西門(mén)子全集成驅動(dòng)系統醫治上汽“心病”

  西門(mén)子全集成驅動(dòng)系統，這一全球首個(gè)真正針對整個(gè)驅動(dòng)鏈提供的“一站式”解決方案，2011年5月，上海汽輪機廠(chǎng)超速動(dòng)平衡試驗室驅動(dòng)系統技術(shù)改造成功，便實(shí)現了93%的節能效果，幫助工廠(chǎng)實(shí)現節能減排任務(wù)。西門(mén)子全集成驅動(dòng)系統助上汽動(dòng)平衡裝備動(dòng)力能耗成本降低93%

  上海汽輪機廠(chǎng)被譽(yù)為“中國汽輪機搖籃”，成立于1953年，是中國第一家設計與制造汽輪機的企業(yè)，以設計、制造火電汽輪機、核電汽輪機和重型燃氣輪機為主。在上個(gè)世紀80年代后，開(kāi)始快速發(fā)展，現在汽輪機產(chǎn)量世界第一，年產(chǎn)量超過(guò)36000萬(wàn)千瓦，銷(xiāo)售額100億人民幣。超速動(dòng)平衡試驗臺每年需要試車(chē)200根左右的轉子，支持600 MW、1000 MW、1200 MW轉子試車(chē)，可試車(chē)超超臨界機組，轉子最大重量200噸。

  改造前上海汽輪機廠(chǎng)的試驗平臺是國內自主研發(fā)設計的第一套高速動(dòng)平衡試驗裝置，迄今有近40年歷史。40年來(lái)超速動(dòng)平衡試車(chē)系統一直是上汽廠(chǎng)引以為豪的核心裝備，一度是華東地區唯一能承擔大型轉子動(dòng)平衡試車(chē)的專(zhuān)用裝備，幾十年來(lái)為汽輪機廠(chǎng)也為國家裝備制造業(yè)做出過(guò)重大的貢獻。它由測量系統，真空系統和驅動(dòng)系統三部分組成；其中驅動(dòng)系統用8MW凝汽式汽輪機，由三臺20噸/小時(shí)的蒸汽鍋爐提供蒸汽來(lái)驅動(dòng)汽輪機。每根轉子的試車(chē)的驅動(dòng)能源成本遠遠高于行業(yè)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(yè)發(fā)展的一樁“心病”。

  高速動(dòng)平衡試驗是汽輪機質(zhì)量的保證，是每個(gè)汽輪機轉子必須經(jīng)過(guò)的生產(chǎn)過(guò)程。驅動(dòng)系統是平衡試驗臺的核心，為試驗臺提供動(dòng)力。其穩定運行是關(guān)鍵。驅動(dòng)系統改造是一個(gè)復雜的工程，不僅涉及到供電系統，冷卻水循環(huán)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(shù)風(fēng)險極高，如果沒(méi)有十分把握，不敢貿然行動(dòng)，因而長(cháng)期拖延。

  加之每年只有3月至5月這個(gè)期間，上海汽輪機廠(chǎng)的大部分轉子在加工途中，測試任務(wù)少，能否在這個(gè)期間內完成動(dòng)力系統的升級改造，是上汽動(dòng)平衡選擇方案的關(guān)鍵因素。

  企業(yè)當時(shí)面臨兩難選擇：改造超速動(dòng)平衡試驗室的動(dòng)力驅動(dòng)裝置，一旦驅動(dòng)裝置不穩定，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(guò)高，同時(shí)影響企業(yè)十二五的節能減排指標的完成。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(huì )聲譽(yù)的問(wèn)題。

  當西門(mén)子把《動(dòng)平衡測試平臺驅動(dòng)系統改造方案》提交到上海汽輪機廠(chǎng)領(lǐng)導面前，上汽廠(chǎng)終于下定了改造的決心。該解決方案中大型傳動(dòng)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(lián)軸器，1臺定制的輔助齒輪箱。自動(dòng)控制系統使用了SIMATIC S7-300 PLC和WinCC系統。整個(gè)方案全部采用西門(mén)子產(chǎn)品，使用通用的軟件，標準的服務(wù)，設計、運行在統一的環(huán)境，完美支持整個(gè)產(chǎn)品生命周期管理，特別是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(jiǎn)化參數設置、調試和診斷操作，最終大大縮短組態(tài)時(shí)間，完全可以保障驅動(dòng)升級在規定時(shí)間內完成。

  因此上海汽輪機廠(chǎng)做出了現在看來(lái)非常正確，而當初意味著(zhù)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(jìn)的高壓交流變頻調速技術(shù)；二是由于國內沒(méi)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(mén)子協(xié)作解決，這需要對西門(mén)子解決方案擁有十二分的信心。

  在工程的實(shí)施過(guò)程，上汽動(dòng)平衡更加體會(huì )到了西門(mén)子方案的優(yōu)越性，由于所有方案都是西門(mén)子一家提供的，在實(shí)施過(guò)程中，出現的所有技術(shù)問(wèn)題，西門(mén)子挺身而出，毫不推托，解決問(wèn)題效率高。避免了以前多家企業(yè)參與的方案中，各家企業(yè)推卸責任的問(wèn)題，大大提高了安裝，調試的速度。

  橫向驅動(dòng)總成，能效提高

  超速動(dòng)平衡試驗室要求驅動(dòng)系統在低轉速下有較大的啟動(dòng)扭矩，可快速啟動(dòng)，制動(dòng)。在通過(guò)轉子臨界轉速時(shí)具有高扭矩功能，能使轉子快速經(jīng)過(guò)其臨界轉速。驅動(dòng)與增速齒輪箱聯(lián)接，將轉速升速到轉子試驗要求轉速。

  驅動(dòng)系統中，電機是動(dòng)力源，提供驅動(dòng)力；通過(guò)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(huán)境與真空環(huán)境的過(guò)渡裝置，將扭矩傳遞給試驗轉子，并帶動(dòng)轉子高速旋轉，起到軸向連接的作用；同時(shí)具有調節軸向位移的功能(可軸向±40mm移動(dòng))，便于與試驗轉子的聯(lián)接，起到調節作用；配有盤(pán)車(chē)電機，具有盤(pán)車(chē)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(dòng)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(mén)子的整體驅動(dòng)系統，包括電機、齒輪箱、聯(lián)軸器等連接到驅動(dòng)總線(xiàn)的所有產(chǎn)品。機械傳動(dòng)部分，設計統一、接口通用、標準一致，因而功能集成簡(jiǎn)單，機械標準一致，采用通用性產(chǎn)品，即可達到機械傳動(dòng)效率最優(yōu)，能源效率高，節能效果更好。

  上汽動(dòng)平衡動(dòng)力系統改進(jìn)后，每根轉子的平均驅動(dòng)能源成本大幅下降，節約成本達93%。以每年試車(chē)180根轉子，每年為企業(yè)節約資金1000萬(wàn)元。使用西門(mén)子驅動(dòng)方案后，在節能技術(shù)方面，達到了國際領(lǐng)先水平。

  縱向數據總線(xiàn)，性能提升

  超速動(dòng)平衡驅動(dòng)系統在升速、穩速、反向制動(dòng)等一系列技術(shù)性能方面，要求轉速平穩，控制精準。在3000轉/分鐘時(shí)，誤差不超過(guò)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(jīng)過(guò)調研，目前動(dòng)平衡驅動(dòng)系統中，直流調速電機是主流，但直流調速系統存在兩個(gè)很大的弱點(diǎn)，一是系統龐大復雜，傳動(dòng)鏈長(cháng)；二是系統的故障率高、維修成本高。而最先進(jìn)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(shí)現各種功能復雜但在結構上簡(jiǎn)單控制方案。同時(shí)可轉速自調整，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)。但交流電機國內外沒(méi)有可參考案例，技術(shù)風(fēng)險高。

  西門(mén)子方案工程組態(tài)，驅動(dòng)總成，PLC控制器等全部基于西門(mén)子的全集成自動(dòng)化TIA，系統基于統一的協(xié)議，通用性好，沒(méi)有接口不匹配的風(fēng)險，信息可以方便的在驅動(dòng)總成和控制器之間傳輸。高壓交流變頻調速技術(shù)要求控制效果精益求精，使用整體性驅動(dòng)系統，可以使用簡(jiǎn)單的控制方案，輕松地利用PLC控制器實(shí)現復雜的功能。

  在動(dòng)力系統改造過(guò)程中，項目組充分體會(huì )到了該方案的優(yōu)點(diǎn)。在系統調試階段，在3600轉/分鐘，4320轉/分鐘等關(guān)鍵轉速點(diǎn)上，系統出現了劇烈的震動(dòng)現象。西門(mén)子方案具有變量跟蹤、系統診斷功能，對系統驅動(dòng)總成和控制器所有狀態(tài)進(jìn)行直觀(guān)的診斷?？梢圆挥镁幊?，顯示基本信息和實(shí)時(shí)信息，大大提高調試效率。在遇到問(wèn)題后，借助工具，僅花幾天時(shí)間，便找到問(wèn)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(shí)候使用任意一臺電機，另一臺電機無(wú)需啟動(dòng)，提高了驅動(dòng)系統的效率；更重要的是當一套變頻器或是電機故障時(shí)，即使測試大轉子，也可以通過(guò)臨時(shí)調低某些參數繼續保障整個(gè)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(hù)操作員只需要在屏幕上簡(jiǎn)單操作即可完成各種測試模式的轉換。

  西門(mén)子驅動(dòng)上汽進(jìn)入新境界

  自從西門(mén)子正式進(jìn)場(chǎng)的第一天起，分分秒秒都在與時(shí)間賽跑。由于準備充分，加上各路人馬每天12個(gè)小時(shí)以上的立體交錯作業(yè)，動(dòng)平衡改造進(jìn)展創(chuàng )造了速度上的奇跡，一個(gè)個(gè)紀錄在大家的合力拼搏下誕生。拆除原有汽輪機驅動(dòng)系統龐大的裝備，僅用兩天時(shí)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(gè)月時(shí)間；油系統管路、水系統管路、電路、信號系統排管布線(xiàn)全部穿插進(jìn)行，沒(méi)有耽擱一天時(shí)間，現場(chǎng)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(wù)水平，有效提高故障解決速度。依托于西門(mén)子全集成環(huán)境，降低了服務(wù)門(mén)檻，有效提升服務(wù)水平。

  就此，上海汽輪機廠(chǎng)2011年3月-5月利用西門(mén)子方案，快速實(shí)現了超速動(dòng)平衡試驗室驅動(dòng)系統的升級改造。通過(guò)了200轉/分的升速、穩速和反向制動(dòng)等一系列技術(shù)性能考驗，轉速平穩，控制精準等技術(shù)考驗，達到國際領(lǐng)先的技術(shù)水平。轉速3000轉/分鐘時(shí)，控制誤差從±10轉降低到±1轉，達到誤差低于千分之一，實(shí)現了超高的控制精度，同時(shí)提高了調速穩定性，避免了燃氣輪機轉子裂紋的產(chǎn)生。上汽總動(dòng)力師李斌先生說(shuō)：“這是我們上汽廠(chǎng)自主設計建設的國內首臺大容量，高水平交流變頻驅動(dòng)超速動(dòng)平衡試驗裝備，技術(shù)裝備性能達到國際先進(jìn)水平，得益于西門(mén)子先進(jìn)可靠的驅動(dòng)技術(shù)。”

  系統改造前，每根轉子測試前的啟動(dòng)時(shí)間便要2天，而現在整根轉子的全部測試僅需0.5天即可完成。同時(shí)升速、制動(dòng)速度大大提高，85噸轉子制動(dòng)時(shí)間由原來(lái)的2.5小時(shí)降低到0.5小時(shí)，轉速提升到3000轉/分鐘所花費的時(shí)間從40分鐘降低到僅需10分鐘，并且實(shí)現轉速連續可調，率先達到了轉子測試完全定制，參數隨時(shí)輸入的國內首創(chuàng )測試水準，大大提高了生產(chǎn)效率。

  改造為上汽廠(chǎng)帶來(lái)了實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟效益，每個(gè)轉子的試車(chē)成本顯著(zhù)大幅降低。改造完成后，關(guān)閉蒸汽鍋爐以及冷卻水系統，節約20余個(gè)勞動(dòng)力，經(jīng)濟效益可觀(guān)。上汽李總坦言：“改造之后能耗降低了93%，每年可節約成本1000余萬(wàn)元。”

  西門(mén)子的全集成驅動(dòng)系統，使上海汽輪機廠(chǎng)獲得的不僅僅只是驅動(dòng)產(chǎn)品，而是一個(gè)真正涵蓋整個(gè)驅動(dòng)鏈的“一站式”解決方案，能夠提供實(shí)實(shí)在在的價(jià)值增值，助力上汽躍升進(jìn)入了節能工廠(chǎng)的新境界。