摘 要：汽輪機(jī)盤車系統(tǒng)是汽輪機(jī)的重要輔助系統(tǒng)，其投用關(guān)系著汽輪機(jī)的安全。對于頻繁啟停機(jī)組，保證盤車裝置的穩(wěn)定運(yùn)行并提高設(shè)備的自動化水平顯得尤為重要。鑒于此，通過對異步電機(jī)原理及盤車投用過程的分析，從控制和邏輯方面對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高了設(shè)備的可用率和自動投入率，效果顯著。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；盤車裝置；軟啟動；邏輯

中圖分類號：TM621.7" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）09-0024-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.09.006

0" " 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)?蒸汽聯(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?？刂齐娫礊橹髀方祲韩@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 Control 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。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 中國電力工程顧問集團(tuán)有限公司，中國能源建設(shè)集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計有限公司.電力工程設(shè)計手冊 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組及附屬系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：中國電力出版社，2019.

[2] 顧小玲，馬曉飛，劉盼年，等.工業(yè)汽輪機(jī)停機(jī)不盤車的影響性研究[J].汽輪機(jī)技術(shù)，2023，65（3）：204-206.

[3] 300 MW～600 MW級汽輪機(jī)運(yùn)行導(dǎo)則：DL/T 608—2019[S].

[4] 王樂勤，田艷麗，戴維平，等.大型盤車系統(tǒng)分析與設(shè)計[J].現(xiàn)代機(jī)械，2008（1）：1-3.

[5] 陳自雨，張慶國，趙磊，等.1 000 MW機(jī)組盤車裝置自動嚙合中異音情況分析[J].電力設(shè)備，2008（9）：65-67.

[6] 辜承林，陳喬夫，熊永前.電機(jī)學(xué)[M].2版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[7] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[8] 閆鵬，易媛媛.三相異步電機(jī)軟啟動設(shè)計[J].艦船電子工程，2013，33（3）：139-141.

[9] 馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[10] TOSHOV B，KHAMZAYEV A.Development of Technical Solutions for the Improvement of the Smooth Starting Method of High Voltage and Powerful Asynchronous Motors[C]//Rudenko International Conference\"Methodological Problems in Reliability Study of Large Energy Systems\"，2023（1）：13-17.

[11] 李沖國，陳其忠，劉云雨.330 MW汽輪機(jī)盤車難投入問題的改進(jìn)[J].黑龍江電力，2020，42（1）：52-55.

收稿日期：2023-12-20

作者簡介：武海南（1987—），男，河北承德人，碩士，工程師，從事發(fā)電廠運(yùn)行管理工作。