ऊष्मीय विद्युत उत्पादन में कपलिंग: उच्च गति, उच्च टॉर्क वाले टरबाइन-से-जनरेटर ड्राइव समाधान

किसी भी बड़े ताप विद्युत संयंत्र में—चाहे वह यॉर्कशायर का कोयला आधारित संयंत्र हो, टीसाइड का गैस आधारित संयुक्त-चक्र संयंत्र हो, या वेस्ट मिडलैंड्स का औद्योगिक सह-उत्पादन संयंत्र हो—उच्च गति वाले स्टीम टरबाइन और जनरेटर शाफ्ट के बीच का जोड़ पूरे ऊर्जा उद्योग में सबसे जटिल यांत्रिक जोड़ों में से एक है। इस एक ही जोड़ को आमतौर पर 1,500 आरपीएम से 3,600 आरपीएम की गति से कई सौ मेगावाट घूर्णी ऊर्जा संचारित करनी होती है, साथ ही साथ उच्च तापमान पर चलने वाले विशाल स्टील रोटर के तापीय विस्तार को भी सहन करना होता है। विफलता के परिणाम विनाशकारी होते हैं: एक अनियोजित ट्रिप से यूके के बिजली ऑपरेटर को प्रति घंटे हजारों पाउंड का नुकसान हो सकता है। यह वास्तविकता सही औद्योगिक जोड़ का चयन—और इसके पीछे की सटीक इंजीनियरिंग—को एक सामान्य खरीद के बजाय एक रणनीतिक इंजीनियरिंग निर्णय बनाती है।

इस संदर्भ में "कपलिंग" शब्द सटीक यांत्रिक घटकों के एक समूह को दर्शाता है, जिन्हें दो समअक्षीय शाफ्टों को जोड़ने, टॉर्क संचारित करने और तीन प्रकार के मिसअलाइनमेंट (कोणीय, समानांतर (त्रिज्यीय) और अक्षीय) को नियंत्रित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। तापीय ऊर्जा अनुप्रयोगों में, कपलिंग असामान्य परिचालन स्थितियों में एक सुरक्षात्मक यांत्रिक फ़्यूज़ के रूप में भी कार्य करता है, और इसकी गतिशील संतुलन गुणवत्ता पूरे टरबाइन-जनरेटर सेट के कंपन पैटर्न को सीधे प्रभावित करती है। यूके भर में यूटिलिटी कंपनियाँ और ईपीसी ठेकेदार स्टीम पथ के विभिन्न स्थानों के लिए गियर-प्रकार कपलिंग, डिस्क कपलिंग और लचीले बीम कपलिंग का उपयोग तेजी से कर रहे हैं, जिनमें से प्रत्येक का चयन टॉर्क रेंज, शाफ्ट व्यास, तापीय वृद्धि भत्ता और थकान जीवन आवश्यकता के सटीक मूल्यांकन के आधार पर किया जाता है।

गियर-प्रकार का कपलिंग — जिसे गियर कपलिंग या दांतेदार कपलिंग भी कहा जाता है — आंतरिक स्पर गियर युग्म की तरह ही आपस में जुड़े दांतों के माध्यम से टॉर्क संचारित करता है, लेकिन इसमें एक महत्वपूर्ण ज्यामितीय परिवर्तन होता है: कपलिंग अक्ष के अनुदिश देखने पर आंतरिक हब (शाफ्ट पर लगने वाला पुरुष घटक) के दांत उत्तल आकार के होते हैं। इस क्राउन्ड टूथ ज्यामिति का अर्थ है कि कपलिंग श्रृंखला और गति के आधार पर, हब अक्ष स्लीव अक्ष से 1.5 डिग्री तक कोणीय रूप से विस्थापित होने पर भी दांतों का संपर्क बना रहता है। टॉर्क का स्थानांतरण दांतों की पूरी परिधि में एक साथ होता है, जिससे भार का वितरण होता है और संपर्क तनाव कम से कम होता है।

एक सामान्य थर्मल पावर कपलिंग असेंबली में, दो आंतरिक दांतेदार स्लीव (जिन्हें कभी-कभी गियर रिंग भी कहा जाता है) दो बाहरी दांतेदार हब के साथ जुड़ती हैं, जिनमें से एक टरबाइन सिरे पर और दूसरा जनरेटर सिरे पर होता है। ये स्लीव एक स्पेसर ट्यूब या फ्लैंज द्वारा जुड़ी होती हैं जो शाफ्ट के सिरों के बीच के अंतर को पाटती है। यह विशेषता टरबाइन की मरम्मत के दौरान विशेष रूप से महत्वपूर्ण होती है, क्योंकि कपलिंग स्पेसर को रोटर बेयरिंग के संरेखण को प्रभावित किए बिना निकालना आवश्यक होता है। स्नेहन अत्यंत महत्वपूर्ण है: बिजली संयंत्रों में अधिकांश उच्च-गति गियर कपलिंग को एक एकीकृत तेल परिपथ के माध्यम से टरबाइन तेल से निरंतर स्नेहित किया जाता है, जिससे गियर के दांतों के बीच हर समय एक हाइड्रोडायनामिक परत बनी रहती है। स्नेहक कोणीय विस्थापन से उत्पन्न होने वाली थोड़ी सी घर्षण ऊष्मा को भी दूर करता है, जिससे दांतों के किनारों का तापीय क्षरण रोका जा सकता है।

शाफ्ट अक्ष के अनुदिश तापीय वृद्धि के कारण होने वाले अक्षीय विस्थापन को समायोजित करने के लिए, मेल हब को फीमेल स्लीव के भीतर अक्षीय रूप से स्थानांतरित होने की अनुमति दी जाती है। एक अच्छी तरह से डिज़ाइन किए गए कपलिंग में, यह स्लाइडिंग क्रिया बहुत कम अक्षीय अवरोध बल के साथ होती है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि टरबाइन थ्रस्ट बियरिंग पर कपलिंग से कोई अतिरिक्त भार न पड़े। कोणीय और अक्षीय लचीलेपन, निरंतर स्नेहन और उच्च टॉर्क क्षमता का संयोजन गियर कपलिंग को यूके और अंतरराष्ट्रीय स्तर पर बड़े थर्मल पावर प्लांटों में मुख्य टरबाइन-जनरेटर कनेक्शन के लिए प्रमुख विकल्प बनाता है।

ब्रिटेन में बिजली उत्पादन के संदर्भ में, टरबाइन-जनरेटर कपलिंग रूपांतरण प्रक्रिया के केंद्र में स्थित है - यह उच्च दबाव वाली भाप की गतिज ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है जो राष्ट्रीय ग्रिड में प्रवाहित होती है। एक विशिष्ट 660 मेगावाट की दो-शाफ़्ट व्यवस्था में, जैसे कि उत्तरी यॉर्कशायर में ड्रेक्स पावर स्टेशन या नॉटिंघमशायर में कॉटम डेवलपमेंट सेंटर में संचालित होती हैं, उच्च दबाव और मध्यवर्ती दबाव वाली टरबाइनें कपलिंग ट्रेन के एक सिरे को संचालित करती हैं, जबकि निम्न दबाव वाली टरबाइनें और जनरेटर दूसरा सिरा बनाते हैं। अंतिम एलपी टरबाइन और जनरेटर के बीच की कपलिंग अक्सर सबसे अधिक भार वहन करती है, जो 3,000 आरपीएम पर पूर्ण संयुक्त टॉर्क आउटपुट वहन करती है (50 हर्ट्ज़ मशीनों के लिए जो दो पोल-जोड़ियों पर सीधे ग्रिड से जुड़ी होती हैं)।

इस अनुप्रयोग में ऊष्मीय वृद्धि की चुनौती केवल सैद्धांतिक नहीं है। स्थिर अवस्था से सिंक्रोनाइज़ेशन तक की ठंडी शुरुआत के दौरान, रोटर तापमान प्रवणता (टेंपरेचर ग्रेडिएंट) टरबाइन शाफ्ट (जो भाप चालन के माध्यम से तेजी से गर्म होता है) और आसपास के आवरणों के बीच भिन्न ऊष्मीय विस्तार उत्पन्न करती है। यूके के विद्युत स्टेशनों पर फील्ड अलाइनमेंट रिकॉर्ड नियमित रूप से क्षणिक परिचालन अवधियों के दौरान 0.1 से 0.3 मिमी/मीटर के कोणीय विचलन को दर्ज करते हैं। गियर कपलिंग को रोटर पर वापस बेंडिंग मोमेंट स्थानांतरित किए बिना इन विचलनों को अवशोषित करना होगा, जो टरबाइन ओईएम और यूके ग्रिड कोड दिशानिर्देशों द्वारा आवश्यक निकटता जांच निगरानी प्रणालियों पर मापने योग्य कंपन वृद्धि के रूप में प्रकट होंगे।

ब्रिटेन के विद्युत क्षेत्र में कोयले से चलने वाले बिजली संयंत्रों की संख्या कम होने के साथ-साथ गैस टरबाइन संयुक्त-चक्र इकाइयों का महत्व बढ़ता जा रहा है। इन इकाइयों की परिचालन गति 60 हर्ट्ज़ समतुल्य निर्यात डिज़ाइनों में 3,600 आरपीएम तक पहुँच सकती है या इनमें गियरबॉक्स का उपयोग किया जा सकता है। ऐसे में, गियरबॉक्स के आउटपुट शाफ्ट के उच्च गति वाले सिरे के लिए डिस्क कपलिंग का उपयोग किया जाता है, क्योंकि इनमें टॉर्शनल कठोरता होती है, टॉर्क का संचरण शून्य बैकलैश के साथ होता है और इन्हें स्नेहन की आवश्यकता नहीं होती है। डिस्क कपलिंग की धात्विक झिल्ली डिस्क पैक के लोचदार झुकाव के माध्यम से टॉर्क संचारित करती है, जिससे यह स्वाभाविक रूप से रखरखाव-मुक्त हो जाती है और आधुनिक अर्ध-घंटे के निपटान बाजार में ग्रिड आवृत्ति में उतार-चढ़ाव और लोड साइक्लिंग से जुड़े उच्च-चक्र थकान के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी होती है।

हालांकि टरबाइन-जनरेटर मुख्य कपलिंग पर सबसे अधिक इंजीनियरिंग ध्यान दिया जाता है, एक बड़े थर्मल पावर प्लांट में दर्जनों अन्य कपलिंग-निर्भर ड्राइव सिस्टम होते हैं, जिनमें से प्रत्येक की अपनी तकनीकी आवश्यकताएं होती हैं। बॉयलर फीड पंप - किसी भी पावर स्टेशन पर सबसे अधिक शक्ति वाले सहायक उपकरणों में से एक, जिसकी रेटिंग अक्सर 10-30 मेगावाट होती है - आमतौर पर एक हाइड्रोलिक कपलिंग या सीधे मैकेनिकल कपलिंग के माध्यम से एक इलेक्ट्रिक मोटर या टरबाइन ड्राइवर से संचालित होता है। यूके के 660 मेगावाट स्टेशनों पर आम तौर पर पाए जाने वाले स्टीम-चालित बॉयलर फीड पंप टरबाइन (बीएफपीटी) व्यवस्थाओं में, बीएफपीटी से फीड पंप तक ड्राइव ट्रेन में अपेक्षाकृत उच्च मिसएलाइनमेंट अलाउंस वाला गियर कपलिंग शामिल होता है, क्योंकि 230-250 डिग्री सेल्सियस के ऑपरेटिंग फीड वाटर तापमान के तहत पंप केसिंग की थर्मल वृद्धि से शाफ्ट का महत्वपूर्ण ऊर्ध्वाधर विस्थापन होता है।

इंड्यूस्ड ड्राफ्ट पंखे, फोर्स्ड ड्राफ्ट पंखे और प्राइमरी एयर पंखे — कोयले से चलने वाली इकाइयों में दहन वायु प्रवाह को बनाए रखने वाली वेंटिलेशन मशीनरी — 3-6 मीटर लंबे पंखे के शाफ्ट से बड़े इंडक्शन मोटरों को जोड़ने वाले फ्लेक्सिबल शाफ्ट कपलिंग के माध्यम से संचालित होते हैं। ये कपलिंग ऐसे वातावरण में काम करते हैं जो तापीय रूप से चुनौतीपूर्ण और कंपनीय रूप से मांग वाला होता है, जिसमें ब्लेड के सिरों पर कोयले के कणों के क्षरण के कारण पंखे में बड़े असंतुलन उत्पन्न होते हैं, जो कपलिंग पर आवधिक झटके और बल लगाते हैं। कम शक्ति वाले पंखे चलाने के स्थानों में फ्लेक्सिबल बीम कपलिंग और इलास्टोमेरिक जॉ कपलिंग का उपयोग किया जाता है, जबकि सबसे बड़े पंखों में गियर कपलिंग को प्राथमिकता दी जाती है जहां बल की मांग इलास्टोमेरिक तत्वों की क्षमता से अधिक होती है।

कूलिंग वॉटर पंप ड्राइव ट्रेन, सर्कुलेटिंग वॉटर पंप ड्राइव और कंडेंसर एक्सट्रैक्शन पंप सेट, ये सभी विश्वसनीय कपलिंग पर निर्भर करते हैं जिन्हें प्रमुख प्लांट बंद होने की अवधि के दौरान बिना किसी रुकावट के काम करना होता है — आमतौर पर प्लांट परफॉर्मेंस एग्रीमेंट के तहत संचालित होने वाले आधुनिक यूके स्टेशन में यह अवधि 12 से 24 महीने होती है। नेशनल इलेक्ट्रिसिटी सिस्टम ऑपरेटर की बैलेंसिंग मैकेनिज्म संबंधी आवश्यकताओं के कारण यूके बाजार में तेजी से लोड-फॉलोइंग क्षमता पर बढ़ते जोर का मतलब है कि इन सहायक ड्राइव कपलिंग को बेसलोड कोयला संयंत्रों के डिजाइन युग में अनुमानित समय की तुलना में कहीं अधिक बार स्टार्ट-स्टॉप साइक्लिंग का सामना करना पड़ता है, जिससे कपलिंग की फटीग डिजाइन लाइफ और शॉक टॉर्क एब्जॉर्प्शन क्षमता का महत्व बढ़ जाता है।

ब्रिटेन का विद्युत उत्पादन क्षेत्र सक्रिय परिवर्तन के दौर से गुजर रहा है। 2020 के मध्य तक अंतिम चालू कोयला-आधारित विद्युत स्टेशनों के बंद होने की प्रक्रिया काफी हद तक पूरी हो चुकी थी। इसके चलते कपलिंग की खरीद का स्वरूप संयुक्त-चक्र गैस टरबाइन (CCGT) संयंत्रों, डीजल बैकअप जनरेटर वाले अपतटीय पवन ऊर्जा उप-स्टेशनों, स्कॉटलैंड और वेल्स में स्थित पंपेड हाइड्रो स्टोरेज संयंत्रों और ग्रिड से जुड़े एसी मोटर-जनरेटर सेट वाले बैटरी ऊर्जा भंडारण प्रणालियों की ओर स्थानांतरित हो गया है। इनमें से प्रत्येक प्रकार के अनुप्रयोग के लिए कपलिंग चयन के अलग-अलग मानदंड होते हैं, और ब्रिटेन स्थित विद्युत संयंत्र संचालकों और उनके इंजीनियरिंग खरीद ठेकेदारों (EPCs) को ऐसे कपलिंग आपूर्तिकर्ताओं की आवश्यकता है जो इस विविधता को समझ सकें।

शेफ़ील्ड, जो लंबे समय से सटीक इस्पात निर्माण और विशेषज्ञ इंजीनियरिंग के लिए जाना जाता है, आज भी उन कंपनियों का केंद्र है जो इस्पात और ऊर्जा क्षेत्रों के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले कपलिंग का उपयोग करती हैं। बर्मिंघम और व्यापक वेस्ट मिडलैंड्स विनिर्माण क्षेत्र विद्युत उत्पादन और भारी प्रक्रिया उद्योगों में कपलिंग की आपूर्ति की महत्वपूर्ण मांग पैदा करते हैं, जहां विशेषज्ञ घूर्णन उपकरण ठेकेदार, रखरखाव इंजीनियरिंग फर्म और बिजली स्टेशन संचालकों के खरीद कार्य केंद्रित हैं। स्कॉटलैंड में, उत्तरी सागर ऊर्जा अवसंरचना और तटवर्ती विद्युत उत्पादन के संयोजन से कठोर वातावरण में उपयोग के लिए उपयुक्त कपलिंग की निरंतर और पर्याप्त मांग बनी रहती है।

ब्रिटेन के ईपीसी ठेकेदार और पावर स्टेशन रखरखाव प्रबंधक, स्टीम टरबाइन अनुप्रयोगों के लिए प्रतिस्थापन कपलिंग की तलाश करते समय अक्सर मौजूदा पुराने डिज़ाइनों से मेल खाने की आवश्यकता होती है - कभी-कभी दशकों पहले स्थापित उपकरणों से - साथ ही अपने बीमा और नियामक हितधारकों को यह प्रदर्शित करने की भी आवश्यकता होती है कि प्रतिस्थापन घटक मूल विनिर्देशों को पूरा करता है या उससे बेहतर है। इसके लिए एक ऐसे कपलिंग आपूर्तिकर्ता की आवश्यकता होती है जो आयामी रेखाचित्रों से रिवर्स-इंजीनियरिंग करने में सक्षम हो, सामग्री प्रमाणन को मूल उपकरण ग्रेड से मिला सके, और पीईडी 2014/68/ईयू (ब्रिटेन के कानून में प्रेशर इक्विपमेंट (सेफ्टी) रेगुलेशन 2016 के रूप में बरकरार) और संबंधित ईएन मानकों के अनुरूप पूर्ण सामग्री ट्रेसिबिलिटी दस्तावेज़ प्रदान कर सके। निर्माण से साइट तक त्वरित लॉजिस्टिक्स एक अतिरिक्त आवश्यकता है: ब्रिटेन के पावर स्टेशनों पर अनियोजित टरबाइन आउटेज अत्यंत समय-संवेदनशील होते हैं, और स्टॉक में उपलब्ध कपलिंग आकारों के लिए अगले दिन या 48 घंटे के भीतर प्रेषण क्षमता को संयंत्र रखरखाव टीमों द्वारा एक पूर्व शर्त के रूप में माना जाता है।

एवर पावर: सटीक कपलिंग निर्माण और वैश्विक आपूर्ति श्रृंखला

2024 की शरद ऋतु में, टीसाइड स्थित 900 मेगावाट के संयुक्त-चक्र गैस टरबाइन संयंत्र में घूर्णन उपकरण रखरखाव दल ने - जो उत्तर-पूर्वी इंग्लैंड के व्यापक रासायनिक विनिर्माण क्षेत्र को औद्योगिक बिजली की आपूर्ति करने वाली एक महत्वपूर्ण संपत्ति है - अपने ऑनलाइन स्थिति निगरानी प्रणाली का उपयोग करके नियमित डेटा समीक्षा के दौरान एक असामान्य कंपन संकेत का पता लगाया। जनरेटर के बाहरी बेयरिंग पर प्रॉक्सिमिटी प्रोब रीडिंग बढ़ रही थी, जिसमें 1× कंपन घटक इतनी तेजी से बढ़ रहा था कि 14 दिनों के भीतर ट्रिप सेटपॉइंट के पार होने का अनुमान था। सुलभ कपलिंग तत्वों के एंडोस्कोपिक निरीक्षण ने गैस टरबाइन-टू-गियरबॉक्स गियर कपलिंग पर स्वीकार्य सीमा से अधिक दांतों के घिसाव की पुष्टि की, एक ऐसा घटक जिसने अपने अंतिम प्रमुख निरीक्षण के बाद से लगभग 87,000 घंटे की सेवा पूरी कर ली थी।

प्लांट की इंजीनियरिंग टीम ने विस्तृत आयामी रेखाचित्रों और मूल OEM विनिर्देश पत्रकों के साथ एवर पावर से संपर्क किया। 48 घंटों के भीतर, एवर पावर की एप्लीकेशन इंजीनियरिंग टीम ने हब तत्वों के लिए 34CrNiMo6 फोर्जिंग का उपयोग करके एक प्रत्यक्ष प्रतिस्थापन डिज़ाइन की पुष्टि की, ISO क्लास 5 के अनुसार केस-हार्डन्ड टूथ फ्लैंक निर्दिष्ट किए, और ग्राहक द्वारा अनुरोधित परीक्षण गति पर G1.0 तक डायनेमिक बैलेंस परीक्षण करने की प्रतिबद्धता जताई। संपूर्ण कपलिंग असेंबली - हब, स्लीव, स्पेसर ट्यूब और हार्डवेयर पैक - की खरीद आदेश की पुष्टि के 11 कार्य दिवसों के भीतर निर्माण, निरीक्षण, बैलेंसिंग और शिपमेंट किया गया, और यह निर्धारित प्रतिस्थापन आउटेज अवधि से पहले टीसाइड साइट पर पहुंच गई।

प्रतिस्थापन कपलिंग को 72 घंटे की निर्धारित रखरखाव अवधि के दौरान स्थापित किया गया था। स्थापना के बाद प्राप्त कंपन डेटा से पता चला कि जनरेटर बेयरिंग पर कंपन पहले चार घंटों के संचालन के भीतर ही सामान्य स्तर पर आ गया और यूनिट निर्धारित समय पर पूर्ण क्षमता से उत्पादन करने लगी। संयंत्र के रखरखाव प्रबंधक ने बाद में एवर पावर से अनुरोध किया कि वे संयंत्र में उपयोग किए जाने वाले दो सबसे सामान्य कपलिंग आकारों का पूर्व-निर्धारित स्टॉक बनाए रखें। यह स्टॉक एक आपूर्ति समझौते के अंतर्गत है जो मानक आकारों के लिए खरीद आदेश के 5 कार्य दिवसों के भीतर डिलीवरी की गारंटी देता है। इस आपूर्ति व्यवस्था को बाद में संयंत्र की महत्वपूर्ण घूर्णन उपकरण स्पेयर पार्ट्स रणनीति के लिए एक आदर्श के रूप में आंतरिक रूप से उद्धृत किया गया।