西門子全集成驅(qū)動系統(tǒng)在上海汽輪機廠的應(yīng)用

1、西門子全集成驅(qū)動系統(tǒng)在上海汽輪機廠的應(yīng)用西門子全集成驅(qū)動系統(tǒng),這一全球首個真正針對工業(yè)行業(yè)整條驅(qū)動鏈提供的“一站式”解決方案,引領(lǐng)時代變革,不但能顯著提高生產(chǎn)率,同時推進節(jié)能降耗的步伐。其卓越的表現(xiàn)成功幫助上海汽輪機廠(以下簡稱“上汽”超速動平衡試驗室驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)改造,并實現(xiàn)了93%的節(jié)能效果,可謂醫(yī)治了上汽多年的“心病”。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、100

2、0 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

3、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)能減排指標的完成。

4、蒸汽鍋爐還存在污染嚴重,噪音擾民等嚴重影響企業(yè)社會聲譽的問題。當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,標準的服務(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

5、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)

6、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、標準一致,因而功能集成簡單,機

7、械標準一致,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。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、

8、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

9、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?？梢圆挥镁幊?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。

10、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),控制精準等技術(shù)考驗,達到國際領(lǐng)先的技術(shù)水平。轉(zhuǎn)速3000