余麗萍

（上海電力修造總廠有限公司，上海 201316）

0 引言

我國的能源結(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50%容量汽動(dòng)泵組加1臺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)、無沖擊啟動(dòng)，無級變速，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)展起來的，其針對性的結(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提高鍋爐主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和鍋爐熱效率來達(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，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，并通過管路排入箱體。因?qū)Я髑慌c工作腔有過流孔相通，所以通過伸縮勺管的位置變化來調(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%，對于1臺1000MW以上機(jī)組，相當(dāng)于多輸出近1MW的電量，可見其經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。給水泵是燃煤電廠最大的輔機(jī)，其能耗的高低對電廠的績效影響較大。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，而且集成化程度高，體積相對較小。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，反饋信號（4～20mA）與控制室的4～20mA信號比較后，由控制器產(chǎn)生差動(dòng)信號，差動(dòng)信號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和反饋信號接至控制室即可完成對偶合器的邏輯控制。輸入信號至輸出轉(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、潤滑油和輔助油系統(tǒng)，工作油和潤滑油采用同一種油。工作油泵（離心泵）和主潤滑油泵（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)和給水泵的潤滑可由液力偶合器的潤滑油系統(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

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)今世界和我國燃煤發(fā)電機(jī)組的趨勢，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，至今已有多臺應(yīng)用于我國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。我國正在加快對超臨界機(jī)組引進(jìn)的輔機(jī)裝備的國產(chǎn)化，通過分析吸收，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產(chǎn)化，將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。