模塊化液力偶合器應(yīng)用于600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的適應(yīng)性分析

余麗萍

（上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

0 引言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了電力工業(yè)以煤炭為主，超臨界機(jī)組可高效率利用燃煤進(jìn)行發(fā)電，具有單機(jī)容量大、效率高、可靠性高、調(diào)節(jié)性能好、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的鍋爐給水泵按驅(qū)動(dòng)形式可分為汽動(dòng)給水泵組和電動(dòng)給水泵組。采用小汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)給水泵的汽動(dòng)泵組，可減少主機(jī)排氣，有利于主機(jī)低壓段的合理設(shè)計(jì)和有效運(yùn)行；采用電動(dòng)機(jī)加模塊化液力偶合器驅(qū)動(dòng)給水泵的電動(dòng)泵組，可使超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化及運(yùn)行可靠。在600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組中，采用2臺(tái)50%容量汽動(dòng)泵組加1臺(tái)30%～50%容量電動(dòng)泵組的配置，得到了廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)泵組的液力偶合器具有轉(zhuǎn)速高、功率大、調(diào)速靈敏等特點(diǎn)，能使給水泵在接近空載下平穩(wěn)、無(wú)沖擊啟動(dòng)，無(wú)級(jí)變速，實(shí)現(xiàn)了給水系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并能選用功率小的電動(dòng)機(jī)以節(jié)約廠用電。

模塊化液力偶合器是在普通型液力偶合器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能特點(diǎn)，在用于配套600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組乃至1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐調(diào)速給水泵組時(shí)被廣泛采用。

1 適應(yīng)單元機(jī)組的大容量及高參數(shù)

600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組效率較高，供電端效率高達(dá)40%以上。機(jī)組效率高主要是通過(guò)提高鍋爐主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和鍋爐熱效率來(lái)達(dá)到。由于主機(jī)設(shè)備的大容量、高參數(shù)，其關(guān)鍵輔機(jī)給水泵的性能參數(shù)也相應(yīng)較高。600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐調(diào)速給水泵，出口揚(yáng)程高于3 300m，出水流量約900m3／h，軸功率為9 000kW。模塊化液力偶合器目前采用3種方式來(lái)適應(yīng)其要求。

1.1 容積調(diào)節(jié)型調(diào)速方式

由于液力偶合器傳遞動(dòng)力的能力與其工作腔的充液率成正比，在運(yùn)行中改變液力偶合器工作腔的充液率，便可以在輸入轉(zhuǎn)速nB不變的情況下，改變其輸出力矩MT和輸出轉(zhuǎn)速nT。采用容積調(diào)節(jié)型液力偶合器調(diào)速方式，不同的充液率和液力偶合器對(duì)應(yīng)的特性曲線如圖1所示。

由圖1可知，不同的充液率V1、V2、V3，液力偶合器對(duì)應(yīng)的ab、ac、ad三條特性曲線，給水泵特性曲線是MZ。給水泵特性曲線與不同充液量下的液力偶合器曲線分別交于1、2、3點(diǎn)，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速分別為nT1、nT2、nT3。很顯然，調(diào)節(jié)液力偶合器工作腔的充液率也就調(diào)節(jié)了其輸出轉(zhuǎn)速。采用容積調(diào)節(jié)型調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速方便，可有進(jìn)口、出口、復(fù)合多種調(diào)節(jié)方式，調(diào)速精度較高。

圖1 容積調(diào)節(jié)型調(diào)速方式

1.2 出口調(diào)節(jié)伸縮勺管型調(diào)速方式

伸縮勺管調(diào)節(jié)是在進(jìn)口流量基本恒定、利用勺管的伸縮位置變化調(diào)節(jié)導(dǎo)流腔油環(huán)厚度、改變出口流量來(lái)進(jìn)行調(diào)速的。勺管相當(dāng)于一個(gè)旋噴泵，具有截取隨旋轉(zhuǎn)容器一起旋轉(zhuǎn)的油環(huán)中油液的功能，與油泵的功能相同，如圖2所示。

圖2 勺管調(diào)速原理示意圖

由圖2（a）可見(jiàn)，以圓周速度Vx旋轉(zhuǎn)的油環(huán)，當(dāng)碰到固定不轉(zhuǎn)但能斜向或直向移動(dòng)的勺管端口時(shí)，旋轉(zhuǎn)油環(huán)所形成的動(dòng)能便轉(zhuǎn)化成位能，在迎著旋轉(zhuǎn)油環(huán)的勺管端口處產(chǎn)生一定的壓頭，在此壓頭的作用下，油環(huán)中的油液便被勺管導(dǎo)出，并通過(guò)管路排入箱體。因?qū)Я髑慌c工作腔有過(guò)流孔相通，所以通過(guò)伸縮勺管的位置變化來(lái)調(diào)節(jié)液力偶合器工作腔的充液量，從而調(diào)節(jié)液力偶合器的輸出力矩和輸出轉(zhuǎn)速。

采用出口調(diào)節(jié)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速時(shí)間短，反應(yīng)靈敏；供油泵功率大、流量大、排油能力略大于供油能力、充排油時(shí)間短、換熱能力強(qiáng)；有堅(jiān)固的箱體，支承穩(wěn)定可靠；可傳遞較大功率，適應(yīng)較寬的轉(zhuǎn)速范圍；自動(dòng)化控制水平高。

1.3 前置齒輪增速方式

在液力偶合器內(nèi)設(shè)置一對(duì)前置增速齒輪，用以提高偶合器的輸入轉(zhuǎn)速，提高傳遞功率，滿足高轉(zhuǎn)速給水泵的要求。因此，模塊化液力偶合器可滿足600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的大容量、高參數(shù)，輸入轉(zhuǎn)速為1 500r／min，輸出轉(zhuǎn)速最高為14 822r／min，輸入功率最高為18 202kW，調(diào)速范圍為25%～100%。

2 適應(yīng)單元機(jī)組的高效及節(jié)能

機(jī)組效率的提高，尤其對(duì)于600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，具有極其重要的意義。如果機(jī)組效率提高0.1%，對(duì)于1臺(tái)1000MW以上機(jī)組，相當(dāng)于多輸出近1MW的電量，可見(jiàn)其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。給水泵是燃煤電廠最大的輔機(jī)，其能耗的高低對(duì)電廠的績(jī)效影響較大。模塊化液力偶合器使給水泵適應(yīng)600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組主汽輪機(jī)和鍋爐的滑壓運(yùn)行需要，從而提高機(jī)組效率，在機(jī)組負(fù)荷率低于70%～80%時(shí)可以顯現(xiàn)良好的節(jié)能效果。

模塊化液力偶合器采用模塊化設(shè)計(jì)，將設(shè)備上同一功能單元，設(shè)計(jì)成具有不同性能、可以互換的模塊，選用不同模塊即可組成不同類型、不同規(guī)格的設(shè)備，以匹配給水泵滿足超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組各種工況的轉(zhuǎn)速要求，減少自身的滑差損耗。

3 適應(yīng)單元機(jī)組的安全及可靠運(yùn)行

我國(guó)已投運(yùn)的600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組可用率為88%，平均年運(yùn)行小時(shí)超過(guò)7 000h，體現(xiàn)了很高的可靠性。模塊化液力偶合器采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用以滿足大型燃煤發(fā)電機(jī)組的可靠性要求。

1）將一級(jí)增速齒輪和偶合器泵、渦輪、調(diào)速機(jī)構(gòu)置于同一箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊。

2）增速齒輪為人字齒，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼制造。齒面經(jīng)滲碳淬火處理，磨削加工，特別適用于承受交變載荷。

3）支持軸承為烏金襯套中分式滑動(dòng)軸承和自位瓦塊式雙向推力軸承。

4）除軸承油封以外，無(wú)任何直接機(jī)械摩擦，故障率低。

4 適應(yīng)單元機(jī)組的調(diào)節(jié)運(yùn)行特性

超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)，具有良好的調(diào)節(jié)性能，機(jī)組運(yùn)行方式為定壓—滑壓—定壓，夜間停機(jī)、快速啟動(dòng)以及頻繁改變負(fù)荷的能力很強(qiáng)，高負(fù)荷和低負(fù)荷時(shí)都能保持高效率。模塊化液力偶合器采用電液執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)伸縮勺管方式適應(yīng)上述要求，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)模塊化液力偶合器的自動(dòng)控制，即能采集也能輸出4～20mA電流信號(hào)，而且集成化程度高，體積相對(duì)較小。VEHS電液執(zhí)行器的控制原理如圖3所示。

圖3 VEHS電液執(zhí)行器的控制原理

如圖3所示，VEHS電液執(zhí)行器的控制原理為：勺管始終由液壓缸上的位置傳感器監(jiān)測(cè)，反饋信號(hào)（4～20mA）與控制室的4～20mA信號(hào)比較后，由控制器產(chǎn)生差動(dòng)信號(hào)，差動(dòng)信號(hào)控制三位四通閥中的液壓油流向，從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到控制勺管的目的。

VEHS電液執(zhí)行器為自成一體的電液執(zhí)行器，執(zhí)行器的內(nèi)部接線以及與接線盒之間的接線已由制造廠完成，客戶只需將控制信號(hào)和反饋信號(hào)接至控制室即可完成對(duì)偶合器的邏輯控制。輸入信號(hào)至輸出轉(zhuǎn)速間的線性關(guān)系，由VEHS執(zhí)行器的線性單元完成。自成一體的電液執(zhí)行器、液壓控制集成的啟動(dòng)裝置，使泵組從靜止到滿負(fù)荷只需5s，控制精度高及快速響應(yīng)，充分滿足了大容量燃煤發(fā)電機(jī)組的電動(dòng)給水泵組，從零轉(zhuǎn)速的備用狀態(tài)啟動(dòng)至給水泵出口的壓力和流量達(dá)到額定參數(shù)的時(shí)間（12～15s）要求，非常適應(yīng)單元機(jī)組的調(diào)節(jié)運(yùn)行特性。

5 適應(yīng)單元機(jī)組的低投資

600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組與2臺(tái)同參數(shù)的300MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組相比，它的投資可減少10%～20%，占地面積可減少20%，熱耗降低0.5%，并且制造和安裝周期可縮短。模塊化液力偶合器采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，用于降低造價(jià)。采用先進(jìn)的鑄造工藝，使工作油、潤(rùn)滑油在箱體的鑄造隱蔽油路中流動(dòng)，使整體設(shè)計(jì)更加緊湊和容易維護(hù)。

將液力偶合器的機(jī)械部分和調(diào)速部分，分別設(shè)計(jì)成獨(dú)立的單元模塊，分為齒輪箱模塊、渦輪箱模塊、油路系統(tǒng)模塊等。公共接口采用標(biāo)準(zhǔn)接口，可根據(jù)給水泵不同的功率和速度進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的可匹配性。

液力偶合器自帶完整的工作油、潤(rùn)滑油和輔助油系統(tǒng)，工作油和潤(rùn)滑油采用同一種油。工作油泵（離心泵）和主潤(rùn)滑油泵（齒輪泵）組合成一充油泵組，由偶合器的輸入軸驅(qū)動(dòng)；在偶合器啟動(dòng)、停機(jī)和故障時(shí)，由一電動(dòng)輔助潤(rùn)滑油泵向各軸承供油。除此之外，液力偶合器能滿足外部設(shè)備的供油需求，電動(dòng)機(jī)和給水泵的潤(rùn)滑可由液力偶合器的潤(rùn)滑油系統(tǒng)提供，其回油回到液力偶合器油箱，液力偶合器在電機(jī)側(cè)和給水泵側(cè)的潤(rùn)滑油出口管道上裝有流量孔板，在給水泵組試運(yùn)轉(zhuǎn)前可按所需的油流量和壓力，對(duì)這些孔板進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到整個(gè)給水泵組油系統(tǒng)的合理配置。

6 結(jié)語(yǔ)

發(fā)展大容量、高參數(shù)的超臨界和超超臨界發(fā)電機(jī)組是當(dāng)今世界和我國(guó)燃煤發(fā)電機(jī)組的趨勢(shì)，模塊化液力偶合器順應(yīng)了燃煤發(fā)電機(jī)組裝備的發(fā)展方向，其設(shè)計(jì)遵循了滿足需要、經(jīng)濟(jì)合理、可靠性高、優(yōu)化整合、標(biāo)準(zhǔn)化和低維修的原則，至今已有多臺(tái)應(yīng)用于我國(guó)600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐電動(dòng)調(diào)速給水泵組中。我國(guó)正在加快對(duì)超臨界機(jī)組引進(jìn)的輔機(jī)裝備的國(guó)產(chǎn)化，通過(guò)分析吸收，掌握核心技術(shù)，加快創(chuàng)新進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)模塊化液力偶合器完全國(guó)產(chǎn)化，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。