摘要：本文详细介绍了某东汽机型核电汽轮机主盘车装置的结构原理和运行逻辑，重点对调试阶段出现的主盘车停运后，其啮合齿轮无法正常退回到非啮合位置这一典型故障进行了原因分析及处理，并推动设备厂家进行了主盘车装置改造升级，彻底解决问题，为同类型主盘车装置的调试运维提供了参考和借鉴。
关键词；核电；主盘车；啮合齿轮；故障；改造
0引言
汽轮机盘车装置是汽轮发电机组启动前及停机后带动轴系旋转的驱动装置，其主要作用是在机组冲转前和停机后连续盘车，确保转子受热均匀，避免转子发生弯曲、变形。盘车可以减少机组启动时蒸汽冲转启动力矩，还可以用来检查机组是否存在动静摩擦。[1]
某中国改进型三环路压水堆（CPR1000）核电厂汽轮机采用的是由东方汽轮机有限公司引进法国ALSTOM技术生产的半转速汽轮机，其主盘车系统采用的是英国SSS公司生产的电液操纵低速自动盘车装置，盘车转速为8r/min。在调试阶段，该主盘车系统出现停运后无法正常退回到非啮合位置的问题，存在设备碰磨和损坏风险，影响机组启动和安全。本文通过对这一典型故障进行原因分析和处理，并推动供货厂家进行了最终的设备结构改造，确保了主盘车系统的安全稳定运行。
1主盘车装置的结构原理和运行逻辑
1.1结构原理
主盘车的基本结构原理为通过一个带有液力耦合器的电机产生驱动力来驱动涡轮蜗杆，利用油压和斜齿的转速差来形成推力，使得盘车齿轮可以在斜齿上进行轴向的啮合和退出，完成轴向运动。当需要投入主盘车时，盘车齿轮被推到汽轮机大轴齿轮处啮合，通过电机转动来带动大轴转动。当电机停转时，由于汽机大轴的转动惯量远大于电机及小齿轮的转动惯量，二者会产生转速差，由于斜齿轮的结构，会对小齿轮产生向非啮合位的推力。此外，盘车运行时盘车主轴中心孔内通润滑油，此部分润滑油在齿轮退出时也会产生推力。当盘车退回到非啮合位时，将非啮合位腔室内的润滑油和空气排出，完成盘车停运。主盘车结构示意图如图1所示。
图1 主盘车结构示意图
主盘车装置外接一个电磁阀，通过电磁阀的通断来实现排油和供油，其原理简图如图2所示。当电磁阀带电时，电磁阀的P-A口相通，此时进行盘车啮合供油，以提供小齿轮向啮合位运动的初始动力；当电磁阀失电时，电磁阀的A-E口相通，将小齿轮和轴承腔室中的油和空气排至轴承箱。
为了监控主盘车机械部件的运行状态，设有给离合器定位的啮合以及非啮合位置开关、用于ETC（电动盘车控制器）控制逻辑的汽轮机和盘车转速探头以及监测液力耦合器正常运行的EOC（电子操作控制系统）控制器等。
1.2运行逻辑
主盘车装置主要运行逻辑都是由ETC控制完成的。ETC控制柜通过机械部件传感器采集盘车的状态信息，并判断盘车处于何种工况，在收到外部启动和停运指令后向软启动装置发出控制命令，从而实现盘车电机及机械结构的正确运行。主盘车启动主要包括汽轮机静止启动和降速启动，根据汽机转速不同可将主盘车运行分为三种情况，分别是汽机静止状态下啮合、降速状态下啮合和转速暂时升高后的再啮合。主盘车启动时序图如图3所示。
图2 主盘车啮合供油电磁阀原理简图
图3主盘车启动时序图[2]
2主盘车故障原因分析及处理
2.1故障描述
在机组冷态状态下，主盘车维持8rpm运行，执行停运盘车电机操作后主盘车小齿轮无
法完全退回到非工作位，即无法正常触发非啮合开关信号。同样的情况也发生在首次冲转期间，当汽轮机转速升高至9.3rpm后，主盘车小齿轮也无法完全退回到非工作位。
当盘车处于冷态下非啮合位时，汽机大轴齿轮和盘车小齿轮的设计间隙为27.2mm，而大轴的理论最大膨胀量为21mm，即主盘车正常停运时，汽机大轴与盘车小齿轮有约6.2mm的距离，不会发生碰撞。但在故障状态下，主盘车小齿轮只能退回到与大轴齿轮约3~5mm距离处，有很大设备碰磨和损坏风险。
2.2原因分析
主盘车小齿轮退出过程中在齿轮转速差惯量推力、润滑油的退出推力和机械配件间阻
力的综合作用下，达到退出效果。因此分析故障原因，主要围绕主盘车本身机械故障、主盘车啮合齿轮与主轴啮合齿轮啮合偏差、退出阻力大和退出动力不足这4个方面进行排查验证。
2.2.1主盘车本身机械故障
主盘车装置是由厂家整体供货，由于现场缺少相关图纸和拆装经验，无法对集装机械结
构进行解体，因此很难对内部油道堵塞情况和机械配合情况进行直接检查。通过外观检查齿轮滑道和啮合齿轮等相关部件表面，均光滑清洁且不存在毛刺、损伤和异物，同时在静态情况下，通过人工手动盘动离合器的方式，可以很顺畅地使小齿轮啮合和脱开。因此，初步推断主盘车本身机械故障不是要因。
2.2.2主盘车啮合齿轮与主轴啮合齿轮啮合偏差
考虑到主盘车装配尺寸如果存在偏差，会产生主盘车与主轴齿轮啮合不畅的情况，因此需要对安装数据进行复查。
●主盘车定位：有横向、纵向和垂直中心线，使用钢卷尺定位，在设计标准内；轴向定位为主轴盘车齿（从动轮）至盘车啮合齿轮(脱开到极限位置)轴向间隙，使用块规测量，与设计值偏差小于0.01mm；
●主动齿与从动齿接触面积：均在良好值上限；
●齿侧间隙：实际测量值为设计中间值，可减少数据在其它因素影响下超出标准的风险；使用游标卡尺进行两齿间平行度的多次测量取平均值，前后偏差均控制为0.01mm以内；
通过对主要安装数据进行复查，基本排除了主盘车与主轴齿轮啮合不畅的可能，因此，主盘车啮合齿轮与主轴啮合齿轮啮合偏差不是主因。
2.2.3退出阻力大
主盘车小齿轮退出阻力主要有两个来源，一是小齿轮与螺旋滑道的摩擦力，另一个是电磁阀失电后，原啮合进油变为排油回路，排油或排气不畅会形成阻力。因为在现有结构下螺旋滑道是不可改变的，因此，现场重点对排油阻力进行排查。
●管道缺陷：通过外观检查电磁阀所有供排油管道，未发现变形或流阻情况；
●电磁阀管路安装位置异常：检查电磁阀安装位置与设计位置基本一致，但设计位置偏低，导致电磁阀排油口及其金属软管低于轴承箱底部接口标高，存在排油不畅可能；
●电磁阀油阻大：主盘车启动并成功啮合运行后，现场拆开主盘车供油软管与压盖连接处，使主盘车小齿轮供油管A直接对空，停运主盘车电机后，小齿轮成功退回到非啮合位置。重复验证多次后，小齿轮退回到非啮合位置的概率明显提升，但也不是每次都能脱离到位。通过试验基本可以推断电磁阀及其管道存在一定流阻，当阻力小于小齿轮退出动力时，可实现主盘车正常脱开。
因此，电磁阀管路安装偏低和电磁阀油阻大是故障的一个主要。
2.2.4退出动力不足
主盘车小齿轮退出动力主要来自两方面，一方面是主盘车停运瞬间由于大轴齿轮和盘车小齿轮转速不同产生的惯量推力，一方面是润滑油的连续供油推力。通过这两方面进行排查。
●转速差惯量：通过主盘车的结构原理可知，当电机停转时，由于汽机大轴的转动惯量远大于电机及小齿轮的转动惯量，二者会产生转速差，由于斜齿轮的结构，会对小齿轮产生向非啮合位的推力。当大轴处在盘车转速8rpm时，停运主盘车后，由于大轴的转动惯量远大于盘车齿轮的转动惯量，因此大轴转速和盘车转速都将下降，但是大轴转速下降慢于盘车，故导致大轴转速相对高于盘车齿轮（但均小于8rpm），此时这个转速差将产生一个推力矩，推动盘车小齿轮退回非啮合位。现场测量大轴转速和盘车转速变化，发现两个转速变化趋势均与正常运行机组相同，转速差也基本相同。因此，转速差惯力推力不足不是主因。
●连续供油压力：现场测量盘车连续供油压力，其压力值在1.60bar到170bar之间变化，远大于厂家要求的油压值。进一步检查主盘车供油回路，拆开主盘车连续供油管路，测量其两端接头处节流孔尺寸，与管径设计值比较，发现两端接头尺寸在设计值以下，管径偏小，会产生一定流阻，影响供油流量。因此，连续供油压力不是主因，但需要对管径进行扩充。供油管道接头及供油压力如图4所示。
2.3处理措施
通过对故障进行原因分析，初步推断主因有两点，电磁阀油阻偏大和连续供油管道管径偏小。
降低电磁阀油阻：由于设计对于电磁阀位置布置欠妥，存在排油受阻可能。现场提高电磁阀安装位置，使电磁阀排油口及其金属软管高于轴承箱底部接口处，并确保排油回路布置顺畅无弯折；同时为将电磁阀排油阻力尽可能降到最小，现场采购了ParKer快速排气阀，安装在主盘车电磁阀A口至主盘车活塞腔室管线末端之间。快速排气阀在功能上除可以实现啮合阶段供油功能外，在主盘车退回阶段，可以使活塞腔室的排油排气不经过电磁阀回路而直接快速排出，利于小齿轮退回到非啮合位置。快速排气阀设计效果图及现场安装图如图5所示。
图4 供油管道接头及供油压力
图5 快速排气阀设计效果图及现场安装图
扩充连续供油管道管径：现场对连续供油管道两端接头进行扩孔至标准设计值，以满足设计要求，增加供油流量。
经过以上处理后，主盘车在冷态下，维持8rpm运行，停运主盘车后，正常退回到非啮合位的概率有所增加；在汽轮机升速过程中，主盘车小齿轮均可以完全退回到非啮合位置。虽然主盘车在冷态下不能百分百完全退出，但小齿轮与汽机齿轮已经完全脱开，有足够的安全距离，同时在汽机冲转升速后，主盘车退出惯量大，小齿轮可以完全退出，暂时满足汽机稳定运行需求。
考虑到机组的长期安全性，针对主盘车故障原因，要求厂家对主盘车装置进行设备改造，使其在冷态下也可以实现完全退出。厂家最终进行了主盘车结构改造，增大了小齿轮环形腔室面积和缩小小齿轮轴直径以增加退出动力，取消了部分螺旋滑道以减小退出阻力，保留了快速排气阀设计，同时在系统逻辑方面进行了优化，取消了非啮合信号对辅助盘车启动的闭锁，以避免发生主盘车无法退回到位同时辅助盘车闭锁无法启动的情况。
新结构主盘车到货后，现场进行了更换和再验证，经多次试验，汽轮机处于冷态时主盘车小齿轮也均能顺畅地退回到非啮合位置，该机组主盘车啮合齿轮无法退回到位问题至此得以成功解决。
3总结
主盘车装置是汽轮机重要辅助设备之一，主盘车运行功能的好坏直接影响核电汽轮发电机的安全稳定运行。为确保主盘车的正常运行，当出现故障时需要保持敏感谨慎的态度，重视故障后果，对故障原因进行仔细分析和排查处理。
本文涉及的主盘车停运后小齿轮无法完全退回到非啮合位置的故障是该类型主盘车装置在调试阶段面临的一个典型故障，在原主盘车结构基础上，可以通过降低电磁阀油阻和扩充连续供油管道管径的方式解决此类问题，这点与国内很多同类型核电厂在解决同类问题时的思路基本一致。但实际上我们也发现故障的根本原因主要还是由于主盘车小齿轮退回过程中退出动力和阻力不匹配造成的，在原主盘车结构上采取的措施只能治表但不能治本，只有从主盘车装置本身入手，对其进行结构改造，才能从根本上彻底解决问题。该项目已通过主盘车装置结构改造完全消除了故障，确保了主盘车装置的正常运行，其成功经验可为其他核电厂同类问题的处理提供参考和借鉴。
参考文献
[1]王芳森，李诚.核电汽轮机SSS主盘车装置故障分析及处理[J].中国机械，2014（20）：252.
[2]尹鹏飞，樊志勇，仲维辉，谭兴新.宁德核电厂一期汽轮机主盘车电机跳闸原因分析及处理[J].大亚湾核电，2017（5）：21.
论文作者:崔翔东,朱应周,苏磊
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
标签：盘车论文; 齿轮论文; 转速论文; 电磁阀论文; 小齿轮论文; 惯量论文; 汽机论文; 《电力设备》2019年第2期论文;