燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組SSS離合器嚙合相位角控制技術(shù)

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?xì)廨啓C(jī)熱電有限責(zé)任公司， 江蘇無錫 214400)

單軸布置帶有同步自脫(SSS)離合器的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，因其占地面積小、輔助設(shè)備少、機(jī)組啟停方便等特點，近年來新建、投產(chǎn)的臺數(shù)相繼增多。該型機(jī)組大多存在SSS離合器處軸振大的問題；為此，設(shè)備廠家在吸取相關(guān)經(jīng)驗后，對近期投產(chǎn)的機(jī)組進(jìn)行了優(yōu)化。從新機(jī)試運的振動數(shù)據(jù)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(shè)備廠家設(shè)計了SSS離合器嚙合相位角控制裝置，筆者介紹該裝置在機(jī)組的實際應(yīng)用情況及效果。

1 機(jī)組概況

某電廠2套400 MW級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組為西門子SCC5-4000F系列高效單軸聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，燃?xì)廨啓C(jī)為西門子SGT5-4000F重型燃?xì)廨啓C(jī)，汽輪機(jī)為三壓、雙缸(中低壓合缸)、再熱、軸向排汽、凝汽式汽輪機(jī)，型號為SST5-3000，發(fā)電機(jī)為全氫冷發(fā)電機(jī)，型號為SGen5-2200H。燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)采用剛性連接，發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)采用SSS離合器連接。

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

機(jī)組的軸系結(jié)構(gòu)見圖1，共有8個支撐軸承。1號、2號軸承支撐燃?xì)馔钙?壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子，3號、4號軸承支撐發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，5號、6號、7號、8號軸承支撐SSS離合器、汽輪機(jī)高壓缸及中低壓缸轉(zhuǎn)子；其中2號軸承、7號軸承為徑向推力聯(lián)合軸承。

圖1 機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)組振動測量及保護(hù)

機(jī)組軸系每個支撐軸承處裝有與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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?xì)廨啓C(jī)鍵相探頭安裝在2號軸承測速齒輪盤端面，汽輪機(jī)鍵相探頭安裝在7號軸承測速齒輪盤端面。

機(jī)組軸系振動報警及保護(hù)邏輯為：

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)軸承(1～4號)中任一軸振峰-峰值達(dá)到165 μm輸出W級報警，峰-峰值達(dá)到240 μm輸出A級報警。(W級報警為警示報警，提醒當(dāng)前設(shè)備運行參數(shù)存在異常；A級報警為保護(hù)報警，當(dāng)A級報警發(fā)出，即當(dāng)前設(shè)備運行參數(shù)達(dá)到保護(hù)動作值或達(dá)到推薦手動打閘值。)

(2) 燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)軸承中任一軸承蓋振速達(dá)到9.3 mm/s輸出W級報警。

(3) 燃?xì)廨啓C(jī)及發(fā)電機(jī)軸承中任一軸承蓋2個測點的振速均達(dá)到14.7 mm/s，或1個達(dá)到14.7 mm/s、1個故障，或2個全故障，輸出軸承蓋振速大，燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。

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

(5) 汽輪機(jī)側(cè)軸承(7號、8號)軸振峰-峰值達(dá)到165 μm輸出W級報警，軸振峰-峰值達(dá)到240 μm輸出A級報警。

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

(7) 5號軸承蓋2個測點的振速均達(dá)到11.8 mm/s，或1個達(dá)到11.8 mm/s、1個故障，或2個全故障，輸出軸承蓋振速大，燃?xì)廨啓C(jī)跳閘。7號、8號軸承中任一軸承蓋2個測點的振速均達(dá)到11.8 mm/s，或1個達(dá)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(jī)跳閘。

(8) 6號軸承蓋2個測點的振速均達(dá)到7 mm/s，或1個達(dá)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(jī)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?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，SSS離合器處軸振大的問題在多個電廠發(fā)生，其表現(xiàn)為SSS離合器嚙合或脫離時離合器處軸振突增或機(jī)組帶負(fù)荷運行階段軸振一直偏高。分析振動產(chǎn)生的原因，多為油膜失穩(wěn)；通過適當(dāng)調(diào)高振動軸承的標(biāo)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(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，SSS離合器嚙合后，2個轉(zhuǎn)子之間的嚙合相位角具有一定的隨機(jī)性，嚙合后可能出現(xiàn)SSS離合器嚙合軸在水平軸線上產(chǎn)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(xiàn)不同的振動效果[5]。

嚙合相位角控制裝置由嚙合相位角數(shù)據(jù)處理硬件和嚙合相位角汽輪機(jī)控制軟件組成。嚙合相位角控制的基本原理為：由燃?xì)廨啓C(jī)側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)的鍵相探頭分別定義出各自轉(zhuǎn)軸的零度相位，并將各自的相位送至嚙合相位角數(shù)據(jù)處理硬件，當(dāng)汽輪機(jī)升速至接近SSS離合器嚙合轉(zhuǎn)速時，嚙合相位角控制裝置把兩側(cè)轉(zhuǎn)軸的相位差送至嚙合相位角汽輪機(jī)控制軟件，由嚙合相位角汽輪機(jī)控制軟件通過控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的升速變化量，達(dá)到SSS離合器嚙合至設(shè)定的嚙合角度，最大偏差為±30°。

該機(jī)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(jī)組啟停的機(jī)會，通過該裝置設(shè)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(yīng)的嚙合相位角作為后期汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)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(jī)組整套試運期間，利用汽輪機(jī)多次啟停的機(jī)會設(shè)置了不同的SSS離合器嚙合相位角，通過對相應(yīng)振動數(shù)據(jù)的分析比較，找到了SSS離合器最佳嚙合點。

2020年11月6日，設(shè)定SSS離合器嚙合相位角為60°，汽輪機(jī)升速首次穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在3 000 r/min，實際嚙合相位角為54°。12：42：10，汽輪機(jī)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(jī)嚙合后，機(jī)組不同負(fù)荷時SSS離合器5號、6號軸振數(shù)據(jù)見表1，汽輪機(jī)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(jī)組第二次啟動，19：54：00，設(shè)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(jī)定速3 000 r/min。19:51:23，汽輪機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速50 Hz時，6號軸振最大值為122.9 μm。汽輪機(jī)嚙合后，機(jī)組不同負(fù)荷時SSS離合器5號、6號軸振數(shù)據(jù)見表2。

表2 SSS離合器0°嚙合軸振變化

2020年11月14日，機(jī)組第三次啟動，16：57：00，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)；設(shè)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(jī)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(jī)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(wěn)定在65.4 μm。汽輪機(jī)嚙合后，機(jī)組不同負(fù)荷時SSS離合器5號、6號軸振數(shù)據(jù)見表3，汽輪機(jī)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(jī)組第四次啟動，13：14：00，汽輪機(jī)開始沖轉(zhuǎn)；設(shè)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(jī)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(jī)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(wěn)定在104.5 μm。汽輪機(jī)嚙合后，機(jī)組在不同負(fù)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(jī)升速至41 Hz左右時，6號軸振都有一個明顯的突變；汽輪機(jī)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(dāng)汽輪機(jī)升速近48 Hz時，嚙合相位角控制裝置開始計算控制汽輪機(jī)升速變化率，SSS離合器兩側(cè)嚙合相位角差值快速變化，最終達(dá)到SSS離合器的設(shè)定嚙合相位角位置，SSS離合器完全嚙合。

3.2 結(jié)果與分析

對機(jī)組四次啟動SSS離合器處軸振數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從SSS離合器開始進(jìn)行嚙合至完全嚙合這個階段，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速接近50 Hz時，6號軸振瞬間變化，其最小值出現(xiàn)在180°嚙合相位角，軸振為114.6 μm，其最大值出現(xiàn)在280°嚙合相位角，軸振為145.9 μm。

在機(jī)組整個帶負(fù)荷運行過程中，對軸振變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以軸振不超過90 μm為基準(zhǔn)，SSS離合器在60°和0°作為嚙合相位角時，6號軸振在各負(fù)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(fù)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(fù)荷工況下變化較小，基本穩(wěn)定在50 μm左右，6號軸振在負(fù)荷低于350 MW時，基本穩(wěn)定在80 μm左右，并且隨著負(fù)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(jī)組負(fù)荷在180 ～350 MW階段，5號軸振基本穩(wěn)定在60 μm左右，6號軸振基本穩(wěn)定在70 μm左右，但當(dāng)機(jī)組負(fù)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(wěn)定，在高負(fù)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(jī)組首次極熱態(tài)啟動，利用機(jī)組50%甩負(fù)荷后再次啟動快速帶滿負(fù)荷階段，設(shè)定嚙合相位角為180°，驗證SSS離合器處振動變化情況，具體數(shù)據(jù)見表5。由表5可以看出：各負(fù)荷點SSS離合器處軸振整體良好，可認(rèn)為180°嚙合相位角為該機(jī)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(jié) 語

通過介紹某電廠1號機(jī)組SSS離合器嚙合相位角控制技術(shù)的實際應(yīng)用，分析不同嚙合相位角產(chǎn)生的不同振動結(jié)果。通過對振動數(shù)據(jù)的對比分析，選取振動相對良好的角度作為機(jī)組啟動SSS離合器的最佳嚙合相位角，達(dá)到減小SSS離合器處軸振的目的；希望對同類型機(jī)組在振動控制方面提供參考。