引言

近年來,國內工業(yè)制造技術不斷升級,汽輪機市場規(guī)模不斷擴大,單機容量越來越大,高參數(shù)汽輪機成為主流。但是,燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)中的汽輪機因為容量小、參數(shù)低,發(fā)展相對緩慢,很多配套設備仍沿用過去的技術工藝[1]。我公司汽輪機盤車裝置啟動方式仍為直接啟動、手動投入,停機時需要安排人員現(xiàn)場操作,不僅增加了運行人員的工作量,也帶來了一定的風險,有電廠就曾發(fā)生過手動投入盤車的傷亡事件。近年來,我公司積極提高設備的自動化水平,按照機組一鍵啟停的設計思路,輔助系統(tǒng)也同樣重要,因此提高盤車系統(tǒng)的自動化水平和可靠性刻不容緩。為此,對汽輪機盤車控制系統(tǒng)進行優(yōu)化是必要的。

1系統(tǒng)概要

1.1汽輪機盤車裝置

盤車裝置的作用是在汽輪機啟動前,低速轉動轉子,檢查是否存在動靜摩擦,減少轉子啟動扭矩,使轉子均勻加熱并減少轉子塑性變形的可能。在機組停機時,保持轉子低速轉動,使轉子均勻冷卻,防止轉子因受熱不均而彎曲[2—3]。

我公司汽輪機盤車裝置為低速自動盤車裝置。30 kw異步電機軸帶動主動鏈輪旋轉,通過傳動鏈條、從動鏈輪、蝸桿、蝸輪、蝸輪軸小齒輪以及惰輪來轉動減速齒輪,減速齒輪則用鍵與主齒輪軸相連接,主齒輪軸跟減速小齒輪相嚙合,而減速小齒輪又與主軸大齒輪嚙合,帶動汽輪機轉子旋轉[4]。

1.2存在問題

當汽輪機盤車嚙合時,因主軸齒輪和盤車齒輪停

止位置的不確定性,手動投入盤車裝置時,為保證嚙合的成功率,需要手動旋轉盤車電機轉子調整齒輪相對位置后再手動嚙合齒輪,此時盤車嚙合深度一般較深。在自動狀態(tài)下,可以通過點動電機空載運行調整齒輪相對位置,為了保證嚙合的成功率,不能將完全嚙合和較深嚙合作為判斷嚙合到位的依據(jù),此時,齒輪間可能存在較大的空隙,當盤車電機全電壓啟動時轉矩較大,多出現(xiàn)撞擊脫開,自動投入成功率不高[5]。有時會出現(xiàn)齒輪撞擊打齒,對齒輪造成一定損傷。長期直接啟動的拉伸,多導致鏈條松動出現(xiàn)異響,影響機組的可靠性。

為了解決以上問題,需要一種以“輕柔”的方式嚙合盤車、可調整盤車齒輪位置、電機輸出轉矩平滑的盤車控制裝置。

2系統(tǒng)設計

2.1異步電機啟動控制方式

異步電機的啟動方式有直接啟動和降壓啟動,降壓啟動分為星三角啟動、軟啟動和變頻啟動。本文的目的是控制電機的啟動過程。根據(jù)基礎理論可知,異步電機的啟動控制是一種調速過程,調速的實質是轉矩的控制,一般籠型異步電機的啟動電流是額定電流的4~7倍,啟動轉矩是額定轉矩的0.9~1.3倍[6]。異步電機變壓調速系統(tǒng)是一種轉差功率消耗型調速系統(tǒng),以增加轉差功率的消耗換取轉速的降低,相對效率低,但結構簡單、成本低,其典型應用是軟啟動器;變壓變頻調速系統(tǒng)是一種轉差功率不變型調速系統(tǒng),轉差功率基本不變,效率更高,但結構復雜、成本高,其典型應用是變頻器[7]。

異步電機不同方式啟動電流如圖1所示。

從圖1可以得知,在降壓啟動過程中,電流隨電壓正比下降,可以躲避啟動電流的沖擊,避免對廠用電的影響。星三角啟動時,在切換過程中有兩次沖擊,軟啟動器啟動可以通過限制啟動電流,避免沖擊,其方式更加可控,調節(jié)手段更加豐富。

異步電機常用的啟動方法對比如表1所示。

通過對比,得出結論:對于應用在盤車裝置的啟動控制,用軟啟動實現(xiàn)全速電機啟動是最優(yōu)的選擇。通過調整啟動轉矩,減少嚙合過程中對電機和齒輪的沖擊,降低啟動電流,減小對廠用電的沖擊。因為此應用場景僅用于啟動過程控制,運行中無須調節(jié),用變頻啟動會是一種高配的選擇。

另外,異步電機的啟動轉矩與機端電壓的平方成正比,因此啟動轉矩的減小比電壓降低得更多,故啟動轉矩必須大于負載轉矩,電機才能順利啟動,如果啟動負載過重,可以在啟動時突加脈沖電流加速啟動[8]。啟動過程還會導致電機發(fā)熱,因此,必須對啟動間隔和頻次做出要求,否則電機可能會出現(xiàn)過熱而損壞[9]。

2.2軟啟動器硬件設計

大多數(shù)軟啟動器通過三組反并聯(lián)晶閘管作為調壓器組成調壓回路,通過控制晶閘管的觸發(fā)角,使電壓升高至全電壓。此時,電機可以較小的啟動電流逐漸由靜止爬升到額定轉速。不論是電壓控制、電流控制還是轉矩控制,都是通過改變觸發(fā)角的角度實現(xiàn),以達到不同的啟動特性[10]。

當電機達到額定電壓,啟動完成,自動切換到旁路接觸器,避免晶閘管不必要的長期工作,延長晶閘管的使用壽命。

因實際需要,應用場景中調速需求不高,開環(huán)控制可以滿足電機的啟動需要。開環(huán)控制的交流變壓調速系統(tǒng)原理如圖2所示。

為實現(xiàn)遠方邏輯判斷和順序控制,還需以下功能:數(shù)字量輸入(遠方啟停、點動、重置故障)、數(shù)字量輸出(故障、運行狀態(tài))、模擬量輸出(電流),具備常用電壓斜坡、電流斜坡、轉矩斜坡啟動方式,內置電機保護(短路保護、接地故障保護、堵轉保護、電流不平衡保護等)。除上述功能,兼顧安全需要,保留原設計的強啟盤車和電機非驅動端軸伸蓋閉鎖功能,避免不安全事件的發(fā)生,在確保運行人員安全的同時,提升盤車裝置的投用率。

應用于盤車裝置的軟啟動器屬于重載啟動,匹配容量一般要選高一等級的裝置。本案例選用ABB的PSTX72軟啟動器,設計圖如圖3所示。

設計圖中,軟啟動器并列一路接觸器、熱繼電器回路為冗余配置,該回路在軟啟動器故障時可以強啟盤車電機,對提高裝置的可用率起到積極作用?？刂齐娫礊橹髀方祲韩@取。

2.3軟啟動器邏輯設計

對于邏輯實現(xiàn),部分盤車系統(tǒng)采用就地PLC(Programmable Logic Controller)控制,其邏輯都由PLC實現(xiàn),DCS(Distributed C0ntr0l System)只有指令和狀態(tài),不利于運行狀態(tài)監(jiān)視且設備較多。當前,DCS已完全可以實現(xiàn)PLC的控制功能,為精簡設備,節(jié)約設備成本,提高設備的穩(wěn)定性,盤車裝置的控制由DCS實現(xiàn)。原啟動邏輯只有一次嚙合,嚙合成功率較低,無法在遠方調整位置且投用時間過長,延誤投入。

經過優(yōu)化順控邏輯框圖如圖4所示。

相比于原設計邏輯,同樣是一次嚙合的過程,優(yōu)化邏輯能更快更好地投入。

盤車投入成功率與嚙合質量正相關,盤車嚙合時不需要較大的轉矩,過大的轉矩會導致齒輪的碰撞[11]。為了進一步提高自動投入率,當電機低速轉動時,啟動轉矩、速度、時間可調,設置合理的低速轉動參數(shù),一次嚙合就可以實現(xiàn)較高的嚙合成功率。正反轉可以調整到一個齒的轉動范圍,此時齒輪可以蠕動嚙合。為了防止嚙合過程的齒輪撞擊,要控制嚙合速度在合理的范圍之內,當脫開電磁閥動作,放氣電磁閥需要打開,因為放氣速度的原因,此過程一般比較緩慢。如果嚙合位置不合適,多次嚙合脫開時間會浪費掉。一般來說,汽輪機停止后,盤車投入時間越短越好,對于防止大軸彎曲有積極的作用。此時,不脫開狀態(tài)下持續(xù)嚙合效率最高。相比于傳統(tǒng)的嚙合方式,以增加一次正轉和一次反轉的嚙合機會,提高嚙合的質量,同時,得益于轉矩的控制,幾次嚙合不需要盤車脫開,避免了多次嚙合脫開造成的時間延誤。

2.4啟動方式選擇

根據(jù)現(xiàn)場需要,低速正轉選蠕動,即額定轉速的8%,低速正轉強度選擇50%,即額定轉矩的16.5%。同樣,低速反轉選蠕動,即額定轉速的9%,低速反轉強度選擇50%,即額定轉矩的16.5%。

啟動轉矩必須大于負載轉矩,電機才能啟動。需要輔助脈沖電流'保證啟動的順暢'參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場試驗調整。啟動方式選轉矩斜坡'啟動轉矩選高慣性曲線'停止方式選無斜坡。

3結論

經過實際應用'盤車裝置投入率達到99%。該方案相比傳統(tǒng)的直接啟動、PLC啟動'簡化了設備'極大地提高了盤車自動投入成功率'減少了齒輪磨損'延長了鏈條使用壽命'降低了汽輪機熱彎曲的風險'提高了機組整體的可靠性。