關于汽輪機主盤車控制柜控制功能離線驗證的研究

楊 徽

（福建福清核電有限公司 維修一處，福建 福清 350300）

0 引言

汽輪機主盤車裝置是汽輪發電機組啟動前及停機后帶動軸系旋轉的驅動裝置，其主要作用是在機組沖轉前和停機后連續盤車。沖轉前，盤車可以檢查動靜摩擦，減小機組啟動時蒸汽沖轉啟動力矩，避免摩擦力太大損壞軸承；停機時，盤車可以確保轉子受熱均勻，避免轉子發生彎曲、變形[1-3]。目前，由東方汽輪機有限公司引進的法國ALSTOM 技術半轉速核電汽輪機，已應用于多個百萬kW級核電機組。其主盤車設備均采用SSS 公司生產的電液操作低速自動盤車裝置，盤車轉速為8.3r/min[4]。

1 主盤車工作原理及運行

1.1 主盤車結構

主盤車裝置主要由盤車電機（45kW，380V，750rpm）、液力聯軸器、減速離合器、盤車大齒輪等主要部件，以及主盤車控制器、軟啟動器、電磁閥、轉速探測器、嚙合/脫開位置開關等輔助部件組成[1]。

減速離合器是主盤車裝置的主體部分，由減速器（一組減速比為29.5:1 的蝸輪蝸桿）和離合器（帶有螺旋滑道的盤車軸及軸上的離合器小齒輪）兩部分組成，盤車電機通過聯軸器與蝸桿連接，蝸桿旋轉帶動蝸輪旋轉從而帶動盤車軸和軸上的離合器小齒輪旋轉。液力聯軸器由液力聯軸器和撓性聯軸器組成，配備有監控聯軸器溫度的測溫探頭。盤車大齒輪安裝在高中壓轉子端部，通過與離合器小齒輪的嚙合而盤動轉子，是盤車裝置與轉子間的接口。電磁閥控制著嚙合動力油的通斷。轉速探測器共包括大齒輪轉速探測器P1、P2 和盤車電機轉速探測器P3 共3 個。位置開關S2、S3 分別用于檢測離合器是否嚙合、脫開到位。盤車軟啟動器可以保證盤車平穩啟動，不會對上游母線造成大的壓降，可實現20s 內將電機電壓逐漸達到額定電壓[5]。

主盤車控制器控制整個盤車裝置的每一步運行[6]。收集各個探測器（P1、P2、P3、P4、S2、S3）采集到的信號，判斷盤車的狀態，并以此發出每一步的執行信號，控制盤車電動機啟停、電磁閥通斷。主盤車控制器接受DCS 的啟停命令并向DCS 反饋盤車運行狀態，顯示盤車運行狀態及故障代碼，其顯示的故障代碼為故障的分析與處理提供了很大幫助[7]。

1.2 主盤車工作原理

1.2.1 主盤車嚙合

如圖1 主盤車結構圖所示，電磁閥帶電打開，嚙合動力油通過電磁閥進入推力環形腔室并推動離合器小齒輪沿著螺旋滑道朝嚙合方向移動，使合裝在小齒輪上的相位齒輪與盤車大齒輪端面接觸。當盤車旋轉使相位齒輪與盤車大齒輪的齒輪與齒槽相互對上時，小齒輪在嚙合動力油的推動下實現與盤車大齒輪初步嚙合。隨后，電磁閥失電關閉，嚙合動力油被切斷，盤車旋轉引起的螺旋滑道上的力矩，使得盤車小齒輪繼續軸向移動，實現離合器完全嚙合，嚙合位置開關動作，盤車正常投入，帶動汽輪機大軸旋轉。

1.2.2 主盤車脫開

圖1 主盤車結構圖Fig.1 Structure diagram of the main crank

圖2 主盤車控制流程圖Fig.2 Flow chart of main crank control

如圖1 主盤車結構圖所示，當汽輪機轉速超過盤車轉速時，盤車大齒輪對離合器小齒輪有一個反向力矩，使得小齒輪沿著螺旋滑道朝脫開方向移動并脫離嚙合。當小齒輪從大齒輪脫離接觸后，由于小齒輪本身內部腔室有來自潤滑油系統的持續供油，推動小齒輪持續軸向移動至脫開位置，實現完全脫開，脫開位置開關動作。持續供油還保證了小齒輪上的相位齒輪與大齒輪之間端部有足夠的安全間距，絕不接觸。

1.3 主盤車運行

1.3.1 機組停止狀態投盤車

主盤車控制器接收來自電站主控室啟動盤車指令時，根據轉速探測器（P1、P2、P3）確認汽輪機及盤車轉速均為0，判斷汽輪機及盤車處于停止狀態，經15s 延時后電磁閥帶電打開，嚙合動力油推動小齒輪沿著螺旋滑道朝嚙合方向移動并預嚙合；電磁閥動作后，再經30s 延時，盤車電機啟動，電磁閥失電（嚙合動力油斷開），最后在盤車力矩作用下實現完全嚙合，嚙合開關動作，盤車投入運行。當汽輪機沖轉時，主盤車會由于反向力矩自動脫開。當汽輪機升速至1350r/min 時，主盤車會收到主控的停運命令，停止運行[6]。

1.3.2 機組降速過程投盤車

當汽輪機降速至1350r/min 時，頂軸油泵自動啟動延時15s 后盤車電機自動啟動并維持在8.3r/min；當汽輪機轉速降至7.5r/min 時，電磁閥帶電，動力油將小齒輪推向大齒輪嚙合，初步嚙合之后電磁閥失電，最后小齒輪與大齒輪完全嚙合，帶動軸系穩定在8.3r/min 旋轉。

1.3.3 機組臨時升速后，轉速回落投盤車

若機組只是臨時升速，轉速回落后到盤車轉速仍可按照上述降速過程中投入盤車。

2 主盤車控制柜功能離線驗證

福建某核電項目在1 號機組汽輪機在停機過程中，當汽輪機轉速降至20rpm 左右時，主盤車控制柜1GGR001AR內P1 卡件在汽輪機轉速降至20rpm 左右時，多次出現卡死現象，導致主盤車在汽輪機降至8rpm 時無法正常投運。為了在P1 卡件更換后驗證不占用大修工期，投運驗證時能夠一次成功，經過分析研究，制定出一種離線主盤車控制柜功能離線驗證的方法，在P1 卡件更換后，對主盤車控制柜功能進行了離線驗證正常，從而保障了主盤車真實投運一次成功。

2.1 模擬汽機靜止狀態下的盤車啟動嚙合

根據圖3 盤車控制柜內端子排接線圖，對1GGR001AR進出線端子排1-11,19-39 端子外部接線拆除，采用可插拔式接線將端子23、24 短接（模擬脫離信號），將EOC 控制器3、5 端子進行短接（在電機啟動命令發出后模擬電機運行信號），將信號發生器FLUKE744 紅表筆接在2 端子，黑表筆分別接在1 端子上，并將FLUKE744 設置電壓9V，矩形波，16Hz（僅是設置，不啟動輸出）。

將1GGR001AR 控制柜電源開關由OFF 轉至ON 位，P1 卡件顯示“Ready”，并對端子進行測量并記錄，使用短接線將端子30、31 短接（模擬主盤車啟動命令），拔出23、24 端子短接線（模擬脫離信號消失）。

當P1 卡件顯示“VALUE ON”時，對端子進行測量并記錄（此步驟應30s 內完成）。

當P1 卡件顯示“MOTOR ON”時，對端子進行測量并記錄；短接20、21 端子（模擬主盤車嚙合信號），觀察P1卡件應顯示“ETG RUNNING”。

圖3 盤車控制柜內端子排接線圖Fig.3 Wiring diagram of the terminal block in the crank control cabinet

啟動信號發生器輸出，觀察P1 卡件顯示約8.3RPM，對端子進行測量并記錄。

將30、31 之間的短接線拆除（模擬主盤車停運命令）；觀察P1 卡件顯示主盤車停運；拆除20、21 短接線（模擬主盤車嚙合信號消失）；將1GGR001AR 控制柜電源開關由ON 轉至OFF 位。

2.2 模擬停機降速過程中的盤車啟動并在8RPM時嚙合

根據圖3 盤車控制柜內端子排接線圖，使用短接線將端子1、5 短接；使用短接線將端子2、6 短接；將1 號信號發生器FLUKE744 紅表筆接在2 端子，黑表筆接在1 端子上，設置電壓9V，矩形波，25Hz，步長0.1Hz，啟動輸出，P1、P2 卡件顯示約12.9rpm；將2 號信號發生器FLUKE744 紅表筆接在10 端子，黑表筆接在9 端子上，設置電壓9V，矩形波，12.5Hz（僅是設置，不啟動輸出），采用可插拔式接線將端子23、24 短接（模擬脫離信號）。

表1 模擬汽機靜止狀態下的盤車啟動嚙合時數據測量參考標準表Table 1 Reference standard table for data measurement when cranking the cranking gear in the stationary state of the simulated steam turbine

將1GGR001AR 控制柜電源開關由OFF 轉至ON 位，對端子測量數據進行記錄。

使用短接線將端子30、31 短接（模擬主盤車啟動命令），在P1 卡件顯示“ENGAGE@7.5”時，并對端子測量數據進行記錄。

啟動2 號信號發生器輸出，觀察P3 卡件顯示8.3rpm，手動降低1 號信號發生器輸出頻率直至P1 卡件顯示7.4RPM，觀察P1 卡件顯示“VALUE ON”，并對端子測量數據進行記錄。

拔出23、24 端子短接線（模擬脫離信號消失），短接20、21 端子（模擬嚙合信號觸發），觀察P1 卡件應顯示“ETG RUNNING”，并對端子測量數據進行記錄。

將30、31 之間的短接線拆除（模擬主盤車停運命令），觀察P1 卡件顯示主盤車停運，拆除20、21 短接線（模擬嚙合信號消失）。

3 結束語

主盤車裝置是汽輪機設備的重要配套設備之一，主盤車運行的好壞直接影響到核電汽輪機的安全運行。本文提出一種汽輪機主盤車控制柜控制功能離線驗證的方法，該方法能在主盤車控制柜調試以及P1 卡件等重要備件更換后，通過模擬汽機靜止狀態下的盤車啟動嚙合和模擬停機降速過程中的盤車啟動并在8rpm 時嚙合，對控制柜功能進行離線驗證，并能提前識別出主盤車控制柜的故障點并進行處理，從而保障在真實帶動汽輪機大軸進行啟動時一次成功，從而有效縮短調試工期或大修主線。

表2 模擬停機降速過程中的盤車啟動并在8rpm時嚙合數據測量參考標準表Table 2 Reference standard table for cranking start and engagement data measurement at 8rpm during simulated shutdown and speed reduction