核電汽輪機SSS主盤車裝置故障分析與處理

王芳森 李誠

摘要：介紹了東汽核電汽輪機SSS主盤車裝置結構、工作原理及運行，重點對主盤車裝置在電廠出現的故障進行分析與處理，并提出了主盤車安裝、調試過程中應注意的事項，為同類型主盤車裝置安裝、調試以及運行維護提供了參考和借鑒。

關鍵詞：主盤車;嚙合;脫開;故障;分析;處理

引言

汽輪機盤車裝置是汽輪發電機組啟動前及停機后帶動軸系旋轉的驅動裝置，其主要作用是在機組沖轉前和停機后連續盤車，確保轉子受熱均勻，避免轉子發生彎曲、變形。盤車可以減少機組啟動時蒸汽沖轉啟動力矩，還可以用來檢查機組是否存在動靜摩擦。目前，由東方汽輪機有限公司引進的法國ALSTOM技術半轉速核電汽輪機已用于多個核電項目，其主盤車設備均采用SSS公司生產的電液操縱低速自動盤車裝置，盤車轉速為8r/min。本文通過對電廠調試過程中出現的盤車脫開不到位、齒輪嚙合時損壞等問題進行原因分析，并排查處理，確保了主盤車裝置正常運行。

1.主盤車安裝特征及結構

1.1主要安裝特征

核電汽輪機主盤車安裝布置在機組前軸承箱，減速離合器安裝在前軸承箱內，盤車電機通過電機支座安裝固定在前軸承箱外的前箱底板上，減速離合器與電機之間通過液力聯軸器進行連接（見圖1）。

圖1 主盤車安裝布置示意圖

1.2主盤車結構

主盤車裝置主要由盤車電機（45kw，380v，750rpm）、液力聯軸器、減速離合器、盤車大齒輪等主要部件，以及電子控制器、軟啟動器、電磁閥、轉速探測器、嚙合/脫開位置開關等輔助部件組成（見圖2）。

減速離合器是主盤車裝置的主體部分，由減速器（一組減速比為29.5：1的蝸輪蝸桿）和離合器（帶有螺旋滑道的盤車軸及軸上的離合器小齒輪）兩部分組成，盤車電機通過聯軸器與渦桿連接，蝸桿旋轉帶動渦輪旋轉從而帶動盤車軸及軸上的離合器小齒輪旋轉。液力聯軸器由液力聯軸器和撓性聯軸器組成，配備有監控聯軸器溫度的測溫探頭。盤車大齒輪安裝在高中壓轉子端部，通過與離合器小齒輪的嚙合而盤動轉子，是盤車裝置與轉子間的接口。電磁閥控制著嚙合動力油的通斷。轉速探測器有大齒輪轉速探測器P1、P2和盤車電機轉速探測器P3共3個。位置開關S2、位置開關S3分別用于檢測離合器是否嚙合、脫開。盤車軟啟動器已經由SSS公司按期望的軟啟動參數設置好，實現在20秒內將電機電壓逐漸達到額定電壓。電子控制器通過與電站主控室的交換信號，以及各探測器采集到的信號，控制整個盤車裝置的運行。

圖2 主盤車結構示意圖

2.主盤車工作原理及運行

2.1主盤車工作原理

2.1.1主盤車嚙合

主盤車嚙合過程（見圖3）：電磁閥帶電打開，嚙合動力油通過電磁閥進入推力環形腔室并推動離合器小齒輪沿著螺旋滑道朝嚙合方向移動，使合裝在小齒輪上的相位齒輪與盤車大齒輪端面接觸。當盤車旋轉使相位齒輪和盤車大齒輪的輪齒與齒槽相互對上時，小齒輪在嚙合動力油的推動下實現與盤車大齒輪部分嚙合。隨后，電磁閥失電關閉，嚙合動力油被切斷，盤車旋轉引起在螺旋滑道上的力矩，使得盤車小齒輪繼續軸向移動，實現離合器完全嚙合，嚙合位置開關動作，盤車正常投入，帶動軸系旋轉。

圖3 主盤車嚙合過程示意圖

2.1.2主盤車脫開

主盤車脫開過程（見圖4）：當汽輪機轉速超過盤車轉速時，盤車大齒輪對離合器小齒輪有一個反向力矩，使得小齒輪沿著螺旋滑道朝脫開方向移動并脫離嚙合。當小齒輪從大齒輪脫離接觸后，由于小齒輪本身內部腔室有來自潤滑油系統的持續供油，推動小齒輪繼續軸向移動至脫開位置，實現完全脫開，脫開位置開關動作。持續供油還保證了小齒輪上的相位齒輪與大齒輪之間端部有足夠的安全間距，絕不接觸。

圖4 主盤車脫開過程示意圖

2.2主盤車運行

2.2.1機組停止狀態投盤車

盤車電子控制器接收來自電站主控室啟動盤車指令時，根據轉速探測器（P1，P2，P3）確認汽輪機及盤車轉速為0，判斷汽輪機及盤車處于停止狀態，經15s延時后電磁閥帶電打開，嚙合動力油推動小齒輪沿著螺旋滑道朝嚙合方向移動并預嚙合;電磁閥動作后再經30s延時，盤車電機啟動，電磁閥失電（嚙合動力油斷開），最后在盤車力矩作用下實現完全嚙合，嚙合開關動作，盤車投入運行。

2.2.2機組降速過程投盤車

（1）在電站主控“汽輪機頂軸和盤車系統”指令關閉的狀態下：盤車電子控制器接收來自電站主控室啟動盤車指令時，根據轉速探測器（P1，P2，P3）確認汽輪機轉速大于盤車轉速，盤車電機啟動，當汽輪機轉速降至盤車轉速時，電磁閥帶電，開始嚙合，之后電磁閥失電，最后小齒輪與大齒輪完全嚙合，帶動軸系旋轉。

（2）在電站主控“汽輪機頂軸和盤車系統”指令開啟的狀態下：頂軸油泵自動啟動延時15s后盤車電機自動啟動，當汽輪機轉速降至盤車轉速時，電磁閥帶電，開始嚙合，之后電磁閥失電，最后小齒輪與大齒輪完全嚙合，帶動軸系旋轉。

3.主盤車裝置故障分析處理

3.1離合器小齒輪退不到脫開位置

浙江某核電項目1號機主盤車首次進行調試過程中，當停止主盤車后，發現盤車大齒輪與相位齒輪端部間距僅為3mm（由于機組運行時轉子將會受熱膨脹，設計要求冷態下小齒輪在完全脫開位置時，此間距為27.2mm），離合器小齒輪遠未退至脫開位置，位置開關S3不能觸發。

根據盤車停止過程的工作原理，當小齒輪從大齒輪脫離接觸后，推動小齒輪至脫開位置的動力是小齒輪本身內部腔室有來自潤滑油系統的持續供油（見圖5）。持續供油壓力非常小，小齒輪能否回到脫開位置與油壓、螺旋滑道上的摩擦力以及離合器裝配等因素有關。因此，解決小齒輪未退回脫開位置主要從上述因素進行排查處理。

圖5 離合器小齒輪脫開示意圖

（1）主盤車設備由SSS公司在廠內試驗合格后整體供貨，經運輸、安裝后，不能排除設備本身沒有問題。但電廠既無相關圖紙，也無拆裝經驗，無法對離合器及其裝配尺寸進行檢查。

（2）通過人工手動推動離合器小齒輪，小齒輪能夠順暢地嚙合和脫開，且螺旋滑道以及與小齒輪相接觸的相關設備表面均光滑清潔，未見增大摩擦作用的任何劃痕、異物等。

（3）對于油壓的檢查主要從潤滑油系統提供的母管油壓和前箱內部油管路兩方面進行，因為這兩方面直接影響到小齒輪內腔油壓大小。

1）經檢查，潤滑油母管油壓1.4bar，達不到系統設計不小于1.5bar的要求。通過調整壓力調節閥，提高潤滑油母管壓力至1.8bar。

2）根據設計圖紙，小齒輪內部腔室潤滑油從前箱潤滑油裝置，先后經過前箱內部Φ60.3×2.77油管、Φ21.3×2.77油管（兩油管用轉換接頭連接），通過盤車軸中心孔最后進入小齒輪內部腔室。現場測量盤車軸端部中心孔入口油壓為0.7bar，該油壓與潤滑油母管壓力1.8bar相比較低，隨即對油管路進行拆除檢查，油管尺寸符合圖紙設計要求且無堵塞，但發現用于安裝轉換接頭的接管座內徑Φ10與圖紙設計尺寸Φ14不符。對接管座按圖紙擴孔后，測量盤車軸端部中心孔入口油壓為0.8bar。

采取上述提高小齒輪內腔油壓的措施后，啟動、停運盤車，離合器小齒輪仍未能退至脫開位置。

（4）小齒輪在脫開的過程中，小齒輪進入推力環形腔室（腔室通過金屬軟管與軸承箱外的三通電磁閥相連），此過程電磁閥處于失電狀態，嚙合動力油是斷開的，推力環形腔室通過電磁閥及其排油金屬軟管與軸承箱底部相連，將積留在腔室及金屬軟管內的潤滑油排至軸承箱。檢查發現，電磁閥安裝位置較低，電磁閥排油口及其金屬軟管低于軸承箱底部接口標高，導致排油金屬軟管排油不暢且形成一定背壓，阻礙小齒輪脫開。在提高電磁閥安裝位置，確保電磁閥排油口及其金屬軟管高于軸承箱底部接口后，再次啟動、停運盤車，小齒輪正常退回至脫開位置。

通過提高油壓和電磁閥安裝位置標高后，成功解決了該機組主盤車離合器小齒輪退不到完全脫開位置的問題。

3.2相位齒輪預嚙合時損壞

廣東某核電站3號機熱試期間，在做廠用電源切換試驗時，盤車重新啟動后離合器小齒輪未能與盤車大齒輪嚙合，檢查發現，相位齒輪部分輪齒損壞。

電源切換試驗過程中，頂軸油泵和盤車同時接收來自電站主控室停止指令后，同時停運，汽輪機轉子在很短時間內停止轉動（汽輪機轉速為0），而盤車電機因惰走時間較長仍在旋轉（盤車轉速不為0）。當停止指令發出后不久，盤車電子控制器接收來自電站主控室啟動指令，根據盤車電子控制器控制邏輯，汽輪機轉速為0，電磁閥帶電，小齒輪沿螺旋滑道朝嚙合方向移動。由于此時盤車仍然處于惰走旋轉階段，與汽輪機轉速不一致，無法完成初步嚙合，旋轉的相位齒輪與大齒輪相撞，造成材質為軟鋼的相位齒輪部分輪齒端部被撞壞。

為避免相位齒輪預嚙合時被打壞，由SSS公司對盤車電子控制器的控制邏輯進行修改，增加了對小齒輪的保護邏輯，即汽輪機停機狀態下（汽輪機轉速為0），同時盤車轉速為0，盤車方能啟動。否則，汽輪機停機狀態下盤車轉速不為0，盤車電子控制器報警，盤車停止啟動。修改邏輯后，相位齒輪損壞問題得以解決，確保了主盤車安全啟動。

3.3主盤車裝置常見故障處理

主盤車裝置常見故障及處理方法見下表，電廠在調試、運行過程中若出現表中的問題，可按故障可能原因逐一排查處理。

故障現象

故障可能原因

故障處理方法

小齒輪不能實現嚙合

1）潤滑油母管油壓過低

調整潤滑油壓力調節閥，提高潤滑油壓力

2）油管或電磁閥堵塞

清洗油管或電磁閥

3）電磁閥損壞

更換電磁閥

減速離合器有異音

1）減速離合器上有異物

清理減速離合器上的異物

2）離合器小齒輪與盤車大齒輪之間的齒隙與要求不符

調整齒隙滿足1.02～1.27mm

3）離合器小齒輪與盤車大齒輪之間齒面接觸不良

調整減速離合器位置，使齒面接觸滿足要求

位置開關檢測不到嚙合或脫開狀態

1）傳感器設備故障

更換位置開關

2）電氣連接問題

檢查電氣接線是否正確并修正

3）傳感器與觸發表面安裝間隙過大

按要求調整安裝間隙

轉速探測器讀數為0

1）探測器安裝位置不正確

調整探測器位置

2）電氣連接問題

檢查電氣接線是否正確并修正

3）探測器設備故障

更換探測器

盤車電流大

1）轉子軸頸未頂起或頂起不良

通過頂軸油分配器調整頂軸油壓力，確保轉子軸頸垂直和水平方向頂起值均滿足要求

2）通流動靜部件碰磨

檢查、消除碰磨

4.主盤車裝置安裝、調試注意事項

4.1主盤車安裝注意事項

安裝質量的好壞直接影響到主盤車的正常運行，安裝或檢修過程中，應注意：

（1）調整離合器位置時，冷態下相位齒輪與盤車大齒輪端部間隙為27mm;離合器小齒輪與盤車大齒輪之間的齒隙須在1.02～1.27mm范圍內，齒面接觸（用紅丹粉或藍油檢查）橫跨大齒輪齒寬表面80%以上。

（2）盤車電機與減速離合器聯接：蝸桿與裝在蝸桿上的撓性聯軸器的中心及平行度≤0.05mm;撓性聯軸器與盤車電機轉軸中心≤0.5mm;電機轉軸與裝于其上的液力聯軸器的中心及平行度≤0.05mm。

（3）安裝轉速探測器時，確保轉速探測器與觸發表面間隙2±0.5mm。

（4）安裝三通電磁閥時，確保電磁閥各接口與金屬軟管連接正確且金屬軟管無彎折，同時保證電磁閥排油口及其金屬軟管標高比軸承箱底部接口高。

（5）檢查油管、接頭、節流孔板等與盤車裝置連接的零部件尺寸滿足設計要求，清潔無堵塞。

4.2主盤車調試注意事項

主盤車啟動前，應注意以下幾點：

（1）潤滑油油質必須合格，潤滑油母管壓力（汽輪機中心線標高處）1.8～2.0bar為宜。

（2）頂軸油壓力正常，轉子軸頸頂起滿足頂起值：垂直方向0.08～0.13mm，水平方向0.05～0.10mm。

（3）全面檢查盤車裝置相關設備電路接線是否正確。

（4）檢查盤車電機旋轉方向是否正確。

主盤車啟動、運行、停止過程中，注意監視盤車嚙合、脫離嚙合是否按照電站主控邏輯以及盤車控制器邏輯進行。

5.結束語

在后續的多次試驗證明，持續供油油壓是影響小齒輪能否退至脫開位置的主要原因，找出油壓低的因素并采取相應措施是解決此類問題的主要途徑。另外，離合器自身裝配、電磁閥安裝位置以及小齒輪在螺旋滑道上的摩擦力也會影響到小齒輪能否順利退至脫開位置，這也是導致各個主盤車裝置對持續供油油壓大小有所不同的原因。

相位齒輪損壞問題通過對盤車電子控制器的控制邏輯進行完善后得以解決，確保了后續項目同類型盤車的正常啟動。

主盤車裝置是汽輪機設備重要部套之一，主盤車運行的好壞，直接影響到核電汽輪機的安全運行。隨著核電項目的大力發展，東汽提供的同類型核電主盤車設備越來越多。為確保主盤車裝置的安全可靠運行，安裝、檢修過程中必須嚴格按照圖紙及相關文件要求施工;調試、運行過程中出現盤車故障時，必須按照盤車控制邏輯確保滿足盤車條件，再對故障可能原因進行分析，逐一排查處理。

參考文獻：

[1]史月濤，丁興武，等.汽輪機設備與運行[M].北京：中國電力出版社，2008-1.

[2]東方汽輪機有限公司.主盤車運行維護手冊[Z].2012-11.

[3]SSS Gears Limited .Technical Manual for a Pinion Turning Gear Clutch[Z].2009-10.