结合505控制原理浅谈在我厂的实际应用.doc

1、结合505控制原理浅谈在我厂的实际应用 作者：戴国华 发布时间：2008-7-3 11:03:48供稿：南通美亚热电有限公司 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 FO

2、R 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

3、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

4、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。 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

5、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，

6、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

7、位限制器没有限制，如图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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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？ 从调节原理讲，当给定值与反馈值有偏差时，调节器会一直增大或减小输出直至偏差为“0”，如果直接用上面的转速调节PID回路来控制负

13、荷，显然是行不通的，即使给定值只给了3005转，由于发电机挂在网上，实际转速只有3000转，开大调门转速也不得提高，那么调门就会一直开下去，一直开到阀位限制器的上限，功率就到满负荷了，这样负荷显然是不受控的，也不是我们能接收的方式。前面讲过505内部只有两个PID调节直接作用在调节阀上，而辅助PID又不在使用，调节器是如何控制负荷的呢？通过图4我们来逐一分析。 图4 我们发现当发电机油开关和出线开关同时闭合时，505内部的SW1开关会自动闭合，此时505就进入了负荷自动控制方式，SW2是双通道切换开关，假设在外接功率信号位置上（这个开关是编程事先定义好的），此时在转速PID的给定值输入端引入了

14、另外一路信号DROOP信号（直译为偏差校正信号，大部分翻译资料称作为不等率）。通过这个回路我们来分析一下转速PID调节器的动作过程：当并网后运行人员给出3030的转速指令时，调节阀会开大，但由于发电机挂在网上，转速不再升高，但随着调节阀的开大，发电机功率会逐步增大，通过功率不等率的比例设定，505内部计算出一个对应的转速偏差值（30）与给定转速3030综合，而作用到PID输入端的转速给定指令仍逐渐给定在3000转，此时PID无偏差，调节阀不再动作，汽轮机在一个新平衡状态下运行。如果功率有扰动，系统会自动调节稳定功率。这就是虽然我们看到的给定值与实际转速有偏差，调节器也能稳定的原因，并不是发电机

15、挂在网上就能自动稳定，如果调节器没有这个偏差校正，功率是不得稳定的。 转速不等率的计算公式： 汽轮机额定转速3000不等率（可程序设定5%）功率量程比例 按上面的计算公式可以得到汽轮机在3030时对应的负荷在20%，我们505功率量程设定为015000KW，20%也即3000KW。这个对应关系是可以通过编程改变的。由于不等率DROOP设置成5%，所以最大的给定反馈指令是150转，也就是在加负荷时最大的负荷转速指令是3150转。（505用于发电机应用时默认的功率不等率是6%）。 这是505调节器内部SW2开关接收功率反馈信号的调节过程，而另外一个信号是来自阀位输出反馈，这里我们不得不提到阀位输出

16、反馈，因为无论是#4机还是#2机，我们都是编程为阀位反馈方式，而没有接入实际的功率信号。先给出两个术语也是大家最先接触到而不是怎么太理解的。 当SW2接收发电机输出功率反馈信号时，我们称这种负荷自动控制方式为“功控”方式； 当SW2接收阀位输出反馈信号时，我们称这种负荷自动控制方式为“阀控”方式； 这就是“功控”与“阀控”的定义，可见“功控”与“阀控”并不是指自动与手动，而是在同一负荷自动控制方式下接收两种不同反馈信号的控制方式，不论是“功控”还是“阀控”，负荷控制都是自动的，把“阀控”理解为就是运行人员手动调整负荷是错误的，你所做的是手动给定一个负荷指令，调节器会自动调整到对应的负荷，实际负

17、荷并不需要你去调整，就如同你手动给定一个汽包水位定值一样，实际的阀门开度仍由调节器控制，并不会受你直接控制，前面说过505在任何时候都不会把阀门的操作权直接交给你，除非在停机拉阀试验状态。 那么这两种控制方式有什么区别，为什么我们现场实际使用都设成“阀控”方式呢？ 当采用“功控”方式时，由于发电机功率受电网波动影响，会有一定程度的扰动，最后作用到505转速PID调节器上相当于是转速给定值发生了变化，这样会导致调节阀不断的自我调整，功率是相对稳定了，但是对于以供汽压力为主的背压机来讲这不利于用户压力的稳定，牺牲一点功率的扰动来稳定排气压力是值得我们选择的。 而当采用“阀控”方式时，反馈信号直接取

18、自505阀位输出信号，这个信号是505自己运算出来的，不受任何干扰，它自己把它的输出当反馈，这个过程是迅速而稳定的，当然受PID调节品质影响调节过程期间也会有一定程度的晃动，505用设定的比例来决定阀门的开度（基于并网前阀位开度上的叠加），如你给出了3030的转速指令，505就在原先阀门指令的基础上再增加20%的输出指令，这时所对应的功率就是我们所需要的功率，显然“阀控”的弊端是转速指令对应的负荷要受阀门实际开度与负荷关系的限制，这就是在同样的参数设置下，为什么#4机和#2机同样的转速指令不能得到同样的发电机功率的原因，因为调节阀的开度特性不一致，#2机已经与设计值差的太远，满负荷只要60的开

19、度不到（和实际低背压运行偏离设计参数也有一定的关系）。当然这样的偏差也可以通过编程来修正，但我们理解这并非是505的一个缺陷，修正与不修正意义就不那么大了。 #4机南汽厂在出厂时就没有设计成功率控制，功率信号没有进505；#2机青汽厂出厂时设计了功率控制，但现场实际应用时由于电气来的功率信号乱跳，导致汽轮机根本不能稳定工作，所以在调试期间就直接改成“阀控”方式了。如果有必要，两台机我们都可以采用“功控”方式。对于运行人员来讲，“阀控”和“功控”是完全一致的，你所做的都是在DCS上给一个转速给定值负荷指令，所以我很难理解为什么最初大家对采用“功控”和“阀控”的方式讨论的这么激烈，对于505而言，

20、这并不是一个值得多加讨论的话题。可能大家把“阀控”理解为像汽包水位一样，不投自动就得运行人员死死盯着不断的手动调节给水阀。 当处于功率控制方式时，505如果接收到错误的功率反馈信号（如变送器故障、断线等）则会自动转入“阀控”方式，记得有一次#2机调试期间调门乱晃的时候我把功率变送器的线一拆就正常了，当时只是抱着试试看的态度，现在从理论上证实了这样的解决方法。 3、 频率自动控制方式 最初和大家一样，认为频率控制不就是转速控制吗，为什么要区别成转速控制和频率控制呢，通过深入学习终于了解，频率控制的实质还就是转速控制，控制的参数和对象完全一致，唯一的区别就是并网前叫转速控制，带负荷后（这里不叫并网

21、后，是我们常说的孤岛运行，其特点是发电机油开关闭合、线路开关断开）就叫频率控制。见图2 汽轮机有两种情况可以进入频率自动控制方式，第一是线路开关未合前先合发电机油开关，此时可带厂用电运行，汽轮机稳定在3000转（程序预选设定好的）而不管实际的负荷有多大，带到带不动为止（带不动会导致汽轮机转速下降，发电机低周保护动作）；第二是在正常负荷控制下，线路开关突然跳闸而发电机开关未跳，这时调节器也可以转入频率自动控制方式（这里注意是可以转入频率自动控制方式，并非自动转入，需要编程设定）。 第一种方式进入频率自动控制时，转速指令一直是3000转，也可以人为给定（如欧美国家是3600转）发电机负荷的变化先是

22、影响到汽轮机转速，然后转速PID再根据偏差稳定转速在3000转，此时发电机的负荷不是由505控制的，而是由实际需要决定的，运行人员也不能给出任何的负荷转速指令，如果你给了3030转速，那么汽轮机就会直接升到3030转速，而不是升的负荷，因为没有对应的负荷可以匹配。此时PID调节器的SW1开关已经切断，到了纯转速PID控制回路，没有DROOP偏差校正信号。505只管稳定汽轮机在实际给定转速，即保持频率的稳定。当需要并上大电网时，即合线路开关时，可以通过升降转速指令使频率与电网同步，再并入网内。 第二种情况进入频率自动控制方式时，由于转速指令不在3000转上，如当时在3030上，那么当505接收到

23、线路开关跳闸时瞬间会自动将转速指令以一定的速率降到3000转并保持（可以编程设定），由于甩负荷的惯性汽轮机转速会瞬间升速，但同时调节阀也会逐渐关小，最终稳定在孤岛运行方式。甩负荷能否成功，即孤岛运行方式能否成功取决于以下几个因数： A、 引入正确的线路开关作为甩负荷信号； B、 505并网后PID参数的整定； C、 电液转换器的执行性能； D、 调节阀包括油动机的响应特性； E、 电气各项保护参数的协调； F、 甩负荷的比例。 由于孤岛运行需进行实际的动态试验，试验失败所承担的风险也比较大，会直接影响供热和发电，因此虽然我们两台机组使用了电液调节，但包括调试期间也一直没有进行这方面的试验，如果

24、试验我有信心能取得成功。 还有一种情况顺便提一下，当线路开关和发电机油开关都跳闸时，即全甩负荷，通过编程可以使505选择自动进入转速PID控制状态或者直接停机，进入转速PID自动控制状态时，转速给定指令会直接跳转到2950上，这时没有任何负载，无需稳定频率，只需要空转防止汽轮机超速，因此转速指令也顾不了那么多了，直接来一个阶跃跳变使汽轮机能稳定空转运行，等待下次并网。 4、串级背压自动控制方式 串级背压自动控制方式顾名思义，就是在转速PID控制器前面串联排气压力调节器，排气压力PID调节器的输出指令最终也变为转速给定指令从而控制阀门的开大和关小，如图5。 背压自动投入的条件是必须在负荷自动控制

25、方式下才能投背压自动，也就是说必须在发电机并网后才能投入串级背压自动。注意背压自动是受操作人员决定的，505不会自动投入背压自动，其它除转速自动外505都可以通过编程取外部逻辑信号开关状态决定是否自动投入，如负荷控制、频率控制，而串级背压自动控制必须得到运行人员的手动干预才能投入自动，但投入后如果出现不满足串级自动运行的条件，505会自动切除串级自动转到其它三种自动方式中的一种。从调节原理图看，背压串级自动改变的也是转速给定值信号，只不过原先的转速给定负荷指令是由运行人员人为给定的，如3030转，在串级背压自动下，转速给定值是由背压PID自动运算出来的，此时由于转速给定值是受背压控制的，因此发

26、电机电负荷是跟随变化的，就如同你在操作面板上增减负荷一样。串级背压自动实现了真正意义上的以热定电。在背压PID调节器闭环回路里面我们发现也采用了DROOP不等率反馈，用于消除设定压力和实际排汽压力的偏差，所以当设定压力与实际运行压力有偏差时我们不要担心汽轮机调门会一直开到最大或关到最小，因为无需等到压力达到我们的设定值，背压PID就能取得新的平衡，同汽轮机负荷自动控制一样，串级背压自动调节也是有差调节。DROOP设定越小，静态偏差就越小，但汽轮机受排气压力的扰动就越大，不利于汽轮机的稳定运行，#4机设定为10%，#2机还为未编程设定。下面我们举例来说明串级背压自动调节的过程： 机组并网后当功率

27、和用户流量及排气压力相对稳定时投入背压串级自动调节，调节阀处于稳定状态，操作人员给出了1.47的背压给定值。 当用户流量增加，排气压力逐渐降低，背压PID调节器输入端出现偏差，输出逐渐增加，转换成相应的转速给定值指令，调节阀开大，进气量增多，排气压力回升，发电机功率也跟随增加（用汽流量与功率成正比）。背压调节器由于有偏差校正，增加的幅度通过DROOP对应的偏差比例和逐渐升高的排气压力相消除，背压PID调节器输入端的偏差逐步减小，背压调节器PID在相应的范围内取得平衡，输出指令不再增加。转速PID由于有负荷偏差校正，无论在“功控”还是“阀控”状态，阀门开度增加或功率增加后自动取得平衡，阀门开度不

28、再变化，系统处于一个新的平衡状态下。实际应用时阀门开度增加的比例同背压DROOP的设定比例及负荷DROOP设定的比例成对应关系，稳定时由于偏差校正的存在，排气压力将回到扰动前的值，但不会完全等于设定值，差值就是偏差校正的值。 三、结束语： 505控制器在我公司两台背压机上服役良好，但仍没有达到最佳运行状况，如并网前后的参数匹配，是否自动进入频率控制方式以实现孤岛运行，线路开关的选择是否合理，采用“阀控”方式的利弊，与DCS的接口控制方式仍需进一步讨论完善，并通过实践检验，相信通过不断的学习和实践，505在我公司能应用到最佳状态。（全文完） 作者：戴国华 工作单位：南通美亚热电有限公司 职务：热控专业工程师 联系地址：江苏省南通市经济技术开发区中央路12号 邮编：226009南通美亚热电有限公司企业机构：南通美亚热电有限公司经营范围：发电所属行业：电力热力的生产和供应业 - 电力生产区位信息：江苏 - 南通相关连接：江苏电力热力的生产和供应业 - 江苏电力生产 - 南通电力热力的生产和供应业 - 南通电力生产联系方式：企业：南通美亚热电有限公司 联系人：陈永善 区号：0513 电话：5920821 传真：3593020 邮编：226009 地址：江苏省南通市崇川区 中央路12号