基于自动同步离合器的供热机组多模式运行工况分析

吴广伟，丁永允，何冬辉

(辽宁东科电力有限公司，辽宁 沈阳 110179)

某电厂180 MW高炉煤气-蒸汽联合循环机组采用一拖一双轴配置方式，燃机为日本三菱重工生产的M701SDAX型低热值高炉煤汽轮机，蒸汽轮机为东方汽轮机厂有限责任公司生产的次高压、双缸、双压、无再热、下排汽、与燃机分轴、单轴抽汽凝汽背压式供热机组。该蒸汽轮机高压缸和低压缸之间设计自动同步离合器装置，可以在工作转速上将高、低压转子啮合与脱开，实现低压转子的自动“解列”和“并列”，完成机组在全供热模式(背压模式)和供电模式(纯冷凝模式)下相互切换，并通过控制进入热网的蒸汽量，实现抽凝模式运行[1]。这种新技术可根据不同热电需求，使供热量、发电量和机组效率之间的关系得到更好协调，提升了机组的运行灵活性，具有较大经济效益和社会效益[2-4]。

1 自动同步离合器结构及原理

本机组所采用的自动同步离合器为瑞士RENK-MAAG公司生产的MS离合器，其结构及原理如图1所示。在同步联轴器输入端，联轴器与驱动相连，并通过联轴器齿用棘爪驱动星形件，星形件径向和轴向安装在可移动的棘爪轮上，该棘爪轮设置在棘爪轮支撑件上。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，如果同步联轴器输入速度大于输出速度，或者从输入到输出是正扭力传输，则同步联轴器自动啮合，将输入部件与输出部件连成整体；反之，当输入端转速小于输出端转速时，输入部件与输出部件自动脱开[5]。图1显示了2种可能的联轴器状态。图中上半部分显示联轴器处于脱离位置状态，图中下半部分显示其处于啮合位置状态。

图1 自动同步离合器结构及原理图

2 自动同步离合器位置状态定义

机组在不同模式下运行和切换过程中，需要实时监测离合器的位置状态，从而准确识别高、低压转子的相对位置，有效保证机组安全运行。

如图2所示，离合器装置安装3个位移传感器，分别为脱开到位传感器S1、锁定位置传感器S2、解锁位置传感器S3。通过3个位移传感器信号的不同组合可定义离合器的实际位置状态，也为后续离合器控制逻辑设计提供了基础理论依据。

a.“啮合锁定”状态：高、低压缸一起启动或一起停止或同步额定转速运行。

b.“脱开锁定”状态：高压缸汽轮机处于额定转速运行且低压缸汽轮机处于拖拽转速。

c.“解锁”状态：高压缸汽轮机和低压缸汽轮机处于额定转速运行。

图2 自动同步离合器示意图

3 模式切换过程控制

3.1 纯凝模式向抽凝模式切换

机组必须在纯凝模式下启动，低压转子通过MS离合器(MS离合器处于“啮合锁定”状态)与高中压转子连接在一起，盘车装置通过盘车离合器带动高压转子、低压转子进入盘车状态，机组升速过程、带低负荷过程中机组均处于纯凝模式。机组在纯凝模式下的控制策略与常规机组相同。

当机组带负荷后，机组接收到DCS发出的抽凝模式运行要求，便开始进入纯凝模式向抽凝模式转换过程：MS离合器始终处于啮合锁定状态，汽轮机连通管蝶阀投入排汽压力闭环调节，逐渐开启汽轮机抽汽蝶阀，直到抽汽蝶阀全开，机组转入抽凝模式运行，模式切换完成。

3.2 抽凝模式向背压模式切换

当供热机组在冬季供热量需求较大，抽汽热负荷要求继续增加时，机组可切换到背压模式运行，实现低压缸在线解列，仅以高中压模块背压方式运行。

机组处于抽凝模式运行工况下，当接收到背压模式运行指令后，机组开始进入抽凝模式向背压模式的转换过程：MS离合器锁定电磁阀失电，暂处于解锁状态，汽轮机连通管蝶阀退出排汽压力控制，同时汽轮机抽汽蝶阀进入排汽压力控制，汽轮机连通管蝶阀逐渐关闭，连通管主汽阀在连通管蝶阀全部关闭后继而关闭，当低压转子转速低于高压转子转速时，低压缸通过离合器与高压缸断开。MS离合器信号触发后，离合器锁定电磁阀再次通电，MS离合器进入脱开锁定状态，机组进入背压模式运行，模式切换完成。

3.3 背压模式向抽凝模式切换

机组的供热负荷逐渐减少，在不降低燃气轮机负荷的情况下，机组可切换到抽凝模式运行，实现低压缸的在线并列。

机组处于背压模式运行工况下，当接收到抽凝模式运行指令后，机组开始进入背压模式向抽凝模式的转换过程：MS离合器锁定电磁阀失电，暂处于解锁状态，汽轮机抽汽蝶阀退出排汽压力闭环控制，经判断进汽条件满足后，先开启汽轮机连通管主汽阀，在汽轮机连通管主汽阀全开后，汽轮机连通管蝶阀进入转速闭环控制状态，逐步提升低压转子至3000 r/min额定转速后，低压缸通过离合器连接到高压缸，MS离合器信号消失，MS离合器锁定电磁阀通电动作，锁紧高中压转子和低压转子，MS离合器进入啮合锁定状态，汽轮机连通管蝶阀投入排汽压力闭环控制，汽轮机抽汽蝶阀转手动控制，机组进入抽凝模式运行，模式切换完成。

3.4 抽凝模式向纯凝模式切换

机组处于抽凝模式运行工况下，当接收到纯凝模式运行指令后，机组开始进入抽凝模式向纯凝模式转换过程：MS离合器始终处于啮合锁定状态，汽轮机连通管蝶阀处于中排压力闭环控制，汽轮机抽汽蝶阀逐渐关闭，直到抽汽蝶阀全关后，汽轮机连通管蝶阀退出压力闭环控制，并逐渐开启至全开状态，机组转入纯凝模式运行，模式切换完成。

4 结束语

通过自动同步离合器上的位移传感器信号组合可靠地定义了离合器的位置状态，为离合器控制逻辑设计提供理论依据。对机组不同模式间在线切换过程和离合器控制策略进行阐述，在汽轮机中采用自动同步离合器装置能实现机组各运行模式在线切换，进而提升机组运行灵活性。