飽和蒸汽汽輪機(jī)與高壓電機(jī)雙拖動(dòng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

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(dòng)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(dòng)力源拖動(dòng)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(dòng)機(jī)雙拖動(dòng)的形式，正常運(yùn)行時(shí)雙拖動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)圖

圖2 風(fēng)機(jī)啟動(dòng)條件

風(fēng)機(jī)原電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程見(jiàn)圖1，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)流程見(jiàn)圖2。風(fēng)機(jī)原由高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，液力耦合器作為電機(jī)與風(fēng)機(jī)之間的液力傳動(dòng)元件。調(diào)速型液力耦合器與齒輪傳動(dòng)箱結(jié)為一體，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)和電動(dòng)執(zhí)行器對(duì)風(fēng)機(jī)實(shí)行無(wú)級(jí)調(diào)速。系統(tǒng)啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)”信號(hào)至高壓柜，高壓柜接收到啟動(dòng)命令后進(jìn)行合閘操作，軟啟動(dòng)柜接收到高壓合閘信號(hào)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(dòng)過(guò)程中的啟動(dòng)電流由過(guò)去過(guò)載沖擊電流不可控制變?yōu)榭煽刂?，避免了啟?dòng)過(guò)電流跳閘，并且可根據(jù)需要調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流的大小。電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，均為平滑的啟動(dòng)運(yùn)行。待主電機(jī)啟動(dòng)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(dòng)執(zhí)行器調(diào)節(jié)耦合器）。

2 雙拖動(dòng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）

雙拖動(dòng)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(dòng)切換成凝汽式汽輪機(jī)帶動(dòng)，進(jìn)行無(wú)擾切換，可實(shí)現(xiàn)雙向自由切換。雙拖動(dòng)方案如下：

（1）電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。汽輪機(jī)啟動(dòng)前檢查工作完畢后，進(jìn)行暖管，并啟動(dòng)疏水系統(tǒng)（可配置電動(dòng)疏水閥）。隨著升壓暖管，啟動(dòng)交流潤(rùn)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(mén)（速關(guān)閥）的主蒸汽暖管與暖機(jī)同時(shí)進(jìn)行，啟動(dòng)凝汽器抽真空，具備啟動(dòng)條件（蒸汽參數(shù)、油壓、真空）及熱工保護(hù)滿(mǎn)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(shí)，離合器（汽輪機(jī)側(cè)）主動(dòng)件帶動(dòng)從動(dòng)件一起轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)共同拖動(dòng)。

（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(guò)離合器的最小非接觸轉(zhuǎn)速時(shí)，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(shí)現(xiàn)離合器無(wú)摩擦的非接觸旋轉(zhuǎn)，電機(jī)側(cè)超越離合器主動(dòng)件不再帶動(dòng)從動(dòng)件旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)件與從動(dòng)件脫離，處于超越狀態(tài)。此時(shí)汽輪機(jī)單獨(dú)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)（此過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電流逐步下降，由于異步電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)相聯(lián)，其轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于電網(wǎng)頻率）。

圖3 雙拖動(dòng)系統(tǒng)圖

（4）電動(dòng)機(jī)電流降至某一定值時(shí)，人工解列電動(dòng)機(jī)，完成切換過(guò)程，此時(shí)汽輪機(jī)單獨(dú)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

（5）正常運(yùn)行時(shí)可實(shí)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(dòng)風(fēng)機(jī)，而汽輪機(jī)尚未完成與電機(jī)的切換時(shí)，若電機(jī)出現(xiàn)故障，而汽輪機(jī)還沒(méi)有達(dá)到帶動(dòng)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(dòng)風(fēng)機(jī)，而汽輪機(jī)尚未完成與電機(jī)的切換時(shí)，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(dòng)作，隨著汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，超越離合器主動(dòng)件將無(wú)法帶動(dòng)從動(dòng)件，無(wú)法處于超越狀態(tài)。風(fēng)機(jī)仍由電機(jī)拖動(dòng)。

c汽輪機(jī)與電機(jī)切換完成后，高壓柜處于斷開(kāi)狀態(tài)，但電機(jī)仍處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，汽輪機(jī)事故停機(jī)，轉(zhuǎn)速下降，脫離帶動(dòng)風(fēng)機(jī)。如果此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速（相對(duì)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(dòng)，也不會(huì)造成影響，電機(jī)不會(huì)變成發(fā)電機(jī)。

d汽輪機(jī)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，電機(jī)完全脫離停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如此時(shí)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(dòng)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(dòng)，隨著電機(jī)電流的增加，汽輪機(jī)負(fù)荷緩慢下降，此時(shí)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(guò)大，影響系統(tǒng)工況。之后的電機(jī)切換與汽輪機(jī)切換類(lèi)似，待電機(jī)完全帶動(dòng)風(fēng)機(jī)后，調(diào)節(jié)液力耦合器來(lái)控制風(fēng)機(jī)出口的參數(shù)。

3 超越離合器（見(jiàn)圖4、5）

本系統(tǒng)采用CECON離合器，該離合器含有一個(gè)全封閉式外殼以及在輸入軸與輸出軸之間支撐Marland單項(xiàng)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(guò)雙結(jié)合調(diào)心齒式繞行聯(lián)軸器與主動(dòng)和從動(dòng)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(dòng)僅幾千分之一英寸，在滾子保持架與凸輪之間形成相對(duì)角運(yùn)動(dòng)。此滾子的細(xì)微運(yùn)動(dòng)，一直進(jìn)入較深的凸輪區(qū)域，滾子與外圈之間有清潔潤(rùn)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(shí)，彈簧促動(dòng)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(duì)位置，從而保證載荷分布均勻，滾子在經(jīng)過(guò)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(dòng)的狀態(tài)下時(shí)，凸輪、滾子與外圈之間均相對(duì)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(shí)現(xiàn)，見(jiàn)圖6）

采用遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)速設(shè)定值。由模擬信號(hào)遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)速設(shè)定值，通過(guò)過(guò)程控制或分布式控制系統(tǒng)對(duì)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(hào)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(shí)，轉(zhuǎn)速設(shè)定值會(huì)以慢得多的速率變動(dòng)，直到兩個(gè)值一致，此時(shí)將允許轉(zhuǎn)速設(shè)定值以最大速率變動(dòng)。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(duì)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(shí)現(xiàn)，見(jiàn)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(jiàn)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(lái)實(shí)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(guò)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(lái)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(hào)，當(dāng)熱井的進(jìn)水量大于單臺(tái)水泵的排水量時(shí)，PLC控制啟動(dòng)備用泵，進(jìn)行兩臺(tái)泵的排水。當(dāng)熱井的進(jìn)水量減小時(shí)，同樣由變頻器給PLC提供信號(hào)，進(jìn)行減泵操作。采用一拖二的變頻設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)充分考慮現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜情況，包含足夠強(qiáng)大的故障處理程序，可自動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)故障進(jìn)行處理；需要人工干預(yù)故障處理時(shí)，可通過(guò)人機(jī)交互接口通知使用者。該系統(tǒng)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)）

采用PLC實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(xiàn)DCS的信號(hào)采用硬線(xiàn)連接

重要的監(jiān)視信號(hào)及控制信號(hào)需要硬線(xiàn)連接至生產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)停機(jī)信號(hào)給定，汽輪機(jī)拖動(dòng)本地/遠(yuǎn)程控制反饋，電機(jī)拖動(dòng)本地/遠(yuǎn)程控制反饋，電機(jī)拖動(dòng)-汽輪機(jī)拖動(dòng)反饋，汽輪機(jī)拖動(dòng)-電機(jī)拖動(dòng)反饋，綜合故障信號(hào)反饋。

5 結(jié)語(yǔ)

本方案已在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用，運(yùn)行效果較為理想。雙拖動(dòng)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(dòng)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(guó)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(guó)電力出版社，2014.

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