王海路，董小進(jìn)，侯英

工業(yè)廠區(qū)排放的大量余熱煙氣可配套用于余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，從而帶動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電供廠區(qū)自用。余熱蒸汽也可作為汽輪機(jī)動力源拖動大型水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)使用，不僅能充分利用余熱資源，而且能節(jié)省電能。為了充分利用生產(chǎn)工藝余熱，將現(xiàn)有風(fēng)機(jī)改造為凝汽式汽輪機(jī)和電動機(jī)雙拖動的形式，正常運(yùn)行時雙拖動機(jī)組可自由切換，保證設(shè)備連續(xù)運(yùn)行。

1 原有系統(tǒng)概述

圖1 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)圖

圖2 風(fēng)機(jī)啟動條件

風(fēng)機(jī)原電機(jī)驅(qū)動流程見圖1，風(fēng)機(jī)啟動流程見圖2。風(fēng)機(jī)原由高壓電機(jī)驅(qū)動，液力耦合器作為電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的液力傳動元件。調(diào)速型液力耦合器與齒輪傳動箱結(jié)為一體，通過連桿機(jī)構(gòu)和電動執(zhí)行器對風(fēng)機(jī)實行無級調(diào)速。系統(tǒng)啟動流程：檢查液力耦合器油位、油溫，調(diào)節(jié)耦合器勺管至最低轉(zhuǎn)速位置，啟動輔助油泵，檢查濾清器前壓力，油系統(tǒng)正常運(yùn)行后，PLC發(fā)“允許啟動”信號至高壓柜，高壓柜接收到啟動命令后進(jìn)行合閘操作，軟啟動柜接收到高壓合閘信號后，主電機(jī)運(yùn)行。電壓由零慢慢升高到額定電壓，電機(jī)在啟動過程中的啟動電流由過去過載沖擊電流不可控制變?yōu)榭煽刂?，避免了啟動過電流跳閘，并且可根據(jù)需要調(diào)節(jié)啟動電流的大小。電機(jī)啟動過程中不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，均為平滑的啟動運(yùn)行。待主電機(jī)啟動后調(diào)節(jié)耦合器勺管至工作機(jī)額定工況，耦合器正常工作（用電動執(zhí)行器調(diào)節(jié)耦合器）。

2 雙拖動系統(tǒng)（見圖3）

雙拖動系統(tǒng)配套凝汽式汽輪機(jī)，齒輪箱（變速器）超越離合器位于風(fēng)機(jī)兩側(cè)。高壓電機(jī)驅(qū)動切換成凝汽式汽輪機(jī)帶動，進(jìn)行無擾切換，可實現(xiàn)雙向自由切換。雙拖動方案如下：

（1）電動機(jī)拖動風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。汽輪機(jī)啟動前檢查工作完畢后，進(jìn)行暖管，并啟動疏水系統(tǒng)（可配置電動疏水閥）。隨著升壓暖管，啟動交流潤滑油泵，在靜止?fàn)顟B(tài)下檢查調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)，從隔離閥到主汽門（速關(guān)閥）的主蒸汽暖管與暖機(jī)同時進(jìn)行，啟動凝汽器抽真空，具備啟動條件（蒸汽參數(shù)、油壓、真空）及熱工保護(hù)滿足汽輪機(jī)帶負(fù)荷要求后進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，不斷提高轉(zhuǎn)速至離合器的結(jié)合值。

（2）當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到超越離合器的結(jié)合值時，離合器（汽輪機(jī)側(cè)）主動件帶動從動件一起轉(zhuǎn)動，隨著汽輪機(jī)負(fù)荷逐漸增加，風(fēng)機(jī)由汽輪機(jī)和電動機(jī)共同拖動。

（3）隨著汽輪機(jī)負(fù)荷的增加，楔塊離心力增加，當(dāng)內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速達(dá)到或超過離合器的最小非接觸轉(zhuǎn)速時，楔塊離心力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩增加到大于扭簧施加給楔塊的轉(zhuǎn)矩，迫使楔塊偏轉(zhuǎn)而與外環(huán)脫離接觸，實現(xiàn)離合器無摩擦的非接觸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)側(cè)超越離合器主動件不再帶動從動件旋轉(zhuǎn)，主動件與從動件脫離，處于超越狀態(tài)。此時汽輪機(jī)單獨(dú)拖動風(fēng)機(jī)（此過程中電動機(jī)電流逐步下降，由于異步電動機(jī)與電網(wǎng)相聯(lián)，其轉(zhuǎn)速決定于電網(wǎng)頻率）。

圖3 雙拖動系統(tǒng)圖

（4）電動機(jī)電流降至某一定值時，人工解列電動機(jī)，完成切換過程，此時汽輪機(jī)單獨(dú)帶動風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

（5）正常運(yùn)行時可實現(xiàn)雙向切換。

（6）以下情況需要馬上解列汽輪機(jī)，不能切換。

a當(dāng)汽輪機(jī)與電機(jī)共同帶動風(fēng)機(jī)，而汽輪機(jī)尚未完成與電機(jī)的切換時，若電機(jī)出現(xiàn)故障，而汽輪機(jī)還沒有達(dá)到帶動風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，需要停汽輪機(jī)。

b當(dāng)汽輪機(jī)與電機(jī)共同帶動風(fēng)機(jī)，而汽輪機(jī)尚未完成與電機(jī)的切換時，若汽輪機(jī)出現(xiàn)故障，汽輪機(jī)需要緊急停機(jī)（汽輪機(jī)保護(hù)）動作，隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，超越離合器主動件將無法帶動從動件，無法處于超越狀態(tài)。風(fēng)機(jī)仍由電機(jī)拖動。

c汽輪機(jī)與電機(jī)切換完成后，高壓柜處于斷開狀態(tài)，但電機(jī)仍處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)時，汽輪機(jī)事故停機(jī)，轉(zhuǎn)速下降，脫離帶動風(fēng)機(jī)。如果此時電機(jī)轉(zhuǎn)速大于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（相對而言，中間有減速器，需要轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)速），即便電機(jī)與風(fēng)機(jī)仍然一起轉(zhuǎn)動，也不會造成影響，電機(jī)不會變成發(fā)電機(jī)。

d汽輪機(jī)拖動風(fēng)機(jī)，電機(jī)完全脫離停止轉(zhuǎn)動，如此時汽輪機(jī)緊急停機(jī)，風(fēng)機(jī)需要停機(jī)。如果是調(diào)度安排汽輪機(jī)與電機(jī)進(jìn)行切換，則應(yīng)啟動電機(jī)并緩慢增加電流、轉(zhuǎn)速。當(dāng)超越離合器處于結(jié)合狀態(tài)后，風(fēng)機(jī)由汽輪機(jī)與電機(jī)共同驅(qū)動，隨著電機(jī)電流的增加，汽輪機(jī)負(fù)荷緩慢下降，此時需平衡風(fēng)機(jī)出口風(fēng)壓與風(fēng)量，避免風(fēng)機(jī)出口參數(shù)變化過大，影響系統(tǒng)工況。之后的電機(jī)切換與汽輪機(jī)切換類似，待電機(jī)完全帶動風(fēng)機(jī)后，調(diào)節(jié)液力耦合器來控制風(fēng)機(jī)出口的參數(shù)。

3 超越離合器（見圖4、5）

本系統(tǒng)采用CECON離合器，該離合器含有一個全封閉式外殼以及在輸入軸與輸出軸之間支撐Marland單項離合器的配套部件，各配套部件分別獨(dú)立支承。輸入軸的一端與凸輪連接，輸出軸的一端與外圈連接，兩軸的另一端通過雙結(jié)合調(diào)心齒式繞行聯(lián)軸器與主動和從動設(shè)備的連軸連接。

圖4 CECON離合器超越狀態(tài)

圖5 CECON離合器結(jié)構(gòu)圖

在超越狀態(tài)下，外圈隨輸出軸自由旋轉(zhuǎn)，與輸入軸相連的凸輪和滾子總成保持靜止，或以低于輸出軸的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。油楔楔緊滾子，使?jié)L子與外圈分離，滾子運(yùn)動僅幾千分之一英寸，在滾子保持架與凸輪之間形成相對角運(yùn)動。此滾子的細(xì)微運(yùn)動，一直進(jìn)入較深的凸輪區(qū)域，滾子與外圈之間有清潔潤滑油膜的楔塊，可防止在空程期間發(fā)生金屬與金屬接觸的情況。其他情況（即輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速同步）時，彈簧促動式滾子保持架已將滾子置于接觸區(qū)域，使所有滾子均為結(jié)合，并準(zhǔn)確保持滾子之間的相對位置，從而保證載荷分布均勻，滾子在經(jīng)過精密磨削和硬化的凸輪面與外圈內(nèi)表面之間受壓結(jié)合。離合器處于此接合或驅(qū)動的狀態(tài)下時，凸輪、滾子與外圈之間均相對靜止，因而不產(chǎn)生任何磨損。

4 控制系統(tǒng)

4.1 汽輪機(jī)DEH：調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（汽輪機(jī)配套505實現(xiàn)，見圖6）

采用遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)定值。由模擬信號遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)速設(shè)定值，通過過程控制或分布式控制系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定。該遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)定值的輸入直接影響到505的轉(zhuǎn)速設(shè)定值。配置設(shè)定遠(yuǎn)程輸入信號可改變轉(zhuǎn)速設(shè)定值的最大速率。當(dāng)啟用遠(yuǎn)程設(shè)定值時，轉(zhuǎn)速設(shè)定值會以慢得多的速率變動，直到兩個值一致，此時將允許轉(zhuǎn)速設(shè)定值以最大速率變動。遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)定值（RSS）的取值范圍取決于配置后模擬輸入的4mA和20mA設(shè)置。在服務(wù)模式下（在“遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)置”下）可對遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)定值范圍進(jìn)行調(diào)整。

4.2 汽輪機(jī)ETS：汽輪機(jī)保護(hù)（利用風(fēng)機(jī)PLC實現(xiàn)，見圖7）

由DCS編程完成ETS（EMERGENCY TURBINE TRIP）邏輯保護(hù)，并單獨(dú)設(shè)置SOE模塊。邏輯關(guān)系見圖7。

4.3 汽輪機(jī)熱井水位變頻控制系統(tǒng)

配套就地PLC控制柜。該系統(tǒng)采用可編程控制器和變頻器組成的反饋控制回路來實現(xiàn)熱井水位控制的功能。

采用水位變送器作為反饋傳感器組成的模擬反饋控制系統(tǒng)。壓力給定量可以通過DCS輸入或由觸摸屏直接數(shù)字輸入。PI調(diào)節(jié)使用PLC內(nèi)置功能來調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制水泵的排水量。利用變頻器的輸出信號，當(dāng)熱井的進(jìn)水量大于單臺水泵的排水量時，PLC控制啟動備用泵，進(jìn)行兩臺泵的排水。當(dāng)熱井的進(jìn)水量減小時，同樣由變頻器給PLC提供信號，進(jìn)行減泵操作。采用一拖二的變頻設(shè)計。該系統(tǒng)充分考慮現(xiàn)場復(fù)雜情況，包含足夠強(qiáng)大的故障處理程序，可自動對現(xiàn)場的系統(tǒng)故障進(jìn)行處理；需要人工干預(yù)故障處理時，可通過人機(jī)交互接口通知使用者。該系統(tǒng)自動化程度高，可靠性較高。

圖6 轉(zhuǎn)速控制功能框圖

圖7 ETS邏輯圖

4.4 風(fēng)機(jī)主要設(shè)備由PLC控制（由風(fēng)機(jī)PLC實現(xiàn)）

采用PLC實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制：風(fēng)機(jī)氣路系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)油路系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)緊急停機(jī)系統(tǒng)，汽輪機(jī)主蒸汽系統(tǒng)，汽輪機(jī)凝汽器循環(huán)冷卻系統(tǒng)，汽輪機(jī)凝汽器真空系統(tǒng)，汽輪機(jī)供油系統(tǒng)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)。

4.5 風(fēng)機(jī)PLC與生產(chǎn)線DCS的信號采用硬線連接

重要的監(jiān)視信號及控制信號需要硬線連接至生產(chǎn)線DCS系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)出口壓力反饋，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量反饋，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速給定，生產(chǎn)線停機(jī)信號給定，汽輪機(jī)拖動本地/遠(yuǎn)程控制反饋，電機(jī)拖動本地/遠(yuǎn)程控制反饋，電機(jī)拖動-汽輪機(jī)拖動反饋，汽輪機(jī)拖動-電機(jī)拖動反饋，綜合故障信號反饋。

5 結(jié)語

本方案已在實際項目中得到應(yīng)用，運(yùn)行效果較為理想。雙拖動機(jī)組能進(jìn)行自由切換，保證風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行，可充分利用廠區(qū)現(xiàn)有飽和蒸汽，節(jié)約電能。冬季采暖期可利用蒸汽進(jìn)行取暖，只需將風(fēng)機(jī)切換到電機(jī)拖動即可。

[1]王永建.火電廠熱工保護(hù)原理及應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2]肖增弘.汽輪機(jī)數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社，2014.

[3]張強(qiáng).汽輪機(jī)與電機(jī)拖動現(xiàn)狀分析與比較[J].機(jī)電工程，2010，（11）.■