負(fù)荷齒輪箱抽真空裝置在燃機(jī)中的應(yīng)用

陳 建

(廣東華電深圳能源有限公司，廣東 深圳 518118)

0 前 言

在國家節(jié)能減排政策及提升發(fā)電新能源占比的改革形勢(shì)下，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組因其具有啟動(dòng)迅速、快速響應(yīng)調(diào)峰、污染小等眾多優(yōu)勢(shì)[1],國家加大對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的政策支持[2]。但如同燃煤機(jī)組的發(fā)展一樣，隨著技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的能效競(jìng)爭(zhēng)壓力越來越大,如何進(jìn)一步提升機(jī)組效率，節(jié)能降耗成為必須要考慮的重要環(huán)節(jié)。

1 概況

1.1 背景介紹

華電深圳某公司兩套共365 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，整套機(jī)組采用分軸聯(lián)合循環(huán)方式，第一套聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組由兩臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)蒸汽輪機(jī)、三臺(tái)發(fā)電機(jī)和兩臺(tái)余熱鍋爐及相關(guān)設(shè)備組成，第二套聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組由一臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)、一臺(tái)蒸汽輪機(jī)、兩臺(tái)發(fā)電機(jī)和一臺(tái)余熱鍋爐及相關(guān)設(shè)備組成。燃機(jī)由美國GE公司生產(chǎn)，型號(hào)為6F.03，單臺(tái)燃機(jī)出力為82 MW(設(shè)計(jì)工況)。[3]

燃機(jī)的油系統(tǒng)為燃機(jī)、負(fù)荷齒輪箱、發(fā)電機(jī)的軸承、負(fù)荷齒輪箱的嚙合齒輪提供潤滑油,同時(shí)也為燃機(jī)進(jìn)氣閥、燃機(jī)進(jìn)空氣的IGV閥提供高壓控制油[4]。齒輪箱熱功率損失是評(píng)價(jià)齒輪傳動(dòng)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一[5]，齒輪系統(tǒng)在工作過程中會(huì)產(chǎn)生嚙合摩擦功率損失、風(fēng)阻功率損失和攪油功率損失[6]，其中，齒輪高速運(yùn)行時(shí)，風(fēng)阻功率損失是導(dǎo)致傳動(dòng)效率低的主要因素之一[7]。降低風(fēng)阻功率損失可以顯著減小齒輪箱的功率損失和發(fā)熱量，提高齒輪箱的傳動(dòng)效率和使用壽命。

1.2 負(fù)荷齒輪箱介紹

負(fù)荷齒輪箱位于燃?xì)廨啓C(jī)和發(fā)電機(jī)之間，其作用就是利用設(shè)計(jì)好的齒輪傳動(dòng)比將燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速從5 320.8 r/min降為3 000 r/min，以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出我國額定的50 Hz的工頻電,如表1所示。

表1 負(fù)荷齒輪箱輸入輸出軸轉(zhuǎn)速單位:r/min

燃?xì)廨啓C(jī)本身潤滑油系統(tǒng)設(shè)有油氣分離器，其可以將發(fā)電機(jī)、負(fù)荷齒輪箱及機(jī)組滑油箱冒出的油煙分離，處理后的空氣排到大氣，油氣中分離出的油回到油箱。但負(fù)荷齒輪箱潤滑油進(jìn)出油口均在底部，油煙易聚積在頂部死區(qū)，造成潤滑油未充滿整個(gè)負(fù)荷齒輪箱內(nèi)部空間，從而產(chǎn)生風(fēng)阻功率損失，導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)效率下降，從而致使整個(gè)機(jī)組效率降低。此外,風(fēng)阻增加、上部齒輪缺乏潤滑也會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合摩擦加劇，振動(dòng)增大，齒輪金屬溫度升高，從而危及機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為監(jiān)視負(fù)荷齒輪箱內(nèi)潤滑油供應(yīng)和摩擦情況，負(fù)荷齒輪箱內(nèi)裝有以下四組共16只溫度熱電偶：

(1)高速靠壓氣機(jī)軸BT-RGP1-1A，1B；BT-RGP1-2A，2B；

(2)低速靠燃機(jī)側(cè)軸BT-RGB1-1A，2B；BT-RGB1-2A，2B；

(3)高速靠發(fā)電機(jī)軸BT-RGP2-1A，1B；BT-RGP1-2A，2B；

(4)低速靠發(fā)電機(jī)側(cè)軸BT-RGB2-1A，2B；BT-RGB2-2A，2B。

為保護(hù)機(jī)組安全穩(wěn)定，防止發(fā)生缺油磨損事故，負(fù)荷齒輪箱設(shè)有金屬溫度高跳閘L4BTRG保護(hù)，其觸發(fā)條件為：

(1)每組中如果1A測(cè)點(diǎn)達(dá)到高高值，2A測(cè)點(diǎn)報(bào)錯(cuò)、達(dá)到高值、高高值都將觸發(fā)跳機(jī)信號(hào)；

(2)每組中如果2A測(cè)點(diǎn)達(dá)到高高值，1A測(cè)點(diǎn)報(bào)錯(cuò)、達(dá)到高值、高高值都將觸發(fā)跳機(jī)信號(hào)；

(3)高高值取根據(jù)潤滑油母管溫度+54.44 ℃得出的高高值與最小高高等級(jí)溫度87.78 ℃和一個(gè)GBOX T2 METAL 溫度125 ℃，三者取中間值獲得;

(4)高值取根據(jù)潤滑油母管溫度+48.89 ℃得出的高高值與最小高等級(jí)溫度90 ℃和一個(gè)GBOX T2 METAL 溫度120 ℃，三者取中間值獲得。

此外燃機(jī)負(fù)荷齒輪箱還裝有2組3只振動(dòng)傳感器，分別為兩個(gè)高速軸燃機(jī)端振動(dòng)傳感器39V-4D、39V-4E，一個(gè)燃機(jī)負(fù)荷齒輪箱低速軸燃機(jī)端振動(dòng)傳感器39V-4F,其觸發(fā)條件為:

(1)當(dāng)一組中只有一個(gè)傳感器時(shí)，振動(dòng)達(dá)到跳閘值，燃機(jī)跳閘；

(2)當(dāng)一組中有兩個(gè)傳感器時(shí)，一個(gè)故障且另一個(gè)振動(dòng)達(dá)到跳閘值，燃機(jī)跳閘；

(3)當(dāng)一組中有兩個(gè)傳感器時(shí)，一個(gè)達(dá)到報(bào)警值且另一個(gè)達(dá)到跳閘值，燃機(jī)跳閘。

2 FG Power+的應(yīng)用研究

2.1 FG Power+簡介

為保證機(jī)組安全，提高機(jī)組效率，該公司針對(duì)負(fù)荷齒輪箱傳動(dòng)損耗，采取新技術(shù)，裝設(shè)了一種負(fù)荷齒輪箱抽真空裝置(該系統(tǒng)名為FG Power +，簡稱FGP+)。

為便于讀者對(duì)該抽真空裝置及其應(yīng)用形成統(tǒng)一的認(rèn)知，下文中的相關(guān)數(shù)據(jù)或技術(shù)參數(shù)均為標(biāo)準(zhǔn)條件下的數(shù)據(jù)。

FGP+是一款提高連接燃機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷齒輪變速箱效率與安全性的設(shè)備，其主要工作原理是：外加一個(gè)抽真空裝置，該裝置與負(fù)荷齒輪箱潤滑油系統(tǒng)相獨(dú)立，此抽真空系統(tǒng)與負(fù)荷齒輪箱頂部及潤滑油回油管新增旁路相連接，使負(fù)荷齒輪箱內(nèi)處于局部真空狀態(tài)，這個(gè)局部真空圍繞齒輪箱的轉(zhuǎn)子和部分系統(tǒng)，并抽出齒輪之間潤滑油中的空氣和油煙，確保潤滑油充滿整個(gè)負(fù)荷齒輪箱內(nèi)部空間，從而減少風(fēng)阻損失來達(dá)到改善齒輪箱性能的效果，進(jìn)而提高齒輪箱的傳遞效率，同時(shí)降低機(jī)組振動(dòng)和負(fù)荷齒輪金屬溫度。

其工作系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 燃機(jī)抽真空裝置系統(tǒng)圖

FGP+主要包括油箱、油泵、真空發(fā)生器(泵、分離器、過濾器、排水管、閥門和管道)、冷卻空調(diào)系統(tǒng)及相關(guān)連接管道和其控制系統(tǒng)，F(xiàn)GP+具有獨(dú)立的液壓回路，F(xiàn)GP+的整個(gè)油路上行線路和下行線路必須設(shè)計(jì)成能夠在沒有低點(diǎn)、卡澀或滯留點(diǎn)的情況下進(jìn)行重力泄油。FGP+被設(shè)計(jì)為使用旁路型組件連接到現(xiàn)有潤滑回路，旁路型組件用于將FGP+與網(wǎng)絡(luò)隔離，而不切斷來自連接到負(fù)荷齒輪箱和FGP+的驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)設(shè)備的油流，從而確保潤滑系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。真空泵用于抽取FGP+油路中的空氣。FGP+的主要機(jī)電或電動(dòng)氣動(dòng)部件由可編程控制器控制和調(diào)節(jié)。可編程控制器使用的控制和調(diào)節(jié)指令與齒輪箱操作參數(shù)成比例定義。

2.2 FGP+實(shí)際應(yīng)用效果分析

為檢驗(yàn)FGP+實(shí)際節(jié)能效果，進(jìn)行了以下投入前后數(shù)據(jù)對(duì)比(詳見表2-表4)。

表2 2021年01月與02月數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 2021年03月與04月數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 2022年4月24日#3燃機(jī)FGP+投入應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比

經(jīng)過長時(shí)間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，在環(huán)境溫度、濕度、大氣壓基本一致的情況下，該公司3臺(tái)燃機(jī)平均耗氣量分別下降259 m3/h左右，其負(fù)荷增加0.1 MW/h。每年按穩(wěn)定運(yùn)行4 300小時(shí)算，每年#1燃機(jī)可減少天然氣量259×4 300=1.113 7×106m3，#2燃機(jī)可減少天然氣量254×4 300=1.092 2×106m3，#3燃機(jī)可減少天然氣量264×4 300=1.135 2 ×106m3，3臺(tái)燃機(jī)全年可以減少天然氣量3.341 1×106m3，按照天然氣價(jià)格2.28元/m3折算，每年直接經(jīng)濟(jì)效益：334.11×2.28=761.8萬元，尤其是隨著近年天然氣價(jià)格大幅提升，降低成本效果顯著。同時(shí)負(fù)荷齒輪箱振動(dòng)和最高溫度均有下降，負(fù)荷齒輪箱運(yùn)行工況得到改善，壽命延長，機(jī)組安全穩(wěn)定性得到提高。

3 FGP+應(yīng)用的注意事項(xiàng)

FGP+實(shí)際投入應(yīng)用中應(yīng)注意以下問題：

(1)FGP+不得暴露于有害環(huán)境因素，如腐蝕性化學(xué)產(chǎn)品、高空氣污染、高空氣濕度和0～40 ℃范圍以外的環(huán)境溫度。

(2)真空泵需要可變的時(shí)間(取決于施加真空的空間體積)來在包括齒輪箱和FGP+的回路中產(chǎn)生真空。如果負(fù)壓值隨著時(shí)間的推移而下降，變速箱和FGP+之間的回路上可能會(huì)有空氣泄漏。必須消除這些泄漏，因?yàn)樗鼈兿拗屏苏婵毡玫娜萘浚锌赡芸s短需要維護(hù)的時(shí)間，并損壞FGP+。

(3)檢查油箱中的液位是否穩(wěn)定。

(4)檢查是否有漏油現(xiàn)象。

(5)檢查控制柜中的空調(diào)溫度是否正常。FGP+調(diào)節(jié)控制柜中的溫度必須符合工廠設(shè)置溫度。更改此設(shè)置可能會(huì)導(dǎo)致功耗過高和/或損壞機(jī)柜中的可編程控制器和變速控制器。

4 結(jié) 論

某公司3臺(tái)燃機(jī)FGP+投入運(yùn)行后，機(jī)組效率明顯提升，經(jīng)濟(jì)效益明顯，因齒輪總功率損失隨著輸入功率的增加以及輸入轉(zhuǎn)速的增加而增加[8]，因此在大容量燃機(jī)中效果將更加明顯。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常都可能導(dǎo)致運(yùn)行中斷[9],FGP+在實(shí)際運(yùn)行中還存在一些待改進(jìn)的地方，雖然一般情況下，F(xiàn)GP+這樣的就地設(shè)備故障不會(huì)直接影響機(jī)組安全運(yùn)行[10],但還是需要加強(qiáng)平時(shí)運(yùn)行維護(hù)。該公司的FGP+出現(xiàn)過多次運(yùn)行中跳閘，經(jīng)過多方排查，后經(jīng)聯(lián)合廠家確認(rèn)為FGP+裝置所處位置靠近燃機(jī)，周圍環(huán)境溫度較高，造成真空泵冷卻水流量不足，溫度高報(bào)警跳閘，經(jīng)改造增加一路冷卻水后得到極大改善。此外，由于該裝置在回油油溫60 ℃以上才能工作，在冬天容易出現(xiàn)回油油溫不足，裝置跳閘，反復(fù)啟動(dòng)的問題，因此需要加強(qiáng)監(jiān)視，根據(jù)氣溫及時(shí)停運(yùn)，此裝置在北方的應(yīng)用需要做進(jìn)一步研討改進(jìn)。