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

余丽萍

（上海电力修造总厂有限公司，上海 201316）

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。600MW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600MW超临界燃煤发电机组中，采用2台50%容量汽动泵组加1台30%～50%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600MW超临界燃煤发电机组乃至1000MW超超临界燃煤发电机组锅炉调速给水泵组时被广泛采用。

1 适应单元机组的大容量及高参数

600MW超临界燃煤发电机组效率较高，供电端效率高达40%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。600MW超临界燃煤发电机组锅炉调速给水泵，出口扬程高于3 300m，出水流量约900m3／h，轴功率为9 000kW。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nB不变的情况下，改变其输出力矩MT和输出转速nT。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V1、V2、V3，液力偶合器对应的ab、ac、ad三条特性曲线，给水泵特性曲线是MZ。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nT1、nT2、nT3。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。

图2 勺管调速原理示意图

由图2（a）可见，以圆周速度Vx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口时，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600MW超临界燃煤发电机组的大容量、高参数，输入转速为1 500r／min，输出转速最高为14 822r／min，输入功率最高为18 202kW，调速范围为25%～100%。

2 适应单元机组的高效及节能

机组效率的提高，尤其对于600MW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1000MW以上机组，相当于多输出近1MW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600MW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70%～80%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600MW超临界燃煤发电机组可用率为88%，平均年运行小时超过7 000h，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—滑压—定压，夜间停机、快速启动以及频繁改变负荷的能力很强，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4～20mA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。

图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（4～20mA）与控制室的4～20mA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VEHS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5s，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（12～15s）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

600MW超临界燃煤发电机组与2台同参数的300MW超临界燃煤发电机组相比，它的投资可减少10%～20%，占地面积可减少20%，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600MW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。