全集成驱动系统在上海汽轮机厂的应用

西门子全集成驱动系统，这一全球首个真正针对工业行业整条驱动链提供的“一站式”解决方案，引领时代变革，不但能显著提高生产率，同时推进节能降耗的步伐。其卓越的表现成功帮助上海汽轮机厂（以下简称“上汽”）超速动平衡试验室驱动系统技术改造，并实现了93%的节能效果，可谓医治了上汽多年的“心病”。

被誉为“中国汽轮机摇篮”的上海汽轮机厂，是中国首家设计与制造汽轮机的企业，以设计、制造火电汽轮机、核电汽轮机和重型燃气轮机为主，现在汽轮机产量世界第一，年产量超过36000万千瓦，销售额100亿人民币。超速动平衡试验台每年需要试车200根左右的转子，支持600 MW、1000 MW、1200 MW转子试车，可试车超超临界机组，转子最大重量200吨。

改造前上海汽轮机厂的试验平台是国内自主研发设计的第一套高速动平衡试验装置，迄今有近40年历史。作各上汽厂引以为豪的核心装备——超速动平衡试车系统，一度是华东地区唯一能承担大型转子动平衡试车的专用装备，为国家装备制造业做出过重大的贡献。它由测量系统，真空系统和驱动系统三部分组成；其中驱动系统用8MW凝汽式汽轮机，由三台20吨/小时的蒸汽锅炉提供蒸汽来驱动汽轮机。每根转子的试车的驱动能源成本远远高于行业的平均水平。由于系统庞大，成本高企，污染严重，渐渐成为拖累企业发展的一桩“心病”。

高速动平衡试验是汽轮机质量的保证，是每个汽轮机转子必须经过的生产过程。驱动系统是平衡试验台的核心，为试验台提供动力。其稳定运行是关键。驱动系统改造是一个复杂的工程，不仅涉及到供电系统，冷却水循环系统，电机，高速齿轮箱等系统，还包括基础设施的改造；未知因素多。由于技术风险极高，成为上汽厂的一块“心病”。

加之每年只有3月至5月这个期间，上汽厂的大部分转子在加工途中，测试任务少，能否在这个期间内完成动力系统的升级改造，是上汽动平衡选择方案的关键因素。

企业当时面临两难选择：改造超速动平衡试验室的动力驱动装置，一旦驱动装置不稳定，或者工期拖延有可能影响企业的全年生产任务，影响经济效益。不改造，能源成本过高，同时影响企业十二五的节能减排指标的完成。蒸汽锅炉还存在污染严重，噪音扰民等严重影响企业社会声誉的问题。

当西门子把《动平衡测试平台驱动系统改造方案》提交到上海汽轮机厂领导面前，上汽厂终于下定了改造的决心。该解决方案中大型传动系统选择了2台5MW SINAMICS GM150变频调速装置和2台4MW H-Compact PLUS高压电机。齿轮箱选择了1台9MW 1:2.5具有调节装置的定制弗兰德齿轮箱。还有3台定制的高性能绝缘联轴器，1台定制的辅助齿轮箱。自动控制系统使用了SIMATIC S7-300 PLC和WinCC系统。整个方案全部采用西门子产品，使用通用的软件，标准的服务，设计、运行在统一的环境，完美支持整个产品生命周期管理，特别是对设计和运行阶段的完善支持。不必为不同系统的接口不匹配做额外的工作，从而简化参数设置、调试和诊断操作，最终大大缩短组态时间，完全可以保障驱动升级在规定时间内完成。

因此上汽厂做出了现在看来非常正确，而当初意味着必须承受很大压力的两条决定，一是甘冒风险，采用当今最先进的高压交流变频调速技术；二是由于国内没有可以参考的项目，所以改造技术整体解决方案只能依靠企业与西门子协作解决，这需要对西门子解决方案拥有十二分的信心。
横向驱动总成，能效提高

超速动平衡试验室要求驱动系统在低转速下有较大的启动扭矩，可快速启动，制动。在通过转子临界转速时具有高扭矩功能，能使转子快速经过其临界转速。驱动与增速齿轮箱联接，将转速升速到转子试验要求转速。

驱动系统中，电机是动力源，提供驱动力；通过增速齿轮箱提高转速；增速齿轮箱的输出与中间轴连接，中间轴装置作为大气环境与真空环境的过渡装置，将扭矩传递给试验转子，并带动转子高速旋转，起到轴向连接的作用；同时具有调节轴向位移的功能（可轴向±40mm移动），便于与试验转子的联接，起到调节作用；配有盘车电机，具有盘车功能；配有轴向止推轴承，可承受试验转子的轴向推力；设有动密封装置，减少由大气侧泄露到真空舱内的空气量等。

该方案全部采用西门子的整体驱动系统，包括电机、齿轮箱、联轴器等连接到驱动总线的所有产品。机械传动部分，设计统一、接口通用、标准一致，因而功能集成简单，机械标准一致，采用通用性产品，即可达到机械传动效率最优，能源效率高，节能效果更好。

上汽动平衡动力系统改进后，每根转子的平均驱动能源成本大幅下降，节约成本达93%。以每年试车180根转子，每年为企业节约资金1000万元。改造后，还在节能技术方面，达到了国际领先水平。

纵向数据总线，性能提升

超速动平衡驱动系统在升速、稳速、反向制动等一系列技术性能方面，要求转速平稳，控制精准。在3000转/分钟时，误差不超过2转，误差率小于千分之一。并可稳速升至最高转速4350转/分钟。

经过调研，目前动平衡驱动系统中，直流调速电机是主流，但直流调速系统存在两个很大的弱点，一是系统庞大复杂，传动链长；二是系统的故障率高、维修成本高。而最先进的高压交流变频技术，装置体积小，效率高，还可以更容易地实现各种功能复杂但在结构上简单控制方案。同时可转速自调整，抗干扰能力强等优点。但交流电机国内外没有可参考案例，技术风险高。

西门子方案工程组态，驱动总成，PLC控制器等全部基于西门子的全集成自动化TIA，系统基于统一的协议，通用性好，没有接口不匹配的风险，信息可以方便的在驱动总成和控制器之间传输。高压交流变频调速技术要求控制效果精益求精，使用整体性驱动系统，可以使用简单的控制方案，轻松地利用PLC控制器实现复杂的功能。

在动力系统改造过程中，项目组充分体会到了该方案的优点。在系统调试阶段，在3600转/分钟，4320转/分钟等关键转速点上，系统出现了剧烈的震动现象。西门子方案具有变量跟踪、系统诊断功能，对系统驱动总成和控制器所有状态进行直观的诊断。可以不用编程，显示基本信息和实时信息，大大提高调试效率。在遇到问题后，借助工具，仅花几天时间，便找到问题原因，排除了困难，有效保证了系统的性能。

采用双电机串轴方案，可以在测试小转子的时候使用任意一台电机，另一台电机无需启动，提高了驱动系统的效率；更重要的是当一套变频器或是电机故障时，即使测试大转子，也可以通过临时调低某些参数继续保障整个系统的正常运行。从而大大提高了系统的可靠性。这些切换功能在调试中均一一试验，客户操作员只需要在屏幕上简单操作即可完成各种测试模式的转换。

西门子驱动上汽进入新境界

自从西门子正式进场的第一天起，分分秒秒都在与时间赛跑。由于准备充分，加上各路人马每天12个小时以上的立体交错作业，动平衡改造进展创造了速度上的奇迹，一个个纪录在大家的合力拼搏下诞生。拆除原有汽轮机驱动系统庞大的装备，仅用两天时间；将两台4000千瓦高压电机、精密齿轮箱、变频控制系统等大型设备安装就位，只花一星期；全部完成所有设备的基础改造、浇筑、固定和调整，仅用一个月时间；油系统管路、水系统管路、电路、信号系统排管布线全部穿插进行，没有耽搁一天时间，现场安装工作节奏之快，效率之高，令人赞叹！

因为全套系统使用单一的供应商，可以避免出现故障后供应商“扯皮”现象，提升服务水平，有效提高故障解决速度。依托于西门子全集成环境，降低了服务门槛，有效提升服务水平。

就此，上海汽轮机厂2011年3月-5月利用西门子方案，快速实现了超速动平衡试验室驱动系统的升级改造。通过了200转/分的升速、稳速和反向制动等一系列技术性能考验，转速平稳，控制精准等技术考验，达到国际领先的技术水平。转速3000转/分钟时，控制误差从±10转降低到±1转，达到误差低于千分之一，实现了超高的控制精度，同时提高了调速稳定性，避免了燃气轮机转子裂纹的产生。上汽总动力师李斌先生说：“这是我们上汽厂自主设计建设的国内首台大容量，高水平交流变频驱动超速动平衡试验装备，技术装备性能达到国际先进水平，得益于西门子先进可靠的驱动技术。”(end)