结合505控制原理浅谈在我厂的实际应用

关键词：505控制原理及应用
KEY WORDS：505 CONTROL THEORY AND APPLICATION
        505汽轮机控制器在我厂应用已有一段时间，在实际操作和运行过程中，大家仍对505的功能和原理存在多多少少的疑惑和不解，包括我本人，最近花时间静心研究了一些505的原版资料，结合我厂实际应用，感觉颇有收获，特撰写此文，与大家共享，由于专业水平和英文水平有限，不到之处请各位指正。
参考资料：
WOODWARD 505 DIGITAL GOVERNOR FOR STEAM TURBINES WITH SINGLE OR SPLIT-RANGE ACTUATORS；
VOLUME 1,MANUAL 85017V1B；
VOLUME 2,MANUAL 85017V1C。
一、 概述
         505汽轮机控制器是美国WOODWARD公司研究开发的，专用于汽轮机数字电液调节控制的主机，其配套产品还有CPC（电液转换器）、DSLC（数字同步控制器）、LVDT（调节阀开度线性测量装置）等。我厂#2机用了WOODWARD公司的505 和CPC，#4机用了505，但电液转换器用的是国产SVA9型。数字同步控制器都没用，目前机组并网都是手动同期，调节阀开度线性测量装置均产用江阴众和电力仪器厂的8000B系列汽轮机保护测量产品，从实际使用的效果看，线性度还比较好。
           505控制器可应用与单调节阀或双调节阀控制的汽轮机，就是背压机和抽凝机，用于抽凝机的控制器为505(E)，与505的区别是多一个调节阀控制输出通道，控制原理都是一样的在我厂实际应用的两台505控制器都是应用与背压机组。控制模型如图1。
图1

二、 505的控制原理和我厂实际应用方式
505有四种典型的自动控制方式，分别为：
A、转速自动控制方式；
B、负荷自动控制方式；
C、频率自动控制方式；
D、串级背压自动控制方式。
其中转速控制方式从505进入启动运行模式（RUN）开始后就自动进入闭环控制，不受操作人员和任何其他外部逻辑信号干预，除非停机，也就是说转速控制在汽轮机运行后永远处于闭环状态。其它三种自动控制方式可以接受操作人员干预或受外部逻辑信号干预。下面就四种不同的控制原理通过图解逐一进行分析。

1、 转速自动控制方式
在505内部只有两个直接驱动进气阀门的调节器，一个是转速PID，另一个是辅助PID，还有一个不是PID调节器，是阀位限制器，如图2。

图2

        从上图我们可以看出，调节阀实际开度指令受三个指令源控制，第一是转速调节器的输出，第二是辅助调节器的输出，第三是阀位限制器的输出。这三个输出信号不是叠加，而是通过一个低选总线选择哪一个最终作用到输出端。低选总线的作用是哪个控制模块给出的信号低，就用哪个信号，这就决定了汽轮机始终处于一个安全运行的模式，正常调节时不会过负荷，不会超速。
转速调节器的作用不言而喻，是用来控制转速稳定在给定转速值上；
        辅助调节器的作用505设计人员是向用户开放的，不局限与控制哪个参数，看用户的需要。如果你的汽轮机连的是风机或者水泵设备，那么辅助调节器可以调节母管压力，温度，风量等受控参数。505默认为发电机应用，因此辅助控制我们没有使用，需要时我们也可以引入调节信号，如发电机功率，可以给定一个较小的发电机功率，让汽轮机实际运行时只能在给定功率的下面运行（因为低选总线的作用）。辅助调节器在某种意义上讲相当于某一个参数的限制器。
         阀位限制器的作用可以理解，是属于保护范畴，就是硬生生的给一个限制开度指令，不论你上面两个调节器输出多大的指令，只要高于我限制器的值，就给你刹车，拒绝你的指令通过，如#2机，由于调节阀设计上不合理，目前开度只需60％左右就能达到满负荷，针对这个实际情况，为了防止汽轮机超功率运行，我们可以给一个65%的阀位开度限制指令，作为一道保护防止汽轮机超负荷。（可以预计到的有两种情况会导致汽轮机超负荷运行：第一是投入排气压力自动控制时，这时发电机功率是由汽负荷决定的；第二是虽然不在排气压力自动控制方式，但运行人员给出了错误的高负荷指令，而这个指令又处于调节器可接受的范围上限）。
为了分析转速自动控制方式，我们假设辅助PID没有使用，阀位限制器没有限制，如图3。

图3

        这是一个最简单的单回路调节器，它接受转速给定指令与实际转速的偏差信号进行PID运算（实际是PI运算，因为99％的调节器不用D信号――微分信号，我们实际应用也没有设置D参数）。
转速指令有三个地方可以产生，但同一时间最后有效的指令才是最终的给定指令。
          第一来自505操作面板，就是在SPEED设定窗口人工输入的转速设定值，包括用ADJ按钮基于当前转速上升或下降的转速指令；
         第二来自DCS远程设定，就是我们配置的DCS上DEH操作面板，上面有升降转速指令和模拟量转速设定指令（慎用DCS模拟量给定这个指令，因为在切换过程中程序设计不严谨，在一定条件下有概率可能会产生危险，这里不详细分析）；
         第三来自505程序控制自动产生的转速给定指令，如自动开机时，转速给定值会按照505设定的开机曲线自动生成，无需人为干预。前两种定义为操作人员就地/远程手动给定。
         这三种指令是如何并行工作的呢，如果都来调节器怎么办，举开机的例子，505有一个转速给定值选择模块，在设计严谨的保护逻辑下选择有效的转速给定指令。如自动开机，则505进入自动模式，转速指令从0自动升速到500转停留，即进入低速暖机状态（停留时间是通过程序员设定的参数和汽轮机停机的时间用内插法由505自动计算出来的），低速暖机时间到就自动提高给定值指令，以一定的升速速率上升到2800转，高速暖机目标值（可编程改变这个值）。在转速指令自动变化的过程中如果接受到来自505面板或DCS的干预指令，则立即切换到手动模式，接受有效的人工操作指令，人工干预完后仍可通过面板切换到自动模式。我们可理解为谁最后一个来谁有效（与前面的低总线选择不一样，这里不是谁低谁有效，因此要人工干预时要注意你给的指令会直接响应，这样有可能会导致汽轮机处于危险状态，如在冷机状态下你直接给出3000转的指令，505会不折不扣的执行而不管汽轮机有没有暖机，因此建议一般状况下不要干预程序开机，除非有特殊情况。我们有的运行人员提出非要在800转或者1200转或者2000转再来个中速暖机，我不太清楚这是否是汽轮机厂的要求还是一贯的操作习惯，难道505的设计人员就没考虑到这一点，增加这个程序段也不是什么难事，也不会增加多少成本，这个我在相关的资料上也找不到答案，因此我理解为中速暖机不是必要的，人工干预弊大于利。当然505也并非完全无条件的执行你的指令，如果你给的转速指令在临界区或超过505设定的上限值，505也是拒绝接收的）。
         在转速自动控制模式下，汽轮机的转速始终与给定转速保持一致，给1000转就维持在1000转，给3000转就维持在3000转，在运行模式下任何时候你都不能把转速PID切成手动而直接操作调节阀，只有在停机时编程人员可通过密码进入拉阀模式，此时转速PID的输出被切断，可以直接给阀位开度指令把调节阀拉起来，用于静态调试，标定阀位开度和测试电液转换器是否能正常工作。在操作员的层面上，自动/手动并非指调节器处于手/自动状态，而是指调节器的给定值是处于自动给定状态还是手动给定状态，一般的调节器给定值都是操作员人为给定的，如汽包水位、主汽温度。但505设计成全自动的，所以就比一般的调节器多了一个自动给定给定值的程序。
         现场实际应用时出现开机过程转速晃动的现象，这是调节品质造成的，并非程序失灵，程序是永远不会失灵的，除非死机和硬件故障（死机还有开门狗电路监测自动重启CPU呢），所以不要轻易的判断为505出了问题。调节品质有多方面的原因造成的：PI设定参数是否匹配、放大器是否稳定输出、电液转换器是否正常工作、调节阀开度是否线性无卡涩、进汽、排汽、油压参数是否稳定等等，都会影响到调节品质。

2、 负荷自动控制方式
        505进入负荷自动控制方式是受外部条件控制的，这个外部条件就是发电机油开关和线路出线开关，当这两个开关都处于闭合状态时，也就是我们所说的“并网”后，505则自动进入负荷自动控制方式。在这种方式下，我们曾经有过这样的疑惑，负荷自动控制方式和转速自动控制方式究竟是什么关系，既然转速PID永远是闭环的，而加负荷给的也是转速指令，为什么调节器不会上升到操作员给定的转速而也能稳定在一个相对平衡状态呢？
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