Сценарий применения 13: Системы привода для тепловых электростанций
Тепловые электростанции представляют собой одну из самых сложных с механической точки зрения сред во всей промышленной инженерии. На угольных или газовых электростанциях паровая турбина и электрогенератор соединены единым приводным валом, который должен передавать сотни мегаватт электроэнергии без перерыва, часто в течение непрерывных периодов, измеряемых месяцами, а не днями. Поэтому муфта, расположенная между этими двумя вращающимися машинами, не является периферийным компонентом — она представляет собой механический центр всей генерирующей установки. Инфраструктура тепловых электростанций Великобритании, включая объекты в Мидлендсе, Йоркшире и на северо-востоке, опирается на муфты валов, которые способны компенсировать осевое расширение, вызванное тепловым расширением, подавлять крутильные колебания и поддерживать динамическое равновесие при скоростях вращения, превышающих 3000 об/мин.
Уникальную сложность этой задачи заключается в сочетании факторов, действующих одновременно. Высокая скорость вращения создает центробежные напряжения, которые усугубляют усталостную нагрузку. Непрерывная работа в течение многих лет, а не недель, исключает любые циклы технического обслуживания, требующие остановки турбины. Тепловые градиенты на вращающемся валу турбины вызывают измеримые радиальные и угловые смещения в месте соединения, создавая динамическое смещение, которое жесткое соединение просто не может выдержать. Понимание того, почему для тепловых приводов выбираются определенные типы соединений — и как они проектируются для работы в этих условиях — является необходимым знанием для любого инженера-механика или инженера по вращающемуся оборудованию, работающего в энергетическом секторе Великобритании.
Принцип работы муфт в турбинно-генераторных установках
На самом фундаментальном уровне муфта в приводном механизме тепловой электростанции выполняет три одновременные механические задачи: она передает крутящий момент, создаваемый паровой турбиной, на ротор генератора, компенсирует физическое несоосность между двумя осями валов и защищает обе машины от внезапных ударных нагрузок или крутящих импульсов, которые могут повредить их подшипники или обмотки. В большой паровой турбине, приводящей генератор в движение со скоростью 3000 об/мин — стандартной синхронной скоростью для электростанций, подключенных к сети 50 Гц в Соединенном Королевстве, — муфта должна выдерживать крутящие моменты, которые могут достигать нескольких сотен килоньютон-метров при полной нагрузке.
Зубчатые муфты особенно хорошо подходят для этой роли благодаря своей присущей им гибкости. Каждая ступица имеет обработанные наружные зубья, которые зацепляются с внутренними зубьями в окружающей втулке. По мере смещения центра вала из-за теплового расширения, зубчатое зацепление может компенсировать как угловое смещение (обычно до 1,5° на одно зацепление), так и осевое смещение, не передавая изгибающие моменты обратно в подшипники вала. Это скольжение зубьев друг относительно друга смазывается специально разработанной высокотемпературной смазкой или маслом, что обеспечивает непрерывное относительное движение без фрикционного износа.
Дисковые муфты работают по совершенно иному механизму. Несколько тонких металлических дисков расположены в пакете и поочередно привинчиваются к ведущему и ведомому фланцам. Крутящий момент передается за счет жесткости дискового пакета на растяжение и сжатие в плоскости, а угловые и осевые смещения компенсируются упругим изгибом дисков. Поскольку отсутствуют скользящие поверхности, дисковые муфты по своей природе не требуют технического обслуживания и смазки — это существенное преимущество в системах генерации электроэнергии с высокой доступностью, где любое незапланированное отключение влечет за собой огромные финансовые затраты.
Основные материалы: легированные стали и высокопрочные металлы.
Корпуса и втулки зубчатых муфт, используемых в теплоэнергетических установках, практически повсеместно изготавливаются из низколегированных конструкционных сталей, таких как 42CrMo4 или 34CrNiMo6, выбранных за их превосходное сочетание прочности на растяжение, ударной вязкости и усталостной стойкости. После черновой обработки ступицы обычно подвергаются цементации и поверхностной закалке для достижения твердости поверхности зубьев HRC 58–62, что предотвращает микропиттинг и фрикционное повреждение, которые в противном случае сократили бы срок службы в условиях непрерывной эксплуатации.
Для генераторных установок, работающих на особо высоких скоростях или в условиях, где снижение веса имеет решающее значение — что все чаще встречается на газотурбинных электростанциях комбинированного цикла (ГЭС), — иногда используются ступицы из титанового сплава или промежуточные валы из алюминиевого сплава. Эти материалы обладают определенными прочностными характеристиками, позволяющими конструкторам уменьшить массу муфты, сохраняя при этом запас прочности, требуемый стандартами для электроэнергетики.
Материалы для дисковых муфт: нержавеющая сталь и композитные сплавы.
Дисковые муфты обычно изготавливаются из упрочненных осаждением нержавеющих сталей, таких как 17-4PH или 15-5PH. Эти сплавы достигают предела прочности на растяжение, превышающего 1000 МПа, при сохранении достаточной пластичности для выдерживания циклических изгибающих нагрузок, возникающих из-за углового смещения. Нержавеющий состав также обеспечивает присущую ему коррозионную стойкость, что полезно на прибрежных электростанциях или объектах, где конденсат из паропроводов создает влажную микросреду вокруг муфты.
Крепежные элементы и фланцы обычно изготавливаются из термообработанной легированной стали, а все сопрягаемые поверхности обрабатываются с высокой точностью для обеспечения равномерного распределения нагрузки по всему дисковому пакету. Некоторые производители наносят керамические покрытия на зоны с высокой степенью контакта, чтобы уменьшить фрикционную усталость в месте соединения диска и фланца — это значительно увеличивает срок службы в условиях интенсивной эксплуатации.
Основные технические преимущества для применения в тепловых приводах
Зубчатые муфты, предназначенные для крупных турбогенераторных установок, обычно выдерживают крутящий момент, превышающий 500 кН·м, с пиковыми значениями перегрузки, обеспечивающими запас прочности на случай аварий в сети, таких как скачки крутящего момента при коротком замыкании.
Когда турбина нагревается от температуры холодного пуска до рабочей температуры, вал может увеличиваться в осевом направлении на несколько миллиметров и смещаться в радиальном направлении на доли миллиметра. Зубчатые и дисковые муфты компенсируют это движение, не передавая разрушительных изгибающих нагрузок на подшипники турбины или генератора.
Благодаря оптимизированной геометрии зубьев, цементации и прецизионной динамической балансировке до класса G2.5, муфты для силовых установок достигают суммарного срока службы, превышающего 100 000 часов работы, что соответствует или превосходит интервалы капитального ремонта машин, к которым они подключаются.
Все вращающиеся муфты и узлы балансируются до класса G2.5 или выше в соответствии со стандартом ISO 1940-1. Более высокие классы балансировки, такие как G1.0, доступны для применения в турбинах со сверхвысокой скоростью вращения, где остаточный дисбаланс может привести к неприемлемому уровню вибрации чувствительных подшипников генератора.
Дисковые муфты полностью не требуют смазки. Зубчатые муфты, при использовании современной синтетической высокотемпературной смазки и герметичных фиксаторов, могут обеспечивать интервалы повторной смазки 25 000 часов и более, что значительно снижает нагрузку на инженерные бригады электростанций в плане технического обслуживания.
Во время возмущений в сети синхронизированные генераторы могут испытывать мгновенные изменения направления крутящего момента, во много раз превышающие номинальную нагрузку. Упругость дисковых блоков и люфт зубьев шестерен поглощают эти переходные процессы, прежде чем они смогут распространиться на лопатки последней ступени турбины или концевые кольца вала генератора.
Таблица технических и эксплуатационных параметров изделия
| Параметр | Зубчатая муфта | Дисковая муфта |
|---|---|---|
| Диапазон номинального крутящего момента | от 10 до 2000 кН·м | от 5 до 800 кН·м |
| Максимальная скорость | До 5000 об/мин | До 30 000 об/мин |
| Угловое смещение | До 1,5° на сетку | До 1,0° на элемент |
| Осевое смещение | ±5–±25 мм | от ±1 до ±5 мм |
| Материал ступицы | 42CrMo4 / 34CrNiMo6 | 42CrMo4 / Титановый сплав |
| Материал диска/обложки | Легированная сталь, цементированная, твердость по Роквеллу 58–62 HRC | Нержавеющая сталь 17-4PH / 15-5PH |
| Динамическая степень балансировки | Стандарт G2.5 / опционально G1.0 | Стандарт G2.5 / опционально G1.0 |
| Рабочая температура | от -20 °C до +120 °C | от -50 °C до +300 °C |
| Целевой срок службы | > 100 000 часов | > 100 000 часов |
| Требования к смазке | Высокотемпературная смазка/масло; интервал замены 25 000 часов. | Нет (не требует обслуживания) |
| Перегрузочная способность | 2,0-кратный номинальный крутящий момент (кратковременный) | 3,0-кратный номинальный крутящий момент (кратковременный) |
Сценарии промышленного применения: Приводные системы для тепловых электростанций
Соединение паровой турбины с генератором — крупные угольные и газовые электростанции
В обычных угольных электростанциях, включая те, которые продолжают работать в регионах Восточного Мидлендса и Йоркшира Великобритании, главная паровая турбина обычно представляет собой многоступенчатую машину со ступенями среднего и низкого давления, расположенными на общем валу. Этот вал приводит в движение непосредственно ротор генератора, и муфта между ними должна передавать всю выходную мощность машины, которая в современных сверхкритических установках может достигать 660 МВт и более. Установленные в этом положении зубчатые муфты должны не только выдерживать установившийся крутящий момент, но и противостоять переходным перегрузкам, возникающим при повторном подключении к сети после аварийного отключения, когда генератор внезапно синхронизируется с действующей сетью. Возникающие скачки крутящего момента могут достигать двух-трехкратного значения номинальной нагрузки и длиться несколько секунд — это экстремальное событие, вызывающее усталость, которое инженеры-конструкторы должны учитывать при анализе усталости каждого компонента муфты.
Помимо структурной целостности, муфта в крупном турбогенераторном агрегате также играет решающую роль в динамике кручения всего валового механизма. Любая собственная частота кручения, попадающая в диапазон частот возбуждения, создаваемых электрической сетью — обычно 0–50 Гц и ее гармоники — может привести к субсинхронному резонансу, который стал причиной катастрофических отказов валов в крупных генераторных установках по всему миру. Точно спроектированные муфты с тщательно рассчитанными значениями жесткости на кручение позволяют инженерам, занимающимся вращающимся оборудованием, настраивать собственные частоты валового механизма таким образом, чтобы они не выходили за пределы опасных диапазонов возбуждения.
Газотурбинные установки комбинированного цикла (ГТЭ) — Применение высокоскоростных дисковых муфт
Газотурбинные установки комбинированного цикла стали основой газовой энергетики Великобритании, крупные из которых работают в самых разных местах — от Пемброка в Уэльсе до Сибэнка в Южном Глостершире и Кидби в Северном Линкольншире. На таких установках газовая турбина обычно вращает генератор со скоростью от 3000 до 3600 об/мин, а горячие отработанные газы затем проходят через парогенератор с рекуперацией тепла (HRSG) для привода паровой турбины на отдельном соосном валу. Дисковые муфты являются предпочтительным выбором для установок комбинированного цикла, поскольку они исключают необходимость смазки зубчатых муфт — это значительное эксплуатационное преимущество, когда муфта расположена в зоне прохождения горячего газа, где доступ для технического обслуживания сильно ограничен окружающей теплоизоляцией и стальными конструкциями.
Относительно компактные физические размеры дисковых муфт также упрощают их интеграцию в ограниченное пространство современных турбинных залов парогазовых установок, где стремление к максимизации удельной мощности на заданной площади постепенно сокращает физическое расстояние между машинами. Дисковые муфты, изготовленные из нержавеющей стали 17-4PH, выдерживают повышенные температуры в зонах выхлопа газовых турбин без ухудшения механических свойств, а их изначально низкие потери на трение при высоких скоростях способствуют незначительному повышению общей эффективности установки, к чему производители электроэнергии постоянно стремятся для повышения своей конкурентоспособности на рынке мощностей.
Приводы насосов подачи питательной воды в котлы — Применение вспомогательных муфт
Насос подачи питательной воды в котел, пожалуй, является наиболее важным вспомогательным оборудованием на любой тепловой электростанции. Работая непрерывно для поддержания точного потока питательной воды под высоким давлением в котел, эти насосы обычно приводятся в движение либо непосредственно паровой турбиной, либо через гидравлическую муфту и редуктор, соединенные с большим электродвигателем. В любом случае, муфта между приводом и насосом должна компенсировать изменения скорости, происходящие при колебаниях расхода в зависимости от нагрузки, и должна поглощать гидравлические ударные нагрузки, возникающие при срабатывании насоса и резком закрытии клапанов. Редукторные муфты широко используются в приводах насосов подачи питательной воды в котлы на электростанциях Великобритании благодаря их доказанной способности выдерживать такие условия в течение очень длительных интервалов обслуживания без необходимости обширного мониторинга состояния.
Плановые ремонтные работы на электростанциях Великобритании, как правило, короткие и нечастые — и это становится все более актуальным, поскольку энергосистема зависит от регулируемых тепловых электростанций для балансировки непостоянной выработки возобновляемой энергии. Муфта насоса подачи воды в котел, требующая повторной смазки или осмотра каждые несколько тысяч часов, представляет собой значительную эксплуатационную нагрузку. Поэтому современные герметичные зубчатые муфты, заполненные синтетической противозадирной смазкой, или необслуживаемые дисковые муфты, пользуются большим спросом у инженеров по техническому обслуживанию, стремящихся увеличить интервалы между плановыми отключениями и сократить объем работ, запланированных на каждый период простоя.
Привод для вентилятора принудительной тяги и градирни — гибкая муфта для непрерывной работы.
Вентиляторы принудительной тяги и вентиляторы градирен относятся к числу крупнейших непрерывно работающих вращающихся машин на любой тепловой электростанции. На типичной электростанции в Великобритании вентиляторы принудительной тяги могут потреблять до 5 МВт установленной мощности, работая 24 часа в сутки в течение всего генерирующего сезона. Эти вентиляторы приводятся в движение через редукторы, соединенные с большими электродвигателями, с муфтой как на входной, так и на выходной стороне редуктора. Муфта на входной стороне двигателя должна выдерживать высокие пусковые моменты, создаваемые двигателем до достижения им синхронной скорости — событие, которое предъявляет к муфте совершенно иные требования, чем в условиях ее установившегося режима работы.
На электростанциях, расположенных на побережье или вблизи рек — как это часто бывает в Великобритании, где наличие охлаждающей воды исторически определяло местоположение электростанций, — приводы вентиляторов принудительной тяги также работают в условиях повышенной влажности и содержания соли в окружающем воздухе. В таких условиях муфты подвергаются обработке поверхности, включающей фосфатирование, эпоксидную покраску и использование крепежных элементов из нержавеющей стали, для защиты от коррозии в промежутках между плановыми работами по техническому обслуживанию.
Рекомендуемые соединительные изделия для электроэнергетики
Гибкое соединение балок
Гибкая балочная муфта от Ever Power представляет собой цельную муфту с винтовой нарезкой, изготовленную из авиационного алюминиевого сплава. Винтовые пазы в корпусе создают пружинообразный гибкий элемент, который компенсирует угловые и параллельные смещения без люфта. Это делает ее идеальным выбором для вспомогательных приводов в системах управления электростанций, приводах приборов и прецизионных приводных механизмах, где важны как точность позиционирования, так и крутильная чувствительность. Благодаря рабочим скоростям до 10 000 об/мин и диапазону крутящего момента от 0,2 до 12 Н·м, гибкая балочная муфта подходит для применения в измерительных приборах и сервоприводах в энергетической отрасли.
Дисковая муфта
Линейка дисковых муфт Ever Power разработана для самых сложных условий высокоскоростной передачи мощности с высоким крутящим моментом, что делает их идеальным решением для парогазовых установок и паротурбинных генераторов в энергетическом секторе Великобритании. Изготовленные из пакетов дисков из нержавеющей стали, расположенных в прецизионно отшлифованных проставочных и фланцевых узлах из легированной стали, дисковые муфты передают крутящий момент за счет плоскостного натяжения дисковых элементов, одновременно поглощая угловые и осевые смещения за счет упругого изгиба дисков — полностью без смазки. Благодаря отсутствию необходимости в техническом обслуживании, широкой температурной совместимости и динамической балансировке до G2.5 или выше, дисковые муфты являются лучшим выбором для инженеров электростанций, стремящихся увеличить интервалы плановых остановок и снизить затраты на техническое обслуживание приводных систем турбин и генераторов на протяжении всего срока службы.
Ever Power: производство и изготовление прецизионных муфт для энергетических проектов в Великобритании.
Компания Ever Power десятилетиями совершенствовала свои производственные процессы для муфт, используемых в электроэнергетике, создав ассортимент продукции, охватывающий все: от малогабаритных балочных муфт для приводов измерительных приборов до массивных зубчатых передач, способных передавать мощность многомегаваттных турбин. Производственное предприятие оснащено прецизионными токарными, фрезерными и зубофрезерными станками с ЧПУ, обеспечивающими допуски IT5 или выше по всем критическим размерам. Каждая муфта, предназначенная для применения в теплоэнергетике, проходит проверку с помощью координатно-измерительных машин (КИМ) и подвергается полной динамической балансировке на специально разработанных балансировочных станках, откалиброванных по стандарту ISO 1940-1 Grade G2.5 или выше.
Что действительно отличает компанию Ever Power на британском рынке, так это глубина наших возможностей по индивидуальной настройке. Нет двух одинаковых проектов по производству электроэнергии: допуски диаметра вала, конфигурация шпоночных пазов, длина соединительных муфт для обеспечения доступа при техническом обслуживании, специальные требования к обработке поверхности и значения жесткости на кручение, требуемые для динамического анализа валового механизма, — все это варьируется от проекта к проекту. Инженерная команда Ever Power напрямую сотрудничает с инженерами по вращающемуся оборудованию на британских проектах по производству электроэнергии, предоставляя поддержку в проведении анализа кручения, пакеты сертификации материалов в соответствии с требованиями маркировки UKCA и CE, а также программы ускоренной доставки критически важных запасных частей для оборудования, которые не могут ждать несколько недель стандартных сроков поставки.
На электростанции Ноттингемшира, работающей по схеме комбинированного цикла, удалось устранить простои, связанные с проблемами муфт, благодаря модернизации дисковых муфт Ever Power.
На газотурбинной электростанции комбинированного цикла мощностью 900 МВт в регионе Трент-Вэлли в Ноттингемшире наблюдались повторяющиеся незапланированные остановки, вызванные недостаточной смазкой зубчатых муфт, установленных на приводных механизмах газовых турбин. Муфты, находившиеся в эксплуатации с момента ввода станции в эксплуатацию, приближались к концу расчетного интервала смазки, но темпы работы станции — под давлением британского рынка мощностей, требующего максимальной доступности в пиковые периоды зимнего спроса — оставляли недостаточно времени для плановых остановок для проведения необходимого технического обслуживания. В результате возникли проблемы с подшипниками в приводном валу газовой турбины, вызванные работой всухую зубьев зубчатой муфты, что приводило к усилению вибрационных сигналов тревоги и, в конечном итоге, к отключениям, выводящим агрегат из эксплуатации в моменты, представляющие коммерческий ущерб.
Команда специалистов по вращающемуся оборудованию электростанции обратилась к компании Ever Power с просьбой разработать решение по модернизации дисковой муфты, которую можно было бы установить во время планового летнего технического обслуживания. Инженеры Ever Power провели анализ крутильных колебаний существующей трансмиссии, подтвердили, что собственные частоты крутильных колебаний предлагаемой конфигурации дисковой муфты безопасно выведены за пределы частот возбуждения сети, и изготовили комплект дисковых муфт на заказ с длиной распорок, соответствующей существующему расстоянию между валами турбины и генератора. Ступицы были изготовлены из стали 42CrMo4, соответствующей материалу вала турбины, а дисковые пакеты — из нержавеющей стали 17-4PH, а анализ усталости подтвердил срок службы более 120 000 часов при расчетных значениях крутящего момента и смещения.
Модернизация была завершена в запланированные пять дней, без необходимости дополнительных простоев. За восемнадцать месяцев после установки агрегат не зафиксировал ни одного незапланированного отключения, связанного с муфтой привода, а команда технического обслуживания станции подтвердила, что запланированный интервал проверки дисковых муфт увеличил график технического обслуживания муфт с предыдущего цикла смазки в 8000 часов до графика визуального осмотра в 40 000 часов, что значительно снизило как объем работ по техническому обслуживанию, так и риск вынужденных простоев в периоды высоких цен на перевозку грузов.
«Модернизация дисковой муфты, выполненная компанией Ever Power, кардинально улучшила наши показатели эксплуатационной готовности. Восемнадцать месяцев бесперебойной работы после двух лет борьбы с поломками муфты. Качество предоставленной ими инженерной документации для нашей системы управления техническим обслуживанием также впечатляет».
«После рассмотрения предложений нескольких поставщиков мы выбрали компанию Ever Power для дисковых муфт на нашем новом приводе насоса подачи воды в котел. Их отличала готовность выполнить расчеты крутильной жесткости на основе входных данных нашей модели валовой передачи, а не просто предоставить стандартные технические характеристики. Муфты находятся в непрерывной эксплуатации более двух лет без каких-либо проблем».
«Срок поставки изготовленной на заказ зубчатой муфты для привода нашего вентилятора принудительной тяги составил шесть недель с момента запроса до поставки — это исключительно быстро для полностью изготовленной на заказ детали. Пакет сертификатов на материалы был полным, а сертификаты на баланс были составлены безупречно. Наша инспекционная группа подписала акт приемки без каких-либо замечаний. Ever Power будет нашим первым выбором при любых будущих потребностях в муфтах».
Часто задаваемые вопросы: Соединительные муфты для тепловых электростанций Великобритании
Готовы подобрать оптимальное соединение для вашего проекта по производству электроэнергии?
Инженерная команда Ever Power готова помочь вам с выбором муфты для турбины, анализом крутильных колебаний и индивидуальными требованиями. Отправьте данные вашего проекта, и мы ответим в течение одного рабочего дня.