模块化液力偶合器应用于600MW超临界燃煤发电机组的适应性分析.pdf

第 3 2 卷第 6 期 2 0 1 1 年 1 2 月 电力 与能 源 5 0 1 模块化液 力偶合器应用于 6 0 0 MW 超临界 燃煤发电机组的适应性分析 余 丽萍 上海 电力修造 总厂有限公司 ， 上海2 0 1 3 1 6 摘 要 超临界燃煤发 电机组是 当今世界火 电发展的趋势 ， 我 国正 在加快超 临界机组辅 机装备的 国产 化创新 进程 。分析 了模块 化液力偶合器应用于 6 0 0 Mw 超临界燃煤发 电机组 的适 应性 ， 介绍 了其调 速方式 、 结 构配 置 、 模块化设计 、 节能等特点 ， 旨在通过对引进装备的消化 吸收 ， 掌握关键技术 ， 加快 国产化进程 。模块化液力 偶合 器是 将设 备上 同一功能单元 ， 设计成具有不 同功能 、 可 以互 换的模块 ， 选用不 同模块 即可组 成不 同类 型、 不 同规格 的设 备 ， 以匹配电动调速给水泵满足超临界燃煤发 电机组各种 工况 的转 速要求 ， 减少 自身 的滑差损 耗 。模块化 液力偶 合器体现 了满足需要 、 经济合理 ， 可靠性 高 、 优化整合 、 标 准化和低维修的原则 ， 有着很好的 应 用 前 景 。 关键 词 超临界燃煤发 电机 组 ； 给水泵驱动 ； 模块化液力偶合器 ； 适应性 中图分类号 TK 2 8 4 文献标志码 A 文章编号 2 0 9 5 1 2 5 6 2 0 1 1 0 6 0 5 0 1 0 4 Ad a pt a b i l i t y Ana l y s e s o f M o d u l a r Hy d r a u l i c Co u p l i ng W o r k i n g i n 6 00 M W S u p e r - c r i t i c a I Ge n e r a t i n g S e t Yu Li pi ng S h a n g h a i Po we r Eq u i p m e n t M a n u f a c t u r e Co ．，Lt d， S h a n g h a i 2 0 1 3 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t S u p e r c r i t i c a l s e t i s t h e t r e n d o f wo r l d h e a t p o we r p l a n t d e v e l o p me n t ，No wa d a y s o u r c o u n t r y i s d o i n g r e s e ar c h of do me s t i c a l l y pr od uc e d a u xi l i a r y e q ui pme nt s ．Thi s p a pe r a n al ys e s t he a d a pt a bi l i t y o f mo dul a r hy d r a u l i c c o u p l i n g wo r k i n g i n 6 0 0 M W s u p e r c r i t i c a l c o a l f i r e d g e n e r a t i n g s e t ．p r e s e n t s i t s s p e e d c o n t r o l s y s t e m ． s t r u c t ur e，mo du l a r de s i gn，e n e r g y s a vi ng an d e t c ．Ai ms t o q ui c ke n d ome s t i c al l y p r o du c e d p r o c e s s by a bs o r b i n g a nd ma s t e r y o f i mpor t e qu i p me nt ke y t e c hn ol o gy．M o dul a r h yd r a ul i c c o upl i ng i s whi c h c a n be ma de u p b y di f f e r e n t c h a n g e a b l e mo d u l e s t h a t h a v e d i f f e r e n t p e r f o r ma n c e wi t h s a me f u n c t i o n u n i t ，t o ma t c h t h e mo t o r d r i v e n bo i l e r f e e d wa t e r pump s e t me e t i n g t he r ot at i o n s pe e d r e qu i r e me nt s of s u pe r - c r i t i c a l g e ne r a t i n g s e t an d s a ve i t s e l f s l i p l o s s ．M o d u l a r h y d r a u l i c c o u p l i n g h a s t h e f a c t o r s o f s a t i s f a c t i o n o f n e e d s ，e c o n o mi c ，h i g h r e l i a b i l i t y， o p t i ma l d e s i g n，s t a n d a r d i z a t i o n a n d l o w m a i n t e n a n c e ，wh i c h h a s b e t t e r f o r e g r o u n d a p p l i c a t i o n ． Ke y w o r d s S u p e r c r i t i c a 1 c o a l f i r e d g e n e r a t i n g s e t ；Dr i v i n g b o i l e r f e e d wa t e r p u mp ； M o d u l a r h y d r a u l i c C O U p l i n g；Ad a p t a b i l i t y 0 引言 我 国的能源结构决定 了电力工 业 以煤炭 为 主 ， 超临界机组可高效率利用燃煤进行发电， 具有 单 机 容量 大 、 效 率 高 、 可 靠性 高 、 调节性 能 好 、 造 价 低廉等特点 。6 0 0 Mw 超临界燃煤发电机组 的锅 炉 给水 泵按 驱 动形式 可 分为 汽动 给水 泵组 和 电动 给水泵组。采用小汽轮机直接驱动给水泵的汽动 泵组 ， 可减少主机排气 ， 有利于主机低压段 的合理 设计和有效运行； 采用电动机加模块化液力偶合 器 驱 动给水 泵 的 电动 泵 组 ， 可 使 超 临界 燃 煤 发 电 机 组 的 热 力 系 统 设 计 简 化 及 运 行 可 靠 。在 6 0 0 Mw超 临界燃 煤 发 电机 组 中 ， 采用 2台 5 O 容 量 汽动泵 组 加 1台 3 0 ～ 5 0 容 量 电 动泵 组 的配 置 ， 得 到 了 广泛 的应 用 。 电动泵 组 的液 力偶 合器具有转速高、 功率大、 调速灵敏等特点 ， 能使 给水 泵 在 接 近 空 载下 平 稳 、 无 冲击 启 动 ， 无 级 变 速 ， 实现了给水系统的自动调节 ， 并能选用功率小 的 电动机 以节 约厂用 电 。 模块化液力偶合器是在普通型液力偶合器的 5 0 2 余丽萍 模块化 液力偶合 器应用 于 6 0 0 MW 超f 临界燃煤发电机组的适应 性分 析 基础 上发 展起来 的 ， 其针 对 性 的 结 构设 计 和 性 能 特点 ， 在用 于配套 6 0 0 MW 超 临界 燃煤 发 电机 组 乃 至 1 0 0 0 MW 超超 临界燃 煤发 电机 组锅 炉调 速 给水 泵组 时被广 泛采 用 。 l 适应单元机组的大容量及高参数 6 0 0 Mw 超 临 界燃 煤 发 电机 组 效 率 较 高 ， 供 电端效率 高 达 4 0 以 上 。机 组 效 率 高 主 要 是 通 过 提高锅 炉 主蒸 汽压 力 、 主蒸 汽 温 度 和锅 炉 热 效 率 来达 到 。 由于 主机设 备 的大容量 、 高参 数 ， 其 关 键 辅机 给水 泵 的性 能 参 数也 相 应 较高 。6 0 0 Mw 超 临界 燃煤 发 电机 组 锅 炉调 速 给 水 泵 ， 出 口扬 程 高 于 3 3 0 0 m， 出水 流 量 约 9 0 0 m。 ／ h ， 轴 功 率 为 9 0 0 0 k W 。模 块化 液 力偶 合 器 目前 采 用 3种 方 式 来适 应其 要求 。 1 ． 1容积 调节型 调速 方式 由于液力偶合器传递动力的能力与其工作腔 的充 液率成 正 比， 在 运 行 中改 变液 力 偶 合 器工 作 腔 的充 液 率 ， 便 可 以在 输 入 转 速 不 变 的情 况 下 ， 改变其 输 出力矩 M 和输 出 转速 嘶 。采用 容 积调 节 型 液力偶 合 器 调 速 方式 ， 不 同 的充 液 率 和 液力偶合器对应的特性曲线如图 1 所示。 由图 1可知 ， 不 同的充 液 率 、 。 、 V。 ， 液力 偶合 器对应 的 a b 、 a c 、 a d三条 特性 曲线 ， 给水 泵 特 性 曲线是 M 。给水 泵 特性 曲线 与 不 同充 液 量 下 的液力偶 合器 曲线 分 别 交 于 1 、 2 、 3点 ， 相 应 的 输 出转速分 别 为 、 ” 、 。 。很 显 然 ， 调节 液 力 偶 合器工作腔的充液率也就调节 了其输出转速。采 用 容积 调节 型调 速方 式 的优 点 是调 速 方 便 ， 可 有 进 口、 出口、 复合多种调节方式 ， 调速精度较高 。 图 1 容积调节型调速方式 1 ． 2 出 口调 节伸缩 勺管 型调速 方式 伸缩勺管调节 是在 进 口流量基 本恒 定 、 利 用 勺 管 的伸 缩 位 置 变 化 调 节 导 流 腔 油 环 厚 度 、 改 变 出 口 流 量 来 进 行 调 速 的 。 勺 管 相 当 于 一 个旋喷泵 ， 具有截取 随旋 转容器 一起旋 转 的油 环 中油 液 的 功 能 ， 与 油 泵 的 功 能 相 同 ， 如 图 2 所 示 。 a 侧视图 泵轮 涡轮 过流孔 环 b 俯视 图 图 2 勺管调速原理示意图 由图 2 a 可见 ， 以 圆周速 度 旋 转 的油 环 ， 当碰 到 固定 不转 但能 斜 向或 直 向移动 的勺管 端 日 时 ， 旋转油 环所 形成 的动能便 转化 成位 能 ， 在 迎着 旋转 油环 的勺 管端 口处 产 生一 定 的压 头 ， 在此 压 头 的作用 下 ， 油环 中的油液 便被 勺管导 出 ， 并 通 过 管 路排 入 箱 体 。 因 导 流 腔 与 工 作 腔 有 过 流 孔 相 通 ， 所 以通过 伸缩 勺 管 的位 置 变 化来 调 节 液 力 偶 合 器工作 腔 的充 液量 ， 从 而调 节 液 力偶 合 器 的 输 出力矩 和输 出转速 。 采 用 出 口调 节调 速 的优 点是 调 速 时 间 短 ， 反 应灵敏； 供油泵功率大 、 流量大、 排油能力略大于 供 油 能力 、 充 排 油 时 间短 、 换热 能 力 强 ； 有坚 固的 箱体 ， 支承稳定可靠 ； 可传递较大功率， 适应较宽 的转速 范 围 ； 自动 化控 制水平 高 。 1 ． 3 前置齿 轮增 速方 式 在液力 偶合 器 内设 置 一 对 前置 增 速 齿 轮 ， 用 以提高偶合器的输入转速 ， 提高传递功率， 满足高 转速给水泵 的要求。因此 ， 模块化液力偶合器可 满足 6 0 0 MW 超 临界燃 煤发 电机组 的大容 量 、 高参 数 ， 输 入 转 速 为 1 5 0 0 r ／ mi n ， 输 出 转 速 最 高 为 1 4 8 2 2 r ／ mi n ， 输人功率最高为 1 8 2 0 2 k W， 调速范 围为 2 5 ～1 0 0 。 余丽萍 模块化液力偶合 应用 于 6 0 0 MW 超临界燃煤发 电机组 的适应性分析 5 0 3 2 适应 单元机组的高效及节 能 机 组效 率 的提 高 ， 尤 其 对 于 6 0 0 MW 超 临 界 燃煤 发 电机 组 ， 具 有 极 其 重 要 的 意 义 。如 果 机 组 效率 提 高 0 ． 1 ， 对 于 1台 1 0 0 0 Mw 以上机 组 ， 相 当于 多输 出近 1 Mw 的电量 ， 可 见其 经 济 效 益 相 当可 观 。给水 泵 是 燃 煤 电厂 最 大 的辅 机 ， 其 能 耗 的高 低对 电厂 的绩 效影 响较 大 。模块 化 液力偶 合器使 给水泵适应 6 0 0 Mw 超临界燃煤发电机 组 主汽 轮机 和锅 炉 的滑 压 运 行 需 要 ， 从 而 提 高 机 组 效率 ， 在 机组 负荷 率低 于 7 O ～ 8 O 时可 以显 现 良好 的节 能效 果 。 模 块化 液力 偶 合 器 采 用模 块 化 设 计 ， 将 设 备 上 同一 功能 单元 ， 设计 成具 有 不 同性 能 、 可 以互 换 的模 块 ， 选用 不 同模块 即可组 成不 同类 型 、 不 同规 格 的设 备 ， 以匹配 给 水 泵满 足超 临界 燃 煤 发 电 机 组各种工况 的转速要求 ， 减少 自身的滑差损耗。 3 适应单元机组 的安全及可 靠运行 我 国已投 运 的 6 0 0 Mw 超 临 界 燃 煤 发 电 机 组可用率为 8 8 ， 平均年运行小时超过 7 0 0 0 h ， 体现了很高的可靠性 。模块化液力偶合器采用优 化 结构 设计 ， 用 以 满 足 大 型燃 煤 发 电机 组 的 可 靠 性 要求 。 1 将 一级 增 速 齿 轮 和偶 合 器 泵 、 涡 轮 、 调 速 机 构置 于 同一箱 体 内 ， 结 构 紧凑 。 2 增速 齿轮为 人字齿 ， 采用 优质合 金钢 制 造 。齿 面经 渗碳 淬火 处理 ， 磨 削加 工 ， 特别适 用 于 承 受交 变 载荷 。 3 支 持轴 承 为 乌金 衬 套 中 分式 滑 动轴 承 和 自位 瓦 块式 双 向推力 轴承 。 4 除轴承油封以外， 无任何直接机械摩擦 ， 故 障率 低 。 4适应 单元机组 的调节运行特 性 超 临界 燃煤 发 电机 组 的 热 工 自动 控 制 系统 ， 具有 良好 的调 节性 能 ， 机 组 运行 方式 为定 压 一 滑 压一 定 压 ， 夜 间停 机 、 快速 启 动 以及 频 繁i 1支 变 负荷 的能力很强 ， 高负荷和低负荷时都能保持高效率 。 模块化液力偶合器采用电液执行器驱动伸缩勺管 方式适应上述要求 ， 同时还能实现模块化液力偶 合器 的 自动控制 ， 即能采集也能输 出 4 ～2 O mA 电流信号 ， 而且 集成化 程 度高 ， 体 积相 对 较小 。 VEHS电液 执行 器 的控制原 理 如图 3所示 。 一 ⋯一⋯⋯⋯⋯一。 控制信号 4 ～ 2 0mA 传感器 液压缸 _ t 咄b 。 1 0 0 ％0 ％ 3 VEHS电液 执 行 器 的 控 制 原 理 如 图 3所示 ， VEHS电液 执行 器 的控 制原 理 为 勺管始终 由液压缸上的位置传感器监测 ， 反馈 信号 4 ～2 0 mA 与控制室的 4 ～2 0 mA信号 比 较后， 由控制器产生差动信号 ， 差动信号控制三位 四通 阀中 的液压 油流 向 ， 从 而控制 液压 缸 的运 动 ， 达 到控制 勺 管 的 目的 。 VEHS电液 执 行 器 为 自成 一 体 的 电 液 执 行 器 ， 执行 器 的 内部接 线 以及 与 接线 盒 之 间 的接 线 已由制造厂完成 ， 客户 只需将控制信号和反馈信 号 接至 控制 室 即可完成 对偶 合器 的逻 辑控制 。输 入 信号 至输 出转 速 间 的线性关 系 ， 由 VE HS执 行 器 的线性 单 元 完 成 。 自成一 体 的 电液执 行 器 、 液 压控制集成的启动装置， 使泵组从静止到满负荷 只需 5 S ， 控 制精 度 高 及快 速 响 应 ， 充 分 满足 了大 容 量燃 煤发 电机 组 的 电 动 给水 泵 组 ， 从 零转 速 的 备 用状 态启 动至 给水泵 出 口的压 力和 流量达 到额 定参数的时 间 1 2 ～l 5 s 要求 ， 非 常适应单元机 组 的调 节运 行特性 。 5 适应单元机组 的低投 资 6 0 0 Mw 超临界燃煤发电机组与 2台同参数 的 3 0 0 Mw 超 临界燃煤 发 电机组 相 比 ， 它 的投 资 可 减少 1 0 ～2 0 ， 占地 面积 可 减 少 2 0 ， 热 耗 降低 0 ． 5 ， 并且 制造和安装周期可缩短。模块 化液力偶合器采用优化设计 ， 用 于降低造价 。 采 下转 第 5 1 1页 朱辰元 ， 等 碟式斯 特林 太阳能热发电的技术发展 5 1 1 发 电装置 产 品 ， 内部测 试 时 间 已经 达 到 5 0 0 0 h ， 客 户测 试 时 间达 到 了 1 9 2 0 0 h ， 总 测 试 时间 累 计 2 4 2 0 0 h ， 其中单机最长测试时间为 1 8 0 0 h 。 在开发 3 k W 自由活 塞 式 斯特 林 发 动 机 热发 电系统 的同时 ， I n f i n i a 公 司正在 进一 步开 发 3 0 k w 免 维护 的 自由活 塞 式 斯 特 林 太 阳 能热 发 电 系统 。 该 系统 由 2个 1 5 k w 多缸 自由活塞 式斯 特林 发动 机组 成 ， 具有热 发 电系统 振动小 、 长寿命 、 免维 护和 高效率等特点。2 0 1 0年， I n f i n i a 公司制作了 3套该 系统 ， 上半年 进行 样 机测试 ， 美 国 S a n d i a国家 实验 室承担了该系统的技术监控、 接收器设计咨询和系 统测试等工作 ， 按照规划 ， 2 0 1 2年 7月后进入商业 化 应用 。 3 展 望 发 展和 推广 碟式 斯特 林太 阳能热 发 电的关键 是开发性能优异的热气机 。热气机除了可以用于 碟 式太 阳能 热发 电外 ， 还 可 以应 用 在 许 多 节 能项 目中 ， 但 是 由于技 术 复杂 ， 比较 先进 的热 气机 技术 主要 掌握 在 发达 国家 的少 数几 个公 司 。我 国也一 直重视热气机的研发工作 ， 目前也取得 了很多成 果 ， 特别 是 已成功研 发 了 5 O k w 级 燃气 热 气 机 的 热电联供机组， 并进入 了示范应用 ， 不久可以进入 商业 化应 用 阶段 。 热气机 的研 发成 果 为我 国发 展碟 式斯 特林 太 阳能热发电技术提供 了坚实的基础 ， 通过太 阳能 热发 电 的一些关 键 的技 术 攻 关 ， 如接 收器 的优 化 设计、 焦平面和接收器形状 的耦合 以及 内部温度 的均 匀 控制 、 热 气 机 紧凑 型 的 总体 设 计 ， 大 直径 、 高 聚 光 比聚光碟 的设 计 和 制 造 ， 太 阳 自动 跟 踪控 制 的方 法 ， 以及 遇云控 制 的策略 等 ， 完 全有 能力依 靠 国内的技术力量研发具有完全 自主知识产权的 碟 式斯 特林 太 阳能热 发 电系统产 品。 借 鉴西 方发 达 国家进 行 过 多 年 的发 展 成 果 ， 可 以发 现 2 5 ～ 3 0 k w 级 斯 特 林 发 动 机 技术 相 对 比较成 熟 ， 而且 应用 在 发 电系 统可 以取 得 最大 的 效 费 比 ， 因此 2 5 k w 碟式斯 特 林太 阳能热 发装 置 的研 发 应该是 发 展我 国太 阳能热 发 电技 术 的首选 方 案 。通 过一 系列 关键 技 术攻 关 ， 结 合 我 国 已掌 握的热气机技术 ， 有望很快在碟式斯特林太 阳能 热发 电设备的制造方面取得成功 。 收 稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 9 1 作者简 介 朱辰元 1 9 6 4 ， 男， 教授 级 高工， 硕 士研 究 生， 从 事热 气机发 电机 组总 体设 计， 气体 燃烧和 传动 等方 面 的 研 究和 开 发 工作 。 编 辑 吴 国 粱 上 接 第 5 0 3页 用先进的铸造工艺， 使工作油、 润滑油在箱体的铸 造隐蔽油路中流动 ， 使整体设计更加紧凑和容易 维护 。 将液力偶合器的机械部分和调速部分 ， 分别 设计成独立的单元模块 ， 分为齿轮箱模块 、 涡轮箱 模块 、 油路 系统模块等 。公共接 口采用标准接 口， 可根据给水泵不 同的功率和速度进行组合 ， 实现 技术 的可 匹配 性 。 液力 偶合 器 自带 完 整 的工 作 油 、 润 滑 油 和 辅 助油系统 ， 工作油和润滑油采用 同一种油。工作 油泵 离 心泵 和 主润滑 油泵 齿 轮泵 组合 成一 充 油泵组 ， 由偶合器的输入轴驱动； 在偶合器启动、 停机 和故 障 时 ， 由一 电动 辅 助 润 滑 油泵 向各 轴 承 供油。除此之外 ， 液力偶合器 能满 足外部设备的 供油需求 ， 电动机和给水泵的润滑 可由液力偶合 器 的润滑油系统提供 ， 其 回油回到液力偶合器油 箱 ， 液力偶合器在电机侧和给水泵侧 的润滑油出 口管道 上装 有 流量 孔 板 ， 在 给水 泵 组 试 运 转 前 可 按所 需 的油流 量和 压力 ， 对这些 孔板 进行 调整 ， 达 到整 个 给水泵 组油 系统 的合理 配置 。 6 结 语 发展 大容 量 、 高参 数 的超 临 界 和超 超 临 界 发 电机组是当今世界和我 国燃煤发电机组 的趋势， 模 块 化液力 偶 合器顺 应 了燃煤 发 电机组装 备 的发 展方 向 ， 其 设计 遵 循 了满足 需 要 、 经 济合 理 、 可 靠 性高 、 优化整合、 标准化和低维修的原则 ， 至今已 有 多 台应 用 于 我 国 6 0 0 Mw 超 临界 燃 煤 发 电 机 组锅 炉 电动调 速给水 泵组 中。我 国正在 加快对 超 临界机组引进的辅机装备 的国产化 ， 通过分析吸 收 ， 掌握 核 心技 术 ， 加 快 创 新进 程 ， 实 现模 块 化 液 力 偶 合器完 全 国产 化 ， 将 会 产 生 巨 大 的社 会 效 益 和经济 效益 。 收稿 日期 2 0 1 1 - 1 0 1 8 作者简 介 余 丽萍 1 9 6 6 一 ， 女 ， 工程师 ， 本科 ， 设计主 管， 从 事机械 产品设计 和火电项 目管理。 编 辑 杜 建 军