Cuplaje în generarea de energie termică: transmisie de mare viteză și cuplu ridicat în centralele electrice din Regatul Unit

Scenariu de aplicație · Transmisie industrială de putere

Cuplaje în generarea de energie termică: transmisie de mare viteză și cuplu ridicat în centralele electrice din Regatul Unit

Turbine cu abur, dilatare termică, rezistență la oboseală — și ingineria de cuplare de precizie care menține rețeaua electrică în funcțiune.

Puține componente de transmisie se confruntă cu o combinație de solicitări mai solicitantă decât cuplajul care conectează o turbină cu abur la un generator din interiorul unei centrale termice. Atunci când puterile nominale cresc la sute de megawați, iar vitezele arborelui se situează între 1.500 rpm și 3.600 rpm, aproape fiecare parametru ingineresc - capacitatea de cuplu, echilibrul dinamic, rezistența la oboseală și compensarea termică - este împins spre limita a ceea ce pot oferi metalurgia contemporană și fabricația de precizie. În Regatul Unit, de la marile stații de turbine cu gaz cu ciclu combinat din Yorkshire până la instalațiile de tranziție a cărbunelui care sunt reutilizate de-a lungul estuarului Humber, fiabilitatea unei singure îmbinări de cuplaj poate determina dacă un activ generator de sute de milioane de lire sterline rămâne sincronizat cu Rețeaua Națională sau se deconectează în timpul unei perioade de vârf de cerere.

Spre deosebire de cuplajele utilizate în acționările industriale relativ moderate - pompe, benzi transportoare sau compresoare - cuplajul turbină cu abur-generator trebuie să gestioneze simultan încărcările bidirecționale de șoc în timpul evenimentelor de sincronizare a rețelei, excitația torsională ciclică din cauza fluctuațiilor presiunii aburului și creșterea axială lentă, dar neîncetată, care are loc pe măsură ce carcasa turbinei se încălzește de la pornirea la rece până la temperatura nominală de funcționare. Obținerea acestui echilibru ingineresc corect nu este o chestiune de selectare a unui articol de catalog; necesită o soluție proiectată cu precizie, dezvoltată în strânsă colaborare între operatorul centralei, constructorul de turbine OEM și un producător de cuplaje cu cunoștințe aprofundate în domeniu.

Aveți nevoie de un cuplaj de precizie pentru aplicația dumneavoastră de generare a energiei?

✉ Obțineți o ofertă

Principiul de funcționare: Cum gestionează cuplajele puterea turbinei

Conexiunea dintre o turbină cu abur și generatorul său nu este o îmbinare rigidă cu șuruburi. Generarea de energie termică creează un mediu mecanic în continuă schimbare. Pe măsură ce rotorul turbinei se rotește, aburul de înaltă presiune acționează asupra palelor pentru a produce energie de rotație, iar această energie trebuie transferată cu pierderi mecanice minime printr-o îmbinare flexibilă de cuplare către rotorul generatorului, care o transformă în energie electrică. Cuplajul de tip angrenaj - sau cuplajul angrenajului - domină această aplicație la nivel global, deoarece se bazează pe dinți exteriori coronați ai angrenajului care se angrenează cu dinți canelurați interni adăpostiți în interiorul unui manșon, un aranjament care produce o conexiune robustă din punct de vedere mecanic, acomodând în același timp nealinierea pe care arborii încărcați termic o dezvoltă inevitabil în timpul funcționării.

În timpul unei porniri la rece la o centrală electrică din Marea Britanie, axa arborelui turbinei și axa arborelui generatorului sunt aliniate cu toleranțe strânse, adesea măsurate în sutimi de milimetru. Dar odată ce începe curgerea aburului și temperaturile carcasei cresc de la temperatura ambiantă la condiții de funcționare care pot depăși 500 °C la carcasa de intrare, turbina se extinde axial și radial. Acest lucru provoacă o deplasare paralelă, unghiulară și axială măsurabilă între cele două axe centrale ale arborilor. Un cuplaj dințat absoarbe simultan toate cele trei moduri de deplasare prin mișcarea de alunecare relativă dintre dinții încoronați și bucșă, transformând ceea ce altfel ar fi sarcini de încovoiere distructive asupra lagărelor arborelui în căldură generată de frecarea dinte-bucșă - căldură care este disipată prin circulația uleiului de lubrifiere care curge prin butucul cuplajului.

Centrale de tranziție cărbune-gaz (Yorkshire și Humber) — Mai multe centrale termice mari de-a lungul estuarului Humber și în Yorkshire sunt în prezent la mijlocul duratei de viață, echipamentele de generare proiectate inițial pentru cicluri de abur pe cărbune fiind adaptate pentru co-combustiune cu gaze naturale sau conversie completă a gazelor. Aceste conversii implică frecvent modificarea trenului de arbori al turbinei pentru a se adapta unei noi configurații de admisie a aburului, ceea ce modifică profilul de creștere termică al rotorului turbinei de joasă presiune. Cuplajele de schimb pentru aceste modernizări trebuie proiectate personalizat pentru a se potrivi geometriei revizuite a arborelui, noului cuplu nominal și coeficienților de dilatare termică modificați — o muncă care necesită un furnizor de cuplaje capabil atât de o analiză detaliată cu elemente finite a sistemului dinamic al rotorului, cât și de precizia de fabricație pentru a oferi toleranțe ale alezajului de H7/r6 sau mai strânse pe arborii cu diametru mare.

Centrale cu turbine cu gaz cu ciclu combinat (CCGT) — Anglia și Scoția — Stațiile CCGT moderne, inclusiv câteva care funcționează în apropiere de Birmingham și în centura centrală a Scoției, conectează turbine cu gaze, generatoare de abur cu recuperare de căldură reziduală și turbine cu abur într-un aranjament complex cu arbori multipli. Cuplajul dintre treapta LP a turbinei cu abur și generator în astfel de instalații are cicluri de funcționare deosebit de solicitante, deoarece turbina cu abur pornește și se oprește frecvent pe măsură ce cererea de gaz fluctuează — fiecare ciclu termic adăugând daune prin oboseală cuplajului. Cuplajele dințate selectate pentru serviciul CCGT sunt de obicei specificate cu o marjă de oboseală suplimentară și o rază a coroanei mai generoasă pe profilul dintelui pentru a reduce tensiunea de contact a dintelui în timpul numeroaselor tranzitorii termice la care sunt supuse aceste mașini.

Trenuri de turbine cu abur ale amplasamentului nuclear (Somerset și Suffolk) — Centrale nucleare în amplasamente precum Hinkley Point din Somerset și Sizewell din Suffolk operează grupuri mari turbină-generator cu abur, ale căror cerințe de cuplare depășesc standardele industriale normale. Cazurile de siguranță nucleară impun cerințe suplimentare privind proiectarea cuplajelor, inclusiv capacitatea de a rezista la vârful de cuplu asociat cu un eveniment de respingere electrică la sarcină maximă - un scenariu în care întrerupătorul de circuit al generatorului se deschide instantaneu la putere maximă, transferând cuplul electric complet ca un șoc mecanic de torsiune prin cuplaj în arborele turbinei. Cuplajele amplasamentelor nucleare trebuie să fie proiectate pentru a rezista la astfel de evenimente fără fractură sau desprindere și sunt de obicei supuse unei revizuiri inginerești independente de către terți, efectuate de organisme acceptate de Oficiul pentru Reglementare Nucleară.

Instalații de biomasă și deșeuri pentru valorificare energetică (mai multe regiuni din Marea Britanie) — Extinderea capacității de generare pe bază de biomasă în amplasamente precum Drax din North Yorkshire a creat un segment de piață semnificativ și în creștere pentru cuplaje în aplicațiile turbinelor cu abur, un segment care nu exista în urmă cu douăzeci de ani. Condițiile pentru abur de biomasă sunt în general mai agresive în ceea ce privește coroziunea indusă de clorură decât aplicațiile pe bază de cărbune, ceea ce duce la cerințe suplimentare pentru protecția suprafețelor externe ale cuplajelor. În interiorul coridorului de inginerie grea din Sheffield și în întreaga zonă de producție West Midlands, antreprenorii de inginerie care gestionează operarea și întreținerea centralelor cu biomasă specifică din ce în ce mai mult cuplaje cu acoperiri îmbunătățite de protecție împotriva coroziunii, elemente de fixare din oțel inoxidabil și sisteme de lubrifiere etanșate pentru a prelungi intervalele de service.

Centrale industriale de cogenerare și cogenerare (Sheffield și Birmingham) — Sisteme de cogenerare care funcționează în cadrul Districtele industriale din Sheffield și Birmingham utilizează turbine cu abur mai mici, în intervalul 5-50 MW. Aceste turbine acționează generatoare care exportă electricitate și furnizează simultan abur de proces fabricilor adiacente. Cuplajele utilizate în trenurile de turbine CHP sunt mai mici decât unitățile centralelor electrice la scară largă, dar ciclul de funcționare nu este mai puțin solicitant - multe centrale CHP funcționează continuu timp de 8.000 sau mai multe ore pe an. Ferestrele scurte de întreținere în timpul opririlor din fabrici în timpul vacanțelor înseamnă că cuplajul trebuie proiectat pentru acces rapid și relubrifiere, caracteristici care sunt încorporate în manșon și în aranjamentul fitingului de lubrifiere de către ingineri de cuplaje cu experiență.

Platforme offshore de comprimare a gazelor (Marea Nordului, sectorul Regatului Unit) — Deși nu reprezintă un mediu tradițional de centrală termică, platformele de compresie offshore din sectorul Mării Nordului din Regatul Unit operează compresoare centrifuge acționate de turbine cu gaz în condiții care au în comun multe cerințe inginerești cu cuplajele turbinelor cu abur de pe uscat: arbori de mare viteză, funcționare continuă, acces dificil pentru întreținere și condiții de mediu solicitante. Cuplajul care conectează o turbină cu gaz la un compresor centrifugal trebuie să facă față aceleiași combinații de dilatare termică, flotare axială și încărcare la oboseală, rezistând în același timp la expunerea la aer sărat și umiditate care degradează suprafețele externe ale cuplajului în timp. Operatorii offshore din Regatul Unit specifică de obicei API 671 ca standard de guvernare pentru aceste aplicații, stabilind cerințe minime pentru proiectarea cuplajelor, documentația materialelor, testare și furnizarea de piese de schimb.

Un operator de energie de centru locativ care operează o centrală electrică combinată în Lower Don Valley, Sheffield, se confrunta cu alarme repetate de vibrații la turbina sa cu abur cu condensare și extracție de 18 MW. Turbina, fabricată la mijlocul anilor 1990, fusese în funcțiune continuă la sarcină de bază timp de peste 22 de ani. Datele privind tendința vibrațiilor de la sondele de proximitate a rulmenților au arătat o creștere progresivă a amplitudinii vibrațiilor de 1× pe o perioadă de 18 luni, însoțită de fluctuații periodice ale temperaturii cavității cuplajului, măsurată de sistemul de instrumentație de supraveghere a turbinei.

Analiza cauzelor principale, efectuată de inginerul de mașini rotative al uzinei, a identificat uzură pe flancurile dinților angrenajului cuplajului original, cu urme de frecare care se extind pe aproximativ 65% din lățimea feței active a dintelui, atât pe dinții externi ai butucului, cât și pe dinții interni ai manșonului. Fitingurile de lubrifiere ale cuplajului se blocaseră parțial, reducând fluxul de ulei prin angrenajul dintelui și accelerând ratele de uzură în perioada de întreținere precedentă. Producătorul original al cuplajului OEM întrerupsese linia de produse, iar furnizarea directă de produse de înlocuire nu mai era disponibilă.

Operatorul a contactat Ever Power cu un set complet de date dimensionale măsurate cu CMM de la cuplajul defect și o copie a desenului original al aranjamentului arborelui turbinei. Echipa de ingineri Ever Power a produs o propunere detaliată de inginerie inversă în termen de 72 de ore, inclusiv un design revizuit al profilului dintelui cu o rază mărită a coroanei pentru a îmbunătăți toleranța la nealiniere - o îmbunătățire care a abordat o limitare cunoscută a designului original. Cuplajul de schimb a fost fabricat la precizia angrenajului din clasa DIN 6 și echilibrat dinamic la gradul G2.5. Certificarea materialului conform EN 10269 și înregistrările complete ale inspecției dimensionale au fost furnizate împreună cu produsul.

Cuplajul de schimb a fost instalat în timpul unei întreruperi planificate de cinci zile, coordonată cu rețeaua de încălzire centralizată a Consiliului Local Sheffield, care a impus ca centrala să rămână parțial funcțională pe combustibil lichid în timpul indisponibilității turbinei cu abur. După repunerea în funcțiune, amplitudinea vibrației de 1× la rulmentul de la capătul de acționare al turbinei a scăzut de la un nivel anterior întreruperii, de 87 µm de la vârf la vârf, la 14 µm - cu mult în limita de acceptare ISO 10816 pentru această clasă de mașini. Centrala a funcționat ulterior continuu timp de peste 14.000 de ore fără reapariția condiției de excursionare a vibrațiilor, iar operatorul a plasat o comandă în avans pentru un cuplaj de schimb de rezervă, care să fie păstrat în depozitele centralei.

© Ever Power — Soluții de cuplare de precizie pentru generarea de energie electrică și aplicații industriale în Regatul Unit

editat de gzl