CTG Universidad电厂由ComisiónFederal de Electricidad(CFE)所有，电厂装有一座双机组燃气轮机，于1970年末开始试运行，电厂位于蒙特雷北部(蒙特雷是墨西哥的第三大城市和重要的工业中心)。上世纪90年代，这两台14MW的涡轮机因过时而很少使用，并计划于2010年拆除。但2002年，由于缺乏充足的无功功率生产，蒙特雷部分地区开始进行限电，因此这座工厂获得了新的机会。
CFE是墨西哥国家政府机构，负责为该国3500万客户提供发电、输电和配电服务，而独立发电厂(productoresindependientes de energía)目前的装机容量占墨西哥已装机容量的22.9%。CFE目前拥有和运营187座电厂，总容量达52GW。
图1 Universidad电厂于1970年末投入商业运行，配备两台BrownBoveri BB11-L燃气涡轮，其功率均为14MW。图中右侧靠前的设备是励磁机，可在启动时作为电动机。中间是发电机。后面是双燃料燃烧室，安装在分离式涡轮和压缩机段的顶部。该设备运行状况很好，因此被Universidad选中，用于升级业主的首台燃气涡轮同步调相机
蒙特雷又称为“墨西哥的匹兹堡”，是东北部新莱昂州的首府，同时也是墨西哥最富裕的城市之一，该城市是拥有大量国际公司的工业中心。蒙特雷(占墨西哥工业基地的25%)尤其以金属行业(主要是钢铁行业)闻名。蒙特雷钢铁加工厂的年产量大约占墨西哥钢铁总产量的一半。在墨西哥，民用负载相对较高(占CFE客户的88.4%)，但在高工业负载区域内(如蒙特雷)，1%客户所消费的电量往往占据电力总销售量的一半以上。
图2 图中左前方是放置在工作台上准备安装的2号机组的发电机(带离合器)。机组控制面板位于励磁机正面。图中后方，一位技术人员正在观察覆盖轴、回转齿轮和润滑油泵的顶部外壳，这些部件即将被拆卸并装上SSS离合器
CFE的Universidad发电厂位于蒙特雷北部的一个高度工业化区域，这座燃气涡轮电厂于1970年建成，见证了该地区快速的发展历程(图1)。Universidad电厂拥有两台Brown Boveri BB11-L双燃料(天然气和柴油)燃气涡轮，其额定功率均为14MW(发电机额定功率为20MW)。电厂在最初10年的运行中，为这个处于发展中的工业区域提供了基本的负载电力。随着用电需求的持续增长，该区域为了更好地供电，又修建了一些容量更大的高效率联合循环电厂，而这些电厂都位于市区外。
BB11-L机组过时后不久，只用来提供峰值负载，并很少使用。该电厂在本世纪头十年的中期，就已经计划退役，并在2010年末拆除。但出乎意料的是，不久之后就证实了该电厂所处的位置对CFE来说极具价值。
图3 1970年生产的14 MW BrownBoveri BB11-L是由很多独立模块在现场组装而成的一个燃气涡轮传动系。黑色方块为传动系轴承的位置，止推轴承位于涡轮和压缩机轴的连接处。理论上要拆下这根700mm的轴，并装上一个离合器。除了装入离合器，还要选择一个新的位置用来安装回转齿轮，用一个直流/交流泵替换齿轮驱动主润滑油泵，用一个电子调速器替换机械调速器。用螺栓将启动电动机/励磁机固定在发电机轴的外侧
意料之外的效益
2002年，CFE发现行业客户的用电处于极度敏感的状态。电线负载受到限制、电线压降让人无法忍受，无功功率的需求日益增长。事实上，墨西哥国家能源控制中心已经在墨西哥电网中发现了几个无功功率不足的区域。其中一个区域就位于蒙特雷的Universidad附近。在过去数年，该电厂在运行时会生产所需的无功功率，但后来停产。为了向靠近终端用户的配电线路中添加无功功率，确认了最佳的、成本最低的解决方案，以允许额外的实际功率流入蒙特雷市中心的电网。
2002年12月，当时负责墨西哥东北地区生产部的CFE副总经理Lino Cárdenas Villarreal，开始探索在本地生产无功功率的替代方案。当时在蒙特雷机场附近刚刚修建了一座配有阿尔斯通GT24单传动系的联合循环电厂，该电厂可作为同步调相机。
从该电厂获得一些新的经验后，Cárdenas咨询SSS Clutch公司(SSS)，是否这两台Universidad机组可作为改装的备选设备。同步调相机是一种连接到电网的同步电动机，无负载、可自由转动。通过调节稳压器，发电机(目前是电动机)可吸收或生产无功功率，从而可相应调节电网电压和提高功率因子，尤其在长输电线路的终端。CFE很快发现，之前14MW的BB11L从未作为同步调相机使用。但是，SSS了解设备的设计后，认为此项目可以实施。
图4 从位于压缩机(左)和发电机之间的总成(右)上拆下顶部外壳(如图2所示)。空转齿轮(中)将主润滑油泵(前)连接至主轴。这张照片是在用新型SSS离合器更换700mm延伸轴(连接压缩机和发电机)前拍摄的
尽管已经明确了项目的需求和可行性，但数年来资金一直未获得审批。最后，CFE于2009年末进行了公开招标，项目内容包括改装Universidad 2号机组，以及在正常发电模式下作为同步调相机运行。“CFEUniversidad BB-11L同步调相改装”项目的中标方为墨西哥科阿韦拉州托雷翁的Industria Sigrama S.A. de C.V.公司。IndustriaSigrama公司负责整个项目的管理任务、新控制系统的设计和安装，以及电气保护和协调。Industria Sigrama公司选择Edel Ingenieros S.A. deC.V.为项目提供机械工程服务，其中包括：改良压缩机联轴器和外壳以容纳SSS离合器，改良回转齿轮，为改良后的润滑油系统、过滤器、管道、仪表提供安装服务。
项目的最终规范要求，在位于压缩机和发电机之间的BB11-L的中部装置块中安装一个SSS离合器(160FT)。当需要同步调相负载时，该位置可以实现压缩机和发电机的完全机械分离。该项目还包括对采用数字控制的机组控制系统进行现代化改装，以及更换润滑油泵，原因如下(图2)。
图5 两个原始轮毂均40年未被移动，因此研究人员担忧拆卸作业会非常困难。而借助50t级千斤顶和直接加热法，拆卸作业很快就完成了。图中显示的是在压缩机轴上安装的新轮毂。这个轮毂不仅为锥形而且有三个销槽，呈不均等设计
2010年10月完成了全新数字控制系统的安装和测试，随后立即安装了新的离合器，这是最终安装任务之一。2010年12月21日，该设备在发电和同步调相两种模式下成功重新启动并运行(参见表格了解主要项目日期)。从此，新配置的2号机组便可发挥双重作用，可由CFE发电部门用于发电，或被CFE输配电机构用于提供无功功率，以稳定电网。
独特的涡轮设计
虽然已经确定SSS项目具有可行性，但并不表示这台运行40年之久的燃气涡轮的改装会非常容易，或不需要克服太多技术难题。与同级别的现代涡轮机不同，现代涡轮机抵达安装现场时已经预先在一个滑轨上进行了封装，然后可以直接安放在基础螺栓上;而BB11-L则是在现场组装相互独立的模块，形成一个传动系(图3)：涡轮、压缩机、回转齿轮、主润滑油泵和发电机/励磁机。
BB11-L的正常操作也很特别：励磁机用作启动电源，切换到运行状态时为直流电动机。当动力传动达到2000rpm时，直流启动电动机切换为直流发电机(或转动励磁机)以作为主发电机。一般情况下，自动调压器(AVR)决定着发电机终端的电压。当发电机随后与电网同步时，发电机可以通过调节功率因子控制器，而选择供应实际功率还是无功功率，制造商设定的范围为+15 MVAR~10 MVAR。
图6 一旦加工完新的轮毂并安装到压缩机和发电机轴上时，SSS离合器的安装也就大功告成。下一步是重新安装顶部外壳。图中靠前位置显示的是，用电动机驱动式新型直流/交流润滑油泵替换老式齿轮驱动主润滑油泵
征服挑战
对较老的设备进行改装，如BB11-L，从概念到实际完成往往还须跨越一大步。概念设计是拆除连接压缩机和发电机的一根现有的700mm的轴，然后装上一个离合器组件，作为挠性联轴节，可以在发电过程中承受一定量的失准，在同步调相机运行过程中又可以断开。除了离合器，还计划安装一个新的齿式联轴节输入轮毂(在压缩机输出轴上)和一个新的输出轮毂(在发电机输入轴上)。这种方法需要拆卸和重新安置传动系回转齿轮，并且拆卸和替换电动机驱动的润滑油泵(图4)。
传动系的初始设计是在发电模式下沿着发电机的方向延伸，可大约达到1/4英寸。但是在同步调相模式下燃气涡轮没有运行，因此没有出现预期的轴位移情况。于是SSS需要设计一个可以容纳该传动系位移的离合器组件。此外，离合器的重量比这根700mm短管重。
图7 用数字控制系统(右)替换上世纪70年代的旧式模拟控制装置(左)，可管理设备的新操作次序和控制要求。燃气涡轮启动次序管理和原始控制装置一致
最终的传动系设计
该项工程的第一阶段是对推荐的传动系(配有新离合器，没有之前的回转齿轮和齿轮驱动的主润滑油泵)进行转子动力分析研究。进行分析研究的主要原因与离合器配置有关。这是一种半刚性离合器，脱离时可分为两半部分：一半由压缩机支撑，另一半由发电机轴支撑。SSS工程师确认悬臂力矩(离合器两半部分相对于现有轴承位置所增加的重量)会过大。
另外，通过使用一个垫圈型离合器，轮毂可以在压缩机轴上翻转。这种轮毂设计可以减少悬臂力矩，抵消额外的重力影响。进行转子动力研究后，确认此方案是可行的。
但是，CFE更倾向于保留之前的轮毂(特别是发电机)，因为它们具有独特的锥形孔和三销槽设计，而且CFE工程师担忧拆卸后会产生问题，毕竟轮毂40年都没有拆过(图5)。这种固定离合器的方法要求SSS制造一种大而重的适配器，因为离合器外径明显大于现有的轮毂。第二次转子动力研究证明该方案不可行，因为会产生3600rpm的横向临界速度，和传动系的运转速度相同。该方案随即被放弃，而选择了最初的更换现有轮毂的方案。
图8 图中是项目的主要参与者。SSS的总裁Morgan Hendry未出现在照片中，因为当时他正在为大家拍照。在设施的整个施工和启动过程中有三任Universidad厂长参与，可见大家对该工程项目的参与热诚
幸运的是，从40年的旧轴上拆卸轮毂后，并没有出现预计的问题。借助一个50t级的液压千斤顶，并直接进行加热，从轴上取下了轮毂。两个锥形刚性轮毂(均配有不等距销槽，三个销槽如图5所示)被拆下后，便被运往英国的SSS工厂。在该厂中用坐标测量机测量了高精度尺寸数据，然后对新的锥形刚性轮毂进行加工，以匹配压缩机和发电机轴，以及相配的SSS离合器轮毂。
即使有新的拼合式轮毂，安装离合器时仍需要1英寸额外的最小轴向空间。不幸的是，由于推力轴承，涡轮无法轴向移动，发电机的移动也受到限制。相应的解决方案是，拆卸励磁机风扇空出足够的轴向空间来拆卸700mm轴，并安装新的离合器。随后在这些轴上安装新的轮毂和离合器(图6)。
新的回转齿轮位置
如前所述，想要安装SSS离合器就必须拆卸传动系回转齿轮和齿轮驱动式润滑油泵。用电动机驱动式泵替换齿轮驱动式润滑油泵时未出现问题。但是在关闭过程中要确保超长传动系一直保持直线状态，回转齿轮必不可少，因此必须重新对其进行安置。
此外，新的回转齿轮必须位于离合器输入端，这样才能在发电机处于同步调相模式以及退出发电模式时，转动涡轮进行冷却。考虑了三个具体位置：涡轮非高温侧，压缩机和涡轮之间，压缩机进口蜗壳处(径向空间有限)。压缩机的位置已经选定，因为连接时只要求外齿位于SSS新的输入轮毂上，这样安装会变得相对简单，而且不需要润滑，这是一大优势。
新的回传齿轮位置确认后，在压缩机和中间块间组装了新的过渡套管，从而为装有回转齿轮的圆盘留出更多的径向空间和空隙。此外，安装完套管后，对其进行了改良，使套管内部具有充足的排油量。为了支撑附加重量和承受回转齿轮棘轮设备的反转力矩，对回转齿轮连接点进行了加固。
冷态调准法
如上文所述的最终运行配置中，调准整个传动系的第一步是进行冷态调准。过去多年里，发电机平衡时始终与压缩机分开，而压缩机始终与安装的700mm的轴保持平衡。但对于2号机组来说，没有既定的平衡操作，也没有平衡工具或计划。压缩机和发电机轴上刚性轮毂的位置为冷态调准尺寸提供了依据。通过加热轮毂，然后在轴上将其移至更远的位置，就可以有效地使发电机转子更靠近压缩机，反之亦然。
Universidad人员称，发电机转子只能偏离磁性中心6mm(大约值)，这是除发电机和压缩机转子热膨胀之外的6mm，热膨胀为5.8mm(0.230英寸)。最后，CFE决定将机器调准到近似于原始设计，这样发电机发电时即可在磁性中心上运行，但是在同步调相模式下可能会轴向偏移6.35mm。
这种调准方法非常有效，但发动机外壳内的游隙处又出现了一个意外的问题。当机器从发电模式转换为同步调相模式并冷却后，励磁机风扇就会摩擦外壳。CFE、Sigrama和SSS在元旦进行电话会议后，确定了一个极为简单的解决方案。即将励磁机(分离式机器)与配有齿轮联轴节的发电机连接。将一个5mm的板加入联轴节使其更长一些，即永久性解决了这个问题。
其他新设备
此工程另外还完成了几项设备升级：
拆除设备齿轮驱动润滑油泵后，需要安装新的电动机驱动双缸泵(一个直流驱动，一个交流驱动)、新油管、阀门，以及连接至现有的润滑油供给管路;
安装一个Woodward电子调速器，替代机械调速器;
改良功率继电器和AVR，以提供同步调相服务;
用数字控制装置替换原始模拟控制装置，以管理操作许可、提供系统保护和新操作员界面(图7)。现有燃气涡轮次序保持不变。
迎接更多升级
Universidad还准备进行更多的升级作业。蒙特雷配电系统的操作电压为13.8kV(电厂生产电压)。但是输送给城市的主输电电压为115kV。CFE工程师正考虑增设一个变压器，可以让电厂直接馈电至115kV的系统，绕过市区13.8kV的配电系统。这样电厂可以直接将无功功率送入115kV的系统，而MVAR可发挥最大的功效。
CFE似乎已经临时选定了下一个同步调相机的改装场地。为了电网，CFE将蒙特雷划分为4个部分。Universidad位于北部;拉莱昂纳位于西部，也拥有两台BB11-L燃气涡轮;Fundidora位于东部，拥有一台BB11-L，不过设备情况尚不确定;南部的 Tecnológico拥有一个较大容量的25-MW BB11-B涡轮，正在积极考虑进行改装。
Universidad 2号机组同步调相机升级获得重大成功，这直接归功于CFE工程师、供应商和工厂员工的跨部门团队合作(图8)。2号机组验证项目成功后，CFE目前正认真考虑对其他旧式燃气涡轮发电机进行类似的升级，包括墨西哥的所有品牌和型号。CFE认为，只要旧式燃气涡轮发电机维护良好，且位于或可以迁移至无功功率缺乏区域，就可以在原定退役日期之后继续长时间地发挥巨大的价值。
原标题：将旧式燃机作为同步调相机，原来这样改造也可以！
