3S离合器装机方案经济性分析

田晓瑞+周蓝宇+郭曙祥+周涛

摘 要：以国内某电厂三期扩建2×350MW等级汽轮机发电机组的方案为例，拟在热电联产工程背凝式机组进行3S离合器的应用，分析了拟采用方案的经济性，说明了3S离合器连接高中压缸和低压缸的技术方案。通过计算说明，用该方案，将可提高主机的热效率，并降低机组的煤耗。

关键词：超临界背凝式机组；3S离合器；热电联产；经济性

中图分类号：TM621 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）01-0093-03

Abstract： Taking the extension of 2×350MW stage steam turbine generator set in the third phase of a domestic power plant as an example， the application of the 3S clutch to the back condensing unit of the cogeneration project is proposed， and the economy of the proposed scheme is analyzed. The technical scheme of connecting high and low pressure cylinder with 3S clutch is introduced. The calculation shows that the thermal efficiency of the main engine can be improved and the coal consumption of the unit can be reduced by using this scheme.

Keywords： supercritical back-condensing unit； 3S clutch； cogeneration of heat and electricity； economy

引言

3S离合器具有“同步自脱”功能，可使发电机组断开连接部分转子且不需关停机组，若在一些发电设备得到合理应用，可使电厂实现多种电、热能输出组合，提供更为灵活的运行模式，迎合用户需求，带来更多的经济效益。该技术最初来源于燃气蒸汽联合循环机组，目前国内尚在实施阶段。正在建设中的北京某热电厂的二期扩建的燃气机组为增加机组的供热能力，采用了NCB方案。由于带3S离合器的凝背式超临界汽轮机在火电机组中还处在设想阶段，因此在设计、制造、安装和运行方面均有较多不确定性，主机厂需要确保机组的安全性和稳定性。但该主机选型方案符合国家节能环保的能源政策，技术成熟后在热负荷大且稳定的情况下可带来较好经济效益，应用前景可以期待。

1 3S离合器

1.1 工作原理

SSS（Synchro-Self-Shifting）离合器[1]是一种单向传递扭矩的装置。若主、从动齿轮转速相等即两者相位同步、自动轴向移动时发生啮合；若输出转速高于输入转速时，离合器将脱开。其工作原理类似于螺母和螺栓的关系，当螺栓转动而螺母自由时，螺母将和螺栓同时发生转动；当螺母不可自由转动时螺栓发生转动，螺母相对于螺栓作直线运动。当其安装在单轴共用发电机的电厂设备上时，就可以实现连接或断开汽轮机与发电机中相关转子。

1.2 基本功能

（1）可实现将输入端和输出端转子在线自动并列和解列。

（2）具低速保护功能，当输入端转速低于保护转速时，啮合动作将不会发生。

（3）输入端转速高于保护转速，且不超过输出端转速时，啮合将自动进行，输入端向输出端传输功率。

（4）输入端转速低于输出端时，输入端和输出端自动分离。

（5）具有啮合位置状态信号和锁死功能。

1.3 特点

当低压转子与高中压转子并列时，可以发送锁死信号，3S离合器可以通过机构将两转子锁死，此后两根转子合为一体，不会解开。而当需要脱开低压转子时，可将锁死取消，然后随着低压转子的转速下降，而使低压转子与高中压转子脱开。此机构由一个油动機操作。由于3S离合器里润滑油粘性的存在，当低压缸不进汽时（此时3S离合器已经解列），高中压转子还会通过3S离合器润滑油粘性的作用而带动低压转子有一定的盘车转速。

1.4 应用现状

1.4.1 应用情况综述

3S离合器是从英国SSS GEAR LTD公司进口的产品，仅在燃机、柴油机及舰艇等领域已有广泛的应用，技术上成熟可靠。通过3S离合器的应用，可有效解决燃气轮机和汽轮机启动不同步的问题。目前该离合器在燃汽轮机联合循环（GTCC）及整体煤气化联合循环（IGCC）的项目上已经有了大量的使用业绩。此类机型已经在上海某燃机电厂和临港燃机电厂等多个项目中成功投运，机组运行均稳定。

1.4.2 GTCC应用

3S离合器在燃气轮机联合循环工程项目中已得到广泛的应用。在250MW～400MW重型燃机-蒸汽轮机联合循环项目中被广泛采用，其布置方式为“燃气轮机-发电机-3S离合器-汽轮机”。其结构见图1。

1.4.3 IGCC应用

3S离合器在整体煤气化联合循环项目中也得到了合理应用。北京某厂家正在设计开发的常规汽轮机项目中应用了3S离合器。该项目所配汽轮机为亚临界300MW两缸两排汽湿冷供热抽汽机组，机组在供热抽汽达到一定量时需要将低压缸在线切除，进入背压运行状态，其中压排汽将全部抽送到热网管道。因此，在汽轮机高中压缸和低压缸之间设置了3S离合器。

2 装机方案

2.1 离合器变动

3S离合器应用于热电联产汽轮发电机组在国内乃至世界范围内为首创，以常规350MW超临界汽轮机为母型，设计将发电机（或高中压缸）与低压缸轴端通过3S离合器连接，使低压缸可在线解列和并列[2]。本方案拟用于技术成熟的超临界350MW机组，该汽轮发电机组为超临界、单轴、中间一次再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机，高低压缸体外形尺寸不做变动，便于主汽门及再热汽门的通用。在机组不供热抽汽工况下3S离合器啮合，机组可作为供电机组运行；当投入抽汽时，如热网需求的供热量加大，先通过信号使3S联轴器解锁，再逐步关闭连通管阀门使低压缸解列，此时机组进入背压运行状态，可以将原来进入低压缸的蒸汽作为供热汽源。endprint

2.2 机组变动

发电机安装于高中压缸的调阀端，高压前轴承轴颈将在原机型的基础上放大，以传递整个机组的功率。按发电机布置在汽轮机机头侧的方案，则汽机本体管道布置受发电机封母出线的限制，布置空间相当紧张，主厂房布置需要周密考虑。

由于本方案汽轮机本体发生变化，从而引起热力系统、主厂房布置、电气出线、热工控制及设备检修方面的问题。由于带3S离合器的凝背机在燃煤火电机组中尚未见有相关应用，因此汽轮机和发电机本体的轴系需重新核算。

2.3 运行变动

由于机组供热发电量发生了变化，电厂要整体考虑机组的供热和发电量。为保证新机组的运行稳定，从机组的运行经济效益考虑，建议冬季采暖阶段运行时需要首先保证本期的两台机组背压的对外供热流量，不足部分将由前两期的四台机组补充，这样可以降低机组在热负荷变化较大时，机组在背压运行工况和抽凝工况间切换的频率，从而降低对低压缸、排汽装置、低压加热器、凝汽器及相关动力管道承受短时的热冲击的风险。同时，也可以降低由于3S离合器的切换缩短设备本身寿命、降低汽轮机的运行可靠性的风险。发电机快速增减电负荷，不仅会对电气设备造成损害，而且将影响电网运行的稳定性。

3 经济性分析

3.1 标准煤耗和热效率

采用新型超临界机组加3S离合器方案后，机组的平均供热标煤耗率比原来的超临界350MW机组方案要减少了0.495kg/GJ，按设计的一个采暖季7309440GJ/a计算，每年采暖期间可以节约供热标煤3618.2吨（两台机组），按市场上每吨标煤价910元计算，每年可以节约成本329.3万元（两台机组）。此外，机组的年平均全厂热效率也提高了13.5%。机组的热效率优于现有的纯凝超超临界百万机组（平均热效率约为45%），其热经济性较好，单台机组的热效率计算如下：

其中Pa为全年供电量，Qa为全年供热量，Ba为全厂全年标煤耗量；

机组平均发电标煤耗及平均供电标煤耗比原来有所增加主要是因为机组多供热后，发电量减少，缺口的电量将在非采暖期间补充，因此总的平均发电、供电煤耗会比原方案要增加。但这仅是理论计算值，不能代表机组的实际运行情况。机组发电量与电网调度有关，因此上述平均供电、发电标煤耗计算仅供参考。

3.2 拟应用机组收益分析

拟建的两台350MW机组发电量比原来超临界最大抽汽工况要低64749456度电，从而导致非采暖期需要增加发电量来弥补减少的电量，根据计算非采暖期的发电标煤耗为288.1g/kWh，所增加的电量折合标煤为18568吨，按目前市场上每吨标煤910元计算，每年标煤量需要增加1689.7万元（两台机组）。但此时供热量比原设计要高出，按每GJ供热负荷64.93元计算，供热量所带来的收入增加值为11186.7万元，因此如果采用3S离合器方案，每年可以使得电厂增加收益9497万元。

3.3 热电联产效益分析

一般热电联产项目投产后的热负荷是逐年递增的，理想情况下5-6年才能达到设计热负荷，而供热期背压运行只有在热负荷最大且稳定的情况下才能提高机组的综合效益，因此需要确保供热规划热负荷的准确性。

根据制造厂提供的初步数据测算，350MW机型的效益平衡点需每台机组供热量达到600吨/小时及以上，而供热量小于600吨/小时，其热经济性与常规抽凝机相比则不占优势。业主前两期共有四台机组，在规划的热负荷尚未实现之前可以考虑先让三期两台机组采用背压运行工况，前四台机组提供备用热负荷的方式来合理安排机组的功能。从而使全厂的热经济性得到提高。

除新设备投资外还应考虑，由于中压缸排汽量的增大，使得中压缸的排汽管径增大，对主厂房布置及將来管道计算有一定的难度，在设计中需要仔细考虑。此外，由于冬季采暖期的热负荷波动较大，运行时需要尽量避免因不同工况之间频繁切换引起的设备损耗，建议在采暖期间业主要统筹考虑全厂各机组的运行方式和功能。

4 结束语

经过对3S离合器在超临界350MW热电联产机组中创新制造方案的拟设计应用，以及对改造后的运行状况的计算和分析，可以得到3S离合器方案可以使整体的经济性得到提高。

（1）3S离合器改造方案降低标准煤耗率的同时可以提高机组热效率，也提高了机组的供热能力，相比非采暖期所增加的煤耗，仍然能为电厂带来良好收益。

（2）3S离合器的使用，可以实现输入输出轴无扰的啮合脱开，可以提供更多的电热能输出组合和工作模式，以满足不同的热电联产需求。

（3）3S离合器改造方案会增加一定的初投资，但若保持热负荷稳定，该方案将会获得较高的投资回报率，具有很好的运用前景。

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