自动同步离合器在供热汽轮机中的应用

谢明江+宋建华+彭金龙+赵春芳+苏鑫海

摘 要：介绍了包括SSS离合器、MAAG离合器在内的自动同步离合器的技术特点及在供热汽轮机中的应用。

关键词：自同步离合器；供热汽轮机；SSS离合器；MAAG离合器

中图分类号：TK262 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.154

自动同步离合器是一种高效精密一体化传动装置。其结构紧凑，可靠性高，适用范围广，目前已被广泛应用于舰船驱动、钢铁行业BPRT系统、鼓风机行业驱动、化工行业供水泵装置等领域。与常规供热调节方式不同，供热汽轮机采用自同步离合器可以完全将汽轮机低压转子脱开，将低压部分蒸汽全部用于供热输出，满足机组最大供热需求，热电效率高，技术优势凸显，可靠性显著提升。

1 自动同步离合器

机械自动同步离合装置简称“自动同步离合器”，是通过齿轮元件传递功率及扭矩的全自动型超越离合器，包括目前常规的英国SSS公司设计制造的SSS（Synchro-Self-Shifting）离合器、瑞士RENK-MAAG公司的MS离合器等产品。自动同步离合器产品可以根据需要传递不同功率和转速等级，满足不同的应用领域。

自动同步离合器是纯机械离合装置，其主要分为3大部件：输入部件、输出部件和中间滑动部件。输入端与输出端通过刚性法兰轴或半挠性联轴器与两侧的轴连接，根据设计需要，两侧的轴通过离合器的啮合或脱开实现连接或断开，以传递相应的功率或扭矩。自动同步离合器的啮合及脱开动作完全依靠其输入端、输出端的转速差而自动完成。当离合器的输入端转速大于输出转速时，输入端带动滑动部件与输出端啮合，离合器自动啮合后将输入端与输出端连成整体；反之，当输入端转速小于输出端转速时，通过滑动部件的运行，输入部件与输出部件自动脱开。这种特性是由离合器自身的结构特点决定的，纯机械、无控制。与同挡功率的其他传动元部件相比，具有结构紧凑、部件精密度高、质量轻、安全可靠性高等特点。

自动同步离合器的基本原理可比拟为螺母拧在螺栓上的动作。如果螺母不受力，当螺栓转动时，螺母将随螺栓一同转动。如果螺母受限制而螺栓继续转动，则螺母将沿螺栓做直线平移的运动。这一原理应用了螺纹线的旋转-位移特性。根据这一基本原理，再加上相关的限位组件及棘爪组件即可实现离合器输入端轴和输出端轴的自动啮合和脱开。目前，各种自同步离合器产品的设计原理和自动啮合、脱开过程都是类似的，本文不再详细描述。

2 自动同步离合器的具体应用

供热汽轮机具备热电联供能力，在环保、热效率、调峰性能方面都优于常规发电机组，尤其在目前国家能源规划调整、环保和热电综合经济性要求高的情况下，具备较强供热能力的汽轮机已越来越适应市场的需求。尤其在北方供热需求大的地区，为了使机组在冬季供热工况能够尽量为热网提供热量，同时在其他工况下具有良好的发电量和发电效率以及变工况的灵活性，在汽轮机的中压缸和低压缸之间采用自同步离合器连接是很好的选择。不同于常规的中压排汽供热蝶阀等调整手段，采用自动同步离合器连接低压转子和高中压转子，可以在供热期将低压转子脱开，最大化地利用中压排汽对外供热。带离合器的汽轮机发电机组常规布置为：发电机—高中压模块—离合器—低压模块，如图1所示。

将自动同步离合器技术特点与供热汽轮机相结合，使汽轮机低压缸通过自动同步离合器进行自动脱开和啮合，以实现供热汽轮机纯凝、供热工况的自动切换，对实现最大供热化的功能具有重要的技术意义和经济价值。同时，结合不同自动同步离合器的技术差异，需要对离合器与汽轮机技术进行再次挖掘，实现更优化的机组布置，以进一步提高机组安全性和可靠性，降低電站投资成本及汽轮机设计制造成本。

2.1 供热调节方式

热电联产发电机组（CHP）可为一定区域供热（区域供热模式），同时发电模式可以提供较大的电能。该机组也可以在部分供热的情况下运行。将汽轮机低压转子与自动同步离合器输入端相连，高中压转子与输出端相连，通过连接或断开HP/IP缸和LP缸之间的离合器，汽轮机发电机组可以实现纯凝运行、全供热背压运行及抽凝运行等运行模式，并可以根据需要进行模式的快速切换。在纯凝工况或抽凝工况下，离合器啮合，汽轮机的高中压、低压缸一起工作，带动发电机发电，可保证汽轮机的发电效率；为使机组供热最大化，即汽轮机背压运行，关闭低压进汽阀门，低压转子转速下降后使得离合器自动脱开，高中压汽缸带动发电机发电，中压排汽全部用于热网供热，使供热量最大化，并减少了汽轮机低压通流冷却浪费的流量。

2.2 SSS离合器与MAAG离合器的方案比较

国内目前采用自动同步离合器的已投运供热汽轮机基本上都是联合循环汽轮机，在火电超临界35万等机组上有部分咨询项目，由于自动同步离合器的技术优势，后续可望在其他火电供热汽轮机上得以应用，因此市场前景是客观存在的。

目前用于供热汽轮机的典型自动同步离合器有2种，即英国SSS公司的SSS离合器和瑞士MAAG公司的MS同步离合器。SSS离合器在国内与东汽、上汽、哈汽机组均有配合，且已有相应的运行业绩。目前国内市场上配套的主要有2种形式汽轮机产品，即15万等级的一拖一机组和30万等级的二拖一机组，对应300T和340T 2种规格尺寸的SSS离合器。SSS离合器已在国内多个电厂机组上进行脱开、啮合切换，大多数运行正常，但部分汽轮机组的SSS离合器出现了无法正常脱开、啮合，且啮合齿出现多次严重磨损的故障，在多次更换离合器后其故障机理仍不明确，为汽轮机组的运行造成较大风险。因此，后续采用SSS离合器的机组，尤其是当低压缸功率较大时，离合器设计尺寸相应增大，输入组件、输出组件与中间滑动部件间的轴向涨差、径向偏差等都将增大，离合器发生故障的概率增加。从目前的故障情况来看，在离合器尺寸变大后，某些故障原因预判性变得更加复杂。