9E汽輪機(jī)盤車裝置變頻改造

李嶸峰，黃 慶

(珠海深能洪灣電力有限公司，廣東 珠海 519060)

1 盤車系統(tǒng)簡介

盤車系統(tǒng)主要用于在機(jī)組停運(yùn)及啟動(dòng)初期對(duì)大軸的盤轉(zhuǎn)，使轉(zhuǎn)子均勻受熱，防止大軸彎曲。聯(lián)合循環(huán)機(jī)組啟停頻繁，盤車系統(tǒng)作用尤為重要。我司兩套9E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N60-/5.6/0.56/527/255 型雙壓凝汽式汽輪機(jī)。汽輪機(jī)盤車采用連云港透平能源設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DDZP7.5-Ⅰ型低速盤車裝置。盤車電機(jī)額定功率7.5 kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min，汽輪機(jī)大軸盤車轉(zhuǎn)速約4.3 r/min。盤車齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖1[1]。從盤車電機(jī)尾部逆氣流方向看，盤車電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，盤車減速箱輸出齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過大齒輪及齒輪軸帶動(dòng)擺動(dòng)齒輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，擺動(dòng)齒輪將動(dòng)力傳遞到大軸盤車齒輪，帶動(dòng)大軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

1—軸端；2—電機(jī)；3—減速機(jī)；4—小齒輪；5—大齒輪；6—齒輪軸；7—擺動(dòng)齒輪。圖1 盤車齒輪傳動(dòng)圖

2 盤車投入方式

通常，盤車投入有自動(dòng)及手動(dòng)兩種方式。自動(dòng)狀態(tài)下，先確認(rèn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為0 r/min，潤滑油及頂軸油壓力正常。然后在DCS盤車畫面上點(diǎn)擊投入按鈕，盤車裝置就會(huì)執(zhí)行預(yù)置的PLC控制程序：打開壓力油控制電磁閥，油壓推動(dòng)旋轉(zhuǎn)活塞帶動(dòng)擺動(dòng)齒輪及手柄轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)盤車電機(jī)執(zhí)行點(diǎn)動(dòng)程序，帶動(dòng)齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到擺動(dòng)齒輪與大軸齒輪完全嚙合，手柄壓住行程開關(guān)發(fā)出到位信號(hào)后，電機(jī)由點(diǎn)動(dòng)變換為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入正常盤車。

如果盤車無法自動(dòng)投入，則將盤車控制柜轉(zhuǎn)為手動(dòng)狀態(tài)，通常需要兩人配合操作：就地壓住控制電磁閥開關(guān)，使壓力油進(jìn)入旋轉(zhuǎn)活塞，一人拉住操作手柄往下壓，另一人站在盤車電機(jī)尾部，用盤車手輪套在電機(jī)尾部的六方上，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，直至擺動(dòng)齒輪與大軸齒輪嚙合，再繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，帶動(dòng)大軸轉(zhuǎn)過少許角度，以保證完全嚙合，最后卸下手輪，到控制柜按啟動(dòng)按鈕，盤車電機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)入連續(xù)盤車。

3 盤車投入脫扣

在盤車投入過程中，擺動(dòng)齒輪與大軸齒輪已經(jīng)嚙合到位，但在盤車電機(jī)啟動(dòng)瞬間，擺動(dòng)齒輪又被彈開，我們稱之為盤車投入脫扣。一般來說，盤車投入過程中，擺動(dòng)齒輪偶然彈開脫扣屬于正常現(xiàn)象，故設(shè)置了重投程序，在首次脫扣后，會(huì)再執(zhí)行兩次投入程序。但機(jī)組運(yùn)行多年后，基本上沒法自動(dòng)投入，必須人為干預(yù)：使勁拉住操作手柄，防止擺輪彈開。如果還是無法投入，就先手動(dòng)盤轉(zhuǎn)使擺動(dòng)齒輪嚙合，調(diào)低頂軸油壓力，再拉住操作手柄，最后開盤車電機(jī)，投入盤車后，還要將頂軸油壓力調(diào)回來。可見，投入過程相當(dāng)繁瑣。初期，運(yùn)行人員操作不熟練，用手輪盤車時(shí)忘記退電，曾出現(xiàn)過盤車電機(jī)突然轉(zhuǎn)動(dòng)造成傷人事故。由于燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組調(diào)峰啟停頻繁，基本上每天都要進(jìn)行盤車投入操作，運(yùn)行人員迫切希望能解決盤車無法自動(dòng)投入問題。

4 脫扣原因分析

盤車嚙合過程見圖2[1]。盤車退出狀態(tài)下，擺動(dòng)齒輪處于圖中虛線位置。發(fā)出盤車指令后，電磁閥接通油路，壓力油進(jìn)入旋轉(zhuǎn)油缸，推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，使擺輪向下擺動(dòng)至與汽輪機(jī)大齒輪嚙合，即圖2中實(shí)線位置。

1—擺動(dòng)齒輪；2—連桿；3—推桿；4—壓縮彈簧；5—曲柄；6—旋轉(zhuǎn)活塞；7—壓力油；8—油缸；9—隔塊；10—操縱滑閥；11—電磁閥；12—防松螺母；13—止動(dòng)墊圈；14—鎖緊螺母；15—頂桿；16—碟形彈簧；17—汽輪機(jī)大齒輪。圖2 盤車嚙合過程示意圖

脫扣過程：正常情況下，當(dāng)汽輪機(jī)大齒輪線速度高于擺動(dòng)齒輪時(shí)，連桿受向上慣性力的作用克服彈簧阻力帶動(dòng)擺動(dòng)齒輪迅速通過自鎖點(diǎn)，彈簧力推動(dòng)曲柄，同時(shí)帶動(dòng)行程開關(guān)，使充油電磁閥斷電，壓力油卸油，油缸旋轉(zhuǎn)活塞迅速恢復(fù)到初始位置并鎖緊，擺動(dòng)齒輪與大齒輪脫開。以上任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都有可能導(dǎo)致盤車裝置不能脫扣[2]。

為進(jìn)一步了解嚙合及脫扣過程，對(duì)擺輪進(jìn)行受力分析。圖3為正常嚙合盤車時(shí)擺輪的受力狀況。由前面?zhèn)鲃?dòng)結(jié)構(gòu)圖可知：擺輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)大軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。正常盤車時(shí)，擺輪為驅(qū)動(dòng)輪，在嚙合面上產(chǎn)生一個(gè)向右的切向力F1，這個(gè)力將擺輪拉向右邊，同時(shí)擺輪支架壓住彈簧頂桿，頂桿對(duì)擺輪施加一個(gè)反作用力F2。F2的水平分力與F1平衡，盤車正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3 正常盤車時(shí)擺輪受力圖

當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于盤車轉(zhuǎn)速時(shí)，大軸齒輪變成驅(qū)動(dòng)輪(見圖4)。大軸齒輪向擺輪施加一個(gè)向左的驅(qū)動(dòng)力F，由于擺輪左邊并無阻擋，在F力作用下，擺輪將向左甩出。同時(shí)，帶動(dòng)連桿往上克服彈簧阻力迅速通過自鎖點(diǎn)，彈簧力推動(dòng)曲柄，使油缸旋轉(zhuǎn)活塞迅速恢復(fù)到初始位置并鎖緊，擺動(dòng)齒輪與大軸齒輪脫開。

圖4 脫扣過程擺輪受力圖

由以上受力分析可知：F1是維持盤車齒輪嚙合的作用力，擺輪必須與大軸齒輪嚙合，且為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，才能產(chǎn)生向右的拉力F1。因此，如果大軸齒輪線速度高于擺動(dòng)齒輪，或者其他因素使擺動(dòng)齒輪與大軸齒輪脫開，都會(huì)導(dǎo)致F1丟失，從而造成脫扣。在盤車投入電機(jī)啟動(dòng)瞬間，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子沒有蒸汽驅(qū)動(dòng)，大軸齒輪線速度不可能高于擺輪。此時(shí)產(chǎn)生脫扣的原因極有可能是電機(jī)啟動(dòng)瞬間，由于大軸齒輪還處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)產(chǎn)生的F1作用力最大，導(dǎo)致擺輪向右沖擊彈簧頂桿，彈簧被壓縮，同時(shí)疊加反作用力F2也達(dá)最大。而此時(shí)，大軸齒輪已開始轉(zhuǎn)動(dòng)，F(xiàn)1減少，造成F2的水平分力大于F1，從而推動(dòng)擺輪向左甩出，造成脫扣。電機(jī)啟動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速越高，作用力F1就越大，反作用力也就越大，越容易引起脫扣。此外，擺輪向左甩出瞬間，必然會(huì)碰撞大軸齒輪，加速大軸轉(zhuǎn)動(dòng)，頂軸油壓力越高，阻力越小，大軸越容易轉(zhuǎn)動(dòng)，也就越容易脫扣。實(shí)驗(yàn)采用手輪盤轉(zhuǎn)盤車電機(jī)，使電機(jī)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，可以觀察到擺輪帶動(dòng)大軸齒輪正常盤轉(zhuǎn)，根本不會(huì)有反彈甩出。因此，盤車投入脫扣的主要原因是電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速太高，在嚙合面之間產(chǎn)生的水平切向力太大導(dǎo)致。

5 變頻啟動(dòng)方案

要徹底解決盤車投入脫扣問題，必須減少啟動(dòng)瞬間嚙合面之間的水平切向力，歸根結(jié)底是要降低盤車電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，因此，采用變頻啟動(dòng)方案。由于盤車電機(jī)是400 V、7.5 kW的小功率電機(jī)，所以可以匹配的變頻器很多，價(jià)錢也不貴。但要注意啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不能小，否則可能帶動(dòng)不起來汽輪機(jī)大軸。因此，變頻器必須具備恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)功能。

試驗(yàn)采用閑置的一臺(tái)ABB產(chǎn)型號(hào)為ACS510-01-031A-4的變頻器。該系列變頻器適用于泵和風(fēng)機(jī)，通過改變?cè)O(shè)置參數(shù)，具備恒轉(zhuǎn)矩功能。與盤車電機(jī)連接，設(shè)置初始啟動(dòng)頻率為1.5 Hz，檢測(cè)到盤車機(jī)構(gòu)正常嚙合后，由1.5 Hz加速到50 Hz時(shí)間為30 s。通過這種方式，使盤車電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)沖擊力，解決了盤車投入脫扣問題。

6 結(jié)語

變頻啟動(dòng)方案試驗(yàn)成功后，將變頻控制柜并聯(lián)接入盤車系統(tǒng)，原控制柜作為備用。至此，盤車自動(dòng)投入功能得以恢復(fù)，大大減輕運(yùn)行人員操作負(fù)擔(dān)，有效保障了系統(tǒng)及人身安全。而本次改造的成本才幾千元，是行之有效的改造方案。