WOODWARD505控制器結合橫河DCS在汽動給水泵中的應用

盛 暉

（中石油克拉瑪依石化公司動力廠）

中石油克拉瑪依石化公司動力廠汽機車間給水系統原有7臺電動給水泵和1臺汽動給水泵，2018年拆除1#電動給水泵，改建2#汽動給水泵。使用汽動給水泵可以克服在投入和切出時啟動電流大、廠用電負荷變化大的缺點，也可以避免使用電動給水泵時因廠用電中斷給鍋爐運行帶來的風險。同時，3.5MPa中壓蒸汽經過主汽門和調節閥進入汽缸沖動葉輪葉片做功后的排汽可以直接作為煉油用的1.0MPa低壓蒸汽，不需要將3.5MPa中壓蒸汽經過減溫減壓處理后再外供，達到了節能降耗的目的。

1 2#汽動給水泵控制系統

2#汽動給水泵控制系統主要由B0.55-3.5/1.4型背壓蒸汽汽輪機泵、美國新一代WOODWARD505控制器和橫河CS3000型集散控制系統（DCS）組成。

1.1 背壓蒸汽汽輪機泵

背壓蒸汽汽輪機泵中的調速系統、保安系統和潤滑油系統與2#汽動給水泵控制系統密切相關。

1.1.1 調速系統

調速系統由WOODWARD505控制器、WOODWARD電液式執行器TG17E、調節汽閥連桿及組合汽閥等部件構成，其中組合汽閥由速關主汽門和調節汽閥組成，二者構成一體，并用螺栓裝配在汽缸上。WOODWARD505控制器、進入WOODWARD505控制器的兩個轉速和WOODWARD電液式執行器TG17E實現了汽輪機轉速的閉環自動控制。

1.1.2 保安系統

保安系統是保證汽輪機安全運行，防止發生意外事故的重要裝置，主要由危急遮斷連桿操縱油缸、危急遮斷電磁閥、危急保安器和危急遮斷部件組成。其中，危急保安器為飛錘式，裝在汽輪機轉子的接長軸上，在正常轉速時，飛錘產生的離心力小于彈簧的預緊力，當轉速達到汽輪機的脫扣轉速時，離心力將大于彈簧預緊力而擊出，打在危急遮斷連桿的擊出桿上，使主汽門脫扣而迅速關閉。危急遮斷電磁閥為兩位兩通式電磁閥，接收現場控制柜緊急停機按鈕、WOODWARD505控制器和DCS停機信號。

潤滑油系統主要向汽輪機滑動軸承供送潤滑油，起潤滑減磨和冷卻作用，保證汽輪機能夠長期連續穩定運行。它有兩臺油泵裝置，一臺為主油泵，另一臺為輔油泵。當油站供油總管油壓降到輔油泵啟動值0.12MPa（三取二）時，輔油泵啟動并報警。若供油總管油壓繼續下降到0.07MPa（三取二）達到汽輪機停機值時，聯鎖停機。潤滑油系統的報警、控制與聯鎖通過橫河DCS實現。

1.2 WOODWARD505控制器

WOODWARD505控制器是以微處理器為基礎的數字式轉速調節器，專用于汽輪機的控制，可根據汽輪機的特性和控制參數在WOODWARD505人機界面上進行組態。WOODWARD505控制器功能較多，2#汽動給水泵只應用了其中一部分端子，包括與現場儀表（電液式執行器TG17E和兩個轉速探頭）直接連接的端子、與DCS連接的端子以及與繼電器連接的端子，主要實現現場手動啟停汽輪機、控制汽輪機轉速、緊急停機和現場調試組態功能。

1.3 橫河CS3000型集散控制系統（DCS）

中石油克拉瑪依石化公司動力廠現改建2#汽動給水泵，考慮到目前DCS機柜測點已滿的情況，需要對1#機爐的DCS進行擴容，在現有的DCS機柜間增加一個ANR10D-425/CU2U型遠程節點單元，包括3塊16通道模擬量輸入卡（AI）、1塊16通道模擬量輸出卡（AO）、1塊32通道數字量輸入卡（DI）和1塊32通道數字量輸出卡（DO），并與原控制系統聯網。2#汽動給水泵控制系統中除了將汽輪機的兩個轉速信號、電液轉化器信號引入WOODWARD505控制器外，其他信號均引入橫河DCS，橫河DCS與OODWARD505控制器通過硬線連接方式連接，實現汽輪機遠程轉速升降速設定、停機控制，并監測轉速和WOODWARD505控制器的狀態。

2 2#汽動給水泵手動啟停

當具備工藝流程條件后，用WOODWARD505控制器人機界面啟動汽輪機，按“START”鍵開機，升速到暖機點1（800r/min）保持20min；按“繼續”鍵，升速到暖機點2（1 600r/min）保持20min；接著再按“繼續”鍵，升速到調節轉速下限2 400r/min后，通過“導航”鍵選中綠色“調整數值”鍵，繼續升速到額定轉速2 980r/min，或者按工藝要求升到合適轉速。當需要正常停機時，直接按“STOP”鍵停機，轉速給定值將自動逐步減小至0，主汽調節閥開度隨即逐步關閉，直至0%，同時主汽門關閉。

3 2#汽動給水泵轉速控制

2#汽動給水泵實際使用了4個轉速傳感器，均安裝在汽動泵轉子的軸頭上。其中兩個轉速信號直接輸入WOODWARD505控制器，經比較后取高值，并與設定的轉速值（WOODWARD505面板設定或DCS設定）進行比較，經過PID控制模塊運算處理后輸出一個20～160mA的電信號給TG17E執行器，使之帶動調節汽閥連桿運動，從而將調速器輸出的角位移轉換為調節汽閥的開度，達到調節汽輪機蒸汽流量的目的，控制汽輪機的轉速。另一個轉速信號經過變送器輸入到現場控制柜的轉速表內進行現場顯示，剩余一個轉速信號經過變送器輸入到橫河DCS。

4 2#汽動給水泵緊急停機

2#汽動給水泵現場控制柜有兩個緊急停機按鈕。一個是WOODWARD505控制器人機界面的“EMERGENCY STOP”緊急停機鍵，另一個是現場控制柜上的紅色急停按鈕。這兩個按鈕都是通過硬聯鎖實現2#汽動給水泵的緊急停機。當需要緊急停機時，按下WOODWARD505控制器人機界面的“EMERGENCY STOP”緊急停機鍵，轉速給定值直接降至0，調節閥開度也會直接降至0%，同時電磁閥失電打開，主汽門脫扣關閉。若緊急停機時直接按下現場控制柜上的紅色急停按鈕，則電磁閥失電打開，主汽門脫扣關閉，但主汽調節閥不會關閉，還需按下WOODWARD505控制器人機界面的“EMERGENCY STOP”緊急停機鍵后轉速給定值方可降至0，主汽調節閥開度隨之降至0%。

橫河DCS中還設置了“DCS緊急停機按鈕”，通過軟邏輯和硬聯鎖相結合的方式遠程實現故障狀態下的一鍵停止汽輪機功能。

5 2#汽動給水泵聯鎖保護

5.1 軟邏輯

2#汽動給水泵在DCS中共有6個聯鎖回路，分別是：

消費者關于再制造產品的認知程度、環保認同度、價格差異接受度將直接影響其對再制造產品的支付意愿，從而引起市場需求的變化。對此，主要考慮以下問題：認知差異將如何影響再制造產品需求以及基于三者差異，支付意愿如何改變，對需求有何影響。根據研究需要，做如下假設：

a.潤滑油總管壓力低聯鎖，聯鎖條件是3個潤滑油總管壓力中的2個低于0.07MPa；

b.汽輪機前軸振動高聯鎖，聯鎖條件是汽輪機前軸兩個振動幅值同時高于95μm；

c.汽輪機后軸振動高聯鎖，聯鎖條件是汽輪機后軸兩個振動幅值同時高于95μm；

d.汽輪機自由端振動高聯鎖，聯鎖條件是汽輪機自由端兩個振動幅值同時高于95μm；

e.汽輪機轉速高聯鎖，聯鎖條件是3個汽輪機轉速中的2個高于3 300r/min；

f.DCS緊急停車聯鎖，聯鎖條件是按下DCS緊急停車按鈕。

以上6個條件中的任何一個成立都會關閉2#汽動給水泵主汽門和調節汽閥。

當DCS中出現聯鎖條件發生聯鎖動作時，DCS輸出的“DCS-STOP”信號傳送至控制柜接線端子并分成兩路，一路使繼電器KA10失電，危急遮斷電磁閥失電打開，危急遮斷連桿的操縱油缸與回油管路接通，從而降低油缸內壓力，驅動危急遮斷連桿機構動作，使主汽門脫鉤而迅速關閉；另一路進入WOODWARD505控制器使轉速給定值降至0，調節汽閥開度降至0%。

5.2 硬聯鎖

如圖1所示，現場控制柜急停按鈕、WOODWARD505停機信號和繼電器KA10失電三者串聯（失電串聯）在現場停機電磁閥控制回路中，任何一個條件成立都能讓危急遮斷電磁閥失電打開，主汽門脫鉤關閉。其中，2#汽動給水泵現場控制柜內總電源失電和DCS聯鎖動作都能使繼電器KA10失電，且輸出“DCS-STOP”信號的繼電器采用反邏輯常開觸點。

圖1 硬聯鎖控制回路

6 2#汽動給水泵控制系統出現的問題及解決方法

在2#汽動給水泵調試期間發現，橫河DCS同一卡件上由WOODWARD505控制器輸出到DCS的主汽調閥的閥位設定開度（HZI-2317）、WOODWARD505控制器的給定轉速（SVSPD-505）和WOODWARD505控制器實際轉速（SPD-505）3個信號始終保持一樣的變化幅度，且主汽調閥的閥位設置開度信號會影響到另外兩個信號。解決方法是將以上3個信號加安全柵進行信號隔離，經過處理后3個信號均正常顯示。

運行初期，2#汽動給水泵速關主汽門開關狀態信號受蒸汽高溫影響一直顯示異常和報警，嚴重干擾了裝置的正常操作。解決方法是對主汽門的接近開關結構進行改造，改造前如圖2a所示，經過改造后（圖2b）降低了蒸汽高溫的影響，主汽門開關狀態顯示正常。

2019年5月30日，因2#機爐DCS控制柜內風扇故障導致相間短路造成2#機爐UPS的輸出開關跳閘。因為2#機爐UPS的輸出為2#汽動給水泵現場控制柜提供電源，所以當輸出開關跳閘后會導致繼電器KA10失電，危急遮斷電磁閥失電，WOODWARD505控制器失電，從而造成2#汽動給水泵停機。解決方法是斷開故障風扇電源，閉合2#機爐UPS的輸出開關，恢復2#汽動給水泵現場控制柜正常供電，以保證2#汽動給水泵的正常運行。

圖2 主汽門接近開關改造前后的結構

2020年1月，汽機車間發現位號為PI-2101的2#汽動給水泵主蒸汽進汽壓力頻繁報警，經過仔細核對，發現2#爐球磨機入口負壓的位號也是PI-2101且超過報警高值，因為鍋爐和汽機裝置一共有4套控制系統分成7個域已經聯網，監控汽機裝置的HIS0463、HIS0264、HIS0764操作站均安裝了多項目軟件包，能夠顯示4套控制系統的所有測點參數報警信息。此情況實際為2#爐球磨機入口負壓報警，但是在3個操作站卻顯示為2#汽動給水泵主蒸汽進汽壓力報警。解決方法是將2#汽動給水泵主蒸汽進汽壓力的位號修改為PI2101，修改后2#汽動給水泵主蒸汽進汽壓力報警消失。

2019年8月22日和2020年3月31日各出現一次由現場轉速變送器輸入到DCS的轉速（SI-2353）超過聯鎖值3 300r/min的現象，導致原汽輪機轉速高聯鎖（二取一）軟邏輯輸出跳閘信號，2#汽動給水泵聯鎖停機。考慮到單個轉速可能出現測量錯誤的可能性，經過現場仔細核對查找，發現轉速變送器輸入到DCS的轉速（SI-2353）和轉速變送器輸入到現場控制柜轉速表的轉速這兩個轉速的信號線均受到高溫烘烤，控制電纜的外層絕緣已經熔化。解決方法是將兩根轉速信號線進行絕緣處理，同時將控制柜轉速表的輸出信號（SI-2354）引入DCS，汽輪機轉速高聯鎖由二取一邏輯變更為三取二邏輯，在提高保護可靠性的同時，保證了2#汽動給水泵的正常運行。

7 結束語

2#汽動給水泵從暖機啟動到升速至額定轉速以及正常停機均完全由WOODWARD505控制器根據設定程序來完成，大幅降低了工作人員勞動強度，縮短了機組開機和停機時間。在DCS操作站、WOODWARD505控制器人機界面和現場控制柜都能實現緊急停機，快速應對突發事件。除2#汽動給水泵本體機械安全保護裝置外，DCS與WOODWARD505控制器通過軟邏輯和硬聯鎖相結合的方式，保障了機組安全運行。通過解決2#汽動給水泵從建設調試到正常運行出現的一些問題，為2#汽動給水泵今后安全運行積累了寶貴的經驗。