CTG Universidad電廠由Comisión Federal de Electricidad（CFE）所有，電廠裝有一座雙機組燃氣輪機，于1970年末開始試運行，電廠位于蒙特雷北部(蒙特雷是墨西哥的第三大城市和重要的工業(yè)中心)。上世紀(jì)90年代，這兩臺14MW的渦輪機因過時而很少使用，并計劃于2010年拆除。但2002年，由于缺乏充足的無功功率生產(chǎn)，蒙特雷部分地區(qū)開始進行限電，因此這座工廠獲得了新的機會。
CFE是墨西哥國家政府機構(gòu)，負責(zé)為該國3500萬客戶提供發(fā)電、輸電和配電服務(wù)，而獨立發(fā)電廠（productores independientes de energía）目前的裝機容量占墨西哥已裝機容量的22.9%。CFE目前擁有和運營187座電廠，總?cè)萘窟_52GW。
圖1 Universidad電廠于1970年末投入商業(yè)運行，配備兩臺Brown Boveri BB11-L燃氣渦輪，其功率均為14MW。圖中右側(cè)靠前的設(shè)備是勵磁機，可在啟動時作為電動機。中間是發(fā)電機。后面是雙燃料燃燒室，安裝在分離式渦輪和壓縮機段的頂部。該設(shè)備運行狀況很好，因此被Universidad選中，用于升級業(yè)主的首臺燃氣渦輪同步調(diào)相機
蒙特雷又稱為“墨西哥的匹茲堡”，是東北部新萊昂州的首府，同時也是墨西哥最富裕的城市之一，該城市是擁有大量國際公司的工業(yè)中心。蒙特雷（占墨西哥工業(yè)基地的25%）尤其以金屬行業(yè)（主要是鋼鐵行業(yè)）聞名。蒙特雷鋼鐵加工廠的年產(chǎn)量大約占墨西哥鋼鐵總產(chǎn)量的一半。在墨西哥，民用負載相對較高（占CFE客戶的88.4%），但在高工業(yè)負載區(qū)域內(nèi)（如蒙特雷），1%客戶所消費的電量往往占據(jù)電力總銷售量的一半以上。
圖2 圖中左前方是放置在工作臺上準(zhǔn)備安裝的2號機組的發(fā)電機（帶離合器）。機組控制面板位于勵磁機正面。圖中后方，一位技術(shù)人員正在觀察覆蓋軸、回轉(zhuǎn)齒輪和潤滑油泵的頂部外殼，這些部件即將被拆卸并裝上SSS離合器
CFE的Universidad發(fā)電廠位于蒙特雷北部的一個高度工業(yè)化區(qū)域，這座燃氣渦輪電廠于1970年建成，見證了該地區(qū)快速的發(fā)展歷程（圖1）。Universidad電廠擁有兩臺Brown Boveri BB11-L雙燃料（天然氣和柴油）燃氣渦輪，其額定功率均為14MW（發(fā)電機額定功率為20MW）。電廠在最初10年的運行中，為這個處于發(fā)展中的工業(yè)區(qū)域提供了基本的負載電力。隨著用電需求的持續(xù)增長，該區(qū)域為了更好地供電，又修建了一些容量更大的高效率聯(lián)合循環(huán)電廠，而這些電廠都位于市區(qū)外。
BB11-L機組過時后不久，只用來提供峰值負載，并很少使用。該電廠在本世紀(jì)頭十年的中期，就已經(jīng)計劃退役，并在2010年末拆除。但出乎意料的是，不久之后就證實了該電廠所處的位置對CFE來說極具價值。
圖3 1970年生產(chǎn)的14 MW Brown Boveri BB11-L是由很多獨立模塊在現(xiàn)場組裝而成的一個燃氣渦輪傳動系。黑色方塊為傳動系軸承的位置，止推軸承位于渦輪和壓縮機軸的連接處。理論上要拆下這根700mm的軸，并裝上一個離合器。除了裝入離合器，還要選擇一個新的位置用來安裝回轉(zhuǎn)齒輪，用一個直流/交流泵替換齒輪驅(qū)動主潤滑油泵，用一個電子調(diào)速器替換機械調(diào)速器。用螺栓將啟動電動機/勵磁機固定在發(fā)電機軸的外側(cè)
意料之外的效益
2002年，CFE發(fā)現(xiàn)行業(yè)客戶的用電處于極度敏感的狀態(tài)。電線負載受到限制、電線壓降讓人無法忍受，無功功率的需求日益增長。事實上，墨西哥國家能源控制中心已經(jīng)在墨西哥電網(wǎng)中發(fā)現(xiàn)了幾個無功功率不足的區(qū)域。其中一個區(qū)域就位于蒙特雷的Universidad附近。在過去數(shù)年，該電廠在運行時會生產(chǎn)所需的無功功率，但后來停產(chǎn)。為了向靠近終端用戶的配電線路中添加無功功率，確認了最佳的、成本最低的解決方案，以允許額外的實際功率流入蒙特雷市中心的電網(wǎng)。
2002年12月，當(dāng)時負責(zé)墨西哥東北地區(qū)生產(chǎn)部的CFE副總經(jīng)理Lino Cárdenas Villarreal，開始探索在本地生產(chǎn)無功功率的替代方案。當(dāng)時在蒙特雷機場附近剛剛修建了一座配有阿爾斯通GT24單傳動系的聯(lián)合循環(huán)電廠，該電廠可作為同步調(diào)相機。
從該電廠獲得一些新的經(jīng)驗后，Cárdenas咨詢SSS Clutch公司（SSS），是否這兩臺Universidad機組可作為改裝的備選設(shè)備。同步調(diào)相機是一種連接到電網(wǎng)的同步電動機，無負載、可自由轉(zhuǎn)動。通過調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器，發(fā)電機（目前是電動機）可吸收或生產(chǎn)無功功率，從而可相應(yīng)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和提高功率因子，尤其在長輸電線路的終端。CFE很快發(fā)現(xiàn)，之前14MW的BB11L從未作為同步調(diào)相機使用。但是，SSS了解設(shè)備的設(shè)計后，認為此項目可以實施。
圖4 從位于壓縮機（左）和發(fā)電機之間的總成（右）上拆下頂部外殼（如圖2所示）?？辙D(zhuǎn)齒輪（中）將主潤滑油泵（前）連接至主軸。這張照片是在用新型SSS離合器更換700mm延伸軸（連接壓縮機和發(fā)電機）前拍攝的
盡管已經(jīng)明確了項目的需求和可行性，但數(shù)年來資金一直未獲得審批。最后，CFE于2009年末進行了公開招標(biāo)，項目內(nèi)容包括改裝Universidad 2號機組，以及在正常發(fā)電模式下作為同步調(diào)相機運行。“CFE Universidad BB-11L同步調(diào)相改裝”項目的中標(biāo)方為墨西哥科阿韋拉州托雷翁的Industria Sigrama S.A. de C.V.公司。Industria Sigrama公司負責(zé)整個項目的管理任務(wù)、新控制系統(tǒng)的設(shè)計和安裝，以及電氣保護和協(xié)調(diào)。Industria Sigrama公司選擇Edel Ingenieros S.A. de C.V.為項目提供機械工程服務(wù)，其中包括：改良壓縮機聯(lián)軸器和外殼以容納SSS離合器，改良回轉(zhuǎn)齒輪，為改良后的潤滑油系統(tǒng)、過濾器、管道、儀表提供安裝服務(wù)。
項目的最終規(guī)范要求，在位于壓縮機和發(fā)電機之間的BB11-L的中部裝置塊中安裝一個SSS離合器（160FT）。當(dāng)需要同步調(diào)相負載時，該位置可以實現(xiàn)壓縮機和發(fā)電機的完全機械分離。該項目還包括對采用數(shù)字控制的機組控制系統(tǒng)進行現(xiàn)代化改裝，以及更換潤滑油泵，原因如下（圖2）。
圖5 兩個原始輪轂均40年未被移動，因此研究人員擔(dān)憂拆卸作業(yè)會非常困難。而借助50t級千斤頂和直接加熱法，拆卸作業(yè)很快就完成了。圖中顯示的是在壓縮機軸上安裝的新輪轂。這個輪轂不僅為錐形而且有三個銷槽，呈不均等設(shè)計
2010年10月完成了全新數(shù)字控制系統(tǒng)的安裝和測試，隨后立即安裝了新的離合器，這是最終安裝任務(wù)之一。2010年12月21日，該設(shè)備在發(fā)電和同步調(diào)相兩種模式下成功重新啟動并運行（參見表格了解主要項目日期）。從此，新配置的2號機組便可發(fā)揮雙重作用，可由CFE發(fā)電部門用于發(fā)電，或被CFE輸配電機構(gòu)用于提供無功功率，以穩(wěn)定電網(wǎng)。
獨特的渦輪設(shè)計
雖然已經(jīng)確定SSS項目具有可行性，但并不表示這臺運行40年之久的燃氣渦輪的改裝會非常容易，或不需要克服太多技術(shù)難題。與同級別的現(xiàn)代渦輪機不同，現(xiàn)代渦輪機抵達安裝現(xiàn)場時已經(jīng)預(yù)先在一個滑軌上進行了封裝，然后可以直接安放在基礎(chǔ)螺栓上；而BB11-L則是在現(xiàn)場組裝相互獨立的模塊，形成一個傳動系（圖3）：渦輪、壓縮機、回轉(zhuǎn)齒輪、主潤滑油泵和發(fā)電機/勵磁機。
BB11-L的正常操作也很特別：勵磁機用作啟動電源，切換到運行狀態(tài)時為直流電動機。當(dāng)動力傳動達到2000rpm時，直流啟動電動機切換為直流發(fā)電機（或轉(zhuǎn)動勵磁機）以作為主發(fā)電機。一般情況下，自動調(diào)壓器（AVR）決定著發(fā)電機終端的電壓。當(dāng)發(fā)電機隨后與電網(wǎng)同步時，發(fā)電機可以通過調(diào)節(jié)功率因子控制器，而選擇供應(yīng)實際功率還是無功功率，制造商設(shè)定的范圍為+15 MVAR~10 MVAR。
圖6 一旦加工完新的輪轂并安裝到壓縮機和發(fā)電機軸上時，SSS離合器的安裝也就大功告成。下一步是重新安裝頂部外殼。圖中靠前位置顯示的是，用電動機驅(qū)動式新型直流/交流潤滑油泵替換老式齒輪驅(qū)動主潤滑油泵
征服挑戰(zhàn)
對較老的設(shè)備進行改裝，如BB11-L，從概念到實際完成往往還須跨越一大步。概念設(shè)計是拆除連接壓縮機和發(fā)電機的一根現(xiàn)有的700mm的軸，然后裝上一個離合器組件，作為撓性聯(lián)軸節(jié)，可以在發(fā)電過程中承受一定量的失準(zhǔn)，在同步調(diào)相機運行過程中又可以斷開。除了離合器，還計劃安裝一個新的齒式聯(lián)軸節(jié)輸入輪轂（在壓縮機輸出軸上）和一個新的輸出輪轂（在發(fā)電機輸入軸上）。這種方法需要拆卸和重新安置傳動系回轉(zhuǎn)齒輪，并且拆卸和替換電動機驅(qū)動的潤滑油泵（圖4）。
傳動系的初始設(shè)計是在發(fā)電模式下沿著發(fā)電機的方向延伸，可大約達到1/4英寸。但是在同步調(diào)相模式下燃氣渦輪沒有運行，因此沒有出現(xiàn)預(yù)期的軸位移情況。于是SSS需要設(shè)計一個可以容納該傳動系位移的離合器組件。此外，離合器的重量比這根700mm短管重。
圖7 用數(shù)字控制系統(tǒng)（右）替換上世紀(jì)70年代的舊式模擬控制裝置（左），可管理設(shè)備的新操作次序和控制要求。燃氣渦輪啟動次序管理和原始控制裝置一致
最終的傳動系設(shè)計
該項工程的第一階段是對推薦的傳動系（配有新離合器，沒有之前的回轉(zhuǎn)齒輪和齒輪驅(qū)動的主潤滑油泵）進行轉(zhuǎn)子動力分析研究。進行分析研究的主要原因與離合器配置有關(guān)。這是一種半剛性離合器，脫離時可分為兩半部分：一半由壓縮機支撐，另一半由發(fā)電機軸支撐。SSS工程師確認懸臂力矩（離合器兩半部分相對于現(xiàn)有軸承位置所增加的重量）會過大。
另外，通過使用一個墊圈型離合器，輪轂可以在壓縮機軸上翻轉(zhuǎn)。這種輪轂設(shè)計可以減少懸臂力矩，抵消額外的重力影響。進行轉(zhuǎn)子動力研究后，確認此方案是可行的。
但是，CFE更傾向于保留之前的輪轂（特別是發(fā)電機），因為它們具有獨特的錐形孔和三銷槽設(shè)計，而且CFE工程師擔(dān)憂拆卸后會產(chǎn)生問題，畢竟輪轂40年都沒有拆過（圖5）。這種固定離合器的方法要求SSS制造一種大而重的適配器，因為離合器外徑明顯大于現(xiàn)有的輪轂。第二次轉(zhuǎn)子動力研究證明該方案不可行，因為會產(chǎn)生3600rpm的橫向臨界速度，和傳動系的運轉(zhuǎn)速度相同。該方案隨即被放棄，而選擇了最初的更換現(xiàn)有輪轂的方案。
圖8 圖中是項目的主要參與者。SSS的總裁Morgan Hendry未出現(xiàn)在照片中，因為當(dāng)時他正在為大家拍照。在設(shè)施的整個施工和啟動過程中有三任Universidad廠長參與，可見大家對該工程項目的參與熱誠
幸運的是，從40年的舊軸上拆卸輪轂后，并沒有出現(xiàn)預(yù)計的問題。借助一個50t級的液壓千斤頂，并直接進行加熱，從軸上取下了輪轂。兩個錐形剛性輪轂（均配有不等距銷槽，三個銷槽如圖5所示）被拆下后，便被運往英國的SSS工廠。在該廠中用坐標(biāo)測量機測量了高精度尺寸數(shù)據(jù)，然后對新的錐形剛性輪轂進行加工，以匹配壓縮機和發(fā)電機軸，以及相配的SSS離合器輪轂。
即使有新的拼合式輪轂，安裝離合器時仍需要1英寸額外的最小軸向空間。不幸的是，由于推力軸承，渦輪無法軸向移動，發(fā)電機的移動也受到限制。相應(yīng)的解決方案是，拆卸勵磁機風(fēng)扇空出足夠的軸向空間來拆卸700mm軸，并安裝新的離合器。隨后在這些軸上安裝新的輪轂和離合器（圖6）。
新的回轉(zhuǎn)齒輪位置
如前所述，想要安裝SSS離合器就必須拆卸傳動系回轉(zhuǎn)齒輪和齒輪驅(qū)動式潤滑油泵。用電動機驅(qū)動式泵替換齒輪驅(qū)動式潤滑油泵時未出現(xiàn)問題。但是在關(guān)閉過程中要確保超長傳動系一直保持直線狀態(tài)，回轉(zhuǎn)齒輪必不可少，因此必須重新對其進行安置。
此外，新的回轉(zhuǎn)齒輪必須位于離合器輸入端，這樣才能在發(fā)電機處于同步調(diào)相模式以及退出發(fā)電模式時，轉(zhuǎn)動渦輪進行冷卻?？紤]了三個具體位置：渦輪非高溫側(cè)，壓縮機和渦輪之間，壓縮機進口蝸殼處（徑向空間有限）。壓縮機的位置已經(jīng)選定，因為連接時只要求外齒位于SSS新的輸入輪轂上，這樣安裝會變得相對簡單，而且不需要潤滑，這是一大優(yōu)勢。
新的回傳齒輪位置確認后，在壓縮機和中間塊間組裝了新的過渡套管，從而為裝有回轉(zhuǎn)齒輪的圓盤留出更多的徑向空間和空隙。此外，安裝完套管后，對其進行了改良，使套管內(nèi)部具有充足的排油量。為了支撐附加重量和承受回轉(zhuǎn)齒輪棘輪設(shè)備的反轉(zhuǎn)力矩，對回轉(zhuǎn)齒輪連接點進行了加固。
冷態(tài)調(diào)準(zhǔn)法
如上文所述的最終運行配置中，調(diào)準(zhǔn)整個傳動系的第一步是進行冷態(tài)調(diào)準(zhǔn)。過去多年里，發(fā)電機平衡時始終與壓縮機分開，而壓縮機始終與安裝的700mm的軸保持平衡。但對于2號機組來說，沒有既定的平衡操作，也沒有平衡工具或計劃。壓縮機和發(fā)電機軸上剛性輪轂的位置為冷態(tài)調(diào)準(zhǔn)尺寸提供了依據(jù)。通過加熱輪轂，然后在軸上將其移至更遠的位置，就可以有效地使發(fā)電機轉(zhuǎn)子更靠近壓縮機，反之亦然。
Universidad人員稱，發(fā)電機轉(zhuǎn)子只能偏離磁性中心6mm（大約值），這是除發(fā)電機和壓縮機轉(zhuǎn)子熱膨脹之外的6mm，熱膨脹為5.8mm（0.230英寸）。最后，CFE決定將機器調(diào)準(zhǔn)到近似于原始設(shè)計，這樣發(fā)電機發(fā)電時即可在磁性中心上運行，但是在同步調(diào)相模式下可能會軸向偏移6.35mm。
這種調(diào)準(zhǔn)方法非常有效，但發(fā)動機外殼內(nèi)的游隙處又出現(xiàn)了一個意外的問題。當(dāng)機器從發(fā)電模式轉(zhuǎn)換為同步調(diào)相模式并冷卻后，勵磁機風(fēng)扇就會摩擦外殼。CFE、Sigrama和SSS在元旦進行電話會議后，確定了一個極為簡單的解決方案。即將勵磁機（分離式機器）與配有齒輪聯(lián)軸節(jié)的發(fā)電機連接。將一個5mm的板加入聯(lián)軸節(jié)使其更長一些，即永久性解決了這個問題。
其他新設(shè)備
此工程另外還完成了幾項設(shè)備升級：
拆除設(shè)備齒輪驅(qū)動潤滑油泵后，需要安裝新的電動機驅(qū)動雙缸泵（一個直流驅(qū)動，一個交流驅(qū)動）、新油管、閥門，以及連接至現(xiàn)有的潤滑油供給管路；
安裝一個Woodward電子調(diào)速器，替代機械調(diào)速器；
改良功率繼電器和AVR，以提供同步調(diào)相服務(wù)；
用數(shù)字控制裝置替換原始模擬控制裝置，以管理操作許可、提供系統(tǒng)保護和新操作員界面（圖7）。現(xiàn)有燃氣渦輪次序保持不變。
迎接更多升級
Universidad還準(zhǔn)備進行更多的升級作業(yè)。蒙特雷配電系統(tǒng)的操作電壓為13.8kV（電廠生產(chǎn)電壓）。但是輸送給城市的主輸電電壓為115kV。CFE工程師正考慮增設(shè)一個變壓器，可以讓電廠直接饋電至115kV的系統(tǒng)，繞過市區(qū)13.8kV的配電系統(tǒng)。這樣電廠可以直接將無功功率送入115kV的系統(tǒng)，而MVAR可發(fā)揮最大的功效。
CFE似乎已經(jīng)臨時選定了下一個同步調(diào)相機的改裝場地。為了電網(wǎng)，CFE將蒙特雷劃分為4個部分。Universidad位于北部；拉萊昂納位于西部，也擁有兩臺BB11-L燃氣渦輪；Fundidora位于東部，擁有一臺BB11-L，不過設(shè)備情況尚不確定；南部的 Tecnológico擁有一個較大容量的25-MW BB11-B渦輪，正在積極考慮進行改裝。
Universidad 2號機組同步調(diào)相機升級獲得重大成功，這直接歸功于CFE工程師、供應(yīng)商和工廠員工的跨部門團隊合作（圖8）。2號機組驗證項目成功后，CFE目前正認真考慮對其他舊式燃氣渦輪發(fā)電機進行類似的升級，包括墨西哥的所有品牌和型號。CFE認為，只要舊式燃氣渦輪發(fā)電機維護良好，且位于或可以遷移至無功功率缺乏區(qū)域，就可以在原定退役日期之后繼續(xù)長時間地發(fā)揮巨大的價值。
關(guān)注本刊微信訂閱號