负荷齿轮箱抽真空装置在燃机中的应用

陈 建

(广东华电深圳能源有限公司，广东 深圳 518118)

0 前 言

在国家节能减排政策及提升发电新能源占比的改革形势下，燃气-蒸汽联合循环机组因其具有启动迅速、快速响应调峰、污染小等众多优势[1],国家加大对燃气轮机的政策支持[2]。但如同燃煤机组的发展一样，随着技术的发展，联合循环机组的能效竞争压力越来越大,如何进一步提升机组效率，节能降耗成为必须要考虑的重要环节。

1 概况

1.1 背景介绍

华电深圳某公司两套共365 MW燃气-蒸汽联合循环机组，整套机组采用分轴联合循环方式，第一套联合循环发电机组由两台燃气轮机、一台蒸汽轮机、三台发电机和两台余热锅炉及相关设备组成，第二套联合循环发电机组由一台燃气轮机、一台蒸汽轮机、两台发电机和一台余热锅炉及相关设备组成。燃机由美国GE公司生产，型号为6F.03，单台燃机出力为82 MW(设计工况)。[3]

燃机的油系统为燃机、负荷齿轮箱、发电机的轴承、负荷齿轮箱的啮合齿轮提供润滑油,同时也为燃机进气阀、燃机进空气的IGV阀提供高压控制油[4]。齿轮箱热功率损失是评价齿轮传动质量好坏的重要指标之一[5]，齿轮系统在工作过程中会产生啮合摩擦功率损失、风阻功率损失和搅油功率损失[6]，其中，齿轮高速运行时，风阻功率损失是导致传动效率低的主要因素之一[7]。降低风阻功率损失可以显著减小齿轮箱的功率损失和发热量，提高齿轮箱的传动效率和使用寿命。

1.2 负荷齿轮箱介绍

负荷齿轮箱位于燃气轮机和发电机之间，其作用就是利用设计好的齿轮传动比将燃气轮机转子的转速从5 320.8 r/min降为3 000 r/min，以带动发电机发出我国额定的50 Hz的工频电,如表1所示。

表1 负荷齿轮箱输入输出轴转速单位:r/min

燃气轮机本身润滑油系统设有油气分离器，其可以将发电机、负荷齿轮箱及机组滑油箱冒出的油烟分离，处理后的空气排到大气，油气中分离出的油回到油箱。但负荷齿轮箱润滑油进出油口均在底部，油烟易聚积在顶部死区，造成润滑油未充满整个负荷齿轮箱内部空间，从而产生风阻功率损失，导致齿轮传动效率下降，从而致使整个机组效率降低。此外,风阻增加、上部齿轮缺乏润滑也会导致齿轮啮合摩擦加剧，振动增大，齿轮金属温度升高，从而危及机组安全稳定运行。

为监视负荷齿轮箱内润滑油供应和摩擦情况，负荷齿轮箱内装有以下四组共16只温度热电偶：

(1)高速靠压气机轴BT-RGP1-1A，1B；BT-RGP1-2A，2B；

(2)低速靠燃机侧轴BT-RGB1-1A，2B；BT-RGB1-2A，2B；

(3)高速靠发电机轴BT-RGP2-1A，1B；BT-RGP1-2A，2B；

(4)低速靠发电机侧轴BT-RGB2-1A，2B；BT-RGB2-2A，2B。

为保护机组安全稳定，防止发生缺油磨损事故，负荷齿轮箱设有金属温度高跳闸L4BTRG保护，其触发条件为：

(1)每组中如果1A测点达到高高值，2A测点报错、达到高值、高高值都将触发跳机信号；

(2)每组中如果2A测点达到高高值，1A测点报错、达到高值、高高值都将触发跳机信号；

(3)高高值取根据润滑油母管温度+54.44 ℃得出的高高值与最小高高等级温度87.78 ℃和一个GBOX T2 METAL 温度125 ℃，三者取中间值获得;

(4)高值取根据润滑油母管温度+48.89 ℃得出的高高值与最小高等级温度90 ℃和一个GBOX T2 METAL 温度120 ℃，三者取中间值获得。

此外燃机负荷齿轮箱还装有2组3只振动传感器，分别为两个高速轴燃机端振动传感器39V-4D、39V-4E，一个燃机负荷齿轮箱低速轴燃机端振动传感器39V-4F,其触发条件为:

(1)当一组中只有一个传感器时，振动达到跳闸值，燃机跳闸；

(2)当一组中有两个传感器时，一个故障且另一个振动达到跳闸值，燃机跳闸；

(3)当一组中有两个传感器时，一个达到报警值且另一个达到跳闸值，燃机跳闸。

2 FG Power+的应用研究

2.1 FG Power+简介

为保证机组安全，提高机组效率，该公司针对负荷齿轮箱传动损耗，采取新技术，装设了一种负荷齿轮箱抽真空装置(该系统名为FG Power +，简称FGP+)。

为便于读者对该抽真空装置及其应用形成统一的认知，下文中的相关数据或技术参数均为标准条件下的数据。

FGP+是一款提高连接燃机与发动机的负荷齿轮变速箱效率与安全性的设备，其主要工作原理是：外加一个抽真空装置，该装置与负荷齿轮箱润滑油系统相独立，此抽真空系统与负荷齿轮箱顶部及润滑油回油管新增旁路相连接，使负荷齿轮箱内处于局部真空状态，这个局部真空围绕齿轮箱的转子和部分系统，并抽出齿轮之间润滑油中的空气和油烟，确保润滑油充满整个负荷齿轮箱内部空间，从而减少风阻损失来达到改善齿轮箱性能的效果，进而提高齿轮箱的传递效率，同时降低机组振动和负荷齿轮金属温度。

其工作系统图如图1所示。

图1 燃机抽真空装置系统图

FGP+主要包括油箱、油泵、真空发生器(泵、分离器、过滤器、排水管、阀门和管道)、冷却空调系统及相关连接管道和其控制系统，FGP+具有独立的液压回路，FGP+的整个油路上行线路和下行线路必须设计成能够在没有低点、卡涩或滞留点的情况下进行重力泄油。FGP+被设计为使用旁路型组件连接到现有润滑回路，旁路型组件用于将FGP+与网络隔离，而不切断来自连接到负荷齿轮箱和FGP+的驱动和从动设备的油流，从而确保润滑系统的连续运行。真空泵用于抽取FGP+油路中的空气。FGP+的主要机电或电动气动部件由可编程控制器控制和调节。可编程控制器使用的控制和调节指令与齿轮箱操作参数成比例定义。

2.2 FGP+实际应用效果分析

为检验FGP+实际节能效果，进行了以下投入前后数据对比(详见表2-表4)。

表2 2021年01月与02月数据对比

表3 2021年03月与04月数据对比

表4 2022年4月24日#3燃机FGP+投入应用前后数据对比

经过长时间的实时数据统计对比，在环境温度、湿度、大气压基本一致的情况下，该公司3台燃机平均耗气量分别下降259 m3/h左右，其负荷增加0.1 MW/h。每年按稳定运行4 300小时算，每年#1燃机可减少天然气量259×4 300=1.113 7×106m3，#2燃机可减少天然气量254×4 300=1.092 2×106m3，#3燃机可减少天然气量264×4 300=1.135 2 ×106m3，3台燃机全年可以减少天然气量3.341 1×106m3，按照天然气价格2.28元/m3折算，每年直接经济效益：334.11×2.28=761.8万元，尤其是随着近年天然气价格大幅提升，降低成本效果显著。同时负荷齿轮箱振动和最高温度均有下降，负荷齿轮箱运行工况得到改善，寿命延长，机组安全稳定性得到提高。

3 FGP+应用的注意事项

FGP+实际投入应用中应注意以下问题：

(1)FGP+不得暴露于有害环境因素，如腐蚀性化学产品、高空气污染、高空气湿度和0～40 ℃范围以外的环境温度。

(2)真空泵需要可变的时间(取决于施加真空的空间体积)来在包括齿轮箱和FGP+的回路中产生真空。如果负压值随着时间的推移而下降，变速箱和FGP+之间的回路上可能会有空气泄漏。必须消除这些泄漏，因为它们限制了真空泵的容量，有可能缩短需要维护的时间，并损坏FGP+。

(3)检查油箱中的液位是否稳定。

(4)检查是否有漏油现象。

(5)检查控制柜中的空调温度是否正常。FGP+调节控制柜中的温度必须符合工厂设置温度。更改此设置可能会导致功耗过高和/或损坏机柜中的可编程控制器和变速控制器。

4 结 论

某公司3台燃机FGP+投入运行后，机组效率明显提升，经济效益明显，因齿轮总功率损失随着输入功率的增加以及输入转速的增加而增加[8]，因此在大容量燃机中效果将更加明显。

现场设备的任一环节出现异常都可能导致运行中断[9],FGP+在实际运行中还存在一些待改进的地方，虽然一般情况下，FGP+这样的就地设备故障不会直接影响机组安全运行[10],但还是需要加强平时运行维护。该公司的FGP+出现过多次运行中跳闸，经过多方排查，后经联合厂家确认为FGP+装置所处位置靠近燃机，周围环境温度较高，造成真空泵冷却水流量不足，温度高报警跳闸，经改造增加一路冷却水后得到极大改善。此外，由于该装置在回油油温60 ℃以上才能工作，在冬天容易出现回油油温不足，装置跳闸，反复启动的问题，因此需要加强监视，根据气温及时停运，此装置在北方的应用需要做进一步研讨改进。