負荷齒輪箱抽真空裝置在燃機中的應用

陳 建

(廣東華電深圳能源有限公司，廣東 深圳 518118)

0 前 言

在國家節能減排政策及提升發電新能源占比的改革形勢下，燃氣-蒸汽聯合循環機組因其具有啟動迅速、快速響應調峰、污染小等眾多優勢[1],國家加大對燃氣輪機的政策支持[2]。但如同燃煤機組的發展一樣，隨著技術的發展，聯合循環機組的能效競爭壓力越來越大,如何進一步提升機組效率，節能降耗成為必須要考慮的重要環節。

1 概況

1.1 背景介紹

華電深圳某公司兩套共365 MW燃氣-蒸汽聯合循環機組，整套機組采用分軸聯合循環方式，第一套聯合循環發電機組由兩臺燃氣輪機、一臺蒸汽輪機、三臺發電機和兩臺余熱鍋爐及相關設備組成，第二套聯合循環發電機組由一臺燃氣輪機、一臺蒸汽輪機、兩臺發電機和一臺余熱鍋爐及相關設備組成。燃機由美國GE公司生產，型號為6F.03，單臺燃機出力為82 MW(設計工況)。[3]

燃機的油系統為燃機、負荷齒輪箱、發電機的軸承、負荷齒輪箱的嚙合齒輪提供潤滑油,同時也為燃機進氣閥、燃機進空氣的IGV閥提供高壓控制油[4]。齒輪箱熱功率損失是評價齒輪傳動質量好壞的重要指標之一[5]，齒輪系統在工作過程中會產生嚙合摩擦功率損失、風阻功率損失和攪油功率損失[6]，其中，齒輪高速運行時，風阻功率損失是導致傳動效率低的主要因素之一[7]。降低風阻功率損失可以顯著減小齒輪箱的功率損失和發熱量，提高齒輪箱的傳動效率和使用壽命。

1.2 負荷齒輪箱介紹

負荷齒輪箱位于燃氣輪機和發電機之間，其作用就是利用設計好的齒輪傳動比將燃氣輪機轉子的轉速從5 320.8 r/min降為3 000 r/min，以帶動發電機發出我國額定的50 Hz的工頻電,如表1所示。

表1 負荷齒輪箱輸入輸出軸轉速單位:r/min

燃氣輪機本身潤滑油系統設有油氣分離器，其可以將發電機、負荷齒輪箱及機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。但負荷齒輪箱潤滑油進出油口均在底部，油煙易聚積在頂部死區，造成潤滑油未充滿整個負荷齒輪箱內部空間，從而產生風阻功率損失，導致齒輪傳動效率下降，從而致使整個機組效率降低。此外,風阻增加、上部齒輪缺乏潤滑也會導致齒輪嚙合摩擦加劇，振動增大，齒輪金屬溫度升高，從而危及機組安全穩定運行。

為監視負荷齒輪箱內潤滑油供應和摩擦情況，負荷齒輪箱內裝有以下四組共16只溫度熱電偶：

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

(2)低速靠燃機側軸BT-RGB1-1A，2B；BT-RGB1-2A，2B；

(3)高速靠發電機軸BT-RGP2-1A，1B；BT-RGP1-2A，2B；

(4)低速靠發電機側軸BT-RGB2-1A，2B；BT-RGB2-2A，2B。

為保護機組安全穩定，防止發生缺油磨損事故，負荷齒輪箱設有金屬溫度高跳閘L4BTRG保護，其觸發條件為：

(1)每組中如果1A測點達到高高值，2A測點報錯、達到高值、高高值都將觸發跳機信號；

(2)每組中如果2A測點達到高高值，1A測點報錯、達到高值、高高值都將觸發跳機信號；

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

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

此外燃機負荷齒輪箱還裝有2組3只振動傳感器，分別為兩個高速軸燃機端振動傳感器39V-4D、39V-4E，一個燃機負荷齒輪箱低速軸燃機端振動傳感器39V-4F,其觸發條件為:

(1)當一組中只有一個傳感器時，振動達到跳閘值，燃機跳閘；

(2)當一組中有兩個傳感器時，一個故障且另一個振動達到跳閘值，燃機跳閘；

(3)當一組中有兩個傳感器時，一個達到報警值且另一個達到跳閘值，燃機跳閘。

2 FG Power+的應用研究

2.1 FG Power+簡介

為保證機組安全，提高機組效率，該公司針對負荷齒輪箱傳動損耗，采取新技術，裝設了一種負荷齒輪箱抽真空裝置(該系統名為FG Power +，簡稱FGP+)。

為便于讀者對該抽真空裝置及其應用形成統一的認知，下文中的相關數據或技術參數均為標準條件下的數據。

FGP+是一款提高連接燃機與發動機的負荷齒輪變速箱效率與安全性的設備，其主要工作原理是：外加一個抽真空裝置，該裝置與負荷齒輪箱潤滑油系統相獨立，此抽真空系統與負荷齒輪箱頂部及潤滑油回油管新增旁路相連接，使負荷齒輪箱內處于局部真空狀態，這個局部真空圍繞齒輪箱的轉子和部分系統，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負荷齒輪箱內部空間，從而減少風阻損失來達到改善齒輪箱性能的效果，進而提高齒輪箱的傳遞效率，同時降低機組振動和負荷齒輪金屬溫度。

其工作系統圖如圖1所示。

圖1 燃機抽真空裝置系統圖

FGP+主要包括油箱、油泵、真空發生器(泵、分離器、過濾器、排水管、閥門和管道)、冷卻空調系統及相關連接管道和其控制系統，FGP+具有獨立的液壓回路，FGP+的整個油路上行線路和下行線路必須設計成能夠在沒有低點、卡澀或滯留點的情況下進行重力泄油。FGP+被設計為使用旁路型組件連接到現有潤滑回路，旁路型組件用于將FGP+與網絡隔離，而不切斷來自連接到負荷齒輪箱和FGP+的驅動和從動設備的油流，從而確保潤滑系統的連續運行。真空泵用于抽取FGP+油路中的空氣。FGP+的主要機電或電動氣動部件由可編程控制器控制和調節?？删幊炭刂破魇褂玫目刂坪驼{節指令與齒輪箱操作參數成比例定義。

2.2 FGP+實際應用效果分析

為檢驗FGP+實際節能效果，進行了以下投入前后數據對比(詳見表2-表4)。

表2 2021年01月與02月數據對比

表3 2021年03月與04月數據對比

表4 2022年4月24日#3燃機FGP+投入應用前后數據對比

經過長時間的實時數據統計對比，在環境溫度、濕度、大氣壓基本一致的情況下，該公司3臺燃機平均耗氣量分別下降259 m3/h左右，其負荷增加0.1 MW/h。每年按穩定運行4 300小時算，每年#1燃機可減少天然氣量259×4 300=1.113 7×106m3，#2燃機可減少天然氣量254×4 300=1.092 2×106m3，#3燃機可減少天然氣量264×4 300=1.135 2 ×106m3，3臺燃機全年可以減少天然氣量3.341 1×106m3，按照天然氣價格2.28元/m3折算，每年直接經濟效益：334.11×2.28=761.8萬元，尤其是隨著近年天然氣價格大幅提升，降低成本效果顯著。同時負荷齒輪箱振動和最高溫度均有下降，負荷齒輪箱運行工況得到改善，壽命延長，機組安全穩定性得到提高。

3 FGP+應用的注意事項

FGP+實際投入應用中應注意以下問題：

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

(2)真空泵需要可變的時間(取決于施加真空的空間體積)來在包括齒輪箱和FGP+的回路中產生真空。如果負壓值隨著時間的推移而下降，變速箱和FGP+之間的回路上可能會有空氣泄漏。必須消除這些泄漏，因為它們限制了真空泵的容量，有可能縮短需要維護的時間，并損壞FGP+。

(3)檢查油箱中的液位是否穩定。

(4)檢查是否有漏油現象。

(5)檢查控制柜中的空調溫度是否正常。FGP+調節控制柜中的溫度必須符合工廠設置溫度。更改此設置可能會導致功耗過高和/或損壞機柜中的可編程控制器和變速控制器。

4 結 論

某公司3臺燃機FGP+投入運行后，機組效率明顯提升，經濟效益明顯，因齒輪總功率損失隨著輸入功率的增加以及輸入轉速的增加而增加[8]，因此在大容量燃機中效果將更加明顯。

現場設備的任一環節出現異常都可能導致運行中斷[9],FGP+在實際運行中還存在一些待改進的地方，雖然一般情況下，FGP+這樣的就地設備故障不會直接影響機組安全運行[10],但還是需要加強平時運行維護。該公司的FGP+出現過多次運行中跳閘，經過多方排查，后經聯合廠家確認為FGP+裝置所處位置靠近燃機，周圍環境溫度較高，造成真空泵冷卻水流量不足，溫度高報警跳閘，經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，在冬天容易出現回油油溫不足，裝置跳閘，反復啟動的問題，因此需要加強監視，根據氣溫及時停運，此裝置在北方的應用需要做進一步研討改進。