9E汽轮机盘车装置变频改造

李嵘峰，黄 庆

(珠海深能洪湾电力有限公司，广东 珠海 519060)

1 盘车系统简介

盘车系统主要用于在机组停运及启动初期对大轴的盘转，使转子均匀受热，防止大轴弯曲。联合循环机组启停频繁，盘车系统作用尤为重要。我司两套9E联合循环机组，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的N60-/5.6/0.56/527/255 型双压凝汽式汽轮机。汽轮机盘车采用连云港透平能源设备有限公司生产的DDZP7.5-Ⅰ型低速盘车装置。盘车电机额定功率7.5 kW，电机额定转速1 450 r/min，汽轮机大轴盘车转速约4.3 r/min。盘车齿轮传动结构见图1[1]。从盘车电机尾部逆气流方向看，盘车电机逆时针转动，盘车减速箱输出齿轮顺时针转动，通过大齿轮及齿轮轴带动摆动齿轮顺时针转动，摆动齿轮将动力传递到大轴盘车齿轮，带动大轴逆时针转动。

1—轴端；2—电机；3—减速机；4—小齿轮；5—大齿轮；6—齿轮轴；7—摆动齿轮。图1 盘车齿轮传动图

2 盘车投入方式

通常，盘车投入有自动及手动两种方式。自动状态下，先确认汽轮机转速为0 r/min，润滑油及顶轴油压力正常。然后在DCS盘车画面上点击投入按钮，盘车装置就会执行预置的PLC控制程序：打开压力油控制电磁阀，油压推动旋转活塞带动摆动齿轮及手柄转动，同时盘车电机执行点动程序，带动齿轮继续转动，直到摆动齿轮与大轴齿轮完全啮合，手柄压住行程开关发出到位信号后，电机由点动变换为连续运转，进入正常盘车。

如果盘车无法自动投入，则将盘车控制柜转为手动状态，通常需要两人配合操作：就地压住控制电磁阀开关，使压力油进入旋转活塞，一人拉住操作手柄往下压，另一人站在盘车电机尾部，用盘车手轮套在电机尾部的六方上，逆时针转动手轮，直至摆动齿轮与大轴齿轮啮合，再继续转动手轮，带动大轴转过少许角度，以保证完全啮合，最后卸下手轮，到控制柜按启动按钮，盘车电机启动，进入连续盘车。

3 盘车投入脱扣

在盘车投入过程中，摆动齿轮与大轴齿轮已经啮合到位，但在盘车电机启动瞬间，摆动齿轮又被弹开，我们称之为盘车投入脱扣。一般来说，盘车投入过程中，摆动齿轮偶然弹开脱扣属于正常现象，故设置了重投程序，在首次脱扣后，会再执行两次投入程序。但机组运行多年后，基本上没法自动投入，必须人为干预：使劲拉住操作手柄，防止摆轮弹开。如果还是无法投入，就先手动盘转使摆动齿轮啮合，调低顶轴油压力，再拉住操作手柄，最后开盘车电机，投入盘车后，还要将顶轴油压力调回来。可见，投入过程相当繁琐。初期，运行人员操作不熟练，用手轮盘车时忘记退电，曾出现过盘车电机突然转动造成伤人事故。由于燃气轮机联合循环机组调峰启停频繁，基本上每天都要进行盘车投入操作，运行人员迫切希望能解决盘车无法自动投入问题。

4 脱扣原因分析

盘车啮合过程见图2[1]。盘车退出状态下，摆动齿轮处于图中虚线位置。发出盘车指令后，电磁阀接通油路，压力油进入旋转油缸，推动连杆机构，使摆轮向下摆动至与汽轮机大齿轮啮合，即图2中实线位置。

1—摆动齿轮；2—连杆；3—推杆；4—压缩弹簧；5—曲柄；6—旋转活塞；7—压力油；8—油缸；9—隔块；10—操纵滑阀；11—电磁阀；12—防松螺母；13—止动垫圈；14—锁紧螺母；15—顶杆；16—碟形弹簧；17—汽轮机大齿轮。图2 盘车啮合过程示意图

脱扣过程：正常情况下，当汽轮机大齿轮线速度高于摆动齿轮时，连杆受向上惯性力的作用克服弹簧阻力带动摆动齿轮迅速通过自锁点，弹簧力推动曲柄，同时带动行程开关，使充油电磁阀断电，压力油卸油，油缸旋转活塞迅速恢复到初始位置并锁紧，摆动齿轮与大齿轮脱开。以上任何一个环节出现问题，都有可能导致盘车装置不能脱扣[2]。

为进一步了解啮合及脱扣过程，对摆轮进行受力分析。图3为正常啮合盘车时摆轮的受力状况。由前面传动结构图可知：摆轮顺时针转动，带动大轴逆时针转动。正常盘车时，摆轮为驱动轮，在啮合面上产生一个向右的切向力F1，这个力将摆轮拉向右边，同时摆轮支架压住弹簧顶杆，顶杆对摆轮施加一个反作用力F2。F2的水平分力与F1平衡，盘车正常运转。

图3 正常盘车时摆轮受力图

当汽轮机转速高于盘车转速时，大轴齿轮变成驱动轮(见图4)。大轴齿轮向摆轮施加一个向左的驱动力F，由于摆轮左边并无阻挡，在F力作用下，摆轮将向左甩出。同时，带动连杆往上克服弹簧阻力迅速通过自锁点，弹簧力推动曲柄，使油缸旋转活塞迅速恢复到初始位置并锁紧，摆动齿轮与大轴齿轮脱开。

图4 脱扣过程摆轮受力图

由以上受力分析可知：F1是维持盘车齿轮啮合的作用力，摆轮必须与大轴齿轮啮合，且为驱动轮时，才能产生向右的拉力F1。因此，如果大轴齿轮线速度高于摆动齿轮，或者其他因素使摆动齿轮与大轴齿轮脱开，都会导致F1丢失，从而造成脱扣。在盘车投入电机启动瞬间，汽轮机转子没有蒸汽驱动，大轴齿轮线速度不可能高于摆轮。此时产生脱扣的原因极有可能是电机启动瞬间，由于大轴齿轮还处于静止状态，此时产生的F1作用力最大，导致摆轮向右冲击弹簧顶杆，弹簧被压缩，同时叠加反作用力F2也达最大。而此时，大轴齿轮已开始转动，F1减少，造成F2的水平分力大于F1，从而推动摆轮向左甩出，造成脱扣。电机启动瞬间，转速越高，作用力F1就越大，反作用力也就越大，越容易引起脱扣。此外，摆轮向左甩出瞬间，必然会碰撞大轴齿轮，加速大轴转动，顶轴油压力越高，阻力越小，大轴越容易转动，也就越容易脱扣。实验采用手轮盘转盘车电机，使电机缓慢转动，可以观察到摆轮带动大轴齿轮正常盘转，根本不会有反弹甩出。因此，盘车投入脱扣的主要原因是电机启动转速太高，在啮合面之间产生的水平切向力太大导致。

5 变频启动方案

要彻底解决盘车投入脱扣问题，必须减少启动瞬间啮合面之间的水平切向力，归根结底是要降低盘车电机的启动转速，因此，采用变频启动方案。由于盘车电机是400 V、7.5 kW的小功率电机，所以可以匹配的变频器很多，价钱也不贵。但要注意启动转矩不能小，否则可能带动不起来汽轮机大轴。因此，变频器必须具备恒转矩启动功能。

试验采用闲置的一台ABB产型号为ACS510-01-031A-4的变频器。该系列变频器适用于泵和风机，通过改变设置参数，具备恒转矩功能。与盘车电机连接，设置初始启动频率为1.5 Hz，检测到盘车机构正常啮合后，由1.5 Hz加速到50 Hz时间为30 s。通过这种方式，使盘车电机实现软启动，降低了启动冲击力，解决了盘车投入脱扣问题。

6 结语

变频启动方案试验成功后，将变频控制柜并联接入盘车系统，原控制柜作为备用。至此，盘车自动投入功能得以恢复，大大减轻运行人员操作负担，有效保障了系统及人身安全。而本次改造的成本才几千元，是行之有效的改造方案。