摘要：本文介绍了某电站锅炉空气预热器减速机频繁损坏的情况，分析了造成液力偶合器损坏的原因，并在此基础上提出了通过技术革新手段解决该问题的对策。
关键词：空气预热器；减速机；偶合器；原因分析；对策
Air preheater hydraulic coupling gear failure analysis and countermeasures
Yuan Jianfei
Qinhuangdao Power Generation Limited Liability Company Equipment Division
Abstract: This paper introduces a power plant boiler air preheater reducer frequently damaged, analyzed the causes of damage to the fluid coupling, and on this basis put forward to solve the problem by means of technological innovation countermeasures.
Keywords: Air preheater; reducer; coupling; cause analysis; countermeasures
1 设备简介
秦皇岛发电有限责任公司（以下简称公司）3、4号锅炉空气预热器传动装置为上海锅炉厂生产的W125型减速箱，该型减速箱由电动机、液力偶合器、减速器、传动齿轮、传动装置支承等组成，其主要结构如图1所示。
目前3、4号锅炉空气预热器使用的液力偶合器为双腔限矩型液力偶合器，其型号为YOXD280。该型号代表的含义如下所示：
双腔液力偶合器特点：工作腔内有两个泵轮和涡轮，传递功率近似等于单腔的1倍，径向尺寸小而轴向尺寸长。常用在轴向尺寸无限制而径向尺寸要求尽量小的场合。
2 现存问题
2012年1月至2014年6月，两年半的时间内，3、4号炉空气预热器减速箱液力偶合器共更换12台，其中发生故障5次，造成机组被迫低负荷消缺4次，两台机组因液力偶合器故障年平均低负荷消缺1.6次，损坏时的典型异常现象表现为偶合器圆周跳动大，减速箱一轴侧及电机侧振动值相继超标，解体检查发现偶合器两侧轴承均损坏，轴承保持架碎裂、偶合器骨架密封损坏。目前对其采取的检修维护策略是每个机组小修周期无论液偶是否损坏均对其更换处理，但从上述统计数据来看，目前液力偶合器的设备状态已经无法满足发电机组一个计划检修周期（约一年半）内安全运行的最低需求，给机组安全、经济运行带来了较大影响,已经成为一个亟待解决的疑难设备问题。
3 液力偶合器损坏原因分析
液力偶合器运行中故障频发是一个由来已久的疑难设备问题，自1995、1996年3、4号机组相继投运以来，公司前后多位技术人员对该问题展开过研究，也采取了一定的对策，在吸取既有研究成果的基础上，经深入现场反复研究，基于目前的认知，认为液力偶合器频繁损坏的原因主要有以下几点：
3.1 YOXD280型液力偶合器与电机额定功率不匹配，同时输入输出轴尺寸超出了该型液偶的最大要求值
2005年11月，公司技术人员曾就该问题到液偶的生产厂家大连液力机械有限公司和大连液力偶合器有限公司进行专题调研（注：二者均为设备图纸标注的原生产厂家大连液力机械总厂改制而来，其中大连液力机械有限公司主要生产大型液力偶合器，即YOX360以上规格产品；大连液力偶合器有限公司主要生产YOX360以下规格产品，公司3、4号锅炉预热器使用YOXD280即为该公司生产），调研结论为设备选型可能存在问题，YOXD280型液力偶合器适用电机功率为9~17KW，而公司主驱电机功率为18.5KW，超出了该型号产品的使用范围，因功率与主电机匹配YOX360型液力偶合器外形尺寸超出了主电机托架适用范围，如改型需对托架进行改造涉及到测绘、加工等一系列问题，资金投入较大，故决定仍使用YOXD280型液力偶合器，但需使用进口轴承，使用#8长城液力传动油，同时按照液偶说明书要求严格控制装配精度。
对于以上的调研结论，笔者部分认可，但也有自己的思考和疑问，一是依据设备图纸和说明书，W125型减速箱所配的液力偶合器型号应为280-DT（现场设备铭牌为TD280），而非YOXD280，280-DT型液力偶合器的电机适用功率为9.5~22KW，其适用范围并未超出公司主驱电机的功率18.5KW。针对该问题，经与大连液力机械有限公司和大连液力偶合器有限公司的技术人员电话调研，得知280-DT（或TD280）型液力偶合器为液偶70年代从德国刚刚引进时的德国代号，目前国内已不生产，目前国内液力偶合器的生产和命名均采用国家标准GB/T5837-1993（液力偶合器 型式和基本参数），因此认为液力偶合器选型存在的问题并非始于减速箱制造厂家的初始设计（W125减速箱为上海锅炉厂80年代开始生产的产品，依据为档案室W125减速箱使用说明书），而是始于国内液力偶合器按照国家标准生产后造成目前无合适的型号适用于公司3、4号锅炉的W125减速箱。第二、参照大连液力偶合器有限公司提供的偶合器参数表，YOXD280型偶合器最大输入轴/输出轴尺寸为φ42mm/φ40mm，而配备于公司的YOXD280型偶合器输入轴/输出轴尺寸为φ48mm/φ42mm，在轴径尺寸上超出了其标准范围。因此公司3、4号锅炉使用的是特殊尺寸的非标准YOXD280型液力偶合器。YOXD280型液力偶合器的结构图如图3所示。
综上所述，目前使用的YOXD280型液力偶合器与电机额定功率不匹配，同时输入输出轴尺寸超出了该型液偶的最大要求值，是造成偶合器损坏的原因之一。
3.2 液力偶合器安装时无法采用百分表等精密仪器进行精细找正对中。
大连液力偶合器有限公司的限矩型液力偶合器说明书中就液力偶合器的安装做了如下要求，电机轴与工作轴同轴度径向误差应≤0.2mm，端面偏差≤0.5mm，用平尺或百分表进行测量，如超差，必须调整到允差范围内。经现场跟踪偶合器安装过程，发现现场因电机托架部位狭小，不具备使用百分表进行测量的条件，只能使用钢板尺或者塞尺进行测量，用钢板尺或塞尺测量的误差较大，更多的依靠安装人员的经验和操作技能，因此可以推断，偶合器安装找正误差较大。
YOXD280型液力偶合器内部所使用的轴承为6013深沟球轴承，其轴向游隙很小，承受轴向冲击的能力非常小，偶合器安装找正误差大加之减速箱一轴在运行中的正常窜动将对轴承形成冲击力，长期运行造成液力偶合器内部轴承损坏。因此认为液力偶合器安装时无法采用百分表等精密仪器进行精细找正对中是液偶频繁损坏的另一个原因。
3.3 围带传动的预热器减速箱在机组启停或变负荷过程中会产生较大振动。
3、4号锅炉空气预热器均采用围带传动的驱动方式，因预热器转子直径较大（10.33米），在热态下预热器转子要发生蘑菇状热变形，各个负荷下空预器转子膨胀量各不相同，烟温的高低直接影响空预器转子向外向下的膨胀量，较大的膨胀量直接影响了大齿轮和围带的啮合，在机组启停或变负荷时导致减速箱整体振动偏大。振动的大小取决于空预器入口烟气温度、烟气量及减速箱大齿轮和围带的啮合情况。长期的振动将有可能导致液偶轴承松动直至损坏，同时也增加了骨架密封漏油的可能。因此认为围带传动的预热器减速箱在机组启停或变负荷过程中会产生较大振动是液偶频繁损坏的另一个原因。
以上三个原因是笔者基于目前的认知对液力偶合器频繁损坏进行的原因分析，可以看出，在三个原因中，原因一可以通过对电机托架进行改造，同时液力偶合器换型（更换为YOX360单腔型）予以解决；而第二、三个原因为电站锅炉围带式驱动的空气预热器存在的通病，目前尚无合理的解决办法。
综上所述，目前液力偶合器的设备状态已经无法满足发电机组一个计划检修周期（约一年半）内安全运行的最低需求，给机组安全、经济运行带来了较大影响,同时造成该问题的某些因素无法用通常的办法进行解决，因此有必要通过技术革新对该设备疑难问题进行彻底解决。
4 对策措施
经电话调研了解，磁力偶合器技术已得到大型锅炉制造厂家的青睐，并在电站锅炉空气预热器上得到了广泛运用，同时与公司3、4号锅炉型号、预热器型号、减速箱型号三者均一致的发电厂也实施了磁力偶合器改造，目前运行良好，说明该项改造是可行的。
通过互联网查询、电话与磁力偶合器厂家调研，了解到磁力偶合器又名永磁涡流联轴器或永磁涡流传动装置，磁力偶合器主要由铜转子、永磁转子和控制器（调速型特有）三个部分组成。一般，铜转子与电机轴连接，永磁转子与工作机的轴连接，铜转子和永磁转子之间有空气间隙（称为气隙），没有传递扭矩的机械连接。这样，电机和工作机之间形成了软（磁）连接，通过调节气隙来实现工作机轴扭矩、转速的变化。因气隙调节方式的不同，永磁涡流传动装置分为标准型、延迟型、限矩型、调速型等不同类型。标准型和限矩型磁力偶合器的结构图如图4和图5所示。通过互联网了解到，涡流式永磁磁力驱动技术首先由美国MagnaDrive公司在1999年获得了突破性的发展，在2004年3月，美国海军经过两年多的验证后，对该技术产品实现了批量采购，该产品目前已经通过美国海军最严格的9-G抗震试验。目前国内该项技术已在各行业展开了大规模运用，除电站空气预热器减速箱外，目前了解到已在不同类型各种风机、水泵、物料输送机、斗式提升机、球磨机、卷扬机、破碎机、搅拌机、绞直机等各种机械设备上均有运用
4.1 磁力偶合器的技术特点如下：
4.1.1日常维护工作量小，几乎为免维护产品，运行的成本低。
4.1.2允许较大的安装误差，允许最大对中误差可为5mm，角度误差可为2°。
4.1.3具有完全的过载保护功能，从而提高了整个系统的可靠性，完全消除了系统因过载而导致的电机或设备损坏。
4.1.4提高电机的启动能力，实现电机的软启动/软停止，特别适用于大扭矩，大惯量的负载。
4.1.5减少冲击和振动，协调多机驱动的负荷分配。
4.1.6延长传动系统中各零部件的适用寿命。
4.1.7结构简单，体积小，安装和拆卸方便。
对于围带式驱动的空气预热器减速箱来说，磁力偶合器由一个与电机端联接的导磁体和一个与负载端联接的永磁体组成，两者没有任何接触，可以彻底隔开运行中减速箱传递过来的振动，且对找正对中要求很低（以运行中不发生碰磨为标准），同时磁力偶合器后运行维护成本低，几乎是免维护产品，启动时能实现电机软启动，电机峰值电流降低，负载端超过力矩后能保护电机不超电流。磁力偶合器根据电机容量进行配套生产，其磁力在温度200℃以下不会消失。因此可以完全取代液力偶合器的功能，并且能够彻底消除液力偶合器上述存在的问题和隐患。
4.2 针对3、4号炉空气预热器的磁力偶合器改造可行性方案如下
4.2.1根据前文对磁力偶合器换型必要性和可行性的分析，同时根据对3、4号炉空预器及原液力偶合器的结构特点及技术参数，确定3、4号锅炉空气预热器减速箱磁力偶合器改造应采用限矩型磁力偶合器，其设计最大过载转矩为46.25KW,（主电机额定功率18.5KW的2.5倍），即可实现液力偶合器具有的过载保护功能，当空预器转子在运行过程中由于动静部分严重碰磨或异物掉落而引起卡涩时，电机会出现超载现象，当超载的力矩达到永磁涡流联轴器的设定力矩时，磁力偶合器的两个永磁体盘会瞬时脱开，从而有效的保护电机的安全。
4.2.2利用机组计划检修的机会，实施3、4号锅炉空气预热器减速箱磁力偶合器换型改造。鉴于上海外高桥一厂锅炉、预热器、减速箱型号与公司完全相同，其磁力偶合器改造对于公司具有典型的参考价值，建议改造前委派专人赴上海外高桥一厂专题调研，以完善改造方案，确保改造取得成功。
4.2.3公司1、2号锅炉空气预热器减速箱偶合器损坏问题也时有发生，但问题没有3、4号锅炉突出，原因可能与1、2号炉液力偶合器不存在与电机额定功率不匹配及输入输出轴尺寸问题有关，鉴于以上设备实际情况，建议在资金允许的情况下，利用机组计划检修的机会，对1、2号锅炉空气预热器减速箱实施磁力偶合器改造。
5 预期效果
改造前后的安全、经济性对比如下：
5.1 安全可靠性性对比
通过上述分析和调研，可以看出，磁力偶合器能够解决3、号4炉空气预热器减速箱液力偶合器目前存在的问题和隐患，其技术状态完全满足发电机组一个计划检修周期（约一年半）内安全运行的最低需求，因此从从安全可靠性角度来讲，磁力偶合器优于液力偶合器。
5.2 经济性对比
经电话咨询了解，目前适用于公司3、4号锅炉空气预热器减速箱的限矩型磁力偶合器单价约9.5万元；经查询公司MAXIMO6系统，大连液力偶合器有限公司生产的YOXD280型液力偶合器含税价格为5650元。从上述价格对比可以看出，磁力偶合器的单价远远超过液力偶合器，从单价这个角度讲，液力偶合器优于磁力偶合器。2012年以来3、4号锅炉空气预热器因各种原因更换的液力偶合器为12台，单台空气预热器年耗用液力偶合器1.2台，折合年耗用偶合器费用6780元，磁力偶合器一次性投资9.5万元，其与折合单台空气预热器年耗用液偶之比为14，因此，从预热器年耗用偶合器费用来看，如磁力偶合器的实际寿命超过14年，则其优于液力偶合器。目前国内最早在空气预热器上投入应用的是国华宁海电厂5号机组，其投运时间为2010年9月份，至今运行3年8个月，目前运行良好，磁力偶合器的设计寿命一般为25年，从前述磁力偶合器的技术特点可以预估，其在空气预热器上应用实际寿命超过14年应是极大概率事件。
5.3 安全经济性综合对比
应该看到，之所以建议改用磁力偶合器，主要考虑其安全可靠性，这一点对于发电机组这样的长期连续运行系统尤为重要。从前文的统计情况来看，因液力偶合器损坏，机组降至50%负荷消缺一次的平均用时为6小时左右，对于3、4号机组（额定功率320MW）,其直接潜在损失电量为102万KWH, 如遇到空气预热器入口烟气挡板关不严的情况（空气预热器入口烟温达100℃以下方可停运），消缺时间将更长,潜在损失电量将更高。随着电网对发电机组限负荷的考核日趋严格，还将间接影响次年的电量额度；同时，运行中停运空气预热器消缺需要停运单侧烟风系统，单侧的所有送、引、一次风机及其风门挡板需要停运、关闭并停电，消缺完毕还要送电启动，当烟气侧某些挡板门不严时还需扩大措施，停运六大风机和所有制粉系统并投油，低负荷消缺一般安排在夜间进行，以上操作给运行人员带来的潜在操作安全风险亦不容小觑。因此，从安全经济性综合角度来说，磁力偶合器优于液力偶合器。
6 结束语
经过前期精心论证和策划，2015年公司利用机组计划检修的机会，对1、2、3、4号锅炉空气预热器减速箱均实施了磁力偶合器改造，实施方案为拆除空气预热器减速箱液力偶合器，换型为磁力偶合器（永磁联轴器），磁力偶合器可以完全替代液力偶合器的功能但不会增加任何的电气、热工、运行部分的改造或改变，改造后运行良好，未出现任何问题。综上所述，磁力偶合器在安全经济性综合对比方面远优于液力偶合器。通过将液力偶合器更换为磁力偶合器，彻底消除了锅炉空气预热器减速箱液力偶合器现存的问题和隐患，使该设备疑难问题得以彻底解决，保证发电机组的长周期安全、稳定运行。
参考文献
[1]《YOXD280型液力偶合器损坏原因分析》.杨万国.秦皇岛发电有限责任公司.
作者简介
袁建飞（1978-），男，工程师，毕业于北京电力高等专科学校集控运行专业，目前主要从事电站锅炉设备管理工作。
论文作者:袁建飞
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/19
标签：偶合器论文; 预热器论文; 液力论文; 磁力论文; 空气论文; 永磁论文; 电机论文; 《电力设备》2017年第17期论文;