基于自動同步離合器的供熱機組多模式運行工況分析

吳廣偉，丁永允，何冬輝

(遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179)

某電廠180 MW高爐煤氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組采用一拖一雙軸配置方式，燃機為日本三菱重工生產(chǎn)的M701SDAX型低熱值高爐煤汽輪機，蒸汽輪機為東方汽輪機廠有限責任公司生產(chǎn)的次高壓、雙缸、雙壓、無再熱、下排汽、與燃機分軸、單軸抽汽凝汽背壓式供熱機組。該蒸汽輪機高壓缸和低壓缸之間設(shè)計自動同步離合器裝置，可以在工作轉(zhuǎn)速上將高、低壓轉(zhuǎn)子嚙合與脫開，實現(xiàn)低壓轉(zhuǎn)子的自動“解列”和“并列”，完成機組在全供熱模式(背壓模式)和供電模式(純冷凝模式)下相互切換，并通過控制進入熱網(wǎng)的蒸汽量，實現(xiàn)抽凝模式運行[1]。這種新技術(shù)可根據(jù)不同熱電需求，使供熱量、發(fā)電量和機組效率之間的關(guān)系得到更好協(xié)調(diào)，提升了機組的運行靈活性，具有較大經(jīng)濟效益和社會效益[2-4]。

1 自動同步離合器結(jié)構(gòu)及原理

本機組所采用的自動同步離合器為瑞士RENK-MAAG公司生產(chǎn)的MS離合器，其結(jié)構(gòu)及原理如圖1所示。在同步聯(lián)軸器輸入端，聯(lián)軸器與驅(qū)動相連，并通過聯(lián)軸器齒用棘爪驅(qū)動星形件，星形件徑向和軸向安裝在可移動的棘爪輪上，該棘爪輪設(shè)置在棘爪輪支撐件上。自動同步離合器的嚙合及脫開動作完全依靠其輸入端、輸出端的轉(zhuǎn)速差而自動完成，如果同步聯(lián)軸器輸入速度大于輸出速度，或者從輸入到輸出是正扭力傳輸，則同步聯(lián)軸器自動嚙合，將輸入部件與輸出部件連成整體；反之，當輸入端轉(zhuǎn)速小于輸出端轉(zhuǎn)速時，輸入部件與輸出部件自動脫開[5]。圖1顯示了2種可能的聯(lián)軸器狀態(tài)。圖中上半部分顯示聯(lián)軸器處于脫離位置狀態(tài)，圖中下半部分顯示其處于嚙合位置狀態(tài)。

圖1 自動同步離合器結(jié)構(gòu)及原理圖

2 自動同步離合器位置狀態(tài)定義

機組在不同模式下運行和切換過程中，需要實時監(jiān)測離合器的位置狀態(tài)，從而準確識別高、低壓轉(zhuǎn)子的相對位置，有效保證機組安全運行。

如圖2所示，離合器裝置安裝3個位移傳感器，分別為脫開到位傳感器S1、鎖定位置傳感器S2、解鎖位置傳感器S3。通過3個位移傳感器信號的不同組合可定義離合器的實際位置狀態(tài)，也為后續(xù)離合器控制邏輯設(shè)計提供了基礎(chǔ)理論依據(jù)。

a.“嚙合鎖定”狀態(tài)：高、低壓缸一起啟動或一起停止或同步額定轉(zhuǎn)速運行。

b.“脫開鎖定”狀態(tài)：高壓缸汽輪機處于額定轉(zhuǎn)速運行且低壓缸汽輪機處于拖拽轉(zhuǎn)速。

c.“解鎖”狀態(tài)：高壓缸汽輪機和低壓缸汽輪機處于額定轉(zhuǎn)速運行。

圖2 自動同步離合器示意圖

3 模式切換過程控制

3.1 純凝模式向抽凝模式切換

機組必須在純凝模式下啟動，低壓轉(zhuǎn)子通過MS離合器(MS離合器處于“嚙合鎖定”狀態(tài))與高中壓轉(zhuǎn)子連接在一起，盤車裝置通過盤車離合器帶動高壓轉(zhuǎn)子、低壓轉(zhuǎn)子進入盤車狀態(tài)，機組升速過程、帶低負荷過程中機組均處于純凝模式。機組在純凝模式下的控制策略與常規(guī)機組相同。

當機組帶負荷后，機組接收到DCS發(fā)出的抽凝模式運行要求，便開始進入純凝模式向抽凝模式轉(zhuǎn)換過程：MS離合器始終處于嚙合鎖定狀態(tài)，汽輪機連通管蝶閥投入排汽壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)，逐漸開啟汽輪機抽汽蝶閥，直到抽汽蝶閥全開，機組轉(zhuǎn)入抽凝模式運行，模式切換完成。

3.2 抽凝模式向背壓模式切換

當供熱機組在冬季供熱量需求較大，抽汽熱負荷要求繼續(xù)增加時，機組可切換到背壓模式運行，實現(xiàn)低壓缸在線解列，僅以高中壓模塊背壓方式運行。

機組處于抽凝模式運行工況下，當接收到背壓模式運行指令后，機組開始進入抽凝模式向背壓模式的轉(zhuǎn)換過程：MS離合器鎖定電磁閥失電，暫處于解鎖狀態(tài)，汽輪機連通管蝶閥退出排汽壓力控制，同時汽輪機抽汽蝶閥進入排汽壓力控制，汽輪機連通管蝶閥逐漸關(guān)閉，連通管主汽閥在連通管蝶閥全部關(guān)閉后繼而關(guān)閉，當?shù)蛪恨D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于高壓轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時，低壓缸通過離合器與高壓缸斷開。MS離合器信號觸發(fā)后，離合器鎖定電磁閥再次通電，MS離合器進入脫開鎖定狀態(tài)，機組進入背壓模式運行，模式切換完成。

3.3 背壓模式向抽凝模式切換

機組的供熱負荷逐漸減少，在不降低燃氣輪機負荷的情況下，機組可切換到抽凝模式運行，實現(xiàn)低壓缸的在線并列。

機組處于背壓模式運行工況下，當接收到抽凝模式運行指令后，機組開始進入背壓模式向抽凝模式的轉(zhuǎn)換過程：MS離合器鎖定電磁閥失電，暫處于解鎖狀態(tài)，汽輪機抽汽蝶閥退出排汽壓力閉環(huán)控制，經(jīng)判斷進汽條件滿足后，先開啟汽輪機連通管主汽閥，在汽輪機連通管主汽閥全開后，汽輪機連通管蝶閥進入轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制狀態(tài)，逐步提升低壓轉(zhuǎn)子至3000 r/min額定轉(zhuǎn)速后，低壓缸通過離合器連接到高壓缸，MS離合器信號消失，MS離合器鎖定電磁閥通電動作，鎖緊高中壓轉(zhuǎn)子和低壓轉(zhuǎn)子，MS離合器進入嚙合鎖定狀態(tài)，汽輪機連通管蝶閥投入排汽壓力閉環(huán)控制，汽輪機抽汽蝶閥轉(zhuǎn)手動控制，機組進入抽凝模式運行，模式切換完成。

3.4 抽凝模式向純凝模式切換

機組處于抽凝模式運行工況下，當接收到純凝模式運行指令后，機組開始進入抽凝模式向純凝模式轉(zhuǎn)換過程：MS離合器始終處于嚙合鎖定狀態(tài)，汽輪機連通管蝶閥處于中排壓力閉環(huán)控制，汽輪機抽汽蝶閥逐漸關(guān)閉，直到抽汽蝶閥全關(guān)后，汽輪機連通管蝶閥退出壓力閉環(huán)控制，并逐漸開啟至全開狀態(tài)，機組轉(zhuǎn)入純凝模式運行，模式切換完成。

4 結(jié)束語

通過自動同步離合器上的位移傳感器信號組合可靠地定義了離合器的位置狀態(tài)，為離合器控制邏輯設(shè)計提供理論依據(jù)。對機組不同模式間在線切換過程和離合器控制策略進行闡述，在汽輪機中采用自動同步離合器裝置能實現(xiàn)機組各運行模式在線切換，進而提升機組運行靈活性。