1、西門子全集成驅動系統在上海汽輪機廠的應用西門子全集成驅動系統,這一全球首個真正針對工業行業整條驅動鏈提供的“一站式”解決方案,引領時代變革,不但能顯著提高生產率,同時推進節能降耗的步伐。其卓越的表現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動系統技術改造,并實現了93%的節能效果,可謂醫治了上汽多年的“心病”。被譽為“中國汽輪機搖籃”的上海汽輪機廠,是中國首家設計與制造汽輪機的企業,以設計、制造火電汽輪機、核電汽輪機和重型燃氣輪機為主,現在汽輪機產量世界第一,年產量超過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根左右的轉子,支持600 MW、100

2、0 MW、1200 MW轉子試車,可試車超超臨界機組,轉子最大重量200噸。改造前上海汽輪機廠的試驗平臺是國內自主研發設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,一度是華東地區唯一能承擔大型轉子動平衡試車的專用裝備,為國家裝備制造業做出過重大的貢獻。它由測量系統,真空系統和驅動系統三部分組成;其中驅動系統用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動汽輪機。每根轉子的試車的驅動能源成本遠遠高于行業的平均水平。由于系統龐大,成本高企,污染嚴重,漸漸成為拖累企業發展的一樁“心病”。高速動平衡試驗是汽輪機質量的保證,是每個汽輪

3、機轉子必須經過的生產過程。驅動系統是平衡試驗臺的核心,為試驗臺提供動力。其穩定運行是關鍵。驅動系統改造是一個復雜的工程,不僅涉及到供電系統,冷卻水循環系統,電機,高速齒輪箱等系統,還包括基礎設施的改造;未知因素多。由于技術風險極高,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,上汽廠的大部分轉子在加工途中,測試任務少,能否在這個期間內完成動力系統的升級改造,是上汽動平衡選擇方案的關鍵因素。企業當時面臨兩難選擇:改造超速動平衡試驗室的動力驅動裝置,一旦驅動裝置不穩定,或者工期拖延有可能影響企業的全年生產任務,影響經濟效益。不改造,能源成本過高,同時影響企業十二五的節能減排指標的完成。

4、蒸汽鍋爐還存在污染嚴重,噪音擾民等嚴重影響企業社會聲譽的問題。當西門子把動平衡測試平臺驅動系統改造方案提交到上海汽輪機廠領導面前,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選擇了2臺5MW SINAMICS GM150變頻調速裝置和2臺4MW H-Compact PLUS高壓電機。齒輪箱選擇了1臺9MW 1:2.5具有調節裝置的定制弗蘭德齒輪箱。還有3臺定制的高性能絕緣聯軸器,1臺定制的輔助齒輪箱。自動控制系統使用了SIMATIC S7-300 PLC和WinCC系統。整個方案全部采用西門子產品,使用通用的軟件,標準的服務,設計、運行在統一的環境,完美支持整個產品生命周期管理,特別是

5、對設計和運行階段的完善支持。不必為不同系統的接口不匹配做額外的工作,從而簡化參數設置、調試和診斷操作,最終大大縮短組態時間,完全可以保障驅動升級在規定時間內完成。因此上汽廠做出了現在看來非常正確,而當初意味著必須承受很大壓力的兩條決定,一是甘冒風險,采用當今最先進的高壓交流變頻調速技術;二是由于國內沒有可以參考的項目,所以改造技術整體解決方案只能依靠企業與西門子協作解決,這需要對西門子解決方案擁有十二分的信心。橫向驅動總成,能效提高超速動平衡試驗室要求驅動系統在低轉速下有較大的啟動扭矩,可快速啟動,制動。在通過轉子臨界轉速時具有高扭矩功能,能使轉子快速經過其臨界轉速。驅動與增速齒輪箱聯接,將轉

6、速升速到轉子試驗要求轉速。驅動系統中,電機是動力源,提供驅動力;通過增速齒輪箱提高轉速;增速齒輪箱的輸出與中間軸連接,中間軸裝置作為大氣環境與真空環境的過渡裝置,將扭矩傳遞給試驗轉子,并帶動轉子高速旋轉,起到軸向連接的作用;同時具有調節軸向位移的功能(可軸向±40mm 移動,便于與試驗轉子的聯接,起到調節作用;配有盤車電機,具有盤車功能;配有軸向止推軸承,可承受試驗轉子的軸向推力;設有動密封裝置,減少由大氣側泄露到真空艙內的空氣量等。該方案全部采用西門子的整體驅動系統,包括電機、齒輪箱、聯軸器等連接到驅動總線的所有產品。機械傳動部分,設計統一、接口通用、標準一致,因而功能集成簡單,機

7、械標準一致,采用通用性產品,即可達到機械傳動效率最優,能源效率高,節能效果更好。上汽動平衡動力系統改進后,每根轉子的平均驅動能源成本大幅下降,節約成本達93%。以每年試車180根轉子,每年為企業節約資金1000萬元。改造后,還在節能技術方面,達到了國際領先水平。縱向數據總線,性能提升超速動平衡驅動系統在升速、穩速、反向制動等一系列技術性能方面,要求轉速平穩,控制精準。在3000轉/分鐘時,誤差不超過2轉,誤差率小于千分之一。并可穩速升至最高轉速4350轉/分鐘。經過調研,目前動平衡驅動系統中,直流調速電機是主流,但直流調速系統存在兩個很大的弱點,一是系統龐大復雜,傳動鏈長;二是系統的故障率高、

8、維修成本高。而最先進的高壓交流變頻技術,裝置體積小,效率高,還可以更容易地實現各種功能復雜但在結構上簡單控制方案。同時可轉速自調整,抗干擾能力強等優點。但交流電機國內外沒有可參考案例,技術風險高。西門子方案工程組態,驅動總成,PLC控制器等全部基于西門子的全集成自動化TIA,系統基于統一的協議,通用性好,沒有接口不匹配的風險,信息可以方便的在驅動總成和控制器之間傳輸。高壓交流變頻調速技術要求控制效果精益求精,使用整體性驅動系統,可以使用簡單的控制方案,輕松地利用PLC控制器實現復雜的功能。在動力系統改造過程中,項目組充分體會到了該方案的優點。在系統調試階段,在3600轉/分鐘,4320轉/分鐘

9、等關鍵轉速點上,系統出現了劇烈的震動現象。西門子方案具有變量跟蹤、系統診斷功能,對系統驅動總成和控制器所有狀態進行直觀的診斷。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,有效保證了系統的性能。采用雙電機串軸方案,可以在測試小轉子的時候使用任意一臺電機,另一臺電機無需啟動,提高了驅動系統的效率;更重要的是當一套變頻器或是電機故障時,即使測試大轉子,也可以通過臨時調低某些參數繼續保障整個系統的正常運行。從而大大提高了系統的可靠性。這些切換功能在調試中均一一試驗,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換。

10、西門子驅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,動平衡改造進展創造了速度上的奇跡,一個個紀錄在大家的合力拼搏下誕生。拆除原有汽輪機驅動系統龐大的裝備,僅用兩天時間;將兩臺4000千瓦高壓電機、精密齒輪箱、變頻控制系統等大型設備安裝就位,只花一星期;全部完成所有設備的基礎改造、澆筑、固定和調整,僅用一個月時間;油系統管路、水系統管路、電路、信號系統排管布線全部穿插進行,沒有耽擱一天時間,現場安裝工作節奏之快,效率之高,令人贊嘆!因為全套系統使用單一的供應商,可以避免出現故障后供應商“扯皮”現象,提升服務水平,有效提高故障解決速度。依托于西門子全集成環境,降低了服務門檻,有效提升服務水平。就此,上海汽輪機廠2011年3月-5月利用西門子方案,快速實現了超速動平衡試驗室驅動系統的升級改造。通過了200轉/分的升速、穩速和反向制動等一系列技術性能考驗,轉速平穩,控制精準等技術考驗,達到國際領先的技術水平。轉速3000