基于軟啟動的汽輪機(jī)盤車優(yōu)化設(shè)計

引言

近年來,國內(nèi)工業(yè)制造技術(shù)不斷升級,汽輪機(jī)市場規(guī)模不斷擴(kuò)大,單機(jī)容量越來越大,高參數(shù)汽輪機(jī)成為主流。但是,燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)中的汽輪機(jī)因為容量小、參數(shù)低,發(fā)展相對緩慢,很多配套設(shè)備仍沿用過去的技術(shù)工藝[1]。我公司汽輪機(jī)盤車裝置啟動方式仍為直接啟動、手動投入,停機(jī)時需要安排人員現(xiàn)場操作,不僅增加了運(yùn)行人員的工作量,也帶來了一定的風(fēng)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(shè)備的自動化水平,按照機(jī)組一鍵啟停的設(shè)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(jī)盤車控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是必要的。

1系統(tǒng)概要

1.1汽輪機(jī)盤車裝置

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

我公司汽輪機(jī)盤車裝置為低速自動盤車裝置。30 kw異步電機(jī)軸帶動主動鏈輪旋轉(zhuǎn),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(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[4]。

1.2存在問題

當(dāng)汽輪機(jī)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(zhuǎn)盤車電機(jī)轉(zhuǎn)子調(diào)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(jī)空載運(yùn)行調(diào)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(dāng)盤車電機(jī)全電壓啟動時轉(zhuǎn)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(dǎo)致鏈條松動出現(xiàn)異響,影響機(jī)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(diào)整盤車齒輪位置、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩平滑的盤車控制裝置。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1異步電機(jī)啟動控制方式

異步電機(jī)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(jī)的啟動過程。根據(jù)基礎(chǔ)理論可知,異步電機(jī)的啟動控制是一種調(diào)速過程,調(diào)速的實質(zhì)是轉(zhuǎn)矩的控制,一般籠型異步電機(jī)的啟動電流是額定電流的4~7倍,啟動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的0.9~1.3倍[6]。異步電機(jī)變壓調(diào)速系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng),以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗換取轉(zhuǎn)速的降低,相對效率低,但結(jié)構(gòu)簡單、成本低,其典型應(yīng)用是軟啟動器;變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng),轉(zhuǎn)差功率基本不變,效率更高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高,其典型應(yīng)用是變頻器[7]。

異步電機(jī)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(diào)節(jié)手段更加豐富。

異步電機(jī)常用的啟動方法對比如表1所示。

通過對比,得出結(jié)論:對于應(yīng)用在盤車裝置的啟動控制,用軟啟動實現(xiàn)全速電機(jī)啟動是最優(yōu)的選擇。通過調(diào)整啟動轉(zhuǎn)矩,減少嚙合過程中對電機(jī)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(yīng)用場景僅用于啟動過程控制,運(yùn)行中無須調(diào)節(jié),用變頻啟動會是一種高配的選擇。

另外,異步電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩與機(jī)端電壓的平方成正比,因此啟動轉(zhuǎn)矩的減小比電壓降低得更多,故啟動轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)才能順利啟動,如果啟動負(fù)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(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱,因此,必須對啟動間隔和頻次做出要求,否則電機(jī)可能會出現(xiàn)過熱而損壞[9]。

2.2軟啟動器硬件設(shè)計

大多數(shù)軟啟動器通過三組反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器組成調(diào)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(jī)可以較小的啟動電流逐漸由靜止爬升到額定轉(zhuǎn)速。不論是電壓控制、電流控制還是轉(zhuǎn)矩控制,都是通過改變觸發(fā)角的角度實現(xiàn),以達(dá)到不同的啟動特性[10]。

當(dāng)電機(jī)達(dá)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?qū)嶋H需要,應(yīng)用場景中調(diào)速需求不高,開環(huán)控制可以滿足電機(jī)的啟動需要。開環(huán)控制的交流變壓調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2所示。

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

應(yīng)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(shè)計圖如圖3所示。

設(shè)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(qiáng)啟盤車電機(jī),對提高裝置的可用率起到積極作用。控制電源為主路降壓獲取。

2.3軟啟動器邏輯設(shè)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(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視且設(shè)備較多。當(dāng)前,DCS已完全可以實現(xiàn)PLC的控制功能,為精簡設(shè)備,節(jié)約設(shè)備成本,提高設(shè)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(yuǎn)方調(diào)整位置且投用時間過長,延誤投入。

經(jīng)過優(yōu)化順控邏輯框圖如圖4所示。

相比于原設(shè)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(zhì)量正相關(guān),盤車嚙合時不需要較大的轉(zhuǎn)矩,過大的轉(zhuǎn)矩會導(dǎo)致齒輪的碰撞[11]。為了進(jìn)一步提高自動投入率,當(dāng)電機(jī)低速轉(zhuǎn)動時,啟動轉(zhuǎn)矩、速度、時間可調(diào),設(shè)置合理的低速轉(zhuǎn)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(zhuǎn)可以調(diào)整到一個齒的轉(zhuǎn)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(nèi),當(dāng)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(fèi)掉。一般來說,汽輪機(jī)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(zhuǎn)和一次反轉(zhuǎn)的嚙合機(jī)會,提高嚙合的質(zhì)量,同時,得益于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)選蠕動,即額定轉(zhuǎn)速的8%,低速正轉(zhuǎn)強(qiáng)度選擇50%,即額定轉(zhuǎn)矩的16.5%。同樣,低速反轉(zhuǎn)選蠕動,即額定轉(zhuǎn)速的9%,低速反轉(zhuǎn)強(qiáng)度選擇50%,即額定轉(zhuǎn)矩的16.5%。

啟動轉(zhuǎn)矩必須大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩,電機(jī)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(diào)整。啟動方式選轉(zhuǎn)矩斜坡'啟動轉(zhuǎn)矩選高慣性曲線'停止方式選無斜坡。

3結(jié)論

經(jīng)過實際應(yīng)用'盤車裝置投入率達(dá)到99%。該方案相比傳統(tǒng)的直接啟動、PLC啟動'簡化了設(shè)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(jī)熱彎曲的風(fēng)險'提高了機(jī)組整體的可靠性。