蔡科濤,王 雪
(1.川慶鉆探工程有限公司安全環(huán)保質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院,四川廣漢 618300;2.四川宏大安全技術(shù)服務(wù)有限公司,四川廣漢 618300)
鍋爐能為工業(yè)生產(chǎn)提供熱源,是石油化工行業(yè)不可缺少的重要設(shè)備。其安全、平穩(wěn)運(yùn)行,為工業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定熱源,才能保證工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品品質(zhì)。
鍋爐控制系統(tǒng)是一個大慣性、大滯后且互相影響的復(fù)雜系統(tǒng)。本系統(tǒng)由一次儀表、二次儀表、手自動切換操作部分、程序控制器、PLC、觸摸屏、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、燃燒器等組成[1]。WNS 型蒸汽鍋爐在電控柜中同時配有PLC、觸摸屏、程序控制器、水位控制器、壓力控制器及負(fù)荷控制器等監(jiān)測、控制、顯示裝置,控制原理如圖1 所示。
各控制元件功能說明:
(1)水位控制器:采用歐姆龍61F-G3 型,在工頻狀態(tài)下,用于控制鍋爐位式進(jìn)水,以確保鍋爐水位在正常范圍內(nèi),同時,輸出信號到PLC 進(jìn)行工頻時水位顯示,并輸出水位極低連鎖信號至程序控制器連鎖停爐。
(2)程序控制器:采用西門子LFL1.322 型,用于控制和監(jiān)測燃燒器工作狀況,以實(shí)現(xiàn)整個燃燒過程的自動運(yùn)行。程序控制器主要是對燃燒機(jī)的控制,對汽包液位不做控制,只作低液位連鎖停爐,是鍋爐控制系統(tǒng)的核心元件。
(3)負(fù)荷控制器:采用西門子RWF40 型數(shù)字調(diào)節(jié)器,用于不斷檢測壓力傳感器檢測的鍋爐壓力,將壓力信號與設(shè)定值進(jìn)行比較,經(jīng)運(yùn)算輸出開關(guān)信號到燃燒機(jī),控制風(fēng)門大小,調(diào)節(jié)空燃比,進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整,從而進(jìn)行大小火的轉(zhuǎn)換,達(dá)到鍋爐蒸汽壓力的平穩(wěn)控制。
(4)壓力控制器:用于實(shí)時監(jiān)測鍋爐蒸汽壓力,設(shè)置汽壓超高報警,采用常開觸點(diǎn),報警時觸點(diǎn)閉合,以配合程序控制器、PLC 及時控制鍋爐啟停,保障鍋爐的安全運(yùn)行。同時,壓力控制器的設(shè)定值要在安全閥設(shè)定值以下,以確保在超壓情況下,安全閥作為最后一道保護(hù)屏障,不需經(jīng)常起跳,減少故障的發(fā)生。
(5)液位調(diào)節(jié)器:采用歐姆龍E5EK 型數(shù)字控制器,將液位變送器檢測的實(shí)時水位模擬信號(4~20)mA 與給定值進(jìn)行比較,經(jīng)PID 運(yùn)算,輸出(4~20)mA 的電流信號給變頻器,控制水泵的運(yùn)行頻率。同時,變頻器輸出兩組觸點(diǎn)信號給PLC 完成變頻器故障和水泵啟停的檢測。液位變送器采用EJA110A 與雙室平衡容器配套檢測。
(6)PLC:采用歐姆龍SYSMAC CPMZAH 型號,以上各控制元件同時都有信號傳入PLC,PLC 對接收的信號不斷進(jìn)行分析、判斷,對以上各控制元件有監(jiān)控作用,將處理信號傳給觸摸屏,通過觸摸屏將鍋爐的運(yùn)行狀態(tài)及時顯示出來。同時,可通過觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對話,對鍋爐進(jìn)行控制操作。
(7)觸摸屏:采用歐姆龍NT31-ST122-EV2 型,是鍋爐當(dāng)前所處狀態(tài)的實(shí)時顯示裝置,也是對鍋爐實(shí)施操作控制的面板。
圖1 鍋爐控制原理
該鍋爐的水位監(jiān)測,主要采取現(xiàn)場玻板顯示、液位變送器顯示及水位電極控制三種方式。雙色、平板玻璃液位計,主要用于司爐工及現(xiàn)場巡檢直觀觀察[2]。由于鍋爐進(jìn)水使用裝置上返回的冷凝水,含雜質(zhì)較多,經(jīng)常導(dǎo)致液面計結(jié)垢臟污,需經(jīng)常排污和清洗。
汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)[3]:水位過高或急劇波動,會破壞汽水分離器的正常工作,嚴(yán)重時會導(dǎo)致蒸汽帶水過多,增加在管壁上的結(jié)垢進(jìn)而影響蒸汽質(zhì)量。水位過低,則會破壞水循環(huán),引起水冷壁管的破裂,嚴(yán)重時更可能導(dǎo)致干鍋,損壞鍋爐,造成人員傷亡或重大安全事故。水位控制器通過檢測水位電極信號判斷鍋筒內(nèi)水位狀態(tài),并據(jù)此控制水泵的啟停[4-5]??刂圃砣绫? 所示。
表1 水位控制原理
經(jīng)仔細(xì)檢查,水位測量、電極邏輯都正常,將電極棒整體取出后發(fā)現(xiàn),“低水位”與“高水位”兩支電極棒長度相差只有1 cm。因低液位電極棒不可能調(diào)整,根據(jù)工況考慮后將高水位電極棒截短,泵的頻繁啟停得到有效解決[6]。
對水位電極邏輯錯誤的故障原因分析及處理措施:
水位控制器工作原理:水位控制器加在電極棒上是8 V的交流電源,接地線與鍋殼相連。當(dāng)水電極兩端的電阻低于50 kΩ 時,控制器即認(rèn)為水面已高于電極,當(dāng)水電極兩端的電阻升至200 kΩ 以上時,控制器即認(rèn)為水面已高于電極。
由于鍋爐進(jìn)水使用裝置上回來的冷凝水,含雜質(zhì)較多容易結(jié)垢,經(jīng)停爐取出電極棒發(fā)現(xiàn),電極棒上果然結(jié)垢嚴(yán)重從而導(dǎo)致電阻值升高,使水位檢測精度降低,出現(xiàn)電極水位邏輯錯誤,經(jīng)清洗電極棒后,故障消除。
該鍋爐汽包液位檢測采用的是雙室平衡容器配差壓變送器的原理。雙室平衡容器是一種結(jié)構(gòu)巧妙具有一定自我補(bǔ)償能力的汽包水位測量裝置,他能最大限度的削弱汽水密度變化對常規(guī)運(yùn)行水位差壓的影響,實(shí)踐證明,該系統(tǒng)運(yùn)行良好,測量精度高,效果明顯[7-8]。
而該鍋爐在運(yùn)行的過程中,出現(xiàn)變送器檢測的液位在固定的范圍內(nèi)變化,與現(xiàn)場玻璃板液位計的顯示偏差很大的現(xiàn)象。結(jié)合雙室平衡容器的工作原理,經(jīng)分析、檢查發(fā)現(xiàn)此故障為雙室平衡容器穿漏,導(dǎo)致正、負(fù)壓側(cè)差壓發(fā)生變化所致。經(jīng)停爐更換雙室平衡容器,投運(yùn)后,液位顯示正常,與現(xiàn)場玻璃板液位計相符,故障得到解決。
該鍋爐負(fù)荷控制器采用的是西門子RWF40 控制器。RWF40 接收壓力傳感器西門子QBE2002 傳輸?shù)模?~10)V 信號,對應(yīng)量程為(0~2.5)MPa,通過運(yùn)算,輸出開關(guān)量信號去控制燃燒器閥門開度,進(jìn)而控制火焰大小,達(dá)到負(fù)荷調(diào)節(jié)的目的。在實(shí)際運(yùn)行中,因數(shù)顯表控制參數(shù)的設(shè)置不當(dāng),導(dǎo)致燃燒器閥門開度頻繁變化,火力變化也就很大,導(dǎo)致汽包壓力波動大,裝置蒸汽供氣不平穩(wěn),對后工段工藝控制造成不穩(wěn)定。經(jīng)查閱使用說明書,根據(jù)現(xiàn)場工況采用經(jīng)驗(yàn)法和實(shí)踐跟蹤法,對部分控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),如表2 所示。
表2 參數(shù)調(diào)節(jié)前后對比
經(jīng)修改設(shè)定值后,燃燒器運(yùn)行平穩(wěn),鍋爐的壓力、負(fù)荷也相對很平穩(wěn)。
燃燒器是鍋爐控制系統(tǒng)的核心部件,燃燒器故障引起的鍋爐不能啟爐、故障停爐,是鍋爐運(yùn)行中最常見,也是較為復(fù)雜的難點(diǎn)問題[9]。
2.5.1 鍋爐不能啟爐
鍋爐壓力、液位、各種連鎖信號等一切正常,但不能啟爐。啟爐時出現(xiàn)故障報警,不能啟爐,根據(jù)程序控制器上的故障停留位置,參考故障說明,根據(jù)程序控制器故障顯示窗口上的符號,發(fā)現(xiàn)如果在啟動至點(diǎn)火之間發(fā)生未用任何符號說明的故障停機(jī),那么通常是由于超前的(即錯誤的)火焰信號所致。經(jīng)認(rèn)真細(xì)致的排查,發(fā)現(xiàn)火焰檢測電眼有燒壞痕跡,更換火焰檢測電眼后,恢復(fù)正常。
2.5.2 無法啟爐
啟爐過程中,風(fēng)壓無顯示,無法啟爐。由于該鍋爐動力電采用雙電源形式,在一次切換電源之后,啟運(yùn)鍋爐發(fā)現(xiàn),風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)卻無風(fēng)壓顯示,導(dǎo)致無法啟爐。參照鍋爐電路圖對“風(fēng)壓開關(guān)S10”電位點(diǎn)檢查,硬件是良好的,線路也無故障。再查,發(fā)現(xiàn)在切換電源時,電源相序接反了,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)反轉(zhuǎn),無風(fēng)量進(jìn)入回路。更正后,恢復(fù)正常。
2.5.3 火焰燃燒狀況不好
只有燃料和空氣的混合比例匹配時,才能達(dá)到完全燃燒。配風(fēng)比不當(dāng),引起火焰燃燒狀況不好。完全燃燒既可以提高鍋爐的燃燒效率,達(dá)到節(jié)能降耗的目的,對鍋爐本體也有很好的保護(hù)作用。燃?xì)忮仩t正常的燃燒狀況判斷[10]:①火焰呈紅黃色,煙囪冒黑煙,表示空氣量過小;②火焰中心帶紅黃色,邊緣帶藍(lán)色,爐內(nèi)充滿火焰,煙無色透明,表示燃燒充分;③火焰呈明顯藍(lán)色,煙囪冒白煙,表示空氣量過大。
該鍋爐在運(yùn)行一段時間后,通過后視鏡觀察火焰燃燒狀況,發(fā)現(xiàn)火焰呈紅黃色,煙囪冒黑煙。經(jīng)停爐將風(fēng)機(jī)過濾網(wǎng)拆下徹底清洗,并調(diào)整伺服機(jī)構(gòu)的風(fēng)、氣閥配比開度,使火焰的燃燒狀況達(dá)到了最佳狀態(tài)。因風(fēng)機(jī)離地面高度不到60 cm,長期運(yùn)行,過濾網(wǎng)容易堵塞,導(dǎo)致風(fēng)量減小,影響燃燒效果,所以要定期清除燃燒器里面的灰塵。
2.5.4 啟爐時點(diǎn)火失敗
在啟爐過程中,點(diǎn)火時,主氣閥打開的一瞬間,通過后視鏡觀察,有點(diǎn)火火焰出現(xiàn),有瞬間的燃燒,但因點(diǎn)火負(fù)荷時燃?xì)忾y開度較小,相對風(fēng)量稍大,空燃比瞬間無法跟蹤匹配,點(diǎn)火失敗。通過調(diào)節(jié)伺服機(jī)構(gòu)凸輪限制開關(guān)的開度,空燃比正常,啟爐正常。調(diào)整數(shù)據(jù)如表3 所示。
表3 空燃比伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)
2.6.1 鍋爐周期性停爐
在沒有任何報警及異常的情況下,鍋爐連續(xù)多天在同一時刻無故障停爐。經(jīng)查驗(yàn),系面板控制器上系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置有誤,設(shè)置了定時啟停功能,改動后一切正常。本次情況點(diǎn)也對鍋爐日常操作提出了較高要求。
2.6.2 其他維護(hù)點(diǎn)
鍋爐維護(hù)的其他關(guān)鍵點(diǎn)主要有零部件、安全附件的檢查、日常保養(yǎng)及調(diào)整,包括燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)等,是鍋爐維護(hù)的常規(guī)也是重要的操作點(diǎn)。
鍋爐的日常維護(hù)保養(yǎng)非常重要。水位電極、雙室平衡容器與變送器的配套使用,以及直觀的玻璃板液位計的利用,保障鍋爐水位控制的平穩(wěn)。液位控制PID 參數(shù)整定、負(fù)荷控制參數(shù)整定,優(yōu)化鍋爐的控制方式,提高鍋爐控制水平,保障蒸汽的平穩(wěn)供應(yīng),進(jìn)而為裝置的平穩(wěn)安全生產(chǎn)提供重要保障。燃燒機(jī)作為日常維護(hù)保養(yǎng)的重點(diǎn),特別是空燃比的調(diào)節(jié),是保障鍋爐正常高效運(yùn)行的重要前提。通過對WNS 燃?xì)庹羝仩t的控制原理的分析,結(jié)合實(shí)際維護(hù)工作,實(shí)現(xiàn)對鍋爐的整體維護(hù)達(dá)到很好的效果。