Các khớp nối trong sản xuất điện nhiệt: Kỹ thuật hóa trái tim của lưới điện Anh

Các yêu cầu chức năng chính

• Độ cứng xoắn trong phạm vi thông số cân bằng động G2.5
• Khả năng sai lệch ≥ 0,5° góc, ±3 mm trục
• Không có độ trễ trong quá trình vận hành đồng bộ bình thường.
• Đảm bảo an toàn ngay cả khi xảy ra sự cố giảm tải đột ngột.
• Tương thích với hệ thống bôi trơn dạng sương dầu hoặc dạng khô.
• Đảm bảo truy xuất nguồn gốc đầy đủ theo tiêu chuẩn vật liệu EN/BS.

Trong một nhà máy nhiệt điện — dù nhà máy đó đốt khí tự nhiên trong cấu hình chu trình hỗn hợp, than trong cấu hình chu trình Rankine truyền thống, hay viên nén sinh khối như một phần của chương trình nghĩa vụ năng lượng tái tạo của Vương quốc Anh — mối nối cơ khí giữa động cơ sơ cấp và máy phát điện là điểm truyền tải quan trọng nhất trong toàn bộ hệ thống truyền động. Trong một tổ máy phát điện lớn có công suất từ ​​400 đến 660 MW, chẳng hạn như những tổ máy tạo nên xương sống của hệ thống phát điện ở Anh tại các địa điểm như Cottam, Ratcliffe-on-Soar và West Burton trước khi quá trình ngừng hoạt động dần dần bắt đầu vào giữa những năm 2010, khớp nối này truyền mô-men xoắn trong khoảng từ 1.000 đến 2.500 kNm liên tục ở tốc độ trục 3.000 vòng/phút.

Thách thức về sự giãn nở nhiệt trong ứng dụng này không hề đơn giản. Rôto của một tuabin hơi lớn, được chế tạo từ thép hợp kim Cr-Mo-V chống biến dạng dẻo, trải qua sự giãn dài theo trục vài milimét giữa trạng thái nguội và nóng khi hấp thụ năng lượng hơi nước và đạt trạng thái cân bằng nhiệt ở nhiệt độ hoạt động trên 500°C. Khớp nối được đặt ở đầu ra của tuabin áp suất thấp — thường là điểm kết nối với máy phát điện — phải đáp ứng được sự giãn nở này mà không làm hạn chế vỏ tuabin hoặc tạo ra lực đẩy quá mức vào ổ đỡ lực đẩy của máy phát điện. Trong các thiết kế khớp nối bánh răng được sử dụng tại các nhà máy điện của Anh, điều này đạt được thông qua một bố trí trục nổi, trong đó sự tự do theo trục được tích hợp vào hình học ăn khớp bánh răng.

Tại các nhà máy điện chu trình hỗn hợp (CCGT) hiện đại hoạt động khắp nước Anh và Scotland — với các cơ sở chính ở Bắc Yorkshire, Lincolnshire và hành lang Firth of Forth — thách thức có phần khác biệt nhưng không kém phần khắt khe. Các tuabin khí được ghép nối với máy phát điện tốc độ cao trong cấu hình CCGT trục đơn có thể quay ở tốc độ trên 3.000 vòng/phút, đòi hỏi hộp số phải đạt được tốc độ đồng bộ với lưới điện. Trong các cấu hình này, khớp nối giữa tuabin khí và trục đầu vào của hộp số không chỉ phải chịu được mô-men xoắn định mức mà còn cả các kích thích xoắn mạnh phát sinh từ các sự kiện đánh lửa định kỳ bên trong buồng đốt. Mỗi chu kỳ đốt trong tuabin khí tạo ra một gợn sóng mô-men xoắn có thể đo được, ở một số tốc độ rôto nhất định, có thể kích thích các tần số tự nhiên xoắn trong hệ thống trục nếu không được tính toán đúng cách trong thiết kế độ đàn hồi xoắn của khớp nối.

Ngành điện sinh khối đang phát triển mạnh mẽ ở Vương quốc Anh, tập trung chủ yếu vào Nhà máy điện Drax ở Bắc Yorkshire — hiện đã được chuyển đổi hoàn toàn sang sử dụng sinh khối từ cấu hình đốt than ban đầu và đại diện cho một trong những cơ sở sản xuất điện sinh khối lớn nhất thế giới — đặt ra những yêu cầu riêng biệt. Các nhà máy sinh khối trải qua chu kỳ khởi động-dừng thường xuyên hơn so với các nhà máy than truyền thống, vì chúng tham gia tích cực vào thị trường cân bằng và đáp ứng các mô hình phân bổ năng lượng tái tạo. Tần suất chu kỳ cao hơn này có nghĩa là khớp nối tích lũy nhiều chu kỳ biến đổi nhiệt hơn mỗi năm, đặt trọng tâm lớn hơn vào tuổi thọ mỏi trong vùng biến thiên nhiệt độ hơn là độ bền ổn định đơn giản. Do đó, các khớp nối cho nhiệm vụ này được thiết kế với hệ số an toàn cao hơn để chống nứt mỏi gần các vùng rãnh then của trục.

Bối cảnh hoạt động — Hạm đội nhiệt điện của Vương quốc Anh

Kịch bản ứng dụng

Hệ thống truyền động hộp số cho trang trại điện gió — Ngoài khơi Vương quốc Anh

Các tuabin gió ngoài khơi hoạt động trên Biển Bắc và Biển Ireland — tại các hệ thống như Hornsea One, Dudgeon và Beatrice — khiến các khớp nối truyền động của chúng phải chịu sự kết hợp khắc nghiệt của tải mô-men xoắn thay đổi từ gió giật, rung động liên tục từ tác động của sóng lên móng cọc đơn và môi trường biển ăn mòn. Các khớp nối tại giao diện trục chính với hộp số và tại kết nối hộp số với máy phát điện phải chịu được độ lệch góc đáng kể xảy ra khi vỏ động cơ uốn cong dưới tải trọng khí động học, đồng thời chống lại sương muối xâm nhập ngay cả vào các vỏ động cơ được bịt kín tốt.

Kịch bản ứng dụng

Hệ thống truyền động cho nhà máy cán thép — Sheffield & Rotherham

Ngành công nghiệp thép ở Nam Yorkshire, tập trung quanh Sheffield và Rotherham, là một trong những môi trường công nghiệp lâu đời và khắt khe nhất đối với các khớp nối truyền động ở Vương quốc Anh. Các bộ truyền động chính của nhà máy cán thép tạo ra tải trọng xung xoắn mạnh lên các khớp nối mỗi khi phôi thép đi vào khe cán. Tại thời điểm tiếp xúc, lực cán tăng đột ngột, tạo ra một xung mô-men xoắn sắc nét có thể đạt gấp ba đến năm lần giá trị ổn định. Các khớp nối cho nhiệm vụ này yêu cầu khả năng chịu mô-men xoắn cực đại rất cao, cấu trúc chắc chắn để chịu được hàng triệu chu kỳ xung như vậy trong suốt vòng đời hoạt động của nhà máy, và khả năng thích ứng với sự sai lệch phát sinh do sự giãn nở nhiệt của vỏ nhà máy dưới sức nóng đáng kể được tạo ra trong quá trình cán nóng.

Kịch bản ứng dụng

Hệ thống bơm trong xử lý nước — Birmingham & Midlands

Công ty Cấp nước Severn Trent và các công ty cấp nước khác ở vùng Midlands vận hành mạng lưới trạm bơm rộng khắp khu vực Birmingham và West Midlands, xử lý việc lấy nước thô từ hệ thống sông Severn và Trent cũng như việc tăng áp suất cho hệ thống phân phối cuối cùng. Các máy bơm ly tâm cỡ lớn trong các hệ thống này được dẫn động bởi động cơ điện thông qua các khớp nối mềm, và các yêu cầu đặt ra cho khớp nối bao gồm các yêu cầu điển hình của ngành cấp nước: khả năng chịu được môi trường ẩm ướt, đôi khi bị ô nhiễm hóa chất trong nhà máy bơm, khả năng thích ứng với sự chênh lệch giãn nở nhiệt giữa hệ thống trục động cơ và trục bơm, và khả năng chịu được tải trọng va đập thủy lực xảy ra trong quá trình đóng van hoặc dừng bơm.

Kịch bản ứng dụng

Hộp số động cơ đẩy hàng hải — Ngành đóng tàu Vương quốc Anh

Các xưởng đóng tàu của Anh, bao gồm cả những xưởng hoạt động trên sông Clyde ở Scotland và các cơ sở của BAE Systems ở bờ biển phía nam, đều yêu cầu các khớp nối có độ bền cao cho hệ thống động cơ đẩy của tàu hải quân. Trong bối cảnh này, khớp nối giữa động cơ diesel hoặc động cơ tuabin khí và hộp số đẩy không chỉ phải chịu được công suất định mức tối đa của động cơ có thể cung cấp vài nghìn kilowatt, mà còn phải chịu được tải trọng xung kích xoắn phát sinh từ hiện tượng xâm thực cánh quạt, cánh quạt đi vào vùng nước bị nhiễu loạn bởi sóng bề mặt và các hoạt động lùi khẩn cấp. Các tiêu chuẩn hải quân còn đưa ra thêm các yêu cầu về đặc trưng âm thanh, yêu cầu khớp nối không được truyền các sóng hài rung động có thể làm ảnh hưởng đến tín hiệu sonar của tàu hoặc có thể phát hiện được bằng các cảm biến âm thanh thụ động.

Khớp nối dầm linh hoạt

Một giải pháp nhỏ gọn, không cần bảo trì, lý tưởng cho động cơ servo và các bộ truyền động thiết bị chính xác. Cấu trúc dạng dầm xoắn ốc cung cấp khả năng đàn hồi xoắn trong khi vẫn duy trì độ rơ bằng không, khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho bộ mã hóa, bộ truyền động động cơ bước và hệ thống tự động hóa phòng thí nghiệm. Được sản xuất từ ​​hợp kim nhôm cường độ cao hoặc thép không gỉ tùy thuộc vào đường kính lỗ và yêu cầu mô-men xoắn.

Xem sản phẩm →

Khớp nối đĩa

Khớp nối đĩa đại diện cho công nghệ tiên tiến nhất trong truyền động mô-men xoắn cao, không cần bảo dưỡng cho các hệ thống truyền động tuabin máy phát điện, hệ thống máy nén và máy móc quay tốc độ cao. Các cụm đĩa bằng thép không gỉ bù trừ độ lệch góc và trục thông qua biến dạng đàn hồi của biên dạng đĩa, truyền mô-men xoắn với độ cứng xoắn cao hơn đáng kể so với các lựa chọn thay thế bằng vật liệu đàn hồi, đồng thời tạo ra ma sát bằng không và không cần bôi trơn. Có sẵn cấu hình đĩa đơn và đĩa đôi tùy thuộc vào mức độ bù độ lệch cần thiết.

Xem sản phẩm →

Trong mùa bảo trì định kỳ năm 2024, đội ngũ kỹ thuật tại một nhà máy điện sinh khối lớn ở Selby, North Yorkshire, đã liên hệ với Ever Power với một yêu cầu cấp bách: một trong những tổ máy tuabin hơi 660 MW của họ đã phát sinh các vấn đề rung động ngày càng nghiêm trọng, được xác định thông qua phân tích giám sát rung động là do sự xuống cấp của khớp nối tuabin-máy phát. Khớp nối bánh răng hiện có, đã hoạt động khoảng 85.000 giờ kể từ lần đại tu lớn cuối cùng, đang cho thấy các tín hiệu rung động gia tăng ở tần số gấp đôi tốc độ vận hành - một dấu hiệu điển hình của sự tích tụ sai lệch góc khớp nối kết hợp với sự mài mòn răng làm giảm tỷ số tiếp xúc trong lưới bánh răng.

Thách thức càng trở nên phức tạp hơn do chu kỳ hoạt động của nhà máy: sau khi chuyển đổi từ vận hành bằng than sang sinh khối, tổ máy này hiện tham gia mạnh mẽ vào thị trường công suất của Vương quốc Anh và thường xuyên đáp ứng các chỉ thị điều độ của National Grid ESO, trải qua số chu kỳ khởi động-dừng mỗi năm nhiều hơn đáng kể so với thời gian hoạt động ban đầu bằng than. Nhóm kỹ thuật nhận thấy rằng việc thay thế khớp nối bánh răng tương tự, mặc dù đơn giản, sẽ tạo ra các yêu cầu bảo trì tương tự đã góp phần gây ra tình trạng xuống cấp hiện tại. Họ đã yêu cầu Ever Power đánh giá tính khả thi của việc nâng cấp lên cấu hình khớp nối đĩa không cần bảo trì.

Nhóm kỹ thuật ứng dụng của Ever Power đã tiến hành phân tích xoắn toàn diện hệ thống rôto, dựa trên bản vẽ trục và dữ liệu rung động lịch sử do nhà máy cung cấp. Phân tích đã xác nhận rằng cấu hình khớp nối đĩa được đề xuất sẽ duy trì độ đàn hồi xoắn thích hợp đồng thời đạt được sự cải thiện đáng kể về chất lượng cân bằng. Khớp nối đĩa tùy chỉnh đã được sản xuất, lắp ráp, cân bằng động theo tiêu chuẩn G2.5 và được giao trong khung thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch. Các phép đo rung động sau khi lắp đặt đã xác nhận sự giảm biên độ rung động trục tổng thể vượt quá 40%, với cả vỏ ổ trục tuabin và máy phát điện hiện đang hoạt động thoải mái trong phạm vi hướng dẫn vận hành của nhà máy.