Woodward控制器在熱電廠的應(yīng)用

陸志榮

摘 要：以如東協(xié)鑫環(huán)保熱電有限公司為例，闡述了505、505E、2301E三種Woodward控制器在小型熱電機(jī)組中的控制應(yīng)用策略，并對其進(jìn)行了綜合比較。

關(guān)鍵詞：Woodward控制器；控制策略；控制系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.165

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，對汽輪發(fā)電機(jī)組來說，對電廠發(fā)電煤耗、供熱煤耗、供熱參數(shù)、供電品質(zhì)等方面的要求越來越高，而各種汽輪機(jī)數(shù)字電液控制器（DEH）在組態(tài)上更加靈活方便，各種控制應(yīng)用策略滿足了汽輪機(jī)控制系統(tǒng)要求，動態(tài)響應(yīng)更快、控制精度更高、自動化操作更方便，提供了較完善的用戶需求。美國Woodward公司是數(shù)字電液控制器（DEH）生產(chǎn)佼佼者之一，主流產(chǎn)品有：Woodward505，Woodward505E，Woodward505C，Peak150，2301系列控制器等。如東協(xié)鑫選擇了其中3款主流控制產(chǎn)品：Woodward505、Woodward505E、2301E，分別應(yīng)用于1號背壓式機(jī)組、2號抽凝式汽輪機(jī)組、4號汽動給水泵驅(qū)動，其控制使用方式在我集團(tuán)，甚至在全國小熱電廠都具有一定代表性。

1 三種控制策略

（1）505E控制系統(tǒng)。505E是以32位微處理器為核心的控制系統(tǒng)，2004年建廠即成功應(yīng)用于公司1號15MW抽凝式發(fā)電機(jī)組和2號15MW抽凝式發(fā)電機(jī)組，505E有3個獨(dú)立的控制器回路：①轉(zhuǎn)速/負(fù)荷PID控制回路、②輔助串接PID控制回路、③抽汽PID控制回路，可以同時驅(qū)動2個獨(dú)立的執(zhí)行單元回路，即俗稱高調(diào)HP和低調(diào)LP，分別控制汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速/發(fā)電功率和汽輪機(jī)一段抽汽2個控制回路。抽汽壓力控制在0.98～1.27 MPa，供給外網(wǎng)熱用戶。

（2）505控制系統(tǒng)。505同樣是以32位微處理器為核心的控制系統(tǒng)，它用來控制純抽汽式或背壓式汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。2016年11月，如東協(xié)鑫1號15MW抽凝機(jī)組改背壓式機(jī)組中，就是將505E控制系統(tǒng)置換為505控制系統(tǒng)，功能相對完善，漢化后中文界面友好，運(yùn)行效果比較好。505控制器內(nèi)有2個相互獨(dú)立的控制器通道：轉(zhuǎn)速控制PID回路和竄級控制PID回路，分別對應(yīng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速/負(fù)荷PID控制回路和排汽壓力PID控制回路，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，我公司僅選擇轉(zhuǎn)速/負(fù)荷PID控制回路。Woodward 505（E）控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制采用PID調(diào)節(jié)，在正常工況下，實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速設(shè)定值是相等的，當(dāng)外界發(fā)生擾動使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，實(shí)際轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速設(shè)定值之間就會產(chǎn)生一個偏差，經(jīng)過此控制系統(tǒng)比較放大和PID運(yùn)算后，得到的指令控制信號會直接驅(qū)動汽輪機(jī)的高調(diào)門。竄級控制PID回路控制可配置用于控制與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷相關(guān)或受其影響的任何系統(tǒng)過程。通常，將該控制器配置用作汽輪機(jī)排汽壓力控制器。排汽壓力串級控制是一種與轉(zhuǎn)速PID串級的PID控制器。串級PID將一個4-20mA的過程信號與排汽壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，以直接控制轉(zhuǎn)速設(shè)定值，從而改變汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)荷，直到該過程信號與設(shè)定排汽壓力值匹配。通過以這種方式串級兩個PID，可在兩個控制參數(shù)之間執(zhí)行無擾切換。啟用時，串級PID能夠以最高為“最大轉(zhuǎn)速設(shè)定值速率”設(shè)置（預(yù)設(shè)在“串級控制”標(biāo)題下）的可變速率變動轉(zhuǎn)速設(shè)定值，由于“串級”是一種二次轉(zhuǎn)速設(shè)定功能，轉(zhuǎn)速 PID 必須控制著 505 的 LSS 總線，才能讓“串級”起控制作用。

（3）2301E控制系統(tǒng)。2301E控制器是伍德沃德新一代數(shù)字調(diào)速器，完全取代老式的2301A和2301D調(diào)速器，有動態(tài)控制速度功能，兼容絕大多數(shù)的負(fù)荷分配速度控制系統(tǒng)，用來遠(yuǎn)程控制驅(qū)動泵或壓縮機(jī)，提供恒定的負(fù)荷，又稱小蒸汽輪機(jī)數(shù)字負(fù)荷分配和速度控制器。2016年11月，我公司1號15MW抽凝機(jī)組改背壓式機(jī)組改造中，成功將其應(yīng)用于公司1號汽動給水泵的控制。公司的控制策略就是轉(zhuǎn)速PID控制調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)汽動給水泵的轉(zhuǎn)速，在正常工況下，實(shí)際轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速設(shè)定值是相等的，當(dāng)外界發(fā)生擾動而使給水泵轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，就會與轉(zhuǎn)速設(shè)定值之間有一個偏差值，經(jīng)過2301E控制系統(tǒng)放大和PID運(yùn)算后，輸出的指令信號，再經(jīng)過一個“低選器”低選保護(hù)輸出，直接控制汽動給水泵進(jìn)汽閥門的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而推動汽動給水泵，具有快速響應(yīng)、可靠性高的特點(diǎn)。

2 種控制系統(tǒng)的綜合比較

（1）在適用范圍方面。505控制器是用來控制單個或雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)的汽輪機(jī)，因此只能控制進(jìn)汽或排汽（抽汽），不能夠同時控制進(jìn)汽與排汽（抽汽），功能單一，結(jié)構(gòu)簡單，一般用于控制汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速或負(fù)荷，僅適用于純凝式機(jī)組或背壓式汽輪機(jī)組。505E控制器可以同時驅(qū)動單個或雙個獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有特殊的比例放大限制邏輯和牽連解耦算法，可以同時控制功率和抽汽2個相互影響的參數(shù)，因此，505E適用于抽汽式汽輪機(jī)組。2301E控制器提供小蒸汽輪機(jī)數(shù)字負(fù)荷分配和速度控制，用于企業(yè)的柴油機(jī)、蒸汽驅(qū)動的各類拖動設(shè)備或發(fā)電機(jī)組，廣泛應(yīng)用在各種原動機(jī)的速度/負(fù)荷控制中。Woodward控制器模塊化的程度高，功能比較全面。均采用設(shè)置參數(shù)的方式，即根據(jù)生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，投運(yùn)后進(jìn)行系統(tǒng)正常維護(hù)，容易掌握和使用，操作性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)各種用戶所需的特殊功能。

（2）在硬件方面。505、505E和2301E的核心處理器都是32位微處理器，輸入輸出通道數(shù)量有限，不能拓展，而且一部分通道已經(jīng)固定其功能，另外一部分通道則可以根據(jù)用戶要求進(jìn)行組態(tài)。

（3）在軟件方面。505和505E控制器的程序相對固化，只能采用菜單式填表組態(tài)，即通過控制器面板輸入?yún)?shù)值，或者用“YES/NO”來進(jìn)行程序組態(tài)，雖然其漢化版組態(tài)更方便，但不具有拓展功能。加載軟件的2301E控制器，軟件程序也相對固化，也通過采用填表式組態(tài)。

（4）在運(yùn)行模式方面。505、505E和2301E控制系統(tǒng)均有兩種操作方式：編程模式和運(yùn)行模式。編程模式用于選擇控制器內(nèi)部配置及運(yùn)行方式的設(shè)置；運(yùn)行模式則根據(jù)設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)控制。

（5）在通信方面。505和505E控制器具有串行232或422通訊接口，可以采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)的ModBus通訊協(xié)議，與DCS系統(tǒng)和工業(yè)控制計算機(jī)進(jìn)行相互通訊，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。2301E控制器，需要在PC電腦安裝Woodward的Watch Window 或 ToolKit 專用應(yīng)用軟件，通過Modbus RTU協(xié)議RS-232或RS-422通信進(jìn)行配置不同的應(yīng)用，軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)組態(tài)和監(jiān)控（動態(tài)調(diào)整），可以實(shí)現(xiàn)這些組態(tài)和動態(tài)設(shè)定的設(shè)置、變更、調(diào)整和儲存。

（6）在人機(jī)界面（HMI）方面。3種控制器都可以在控制器面板上操作，操作人員需要有基本的專業(yè)技能，也可以通過硬接線的方式與DCS連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。我公司的505、505E、2301E控制器都通過硬接線的方式與和利時DCS系統(tǒng)連接，進(jìn)行了圖形畫面組態(tài)和數(shù)據(jù)庫通訊，實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)的大部分遠(yuǎn)程控制功能，人機(jī)界面友好。

3 結(jié)束語

從上述的實(shí)際應(yīng)用和比較中，可以看出：WOODWARD公司的主流控制器：505、505E 、2301E，基本滿足了我公司小型汽輪機(jī)組的自動控制的要求。而且，這3種控制器，具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、自動化操作方便，性能穩(wěn)定，功能有所迥異，價格也在不同層次，用戶可以根據(jù)工程中的實(shí)際應(yīng)用需求選擇不同的產(chǎn)品，以達(dá)到性價比格的最優(yōu)化配置。