3S離合器裝機方案經(jīng)濟性分析

田曉瑞+周藍宇+郭曙祥+周濤

摘 要：以國內(nèi)某電廠三期擴建2×350MW等級汽輪機發(fā)電機組的方案為例，擬在熱電聯(lián)產(chǎn)工程背凝式機組進行3S離合器的應(yīng)用，分析了擬采用方案的經(jīng)濟性，說明了3S離合器連接高中壓缸和低壓缸的技術(shù)方案。通過計算說明，用該方案，將可提高主機的熱效率，并降低機組的煤耗。

關(guān)鍵詞：超臨界背凝式機組；3S離合器；熱電聯(lián)產(chǎn)；經(jīng)濟性

中圖分類號：TM621 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）01-0093-03

Abstract： Taking the extension of 2×350MW stage steam turbine generator set in the third phase of a domestic power plant as an example， the application of the 3S clutch to the back condensing unit of the cogeneration project is proposed， and the economy of the proposed scheme is analyzed. The technical scheme of connecting high and low pressure cylinder with 3S clutch is introduced. The calculation shows that the thermal efficiency of the main engine can be improved and the coal consumption of the unit can be reduced by using this scheme.

Keywords： supercritical back-condensing unit； 3S clutch； cogeneration of heat and electricity； economy

引言

3S離合器具有“同步自脫”功能，可使發(fā)電機組斷開連接部分轉(zhuǎn)子且不需關(guān)停機組，若在一些發(fā)電設(shè)備得到合理應(yīng)用，可使電廠實現(xiàn)多種電、熱能輸出組合，提供更為靈活的運行模式，迎合用戶需求，帶來更多的經(jīng)濟效益。該技術(shù)最初來源于燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，目前國內(nèi)尚在實施階段。正在建設(shè)中的北京某熱電廠的二期擴建的燃氣機組為增加機組的供熱能力，采用了NCB方案。由于帶3S離合器的凝背式超臨界汽輪機在火電機組中還處在設(shè)想階段，因此在設(shè)計、制造、安裝和運行方面均有較多不確定性，主機廠需要確保機組的安全性和穩(wěn)定性。但該主機選型方案符合國家節(jié)能環(huán)保的能源政策，技術(shù)成熟后在熱負荷大且穩(wěn)定的情況下可帶來較好經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景可以期待。

1 3S離合器

1.1 工作原理

SSS（Synchro-Self-Shifting）離合器[1]是一種單向傳遞扭矩的裝置。若主、從動齒輪轉(zhuǎn)速相等即兩者相位同步、自動軸向移動時發(fā)生嚙合；若輸出轉(zhuǎn)速高于輸入轉(zhuǎn)速時，離合器將脫開。其工作原理類似于螺母和螺栓的關(guān)系，當(dāng)螺栓轉(zhuǎn)動而螺母自由時，螺母將和螺栓同時發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)螺母不可自由轉(zhuǎn)動時螺栓發(fā)生轉(zhuǎn)動，螺母相對于螺栓作直線運動。當(dāng)其安裝在單軸共用發(fā)電機的電廠設(shè)備上時，就可以實現(xiàn)連接或斷開汽輪機與發(fā)電機中相關(guān)轉(zhuǎn)子。

1.2 基本功能

（1）可實現(xiàn)將輸入端和輸出端轉(zhuǎn)子在線自動并列和解列。

（2）具低速保護功能，當(dāng)輸入端轉(zhuǎn)速低于保護轉(zhuǎn)速時，嚙合動作將不會發(fā)生。

（3）輸入端轉(zhuǎn)速高于保護轉(zhuǎn)速，且不超過輸出端轉(zhuǎn)速時，嚙合將自動進行，輸入端向輸出端傳輸功率。

（4）輸入端轉(zhuǎn)速低于輸出端時，輸入端和輸出端自動分離。

（5）具有嚙合位置狀態(tài)信號和鎖死功能。

1.3 特點

當(dāng)?shù)蛪恨D(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子并列時，可以發(fā)送鎖死信號，3S離合器可以通過機構(gòu)將兩轉(zhuǎn)子鎖死，此后兩根轉(zhuǎn)子合為一體，不會解開。而當(dāng)需要脫開低壓轉(zhuǎn)子時，可將鎖死取消，然后隨著低壓轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速下降，而使低壓轉(zhuǎn)子與高中壓轉(zhuǎn)子脫開。此機構(gòu)由一個油動機操作。由于3S離合器里潤滑油粘性的存在，當(dāng)?shù)蛪焊撞贿M汽時（此時3S離合器已經(jīng)解列），高中壓轉(zhuǎn)子還會通過3S離合器潤滑油粘性的作用而帶動低壓轉(zhuǎn)子有一定的盤車轉(zhuǎn)速。

1.4 應(yīng)用現(xiàn)狀

1.4.1 應(yīng)用情況綜述

3S離合器是從英國SSS GEAR LTD公司進口的產(chǎn)品，僅在燃機、柴油機及艦艇等領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用，技術(shù)上成熟可靠。通過3S離合器的應(yīng)用，可有效解決燃氣輪機和汽輪機啟動不同步的問題。目前該離合器在燃汽輪機聯(lián)合循環(huán)（GTCC）及整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）的項目上已經(jīng)有了大量的使用業(yè)績。此類機型已經(jīng)在上海某燃機電廠和臨港燃機電廠等多個項目中成功投運，機組運行均穩(wěn)定。

1.4.2 GTCC應(yīng)用

3S離合器在燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)工程項目中已得到廣泛的應(yīng)用。在250MW～400MW重型燃機-蒸汽輪機聯(lián)合循環(huán)項目中被廣泛采用，其布置方式為“燃氣輪機-發(fā)電機-3S離合器-汽輪機”。其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.4.3 IGCC應(yīng)用

3S離合器在整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)項目中也得到了合理應(yīng)用。北京某廠家正在設(shè)計開發(fā)的常規(guī)汽輪機項目中應(yīng)用了3S離合器。該項目所配汽輪機為亞臨界300MW兩缸兩排汽濕冷供熱抽汽機組，機組在供熱抽汽達到一定量時需要將低壓缸在線切除，進入背壓運行狀態(tài)，其中壓排汽將全部抽送到熱網(wǎng)管道。因此，在汽輪機高中壓缸和低壓缸之間設(shè)置了3S離合器。

2 裝機方案

2.1 離合器變動

3S離合器應(yīng)用于熱電聯(lián)產(chǎn)汽輪發(fā)電機組在國內(nèi)乃至世界范圍內(nèi)為首創(chuàng)，以常規(guī)350MW超臨界汽輪機為母型，設(shè)計將發(fā)電機（或高中壓缸）與低壓缸軸端通過3S離合器連接，使低壓缸可在線解列和并列[2]。本方案擬用于技術(shù)成熟的超臨界350MW機組，該汽輪發(fā)電機組為超臨界、單軸、中間一次再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機，高低壓缸體外形尺寸不做變動，便于主汽門及再熱汽門的通用。在機組不供熱抽汽工況下3S離合器嚙合，機組可作為供電機組運行；當(dāng)投入抽汽時，如熱網(wǎng)需求的供熱量加大，先通過信號使3S聯(lián)軸器解鎖，再逐步關(guān)閉連通管閥門使低壓缸解列，此時機組進入背壓運行狀態(tài)，可以將原來進入低壓缸的蒸汽作為供熱汽源。endprint

2.2 機組變動

發(fā)電機安裝于高中壓缸的調(diào)閥端，高壓前軸承軸頸將在原機型的基礎(chǔ)上放大，以傳遞整個機組的功率。按發(fā)電機布置在汽輪機機頭側(cè)的方案，則汽機本體管道布置受發(fā)電機封母出線的限制，布置空間相當(dāng)緊張，主廠房布置需要周密考慮。

由于本方案汽輪機本體發(fā)生變化，從而引起熱力系統(tǒng)、主廠房布置、電氣出線、熱工控制及設(shè)備檢修方面的問題。由于帶3S離合器的凝背機在燃煤火電機組中尚未見有相關(guān)應(yīng)用，因此汽輪機和發(fā)電機本體的軸系需重新核算。

2.3 運行變動

由于機組供熱發(fā)電量發(fā)生了變化，電廠要整體考慮機組的供熱和發(fā)電量。為保證新機組的運行穩(wěn)定，從機組的運行經(jīng)濟效益考慮，建議冬季采暖階段運行時需要首先保證本期的兩臺機組背壓的對外供熱流量，不足部分將由前兩期的四臺機組補充，這樣可以降低機組在熱負荷變化較大時，機組在背壓運行工況和抽凝工況間切換的頻率，從而降低對低壓缸、排汽裝置、低壓加熱器、凝汽器及相關(guān)動力管道承受短時的熱沖擊的風(fēng)險。同時，也可以降低由于3S離合器的切換縮短設(shè)備本身壽命、降低汽輪機的運行可靠性的風(fēng)險。發(fā)電機快速增減電負荷，不僅會對電氣設(shè)備造成損害，而且將影響電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。

3 經(jīng)濟性分析

3.1 標(biāo)準煤耗和熱效率

采用新型超臨界機組加3S離合器方案后，機組的平均供熱標(biāo)煤耗率比原來的超臨界350MW機組方案要減少了0.495kg/GJ，按設(shè)計的一個采暖季7309440GJ/a計算，每年采暖期間可以節(jié)約供熱標(biāo)煤3618.2噸（兩臺機組），按市場上每噸標(biāo)煤價910元計算，每年可以節(jié)約成本329.3萬元（兩臺機組）。此外，機組的年平均全廠熱效率也提高了13.5%。機組的熱效率優(yōu)于現(xiàn)有的純凝超超臨界百萬機組（平均熱效率約為45%），其熱經(jīng)濟性較好，單臺機組的熱效率計算如下：

其中Pa為全年供電量，Qa為全年供熱量，Ba為全廠全年標(biāo)煤耗量；

機組平均發(fā)電標(biāo)煤耗及平均供電標(biāo)煤耗比原來有所增加主要是因為機組多供熱后，發(fā)電量減少，缺口的電量將在非采暖期間補充，因此總的平均發(fā)電、供電煤耗會比原方案要增加。但這僅是理論計算值，不能代表機組的實際運行情況。機組發(fā)電量與電網(wǎng)調(diào)度有關(guān)，因此上述平均供電、發(fā)電標(biāo)煤耗計算僅供參考。

3.2 擬應(yīng)用機組收益分析

擬建的兩臺350MW機組發(fā)電量比原來超臨界最大抽汽工況要低64749456度電，從而導(dǎo)致非采暖期需要增加發(fā)電量來彌補減少的電量，根據(jù)計算非采暖期的發(fā)電標(biāo)煤耗為288.1g/kWh，所增加的電量折合標(biāo)煤為18568噸，按目前市場上每噸標(biāo)煤910元計算，每年標(biāo)煤量需要增加1689.7萬元（兩臺機組）。但此時供熱量比原設(shè)計要高出，按每GJ供熱負荷64.93元計算，供熱量所帶來的收入增加值為11186.7萬元，因此如果采用3S離合器方案，每年可以使得電廠增加收益9497萬元。

3.3 熱電聯(lián)產(chǎn)效益分析

一般熱電聯(lián)產(chǎn)項目投產(chǎn)后的熱負荷是逐年遞增的，理想情況下5-6年才能達到設(shè)計熱負荷，而供熱期背壓運行只有在熱負荷最大且穩(wěn)定的情況下才能提高機組的綜合效益，因此需要確保供熱規(guī)劃熱負荷的準確性。

根據(jù)制造廠提供的初步數(shù)據(jù)測算，350MW機型的效益平衡點需每臺機組供熱量達到600噸/小時及以上，而供熱量小于600噸/小時，其熱經(jīng)濟性與常規(guī)抽凝機相比則不占優(yōu)勢。業(yè)主前兩期共有四臺機組，在規(guī)劃的熱負荷尚未實現(xiàn)之前可以考慮先讓三期兩臺機組采用背壓運行工況，前四臺機組提供備用熱負荷的方式來合理安排機組的功能。從而使全廠的熱經(jīng)濟性得到提高。

除新設(shè)備投資外還應(yīng)考慮，由于中壓缸排汽量的增大，使得中壓缸的排汽管徑增大，對主廠房布置及將來管道計算有一定的難度，在設(shè)計中需要仔細考慮。此外，由于冬季采暖期的熱負荷波動較大，運行時需要盡量避免因不同工況之間頻繁切換引起的設(shè)備損耗，建議在采暖期間業(yè)主要統(tǒng)籌考慮全廠各機組的運行方式和功能。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對3S離合器在超臨界350MW熱電聯(lián)產(chǎn)機組中創(chuàng)新制造方案的擬設(shè)計應(yīng)用，以及對改造后的運行狀況的計算和分析，可以得到3S離合器方案可以使整體的經(jīng)濟性得到提高。

（1）3S離合器改造方案降低標(biāo)準煤耗率的同時可以提高機組熱效率，也提高了機組的供熱能力，相比非采暖期所增加的煤耗，仍然能為電廠帶來良好收益。

（2）3S離合器的使用，可以實現(xiàn)輸入輸出軸無擾的嚙合脫開，可以提供更多的電熱能輸出組合和工作模式，以滿足不同的熱電聯(lián)產(chǎn)需求。

（3）3S離合器改造方案會增加一定的初投資，但若保持熱負荷穩(wěn)定，該方案將會獲得較高的投資回報率，具有很好的運用前景。

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