鍋爐汽包液位控制及聯(lián)鎖保護

李一良

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

項目的鍋爐裝置主要采用了分散型控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、 緊 急 停 車 裝 置 系 統(tǒng)（Emergency Shutdown Device，ESD）及燃燒管理系統(tǒng)（Burning Management System，BMS）進行控制及保護。DCS 負責一般的過程控制及安全級別要求不高的聯(lián)鎖功能；ESD 負責對安全級別要求更高的聯(lián)鎖功能；BMS 主要負責進行燃燒控制和點火及停爐控制。鍋爐的點火和停爐都需要一系列的連續(xù)性操作，此部分功能由BMS 系統(tǒng)完成操作，BMS 系統(tǒng)由鍋爐廠商配置，控制回路和順序操作已經(jīng)組態(tài)在其中，此項目并未對此進行設計。本文主要討論DCS 及ESD 中控制與聯(lián)鎖的設計方法。

2 鍋爐控制主要內(nèi)容

項目采用的是燃油燃氣混燒鍋爐，除了普通比例、積分、微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制回路，主要的復雜控制回路有兩部分。（1）燃燒器控制，根據(jù)送風量、爐膛溫度、出氣壓力、煙氣含氧量以及燃料油和氣的溫度、壓力、流量等參數(shù)對燃燒器的進風量進行控制，燃燒控制由BMS 完成。（2）鍋爐汽包液位控制，主要由DCS 系統(tǒng)承擔。

2.1 鍋爐汽包液位控制

為了確保鍋爐的穩(wěn)定運行，汽包液位是要重點控制的關鍵環(huán)節(jié)。通常情況下，鍋爐汽水是否平衡會對液位造成影響。鑒于此，為了避免液位因負荷變化而產(chǎn)生大幅度波動與消除虛假液位影響，需在前期階段就采用消除蒸汽流量的方式干擾液位。本項目中，不僅主要調(diào)節(jié)了回路液位變量，還引入前饋信號蒸汽流量和作為串級副回路測量信號的給水流量兩個輔助變量。主、副調(diào)節(jié)回路以及前饋控制構成了鍋爐汽包串級三沖量控制系統(tǒng)，其中，三沖量分別指液位、蒸汽流量和給水流量這3 個變量[1]。

2.2 串級三沖量控制系統(tǒng)原理

圖1 所示為串級三沖量控制系統(tǒng)。由該圖可知，該控制系統(tǒng)的主要組成部分是主回路、副回路與前饋控制。為了在穩(wěn)定狀態(tài)能夠保證液位給定值，主回路與副回路調(diào)節(jié)器使用了串聯(lián)模式。

圖1 串級三沖量控制系統(tǒng)

其中，副回路的形成主要得益于水量反饋，其除了能夠直觀反映調(diào)節(jié)效果外，還能在較短時間內(nèi)處理完成給水流量的自發(fā)性干擾。而主回路的形成主要得益于液位信號反饋，具體來說，就是當液位與給定值SP 發(fā)生偏離時，主調(diào)節(jié)器就能通過副回路來實現(xiàn)對給水流量的調(diào)節(jié)，從而將穩(wěn)態(tài)時液位復位到給定值。由蒸汽流量構成前饋控制通道，蒸汽流量信號與主調(diào)節(jié)器的輸出信號之和作為副調(diào)節(jié)器的給定值，當蒸汽流量擾動時，副回路迅速改變給水量，以防止因虛假液位產(chǎn)生的誤動作[2]。

2.3 汽包液位控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設計

汽包液位控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設計主要內(nèi)容有：

1）汽包液位變送器。鍋爐汽包液位采用3 臺相同的差壓液位變送器（鍋爐生產(chǎn)廠商自帶）進行液位測量，三重化儀表設計主要是為了測量的可靠性，提高安全等級。

2）鍋爐給水流量計。鍋爐給水進汽包之前設置1 臺標準孔板流量計，通過差壓變送器測量出進入汽包內(nèi)的鍋爐給水量[3]。

3）鍋爐產(chǎn)出蒸汽流量計。由于工藝條件要求鍋爐產(chǎn)出蒸汽分3 部分，絕大部分用于發(fā)電或者其他用汽區(qū)域，其余兩部分用于驅(qū)動鍋爐給水泵和鼓風機運行。雖然這兩部分用汽量很小，但是為了能夠精確控制汽包液位，必須將3 部分蒸汽量求和作為實際鍋爐蒸汽產(chǎn)量。因為總管上并未設置流量計，只能通過3 路流量計之和作為液位調(diào)節(jié)的前饋量，3 臺流量計根據(jù)流量特性選擇了3 臺不同孔徑的標準孔板流量計。

4）給水閥。作為汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，設置了2臺并聯(lián)的鍋爐給水氣動隔膜式調(diào)節(jié)閥，2 臺閥門口徑不同，主控閥大于副控閥，2 臺閥門采用分程控制的原則進行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定汽包內(nèi)液位。由于本項目鍋爐生產(chǎn)的蒸汽主要用于驅(qū)動汽輪機，保護這些設備的安全最重要，防止蒸汽帶液進入透平內(nèi)，調(diào)節(jié)閥選擇氣開式。

2.4 主、副給水閥分程控制原則

鍋爐汽包液位控制，除采用了傳統(tǒng)的串級三沖量調(diào)節(jié)，由于設置了并聯(lián)的2 臺給水閥，還引入了分程控制方法進行液位控制。主、副2 臺閥門口徑和流通能力不同，主閥口徑較大，副閥口徑相對較小，分別應用于鍋爐不同負荷下的調(diào)節(jié)。

在鍋爐負荷＜50%時，主要使用副給水閥進行液位調(diào)節(jié)，主閥處于關閉狀態(tài)，當負荷≥50%時，開啟主給水閥進行液位調(diào)節(jié)，副給水閥在負荷≥50%時開始逐步進行線性關閉。這樣設計的目的是在低負荷時鍋爐進水量和出汽量都相對較小，并且負荷波動不大，副給水閥的流通能力完全可以滿足調(diào)節(jié)需要，關閉主閥起到節(jié)省能量的目的，同時在小負荷調(diào)節(jié)時，相同的控制精度下使用小流通量的閥門控制效果更好。使用大口徑閥門可能只在其小開度范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，并非閥門的最佳性能開度位置，也容易出現(xiàn)超調(diào)或振蕩的發(fā)生。當鍋爐負荷增大時，切換至主控閥調(diào)節(jié)以滿足此時的需要。

主副調(diào)節(jié)閥均配置了閥位變送器，反饋回的閥門位置與調(diào)節(jié)器輸出的位置進行比對，當誤差絕對值＞10%時會自動進行報警，操作人員可以根據(jù)系統(tǒng)報警來決定該如何處理故障。

3 鍋爐聯(lián)鎖保護

無論使用多么先進的控制方式與現(xiàn)場儀表，總有一定概率出現(xiàn)各種意外問題，此時希望單獨依靠控制系統(tǒng)將被控對象穩(wěn)定在安全狀態(tài)已幾乎不可能，這就要求工業(yè)裝置，尤其是高溫、高壓、高毒的危險裝置，一定要設計安全聯(lián)鎖保護機制。就鍋爐而言，其所裝置聯(lián)鎖保護作為重要組成部分，能夠有效保障鍋爐安全運行。鍋爐有了性能良好可靠的保護裝置，就可以有效避免重大事故的發(fā)生。

3.1 鍋爐聯(lián)鎖保護級別

鍋爐裝置主要采用了DCS、ESD 及BMS 系統(tǒng)進行控制及保護，由于DCS 安全級別比ESD 要低，所以，其只負責一些對于安全要求相對不高的聯(lián)鎖功能，而涉及重大安全性的聯(lián)鎖則需要由ESD 系統(tǒng)完成功能設計。根據(jù)對安全性的要求，人為地將鍋爐裝置各個聯(lián)鎖功能分配給DCS 或ESD 系統(tǒng)中進行操作。

3.2 聯(lián)鎖保護的功能

一般來說，當出現(xiàn)機組事故、設備故障、設備異常情況時，鍋爐的聯(lián)鎖保護才會真正發(fā)揮作用。在出現(xiàn)以上情況時，聯(lián)鎖保護功能能夠在最短時間內(nèi)自動停止并改變鍋爐系統(tǒng)緣由的運行方式，目的在于縮小事故范圍，從而保障不同條件下鍋爐內(nèi)運行方式的合理性與科學性。因此，這不僅要求聯(lián)鎖保護系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性及可靠性，而且更重要的是要保證其邏輯設計的合理性，以及符合所控對象自身的規(guī)律和要求，使其在事故狀態(tài)下，達到最佳處理效果。

3.3 聯(lián)鎖保護設計方法

3.3.1 DCS 系統(tǒng)實現(xiàn)的聯(lián)鎖功能

DCS 系統(tǒng)的聯(lián)鎖功能主要包括以下內(nèi)容：

1）鍋爐給水泵互備聯(lián)鎖保護功能。本項目設計鍋爐給水泵2 臺，2 用1 備，1 臺為汽機驅(qū)動，1 臺為電機驅(qū)動，汽驅(qū)泵為主泵，電驅(qū)泵為備用泵。鍋爐給水泵對于鍋爐穩(wěn)定安全運行十分重要，泵故障會導致鍋爐汽包無法正常供水，所以，在主泵（汽驅(qū)）發(fā)生故障無法正常運行時，要及時準確地切換至備用泵，保證鍋爐供水不發(fā)生中斷。同時，給水泵的汽驅(qū)透平和電機也具備自身的聯(lián)鎖保護，在相關參數(shù)達到臨界值時會自動停機。

2）鼓風機互備聯(lián)鎖保護功能。為鍋爐配備了1 臺鼓風機，但是同軸配置了1 汽1 電2 臺驅(qū)動機，汽機為主，電機備用，聯(lián)鎖保護功能保證在汽驅(qū)機停機后，自動啟動電機以保證鼓風機持續(xù)運行。與給水泵相同，汽機和電機也具備自身聯(lián)鎖保護的功能。

3）放空閥聯(lián)鎖保護功能。在鍋爐蒸汽主管道壓力達到臨界值時自動打開放空閥，排放高壓蒸汽，以保障管道內(nèi)壓力正常，避免發(fā)生危險。

3.3.2 ESD 系統(tǒng)實現(xiàn)的聯(lián)鎖功能

ESD 的聯(lián)鎖功能主要包括以下內(nèi)容：

1）鍋爐給水泵啟停聯(lián)鎖功能。給水泵除了具有自備聯(lián)鎖，還有另外一個套聯(lián)鎖動作保證鍋爐正常運行。當給水管內(nèi)壓力過低，說明當前汽驅(qū)給水泵可能出現(xiàn)問題，但是由于沒有停機并不會觸發(fā)備泵啟動聯(lián)鎖，為了滿足鍋爐對給水壓力的要求，此時也要啟動電驅(qū)給水泵同時為鍋爐注水，保證鍋爐正常運行。另外，當除氧器液位過低時，要及時停止給水泵，否則出現(xiàn)干抽事故，易造成給水泵損壞。

2）緊急放水聯(lián)鎖功能。當汽包液位過高但還沒有達到停爐的指標時，系統(tǒng)會自動打開放水閥門將汽包內(nèi)鍋爐水排放至安全位置再關閉。

3）主燃料跳閘（Main Fuel Trip，MFT）保護。這是鍋爐聯(lián)鎖保護中最重要也是最后一環(huán)，當出現(xiàn)不可恢復的故障時，系統(tǒng)會自動觸發(fā)MFT，進行停爐操作，確保不會出現(xiàn)更大的災難性后果。

3.3.3 MFT 保護實現(xiàn)

MFT 聯(lián)鎖是鍋爐聯(lián)鎖保護中最重要的一項功能，是發(fā)生了無法及時糾正的故障時觸發(fā)的一條最后聯(lián)鎖，此聯(lián)鎖的觸發(fā)將導致停爐操作。

MFT 主要觸發(fā)信號都是影響燃料燃燒或者產(chǎn)生鍋爐安全事故十分重要的物理量。鼓風機停轉或者鼓風風壓不足都會導致爐膛內(nèi)燃料無法充分燃燒而造成室內(nèi)可燃氣體堆積，發(fā)生爆炸事故；爐膛內(nèi)壓力過高會出現(xiàn)爐膛爆炸的可能；汽包液位過高或在其余保護措施，都無法有效控制液位回歸正常值時必須啟動停爐聯(lián)鎖，保護鍋爐；燃油燃氣的壓力超過限制都無法正常燃燒而引發(fā)安全事故；人工因為其他原因必須停爐時手動觸發(fā)停爐按鈕。以上原因的其中一條發(fā)生時都會引起MFT、ESD 系統(tǒng)將停爐信號發(fā)至BMS 系統(tǒng)，BMS 根據(jù)預設的停爐流程對燃燒器發(fā)出命令，關閉燃油燃氣管道閥門，檢查火檢信號確認是否熄火，充入氮氣進行吹掃，完成熄火停爐操作，保障無安全事故發(fā)生。

為了更高效、安全地進行聯(lián)鎖保護，避免發(fā)生危險時不觸發(fā)或者無危險時誤觸發(fā)造成巨大損失，關鍵部位的儀表都進行兩重化或者三重化設計，如爐膛壓力和汽包液位進行3 取2聯(lián)鎖，燃油燃氣壓力進行2 取1 聯(lián)鎖。總體是為了更安全地進行生產(chǎn)，有危險發(fā)生時能及時觸發(fā)聯(lián)鎖進行停爐操作，保障人身和財產(chǎn)安全。

4 結語

工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中重要的熱能動力設備，使用面廣，在工業(yè)生產(chǎn)中扮演重要角色。一個安全的聯(lián)鎖保護系統(tǒng)能使鍋爐發(fā)生意外時及時地進行聯(lián)鎖控制直至聯(lián)鎖停爐，對于人身財產(chǎn)的安全才能有所保障。本項目的實踐，可為類似裝置提供參考。