FSSS在全燃?xì)忮仩t控制中的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉春梅，張曉津，高 平

中機(jī)國能電力工程有限公司，上海 200061

0 引言

鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）是保證鍋爐燃燒系統(tǒng)中各設(shè)備按照規(guī)定的操作順序和條件安全啟動(dòng)、切投、并能在危急工況下跳閘相關(guān)設(shè)備或迅速切斷進(jìn)入爐膛的全部燃料（包括點(diǎn)火燃料），防止發(fā)生爆燃、爆炸等破壞性事故的安全保護(hù)和順序控制裝置。

目前國內(nèi)FSSS 在煤粉爐的設(shè)計(jì)和應(yīng)用已經(jīng)很成熟，但是在全燃?xì)忮仩t特別是400t/h 超高壓、中間再熱、自然循環(huán)鍋爐還沒有成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，本文結(jié)合寧波鋼鐵有限公司 400t/h超高壓、中間再熱、自然循環(huán)全燃?xì)忮仩t工程，介紹了全燃?xì)忮仩t燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的測點(diǎn)的設(shè)置及邏輯設(shè)計(jì)。

1 鍋爐燃燒系統(tǒng)監(jiān)控和FSSS

1.1 燃燒系統(tǒng)概述

鍋爐的燃料為鋼鐵公司生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。焦?fàn)t煤氣為鍋爐點(diǎn)火/備用燃料，在富余時(shí)參與混燒，鋼廠把高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣混合后，供給燃?xì)忮仩t，作為鍋爐主燃料。本鍋爐的煤氣燃燒器分多層布置在爐膛下部燃燒室前后墻上，前墻三層四列布，置共12 個(gè)燃燒器，其中最上層中間兩個(gè)為焦?fàn)t煤氣燃燒器；后墻兩層四列布置，共8個(gè)燃燒器。本工程全燃?xì)忮仩t的燃燒器的布置（以下層燃燒器為例）如圖1 所示，機(jī)組采用焦?fàn)t煤氣作為點(diǎn)火燃料，高能點(diǎn)火槍作為點(diǎn)火器。前后墻下層每只煤氣燃燒器中布置1 支焦?fàn)t煤氣槍和一個(gè)高能點(diǎn)火槍。

另外為保證燃燒安全，每只燃燒器上配有火焰檢測裝置。

1.2 FSSS 的功能

在系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮FSSS 如下功能，主要包括爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)(Fuel-firing Safety System， FSS)和燃燒器控制系統(tǒng)(Burner Control System，BCS)兩部分功能：

1）爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)(FSS)：主要包括MFT、爐膛吹掃、煤氣泄漏試驗(yàn)、火焰檢測等功能；

2）燃燒器控制系統(tǒng)(BCS)：主要包括對(duì)高爐煤氣進(jìn)氣閥、啟動(dòng)燃燒器、點(diǎn)火器、煤氣角閥、風(fēng)門等的控制。并對(duì)啟動(dòng)燃燒器的安全點(diǎn)火、投運(yùn)和切除做連續(xù)監(jiān)視和控制。

其具體功能有：

1）鍋爐爐膛氮?dú)獯祾撸?/p>

2）總?cè)剂咸l（MFT）；

3）爐膛壓力保護(hù)；

4）啟動(dòng)燃燒器煤氣泄漏試驗(yàn) ；

5）啟動(dòng)燃燒器點(diǎn)火和熄火控制；

6）煤氣進(jìn)氣閥的聯(lián)鎖控制；

7）滅火保護(hù)；

8）聯(lián)鎖和報(bào)警。

2.3 FSSS 的組成

本工程FSSS 采用愛默生過程控制有限公司的分散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)上述功能。

FSSS 系統(tǒng)具有獨(dú)立的冗余控制邏輯、冗余的電源、獨(dú)立輸入/輸出系統(tǒng)，所有觸發(fā)MFT 的信號(hào)均采用硬接線，不通過通訊總線傳送，并且在功能上和物理上獨(dú)立于其它邏輯系統(tǒng)。

在集中控制室的控制臺(tái)上，還設(shè)置了獨(dú)立的并可直接動(dòng)作的MFT 按鈕，其回路獨(dú)立于DCS 的控制器及模件，并由硬接線實(shí)現(xiàn)。確保了在DCS 癱瘓時(shí)，能夠安全停爐。

2.4 FSSS 在燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的特殊要求

1）由于氣體燃料的性質(zhì)，從單一來源或多處來的燃?xì)?，使其可能?yán)重地偏離合適的空氣/燃料比，而在燃燒器、爐膛或煙囪等處又無法監(jiān)視，因此燃料控制系統(tǒng)要有防止富余燃料混合物生成的保護(hù)連鎖。

因此，設(shè)計(jì)中在煤氣母管上和每一層燃燒器的入口設(shè)置了燃燒器進(jìn)氣關(guān)斷門，并在煤氣管道上和熱風(fēng)管道上設(shè)置了流量測點(diǎn)、壓力測點(diǎn)（作為流量計(jì)算的補(bǔ)償）和調(diào)節(jié)閥。檢控點(diǎn)的設(shè)置以上層燃燒器為例，詳見圖（2）燃燒系統(tǒng)檢測控制系統(tǒng)圖。通過調(diào)節(jié)煤氣和熱風(fēng)的流量來控制空氣/燃料比，當(dāng)出現(xiàn)空氣/燃料比超出預(yù)定值時(shí)，F(xiàn)SSS 將關(guān)斷煤氣母管和各個(gè)燃燒器入口的關(guān)斷門，并閉鎖增加燃料量和減少空氣量的控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了富余燃料混合物生成時(shí)的保護(hù)連鎖。

2）由于燃?xì)夤艿纼?nèi)殘留可燃?xì)怏w，維護(hù)和檢修具有危險(xiǎn)性，故不能采用常規(guī)的空氣吹掃， 因此采用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃和再?zèng)_氣。

在設(shè)計(jì)中，設(shè)置了廠區(qū)氮?dú)饽腹芰髁繙y點(diǎn)和氮?dú)獯祾邏毫y點(diǎn)，來監(jiān)視氮?dú)獾牧髁亢蛪毫υ谡７秶鷥?nèi)，以確保氮?dú)獯祾叩恼＿\(yùn)行。

3）應(yīng)防止燃料燃燒時(shí)爐膛出現(xiàn)過高的燃?xì)鈮毫?，?yīng)提供燃?xì)鈮毫Ω咛l的裝置。

因此除常規(guī)的在爐膛出口設(shè)置了三個(gè)“壓力高”和三個(gè)“壓力低”的壓力開關(guān)外，在煤氣加熱器出口母管上和廠區(qū)焦?fàn)t煤氣母管上各設(shè)置了三個(gè)壓力開關(guān)（保護(hù)動(dòng)作 信號(hào)按“三取二”邏輯）和一臺(tái)壓力變送器，用來監(jiān)視煤氣管道上的壓力，當(dāng)出現(xiàn)壓力異常時(shí)報(bào)警/停爐，確保爐膛在負(fù)壓下安全、可靠地運(yùn)行。

2.5 FSSS 監(jiān)控點(diǎn)的設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)如上功能，在熱控系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)中，除了應(yīng)燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的特殊要求設(shè)置的測點(diǎn)外，在FSSS 系統(tǒng)中還設(shè)置了煤氣泄漏檢測、煤氣加熱器進(jìn)出口煤氣差壓測點(diǎn)、煤氣加熱器煤氣入口溫度測點(diǎn)、煤氣加熱器管壁溫度測點(diǎn)、混合煤氣母管流量測點(diǎn)等，混合煤氣母管壓力低報(bào)警測點(diǎn)、在集中控制室中，滿足FSSS 的監(jiān)控功能。

3 FSSS 邏輯設(shè)計(jì)

FSSS 系統(tǒng)包括鍋爐爐膛安全保護(hù)及燃燒器管理兩大內(nèi)容，F(xiàn)SSS 控制邏輯分主要為公用控制邏輯、燃?xì)饪刂七壿嫼忘c(diǎn)火控制邏輯三大部分。

3.1 公用邏輯

公用邏輯是對(duì)爐膛燃燒的總體保護(hù)，它的主要功能有： 氮?dú)獯祾?、爐膛吹掃、MFT 和點(diǎn)火允許條件等。

公用控制邏輯還包括火檢冷卻風(fēng)機(jī)、混合煤氣燃燒器進(jìn)氣關(guān)斷門、焦?fàn)t煤氣進(jìn)氣關(guān)斷門，混合煤氣母管氣動(dòng)門，焦?fàn)t煤氣母管氣動(dòng)門，廠區(qū)焦?fàn)t煤氣母管放散閥， 混合煤氣母管放散閥，煤氣加熱器出口氣動(dòng)門， 煤氣加熱器出口放散閥。

3.1.1 氮?dú)獯祾?/p>

氮?dú)獯祾叩哪康氖怯行У厍宄粼谌細(xì)夤艿纼?nèi)可能聚積的任何可燃物體（絕大部分是燃料和空氣的混合物），以防在點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆炸。

在焦?fàn)t煤氣系統(tǒng)總閥關(guān)閉的情況下，通入氮?dú)獯祾?，待管道?nèi)及各支管內(nèi)空氣被吹掃干凈，經(jīng)檢查合格后，停止氮?dú)獯祾?，打開煤氣總閥及水封裝置，送煤氣到各層液壓快切閥前。

3.1.2 爐膛吹掃

爐膛吹掃的目的是有效地清除掉在爐膛及其相連的煙道中可能聚積的任何可燃物體，以防在點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆炸。鍋爐啟動(dòng)前必須進(jìn)行爐膛吹掃，否則，F(xiàn)SSS 阻止任何燃料燃燒設(shè)備啟動(dòng)。爐膛吹掃應(yīng)保證具備下列3 個(gè)基本條件：

1）所有進(jìn)入爐膛的燃料輸入被切斷；2）爐膛內(nèi)無火焰；3）爐膛內(nèi)保持一定的通風(fēng)量。

在如上條件滿足后，應(yīng)吹掃5min 以上。

吹掃時(shí)應(yīng)滿足的條件：（1）燃?xì)庑孤┰囼?yàn)完成；（2）無MFT 跳閘條件；（3）主燃?xì)馓l閥關(guān)；（4）所有燃?xì)馊紵魈l閥關(guān)；（5）任一送風(fēng)機(jī)在運(yùn)行；（6）任一引風(fēng)機(jī)在運(yùn)行；（7）送風(fēng)機(jī)入口至爐膛、煙道尾部及煙囪的通道應(yīng)敞開；（8）所有火檢均未檢測到火焰；（9）汽包水位正常；（10）爐膛負(fù)壓在正常限值內(nèi)；（11）鍋爐總風(fēng)量合適；

當(dāng)爐膛吹掃條件均滿足時(shí)，進(jìn)入吹掃周期，5min 后系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出吹掃完成信號(hào)，同時(shí)復(fù)位MFT 和首出原因。如吹掃期間任何許可條件失去，則發(fā)出吹掃中斷信號(hào)，并顯示中斷原因。應(yīng)在所有吹掃條件重新滿足后，系統(tǒng)重新啟動(dòng)5min 吹掃周期，直到吹掃完成。

3.1.3 總?cè)剂咸l（MFT）

MFT 是指鍋爐的安全運(yùn)行條件得不到滿足、需要緊急停爐而發(fā)出指令快速切斷所有通往爐膛的燃料并引發(fā)必要的連鎖動(dòng)作，避免對(duì)鍋爐的潛在危害，以保護(hù)鍋爐爐膛、其他設(shè)備及運(yùn)行人員的安全，引起總?cè)剂咸l的的任一條件成立，則引發(fā)MFT 動(dòng)作。當(dāng)MFT 跳閘后，有首出跳閘原因顯示；當(dāng)MFT 復(fù)位后，首出跳閘記憶清除。

MFT 動(dòng)作條件：

1）手動(dòng)緊急停爐MFT 按鈕；2)所有送風(fēng)機(jī)跳閘；3）所有引風(fēng)機(jī)跳閘；4）爐膛壓力超限高高或低低；5）汽包水位超限高高或低低；6）總風(fēng)量低于設(shè)定值；7）沒有檢測到煤氣燃燒器火焰；8）火焰喪失（全部燃燒器的2/3 熄火）；9）燃?xì)鈫适В℅FT）；10）燃燒器停運(yùn)不成功；11）汽機(jī)跳閘；12）發(fā)電機(jī)跳閘；13）給水泵跳閘；14）火檢冷卻風(fēng)喪失。

MFT 發(fā)生后，連鎖動(dòng)作如下設(shè)備：

1）報(bào)警光字牌應(yīng)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，LCD 出現(xiàn)報(bào)警顯示并打??；

2）混合煤氣、焦?fàn)t煤氣母管電動(dòng)門關(guān)，燃燒器進(jìn)氣關(guān)斷門關(guān)；

3）所有燃燒器切除，退出；

4）MFT 向汽機(jī)ETS 送信號(hào)聯(lián)跳汽機(jī)。

不是由送、引風(fēng)機(jī)跳閘、不是由小于30%風(fēng)量引起MFT，送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉、引風(fēng)機(jī)變頻控制柜切手動(dòng)，同時(shí)超馳關(guān)到吹掃位；由于小于30%風(fēng)量引起的MFT，但送、引風(fēng)機(jī)都在運(yùn)行，保持當(dāng)前開度5min 不變，5min 后超馳開到吹掃位，同時(shí)切手動(dòng)；由送、引風(fēng)機(jī)跳閘引起的MFT，1min 后送風(fēng)機(jī)動(dòng)葉、引風(fēng)機(jī)全開15min，保持爐膛自然通風(fēng)。

關(guān)閉過熱器減溫水調(diào)節(jié)們、減溫水電動(dòng)門和過熱器減溫水母管電動(dòng)門；

關(guān)閉再熱器減溫水調(diào)節(jié)們、減溫水電動(dòng)門和再熱汽減溫水母管電動(dòng)門；

汽機(jī)跳閘；

發(fā)電機(jī)跳閘；

給水泵跳閘。

MFT 繼電器復(fù)位條件：

MFT 繼電器電源正常；爐膛吹掃完成；MFT 繼電器已跳閘；不存在MFT 跳閘條件。

3.1.4 點(diǎn)火允許條件

以下條件全部滿足，產(chǎn)生“焦?fàn)t煤氣點(diǎn)火允許”信號(hào)：

MFT 已復(fù)位；爐膛差壓正常；風(fēng)量＞30%；焦?fàn)t煤氣壓力正常；冷卻風(fēng)機(jī)出口母管壓力正常；

以下條件全部滿足，產(chǎn)生“混合煤氣點(diǎn)火允許”信號(hào)：

MFT 已復(fù)位；爐膛差壓正常；風(fēng)量＞30%；混合煤氣壓力正常；焦?fàn)t煤氣點(diǎn)燃。

3.2 燃?xì)饪刂七壿?/h3>

3.2.1 煤氣喪失(GFT)

GFT 是MFT 中跳閘條件之一。

一個(gè)GFT 信號(hào)迅速切斷所有煤氣燃料，下列任何一個(gè)條件成立，產(chǎn)生GFT 信號(hào)：

1）煤氣隔絕閥關(guān)閉：煤氣系統(tǒng)隔絕閥在打開后又在任何時(shí)刻被關(guān)閉；

2）煤氣壓力低：所有煤氣系統(tǒng)閥門打開時(shí)，煤氣壓力低、焦?fàn)t煤氣壓力低；運(yùn)行人員跳閘：運(yùn)行人員在主控制臺(tái)上按下煤氣系統(tǒng)隔絕閥“關(guān)閉”開關(guān)；

MFT：任何時(shí)刻MFT 的繼電器動(dòng)作；

GFT 發(fā)生后，連鎖動(dòng)作以下設(shè)備：

煤氣隔絕閥迅速關(guān)閉；各煤氣閥關(guān)閉并退出點(diǎn)火槍；輸出光字牌報(bào)警，并在LCD 顯示和打??；

GFT 復(fù)位的條件：

1）所有煤氣系統(tǒng)閥門關(guān)閉；2）MFT 已復(fù)位；3）不存在GFT 跳閘條件；

3.2.2 煤氣系統(tǒng)閥門控制

以焦?fàn)t煤氣母管氣動(dòng)門為例

當(dāng)下列條件同時(shí)滿足時(shí)，允許開煤氣總管隔絕閥：

1）煤氣壓力允許；2）MFT 復(fù)位；3）GFT 復(fù)位。

連鎖關(guān)閉條件：

1）MFT；2）GFT；3）爐膛吹掃。

3.3 點(diǎn)火器控制邏輯

本系統(tǒng)是下層有八個(gè)焦?fàn)t氣槍，點(diǎn)燃焦?fàn)t煤氣后，再點(diǎn)燃下層的混合煤氣，然后在燃燒穩(wěn)定后，再引燃上層的混合煤氣。

以#1 焦?fàn)t氣槍為例。點(diǎn)火允許條件：

1）鍋爐空氣量滿足吹掃需要，大于30%額定風(fēng)量；

2）火焰檢測器冷卻風(fēng)壓力滿足；

3）燃?xì)庵房烨虚y關(guān)閉；

4）爐膛負(fù)壓滿足；

5）無MFT 或點(diǎn)火燃料系統(tǒng)跳閘等跳閘信號(hào)；

6）點(diǎn)火燃料系統(tǒng)及煤氣系統(tǒng)泄漏試驗(yàn)完成（由運(yùn)行人員實(shí)現(xiàn)）；

7）點(diǎn)火燃料系統(tǒng)滿足點(diǎn)火要求；

8）點(diǎn)火系統(tǒng)已準(zhǔn)備好（包括火焰檢測器電源正常、點(diǎn)火器電源正常）；

9）爐內(nèi)無火；

10）點(diǎn)火系統(tǒng)跳閘條件不存在；

11）煙道CO 含量在正常范圍；

12）燃燒器點(diǎn)火風(fēng)門在點(diǎn)火位置。

當(dāng)以上這些許可條件滿足時(shí)， 應(yīng)在控制室操作員站的LCD上顯示“允許點(diǎn)火”。

4 結(jié)論

上述燃燒系統(tǒng)FSSS 的監(jiān)控測點(diǎn)的設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)已經(jīng)應(yīng)用在寧波鋼鐵1×135MW 全燃?xì)庥嗄茈姀S工程中，目前FSSS的調(diào)試已經(jīng)成功。電廠運(yùn)行人員可在集控室內(nèi)對(duì)FSSS 系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。