[2-4]。

SSS離合器屬于純機械結構裝置，SSS離合器嚙合后，2個轉子之間的嚙合相位角具有一定的隨機性，嚙合后可能出現SSS離合器嚙合軸在水平軸線上產生偏斜角、SSS離合器載荷分布不均、SSS離合器本體嚙合位置偏斜等情況，故排除造成SSS離合器處軸振大的外在因素之后，不同的嚙合相位角下會呈現不同的振動效果[5]。

嚙合相位角控制裝置由嚙合相位角數據處理硬件和嚙合相位角汽輪機控制軟件組成。嚙合相位角控制的基本原理為：由燃氣輪機側和汽輪機側的鍵相探頭分別定義出各自轉軸的零度相位，并將各自的相位送至嚙合相位角數據處理硬件，當汽輪機升速至接近SSS離合器嚙合轉速時，嚙合相位角控制裝置把兩側轉軸的相位差送至嚙合相位角汽輪機控制軟件，由嚙合相位角汽輪機控制軟件通過控制汽輪機轉速的升速變化量，達到SSS離合器嚙合至設定的嚙合角度，最大偏差為±30°。

該機組配置有SSS離合器嚙合相位角控制裝置，運行人員可利用機組啟停的機會，通過該裝置設定SSS離合器的嚙合角度，篩選出5號與6號軸承處軸振最佳點所對應的嚙合相位角作為后期汽輪機沖轉嚙合角度，從而降低SSS離合器處軸振。

3.1 過程概述

在1號機組整套試運期間，利用汽輪機多次啟停的機會設置了不同的SSS離合器嚙合相位角，通過對相應振動數據的分析比較，找到了SSS離合器最佳嚙合點。

2020年11月6日，設定SSS離合器嚙合相位角為60°，汽輪機升速首次穩定轉速在3 000 r/min，實際嚙合相位角為54°。12：42：10，汽輪機升速至41.3 Hz時，6號軸振最大值為164.69 μm，12:45:25，SSS離合器在嚙合過程中6號軸振瞬間最大值為118.2 μm。汽輪機嚙合后，機組不同負荷時SSS離合器5號、6號軸振數據見表1，汽輪機升速及SSS離合器嚙合變化見圖2。

表1 SSS離合器60°嚙合軸振變化

圖2 離合器60°嚙合過程振動變化圖

2020年11月10日，機組第二次啟動，19：54：00，設定SSS離合器嚙合相位角為0°，實際嚙合相位角為351.8°，汽輪機定速3 000 r/min。19:51:23，汽輪機升速至39.4 Hz時，6號軸振最大值為176.8 μm，19:52:41，SSS離合器在汽輪機轉速50 Hz時，6號軸振最大值為122.9 μm。汽輪機嚙合后，機組不同負荷時SSS離合器5號、6號軸振數據見表2。

表2 SSS離合器0°嚙合軸振變化

2020年11月14日，機組第三次啟動，16：57：00，汽輪機沖轉；設定SSS離合器嚙合相位角為180°，實際嚙合相位角為177.3°。17：01：00，汽輪機升速至41 Hz時，6號軸振最大值為177.4 μm，SSS離合器在汽輪機升速至49.9 Hz時，6號軸振瞬間最大值為114.6 μm，最后基本穩定在65.4 μm。汽輪機嚙合后，機組不同負荷時SSS離合器5號、6號軸振數據見表3，汽輪機升速及SSS離合器嚙合變化見圖3。

表3 SSS離合器180°嚙合軸振變化

圖3 SSS離合器180°嚙合過程振動變化圖

2020年11月22日，機組第四次啟動，13：14：00，汽輪機開始沖轉；設定SSS離合器嚙合相位角為280°，實際嚙合相位角為276.4°。13：23：00，汽輪機升速至41.3 Hz時，6號軸振最大值為168.4 μm；13：24：00，SSS離合器在汽輪機升速至49.94 Hz時，6號軸振瞬間最大值為145.9 μm；13：32:00，振動穩定在104.5 μm。汽輪機嚙合后，機組在不同負荷時SSS離合器5號、6號軸振變化見表4。

表4 SSS離合器280°嚙合軸振變化

從圖2、圖3可以看出：汽輪機升速至41 Hz左右時，6號軸振都有一個明顯的突變；汽輪機升速至SSS離合器完全嚙合時，5號、6號軸振都會瞬間高值波動。當汽輪機升速近48 Hz時，嚙合相位角控制裝置開始計算控制汽輪機升速變化率，SSS離合器兩側嚙合相位角差值快速變化，最終達到SSS離合器的設定嚙合相位角位置，SSS離合器完全嚙合。

3.2 結果與分析

對機組四次啟動SSS離合器處軸振數據進行對比分析，從SSS離合器開始進行嚙合至完全嚙合這個階段，汽輪機轉速在41 Hz、SSS離合器在嚙合相位角為60°時，6號軸振最小為164.69 μm，嚙合相位角為180°時，6號軸振偏大，為177.4 μm；汽輪機轉速接近50 Hz時，6號軸振瞬間變化，其最小值出現在180°嚙合相位角，軸振為114.6 μm，其最大值出現在280°嚙合相位角，軸振為145.9 μm。

在機組整個帶負荷運行過程中，對軸振變化數據進行分析，以軸振不超過90 μm為基準，SSS離合器在60°和0°作為嚙合相位角時，6號軸振在各負荷工況下都超過90 μm，嚙合相位角為60°時，6號軸振基本在100 μm左右，并且隨著負荷增加，6號軸振略有增大趨勢。SSS離合器在嚙合相位角為180°時，5號軸振在各負荷工況下變化較小，基本穩定在50 μm左右，6號軸振在負荷低于350 MW時，基本穩定在80 μm左右，并且隨著負荷增加，6號軸振有減小趨勢。SSS離合器在嚙合相位角為280°時，機組負荷在180 ～350 MW階段，5號軸振基本穩定在60 μm左右，6號軸振基本穩定在70 μm左右，但當機組負荷在400 MW時，6號軸振超過了90 μm。

綜合以上分析，SSS離合器在嚙合相位角為180°時，其各階段振動穩定，在高負荷階段振動呈下降趨勢，整個過程中振動均不超過90 μm，可作為SSS離合器的最佳嚙合相位角。

2020年12月2日，機組首次極熱態啟動，利用機組50%甩負荷后再次啟動快速帶滿負荷階段，設定嚙合相位角為180°，驗證SSS離合器處振動變化情況，具體數據見表5。由表5可以看出：各負荷點SSS離合器處軸振整體良好，可認為180°嚙合相位角為該機組的最佳嚙合相位角。

表5 SSS離合器180°再次嚙合軸振變化

4 結 語

通過介紹某電廠1號機組SSS離合器嚙合相位角控制技術的實際應用，分析不同嚙合相位角產生的不同振動結果。通過對振動數據的對比分析，選取振動相對良好的角度作為機組啟動SSS離合器的最佳嚙合相位角，達到減小SSS離合器處軸振的目的；希望對同類型機組在振動控制方面提供參考。