全集成驅(qū)動系統(tǒng)在上海汽輪機廠的應(yīng)用
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被譽為“中國汽輪機搖籃”的上海汽輪機廠，是中國首家設(shè)計與制造汽輪機的企業(yè)，以設(shè)計、制造火電汽輪機、核電汽輪機和重型燃氣輪機為主，現(xiàn)在汽輪機產(chǎn)量世界第一，年產(chǎn)量超過36000萬千瓦，銷售額100億人民幣。超速動平衡試驗臺每年需要試車200根左右的轉(zhuǎn)子，支持600 MW、1000 MW、1200 MW轉(zhuǎn)子試車，可試車超超臨界機組，轉(zhuǎn)子最大重量200噸。
改造前上海汽輪機廠的試驗平臺是國內(nèi)自主研發(fā)設(shè)計的第一套高速動平衡試驗裝置，迄今有近40年歷史。作各上汽廠引以為豪的核心裝備——超速動平衡試車系統(tǒng)，一度是華東地區(qū)唯一能承擔(dān)大型轉(zhuǎn)子動平衡試車的專用裝備，為國家裝備制造業(yè)做出過重大的貢獻。它由測量系統(tǒng)，真空系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)三部分組成；其中驅(qū)動系統(tǒng)用8MW凝汽式汽輪機，由三臺20噸/小時的蒸汽鍋爐提供蒸汽來驅(qū)動汽輪機。每根轉(zhuǎn)子的試車的驅(qū)動能源成本遠遠高于行業(yè)的平均水平。由于系統(tǒng)龐大，成本高企，污染嚴(yán)重，漸漸成為拖累企業(yè)發(fā)展的一樁“心病”。
高速動平衡試驗是汽輪機質(zhì)量的保證，是每個汽輪機轉(zhuǎn)子必須經(jīng)過的生產(chǎn)過程。驅(qū)動系統(tǒng)是平衡試驗臺的核心，為試驗臺提供動力。其穩(wěn)定運行是關(guān)鍵。驅(qū)動系統(tǒng)改造是一個復(fù)雜的工程，不僅涉及到供電系統(tǒng)，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，電機，高速齒輪箱等系統(tǒng)，還包括基礎(chǔ)設(shè)施的改造；未知因素多。由于技術(shù)風(fēng)險極高，成為上汽廠的一塊“心病”。
加之每年只有3月至5月這個期間，上汽廠的大部分轉(zhuǎn)子在加工途中，測試任務(wù)少，能否在這個期間內(nèi)完成動力系統(tǒng)的升級改造，是上汽動平衡選擇方案的關(guān)鍵因素。
企業(yè)當(dāng)時面臨兩難選擇：改造超速動平衡試驗室的動力驅(qū)動裝置，一旦驅(qū)動裝置不穩(wěn)定，或者工期拖延有可能影響企業(yè)的全年生產(chǎn)任務(wù)，影響經(jīng)濟效益。不改造，能源成本過高，同時影響企業(yè)十二五的節(jié)能減排指標(biāo)的完成。蒸汽鍋爐還存在污染嚴(yán)重，噪音擾民等嚴(yán)重影響企業(yè)社會聲譽的問題。
當(dāng)西門子把《動平衡測試平臺驅(qū)動系統(tǒng)改造方案》提交到上海汽輪機廠領(lǐng)導(dǎo)面前，上汽廠終于下定了改造的決心。該解決方案中大型傳動系統(tǒng)選擇了2臺5MW SINAMICS GM150變頻調(diào)速裝置和2臺4MW H-Compact PLUS高壓電機。齒輪箱選擇了1臺9MW 1:2.5具有調(diào)節(jié)裝置的定制弗蘭德齒輪箱。還有3臺定制的高性能絕緣聯(lián)軸器，1臺定制的輔助齒輪箱。自動控制系統(tǒng)使用了SIMATIC S7-300 PLC和WinCC系統(tǒng)。整個方案全部采用西門子產(chǎn)品，使用通用的軟件，標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)，設(shè)計、運行在統(tǒng)一的環(huán)境，完美支持整個產(chǎn)品生命周期管理，特別是對設(shè)計和運行階段的完善支持。不必為不同系統(tǒng)的接口不匹配做額外的工作，從而簡化參數(shù)設(shè)置、調(diào)試和診斷操作，最終大大縮短組態(tài)時間，完全可以保障驅(qū)動升級在規(guī)定時間內(nèi)完成。
因此上汽廠做出了現(xiàn)在看來非常正確，而當(dāng)初意味著必須承受很大壓力的兩條決定，一是甘冒風(fēng)險，采用當(dāng)今最先進的高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)；二是由于國內(nèi)沒有可以參考的項目，所以改造技術(shù)整體解決方案只能依靠企業(yè)與西門子協(xié)作解決，這需要對西門子解決方案擁有十二分的信心。
橫向驅(qū)動總成，能效提高
超速動平衡試驗室要求驅(qū)動系統(tǒng)在低轉(zhuǎn)速下有較大的啟動扭矩，可快速啟動，制動。在通過轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速時具有高扭矩功能，能使轉(zhuǎn)子快速經(jīng)過其臨界轉(zhuǎn)速。驅(qū)動與增速齒輪箱聯(lián)接，將轉(zhuǎn)速升速到轉(zhuǎn)子試驗要求轉(zhuǎn)速。
驅(qū)動系統(tǒng)中，電機是動力源，提供驅(qū)動力；通過增速齒輪箱提高轉(zhuǎn)速；增速齒輪箱的輸出與中間軸連接，中間軸裝置作為大氣環(huán)境與真空環(huán)境的過渡裝置，將扭矩傳遞給試驗轉(zhuǎn)子，并帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，起到軸向連接的作用；同時具有調(diào)節(jié)軸向位移的功能（可軸向±40mm移動），便于與試驗轉(zhuǎn)子的聯(lián)接，起到調(diào)節(jié)作用；配有盤車電機，具有盤車功能；配有軸向止推軸承，可承受試驗轉(zhuǎn)子的軸向推力；設(shè)有動密封裝置，減少由大氣側(cè)泄露到真空艙內(nèi)的空氣量等。
該方案全部采用西門子的整體驅(qū)動系統(tǒng)，包括電機、齒輪箱、聯(lián)軸器等連接到驅(qū)動總線的所有產(chǎn)品。機械傳動部分，設(shè)計統(tǒng)一、接口通用、標(biāo)準(zhǔn)一致，因而功能集成簡單，機械標(biāo)準(zhǔn)一致，采用通用性產(chǎn)品，即可達到機械傳動效率最優(yōu)，能源效率高，節(jié)能效果更好。
上汽動平衡動力系統(tǒng)改進后，每根轉(zhuǎn)子的平均驅(qū)動能源成本大幅下降，節(jié)約成本達93%。以每年試車180根轉(zhuǎn)子，每年為企業(yè)節(jié)約資金1000萬元。改造后，還在節(jié)能技術(shù)方面，達到了國際領(lǐng)先水平。
縱向數(shù)據(jù)總線，性能提升
超速動平衡驅(qū)動系統(tǒng)在升速、穩(wěn)速、反向制動等一系列技術(shù)性能方面，要求轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，控制精準(zhǔn)。在3000轉(zhuǎn)/分鐘時，誤差不超過2轉(zhuǎn)，誤差率小于千分之一。并可穩(wěn)速升至最高轉(zhuǎn)速4350轉(zhuǎn)/分鐘。
經(jīng)過調(diào)研，目前動平衡驅(qū)動系統(tǒng)中，直流調(diào)速電機是主流，但直流調(diào)速系統(tǒng)存在兩個很大的弱點，一是系統(tǒng)龐大復(fù)雜，傳動鏈長；二是系統(tǒng)的故障率高、維修成本高。而最先進的高壓交流變頻技術(shù)，裝置體積小，效率高，還可以更容易地實現(xiàn)各種功能復(fù)雜但在結(jié)構(gòu)上簡單控制方案。同時可轉(zhuǎn)速自調(diào)整，抗干擾能力強等優(yōu)點。但交流電機國內(nèi)外沒有可參考案例，技術(shù)風(fēng)險高。
西門子方案工程組態(tài)，驅(qū)動總成，PLC控制器等全部基于西門子的全集成自動化TIA，系統(tǒng)基于統(tǒng)一的協(xié)議，通用性好，沒有接口不匹配的風(fēng)險，信息可以方便的在驅(qū)動總成和控制器之間傳輸。高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)要求控制效果精益求精，使用整體性驅(qū)動系統(tǒng)，可以使用簡單的控制方案，輕松地利用PLC控制器實現(xiàn)復(fù)雜的功能。
在動力系統(tǒng)改造過程中，項目組充分體會到了該方案的優(yōu)點。在系統(tǒng)調(diào)試階段，在3600轉(zhuǎn)/分鐘，4320轉(zhuǎn)/分鐘等關(guān)鍵轉(zhuǎn)速點上，系統(tǒng)出現(xiàn)了劇烈的震動現(xiàn)象。西門子方案具有變量跟蹤、系統(tǒng)診斷功能，對系統(tǒng)驅(qū)動總成和控制器所有狀態(tài)進行直觀的診斷。可以不用編程，顯示基本信息和實時信息，大大提高調(diào)試效率。在遇到問題后，借助工具，僅花幾天時間，便找到問題原因，排除了困難，有效保證了系統(tǒng)的性能。
采用雙電機串軸方案，可以在測試小轉(zhuǎn)子的時候使用任意一臺電機，另一臺電機無需啟動，提高了驅(qū)動系統(tǒng)的效率；更重要的是當(dāng)一套變頻器或是電機故障時，即使測試大轉(zhuǎn)子，也可以通過臨時調(diào)低某些參數(shù)繼續(xù)保障整個系統(tǒng)的正常運行。從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。這些切換功能在調(diào)試中均一一試驗，客戶操作員只需要在屏幕上簡單操作即可完成各種測試模式的轉(zhuǎn)換。
西門子驅(qū)動上汽進入新境界
自從西門子正式進場的第一天起，分分秒秒都在與時間賽跑。由于準(zhǔn)備充分，加上各路人馬每天12個小時以上的立體交錯作業(yè)，動平衡改造進展創(chuàng)造了速度上的奇跡，一個個紀(jì)錄在大家的合力拼搏下誕生。拆除原有汽輪機驅(qū)動系統(tǒng)龐大的裝備，僅用兩天時間；將兩臺4000千瓦高壓電機、精密齒輪箱、變頻控制系統(tǒng)等大型設(shè)備安裝就位，只花一星期；全部完成所有設(shè)備的基礎(chǔ)改造、澆筑、固定和調(diào)整，僅用一個月時間；油系統(tǒng)管路、水系統(tǒng)管路、電路、信號系統(tǒng)排管布線全部穿插進行，沒有耽擱一天時間，現(xiàn)場安裝工作節(jié)奏之快，效率之高，令人贊嘆！
因為全套系統(tǒng)使用單一的供應(yīng)商，可以避免出現(xiàn)故障后供應(yīng)商“扯皮”現(xiàn)象，提升服務(wù)水平，有效提高故障解決速度。依托于西門子全集成環(huán)境，降低了服務(wù)門檻，有效提升服務(wù)水平。
就此，上海汽輪機廠2011年3月-5月利用西門子方案，快速實現(xiàn)了超速動平衡試驗室驅(qū)動系統(tǒng)的升級改造。通過了200轉(zhuǎn)/分的升速、穩(wěn)速和反向制動等一系列技術(shù)性能考驗，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，控制精準(zhǔn)等技術(shù)考驗，達到國際領(lǐng)先的技術(shù)水平。轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分鐘時，控制誤差從±10轉(zhuǎn)降低到±1轉(zhuǎn)，達到誤差低于千分之一，實現(xiàn)了超高的控制精度，同時提高了調(diào)速穩(wěn)定性，避免了燃氣輪機轉(zhuǎn)子裂紋的產(chǎn)生。上汽總動力師李斌先生說：“這是我們上汽廠自主設(shè)計建設(shè)的國內(nèi)首臺大容量，高水平交流變頻驅(qū)動超速動平衡試驗裝備，技術(shù)裝備性能達到國際先進水平，得益于西門子先進可靠的驅(qū)動技術(shù)。”(end)
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