Woodward505E速度调节系统在抽汽式汽轮机上的应用解读

Woodward 505E 速度调节系统在抽汽式汽轮机上的应用 徐云飞

(中国成达化学工程公司,四川成都 610041

摘要:介绍了Woodward 505E 速度调节系统的调速原理和构成并对工程设计提出一些建议。 关键词:抽汽式汽轮机;临界转速;磁力传感器;频率/电流变换器(F/I;电流/液压变换器(I/H

中图分类号:TP272 文献标识码:B 文章编号:1007 7324(200004 0006 03 近代石油化工行业及电力系统普遍采用蒸汽轮机作为原动机。它与发电机组合在一起构成汽轮发电机组;与压缩机组合在一起构成各式各样的透平压缩机组。其中抽汽式汽轮机由于能将抽出的富余蒸汽用于下级用户,有效地利用能源,因此得以广泛应用。在大型装置中绝大多数的蒸汽机采用该类型。无论汽轮机还是压缩机上都有许多监控与调节系统,但机组的转速必须由汽轮机来控制。转速调节分为电子调速系统和机械调速系统两类。随着仪表智能化的发展,机械调速系统已逐步被智能化的电子调速系统取代。众多调速器生产厂家中,美国伍德瓦德(Woodward公司闻名于世,主要产品为基于微处理器的505E 电子调速系统。它的功能强大、控制效果良好、安全可靠。掌握它的原理与系统构成有利于设计人员对转速控制有一个较为全面的认识。但光凭自控方面的专业知识还不足以了解它,必须对汽轮机和压缩机的机械构造及工作原理有较深入的认识。同时,由于汽轮机和压缩机是有机的整体(一般不是由同一厂家提供,弄清汽轮机和压缩机二者之间的控制和联锁关系也是十分必要的。

1 抽汽式汽轮机的典型转速控制(图1

通过改变HP 高压调节阀的开度来实现调速。LP 低压调节阀维持汽平衡,停车时由速关阀实现切断汽路。所有阀的动作均依靠油压,说明如下:

1高、低压阀的相互关联

控制高压调节阀HP 的开度,就控制了进入抽汽式汽轮机蒸汽量的大小,达到控制转速的目的;控制低压调节阀LP 的开度,实际上就是控制了抽汽量的大小,低压阀开度增大,抽汽量减少,低压阀开度减小,抽汽量增加。

高、低压阀的关联是由转速/负荷或抽汽量来 图1 抽汽式汽轮机蒸汽流程图

影响的,增大负荷,需开大高压阀,同时必须打开低压阀以维持抽汽量不变;如需增大抽汽量,则应关小低压阀,同时打开高压阀以维持转速/负荷不变。

在正常工况下,二者是可以相互兼顾的。但当透平工作至极限位置时,则需考虑到底是抽汽优先还是转速/负荷优先(一般是后者优先。

2汽轮机所具有的一些固有特性

掌握汽轮机的固有特性不仅有利于更深入地了解调速系统,而且在505E 调速系统组态时要使用这些特性参数。

通过制造厂提供的透平蒸汽图,可以找到其特性参数:透平能产生的最大功率;LP 低压阀全开时透平所具有的功率和HP 高压阀的流量;LP 低压阀全关时透平所具有的功率和HP 高压阀的流量;汽轮机的第一临界转速和第二临界转速。

收稿日期:1999 11 22;修改稿收到日期:2000 04 14

作者简介:徐云飞(1971 ,男,浙江慈溪人,1992年毕业于四川轻化工学院自动化专业,现在成达化学工程公司从事控制系统的工程设计工作,任工程师。

工程设计及标准

石 油 化 工 自 动 化,2000,4:6A UTOMA TION IN PETRO CHEM ICAL INDUSTR Y

由于汽轮机在临界转速范围内易发生喘振,因此要求以较快的速度通过临界区域。2 Woodward 505E 电子调速系统

2.1 系统原理

调速系统原理图如图2所示。2.2

系统构成

图2 调速系统原理框图

系统由信号检测单元、505E 电子调速器和执行单元构成。 2 2 1 信号检测单元

探头采用磁力传感器(MPU,原理是将安装在转轴上的磁性齿轮发出的频率信号,经过下式转换得到转速。

n =60f /z

式中 n 转速,r/min; f 频率,Hz; z MP U 的齿数。

需要说明的是:一般情况使用两个MP U,选用的MPU 的齿数必须相同,否则检测信号将出错;该探头的频率信号不仅可送调速器,还可以经F/I 变换器送现场转速表。2 2 2 505E 电子调速器

该产品为可编程智能调节器(有自诊断功能功能,Woodward 公司提供每一功能块的程序结构图和组态工作单,以方便操作。编程时可现场通过前面板(带LCD 液晶显示器输入。工作分为程序方式和运行方式。在程序方式下可完成各种控制参数的配置;在运行方式下只可调看各种控制参数,不能变更,但可更改转速设定点。主要功能如下。

1转速调整

其控制曲线如图3所示。转速率及高、低压阀的等变率均在程序方式下设定。程序要求两种不同的转速率:快转速率和慢转速率。在临界转速范围外,速度的变化由慢转速率控制;在临界转速范围内,程序自动以快转速率控制速度的变化,以便

迅速通过临界区域。另外由于启动时转速很小,程

序自动将0~500r/min 的范围设定为死区,控制器将自动升速至500r/min 。如果此时检测到MPU 的信号丢失,将发出停车控制信号。

图3 汽轮机速度控制曲线

转速基准的调整可由面板键入(UP 或DOW N串级或远程设定来实现。来自MPU 的频率信号经过频率/电压变换器后同转速基准比较,差值输入PID 控制器,输出的两个4~20mA 信号经比例限幅器分别送给高、低压调节阀的执行机构 I/H 变换器,同时二者的信号平衡关联已考虑。在程序方式下设定极限位置时需考虑是转速/负荷优先还是抽汽优先。转速基准的内部优先级次序如下:避免临界转速/远程设定的转速/串级转速/转速降/转速升。

2停车I/O 功能

a输入:调速器可接受来自ESD 或DCS 发出的停车信号,但该信号必须是常闭接点。同时,调速器检测速关阀的阀位信号,以确保汽轮机不发生误动作。停车控制功能的内部优先级次序如下:外部信号停车/手动信号停车。

b输出:调速器可输出停车信号至盘车PLC 7

第4期 徐云飞 Woodward 505E 速度调节系统在抽汽式汽轮机上的应用 和压缩机,以完成停车后的一系列工作。 3远程通讯功能

可以使用RS 232通讯接口(需要专用适配器连接。

基本特点:异步,八位/字符,无奇偶校验位,一个起始位,一个停止位。 可选择的波特率:300,1200或2400。

不能通过RS 232来存取程序方式下的配置,但可以存取运行方式下的各种参数。

2 2 3 执行单元

执行单元主要为I/H变换器和高、低压调节阀。I/H变换器输入4~20mA,输出与其输入信号成正比的液压信号给调节阀。内部控制回路为闭环压力控制,作用方式为正/反作用。它由压力变送器、扭矩马达、电子线路板、抖动器(防止油路凝固等组成,并紧凑地放置在防爆箱内。一般,汽轮机生产厂已将其安置在汽轮机头部,供油管也已敷设,只需要将它与电子调速器做电气连接即可。

高、低压调节阀是最终执行机构。阀接受气/油压信号并依靠油压来动作,但其基本原理是利用杠杆原理控制开度。该系统不仅能自动调速,还具有手动调速和自保装置。由于其主要涉及机械方面的知识,这里不再详细叙述。

3 设计建议

在使用505E调速系统时,自控设计人员不仅应同机泵专业人员进行详细地讨论,还应清楚汽轮机和压缩机之间的控制联锁关系。此外,在开车时还应参考机组专门的操作手册,这样才能对机组全套的控制系统有较全面的了解。

8石油化工自动化 2000年

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