高溫超高壓燃?xì)忮仩tFSSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：以某廠220 t高溫超高壓燃?xì)忮仩t項(xiàng)目為例，介紹FSSS系統(tǒng)在焦?fàn)t、轉(zhuǎn)爐等燃?xì)忮仩t上的功能應(yīng)用及邏輯程序主要部分設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）;爐膛吹掃;主燃料跳閘（MFT）;火檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng);燃燒器管理

1 ? ?FSSS概述

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）是在鍋爐本體四周均勻設(shè)置的燃燒器及燃料氣閥組邏輯聯(lián)鎖控制、電儀設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠就地及遠(yuǎn)程操作，便于鍋爐安全投產(chǎn)及安全停車的邏輯聯(lián)鎖控制性系統(tǒng)。FSSS包括爐膛燃燒安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSS）和燃燒器設(shè)備管理控制系統(tǒng)（BCS）。

1.1 ? ?FSS（Fuel Safety System）主要控制功能

鍋爐鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)吹掃、主燃料跳閘（MFT）、MFT首跳原因顯示、手動(dòng)緊急跳閘、火焰檢測(cè)、爐膛工業(yè)電視系統(tǒng)、聯(lián)鎖報(bào)警、與DCS通信。

1.2 ? ?BCS（Burner Control System）主要控制功能

點(diǎn)火燃料氣閥（小火焰）控制、主燃料氣閥（大火焰）控制、燃燒器設(shè)備控制、爐前設(shè)備控制。

2 ? ?爐膛吹掃

（1）鍋爐在啟動(dòng)前和停爐后必須進(jìn)行爐膛吹掃：爐膛點(diǎn)火之前，送風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)要啟動(dòng)起來(lái)，對(duì)爐膛內(nèi)部有可能產(chǎn)生的泄漏可燃?xì)饣驕魻t膛內(nèi)的其他殘余氣體進(jìn)行一次性吹掃。送風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)送風(fēng)量根據(jù)要求應(yīng)大于30%，吹掃時(shí)間在5 min以上。爐膛滅火后根據(jù)工藝要求同樣也要進(jìn)行爐膛吹掃，在鍋爐跳閘或正常停爐切除所有燃燒器后，都必須進(jìn)行不少于5 min的吹掃，以清除可能儲(chǔ)存在爐膛內(nèi)或煙道內(nèi)的燃料混合物，防止可燃?xì)怏w的積存。爐膛吹掃完成后，方可允許點(diǎn)火燃燒設(shè)備的燃料投入及進(jìn)行點(diǎn)火。爐膛吹掃完成條件不滿足，不允許點(diǎn)火。

（2）爐膛吹掃進(jìn)行計(jì)時(shí)需滿足以下條件：送風(fēng)機(jī)運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行、風(fēng)量不小于30%、混合煤氣閥全關(guān)、高爐煤氣閥全關(guān)、汽包水位正常、無(wú)鍋爐跳閘指令、爐膛壓力正常、無(wú)MFT條件出現(xiàn)、爐膛火檢檢測(cè)無(wú)火。在吹掃進(jìn)行中如果任意一個(gè)條件喪失，將顯示吹掃中斷，復(fù)位后則吹掃累計(jì)時(shí)間置零。待所有吹掃條件重新建立、顯示吹掃允許后，可以重新進(jìn)行吹掃，直至吹掃程序完成，發(fā)出吹掃完成信號(hào)。

3 ? ?主燃料跳閘（MFT）及首跳條件

（1）主燃料跳閘是FSSS系統(tǒng)中最重要的組成部分。主燃料跳閘是指在發(fā)生緊急工況的狀態(tài)下，或外部聯(lián)鎖（例如汽機(jī)跳閘、主蒸汽超壓等）由工藝及設(shè)計(jì)要求編制程序發(fā)出的唯一可使燃燒設(shè)備切斷一切燃料的條件。具體條件如圖1所示。程序編輯時(shí)把聯(lián)鎖條件發(fā)出做了首顯，并在CRT電腦屏幕上顯示給操作人員，報(bào)警菜單及歷史記錄都可查詢。發(fā)生主燃料跳閘的條件，可根據(jù)實(shí)際工況按照專業(yè)工程師要求添加，程序編輯中加入（保護(hù)投入/切除）可方便工作人員操作。

（2）主燃料跳閘需滿足的條件：手動(dòng)MFT（即同時(shí)按“MFT動(dòng)作”和“MFT確定”按鈕）、送風(fēng)機(jī)跳閘、引風(fēng)機(jī)跳閘、爐膛壓力高（三取二延時(shí)5 s）、爐膛壓力低（三取二延時(shí)5 s）、總風(fēng)量<30%持續(xù)大于5 min、汽包水位高保護(hù)（三取二）、汽包水位低保護(hù)（三取二）、高爐煤氣壓力低（延時(shí)5 s）、混合煤氣壓力低（延時(shí)5 s）、汽機(jī)跳閘、全爐膛滅火、燃料喪失。當(dāng)MFT產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)程序應(yīng)立即發(fā)出指令切斷鍋爐燃燒器一切燃料投入，并自動(dòng)完成下列操作：報(bào)警光字牌發(fā)出聲光報(bào)警、高爐煤氣閥迅速關(guān)斷、混合煤氣閥迅速關(guān)斷、至其他聯(lián)鎖系統(tǒng)?！笆謩?dòng)緊急MFT”是主燃料跳閘的功能程序中人為判斷需要緊急停爐的一個(gè)條件。由集中控制操作室操作人員發(fā)出?！笆謩?dòng)緊急MFT”操作按鍵安裝在控制平臺(tái)上，由“急?！卑存I加防護(hù)罩組成，硬線連接到燃燒器上燃料閥組的就地控制柜邏輯控制中。當(dāng)發(fā)出緊急指令，燃燒器上燃料閥組的就地控制柜接收信號(hào)，立刻切斷一切燃料進(jìn)入爐膛。

4 ? ?火檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及爐膛火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）火檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是FSSS系統(tǒng)中重要的設(shè)備系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)燃燒設(shè)備從點(diǎn)火到運(yùn)行燃料投入是否被引燃判斷的整個(gè)過(guò)程，對(duì)程序邏輯判斷爐膛是否滅火并及時(shí)切斷燃料閥組起著至關(guān)重要的作用?；饳z監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由火檢冷卻風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)壓開關(guān)、冷卻管線和閥組及多套火檢裝置組成?；饳z監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配合單臺(tái)燃燒設(shè)備檢測(cè)燃料氣燃燒火焰，F(xiàn)SSS系統(tǒng)中滅火保護(hù)程序取燃料火檢信號(hào)作為全爐膛滅火邏輯判斷信號(hào)，系統(tǒng)發(fā)出全爐膛滅火信號(hào)，切斷所有燃料閥門?；鹧嫘盘?hào)強(qiáng)度系統(tǒng)都有歷史和實(shí)時(shí)記錄，以供查用。

（2）爐膛火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（全爐膛工業(yè)電視）。即應(yīng)用在電力、石油、化工等行業(yè)，通過(guò)電視屏幕監(jiān)測(cè)各種燃燒鍋爐內(nèi)燃料燃燒狀態(tài)的彩色工業(yè)電視監(jiān)視系統(tǒng)，故又稱爐膛火焰電視監(jiān)視系統(tǒng)，它是監(jiān)視爐膛火焰燃燒狀態(tài)的重要設(shè)備。操作者可在集控室內(nèi)的顯示屏上直觀地監(jiān)視到爐膛內(nèi)點(diǎn)火、正常燃燒和熄火等工作狀態(tài)，具體如圖2所示。爐膛火焰電視監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)或氣動(dòng)傳動(dòng)裝置將攝像探頭送入爐膛內(nèi)，通過(guò)外部壓力開關(guān)或傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)攝像探頭溫度，如溫度過(guò)高則自行退出。爐膛火焰電視監(jiān)視系統(tǒng)能夠真實(shí)地反映爐膛內(nèi)部火焰的燃燒工況，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種危險(xiǎn)狀況。

火檢監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及爐膛火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在FSSS系統(tǒng)中起到重要的安全保障，在鍋爐燃燒控制領(lǐng)域、火焰監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用。

5 ? ?燃燒器管理

5.1 ? ?點(diǎn)火燃料燃燒器管理

按照既定程序?qū)﹀仩t點(diǎn)火燃燒器進(jìn)行控制，包括遠(yuǎn)程自動(dòng)/就地手動(dòng)啟停和遠(yuǎn)程自動(dòng)操作。點(diǎn)火許可條件為：無(wú)MFT信號(hào)、煤氣支閥全關(guān)、煤氣壓力正常、風(fēng)量正常、爐內(nèi)無(wú)火、爐膛吹掃完成，且未超出規(guī)定的點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)限，火檢冷卻風(fēng)正常。上述條件均滿足時(shí)，系統(tǒng)顯示“點(diǎn)火允許”。

單個(gè)燃料氣角閥啟動(dòng)順序：點(diǎn)火槍推進(jìn)→啟動(dòng)點(diǎn)火器→支氣閥開啟。支氣閥開啟后，如果點(diǎn)火10 s后閥門打開、火檢有火、點(diǎn)火器不工作，3 s延時(shí)判斷并發(fā)出“點(diǎn)火成功”。如果在點(diǎn)火10 s后點(diǎn)火閥門打開、火檢無(wú)火，該點(diǎn)火燃燒器未被證實(shí)點(diǎn)燃，應(yīng)立即關(guān)閉該支氣閥，上位機(jī)的CRT畫面上發(fā)出“點(diǎn)火失敗”報(bào)警。邏輯如圖3所示。燃燒器設(shè)備上的各種設(shè)備儀表狀態(tài)在現(xiàn)場(chǎng)就地控制柜面板上及集控室上位機(jī)的CRT畫面上均有顯示。第一個(gè)燃燒器點(diǎn)火失敗，系統(tǒng)將啟動(dòng)爐膛吹掃程序，對(duì)爐膛進(jìn)行吹掃（操作員根據(jù)CO濃度信號(hào)，可在線調(diào)整吹掃時(shí)間）。在持續(xù)風(fēng)量吹掃完成且滿足點(diǎn)火要求的前提下，允許下一次點(diǎn)火，至少間隔5 min，禁止在沒(méi)有檢查點(diǎn)火失敗原因之前重復(fù)進(jìn)行點(diǎn)火操作。

5.2 ? ?主燃料燃燒器管理

按既定程序?qū)﹀仩t燃燒器主燃料進(jìn)行控制，包括遠(yuǎn)程操作/就地手動(dòng)啟停。點(diǎn)火燃料投入、燃燒器設(shè)備點(diǎn)火成功后，操作員視燃燒穩(wěn)定狀況可投入鍋爐燃燒器主燃料。鍋爐燃燒器主燃料快關(guān)閥開啟的許可條件：所有主燃料閥處于關(guān)閉位，主燃料壓力正常。當(dāng)點(diǎn)火管通過(guò)火檢探頭及爐膛工業(yè)電視被證實(shí)點(diǎn)燃并穩(wěn)燃后，開啟主燃料氣支閥，完成相應(yīng)燃燒器的點(diǎn)燃，燃燒器即投入正常運(yùn)行。主燃料氣支閥參與MFT跳閘聯(lián)鎖，當(dāng)火檢無(wú)火或發(fā)MFT跳閘信號(hào)時(shí)主燃料氣支閥自動(dòng)關(guān)閉。

6 ? ?FSSS系統(tǒng)構(gòu)成

6.1 ? ?就地柜

就地點(diǎn)火控制柜是控制鍋爐點(diǎn)火設(shè)備的就地集中控制單元設(shè)備，控制對(duì)象包括：點(diǎn)火推進(jìn)器、點(diǎn)火器、快關(guān)閥、排空閥等。就地點(diǎn)火控制柜有兩種工作方式：就地控制和遠(yuǎn)程DCS控制。就地控制方式就是現(xiàn)場(chǎng)就地操作就地控制柜，通過(guò)就地控制柜面板上按鍵控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備啟停，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)在就地控制柜面板上可顯示。同樣，就地控制柜切換到“遠(yuǎn)程控制”，遠(yuǎn)程DCS也可以遠(yuǎn)程進(jìn)行操作和顯示設(shè)備狀態(tài)，就地控制方式將失效。就地控制柜通信方式多為硬線連接，燃燒設(shè)備距離集中控制室較遠(yuǎn)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求可加PLC和以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，但關(guān)鍵性的啟動(dòng)和急停仍需硬線通信連接。

6.2 ? ?主機(jī)柜

主機(jī)柜有兩種操作狀態(tài)：手動(dòng)狀態(tài)和自動(dòng)狀態(tài)。手動(dòng)狀態(tài)是指人為單步操作并判斷如何控制設(shè)備，自動(dòng)狀態(tài)是指把單步控制狀態(tài)程序編輯為自動(dòng)完成，并邏輯判斷如何控制設(shè)備。主機(jī)柜中PLC為系統(tǒng)控制核心，內(nèi)裝有施耐德Quantum PLC，鍋爐設(shè)備PLC控制系統(tǒng)為防止死機(jī)、系統(tǒng)錯(cuò)誤、設(shè)備停電做了冗余配置。主機(jī)柜中AC220 V電源采用雙路電源供電的方式，一路來(lái)自廠用電，一路來(lái)自UPS，雙電源自動(dòng)切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)一備一用，柜內(nèi)DC24 V電源同樣一備一用;PLC采用雙機(jī)熱備，極大地提高了主機(jī)柜的安全可靠性。

6.3 ? ?上位機(jī)

上位機(jī)是HMI（人機(jī)交換界面），由研華工控機(jī)和DELL顯示器組成。上位機(jī)提供系統(tǒng)的監(jiān)視與操作界面，系統(tǒng)的監(jiān)視與操作在上位機(jī)完成。HMI界面項(xiàng)目的監(jiān)控畫面都是在iFIX軟件圖形編輯器中繪制完成，根據(jù)該項(xiàng)目的控制流程，系統(tǒng)HMI由5個(gè)主畫面組成：FSSS主監(jiān)控畫面、爐膛吹掃畫面、MFT畫面、報(bào)警信息畫面、退出系統(tǒng)畫面。畫面可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)甲方安全操作需要，設(shè)置多個(gè)級(jí)別的控制權(quán)限。工程師級(jí)的權(quán)限最高，可以修改儀表設(shè)定參數(shù)、邏輯控制程序、操作畫面設(shè)定;操作員權(quán)限只允許按照操作手冊(cè)基本規(guī)定進(jìn)行操作與實(shí)時(shí)監(jiān)控。

7 ? ?FSSS系統(tǒng)應(yīng)用

FSSS系統(tǒng)的應(yīng)用主要分布在投運(yùn)前、中、后三個(gè)階段。在燃燒器投運(yùn)前，主要通過(guò)程序?qū)θ剂蠚夤芫€上的閥組進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)、燃料氣氧氣含量在線監(jiān)測(cè)，滿足要求后，方可進(jìn)入點(diǎn)火狀態(tài)，目的是防止點(diǎn)火前燃料氣爐膛泄漏出現(xiàn)閃爆。在燃燒器投運(yùn)中也就是點(diǎn)火進(jìn)行中，判斷燃料氣壓力、爐膛壓力、爐膛內(nèi)可燃?xì)庠诰€監(jiān)測(cè)等點(diǎn)火條件。一鍵點(diǎn)火程序主要邏輯包含爐膛吹掃、點(diǎn)燃點(diǎn)火管線、引燃主燃料管線（以小火引燃大火）、爐膛火焰在線顯示及火焰監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控、滅火切斷燃料氣閥組等，目的是提高點(diǎn)火自動(dòng)化程度，并實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火失敗后快速判斷，自動(dòng)切斷燃料氣源，防止燃料氣大量泄漏到爐膛，引起危害性爆炸。在燃燒器投運(yùn)后，系統(tǒng)工作主要是實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)MFT邏輯程序的產(chǎn)生，在操作值班人員反應(yīng)不及時(shí)的特殊危險(xiǎn)狀態(tài)下發(fā)出緊急停爐報(bào)警，迅速切斷燃料氣源，保障生產(chǎn)人員、鍋爐爐膛及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全。因此，爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）在大型鍋爐中應(yīng)用廣泛，它保證了鍋爐爐膛的燃料投用及設(shè)備運(yùn)行安全。

FSSS系統(tǒng)框圖如圖4所示。

8 ? ?結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)不斷發(fā)展成熟，F(xiàn)SSS系統(tǒng)集成了爐膛可視化的監(jiān)控系統(tǒng)，爐內(nèi)在線氧含量、可燃?xì)怏w分析儀，極大地提高了爐膛安全水平。FSSS系統(tǒng)也越來(lái)越多地被應(yīng)用在冶金、化工、發(fā)電行業(yè)等燃?xì)?、燃油、垃圾焚燒、生物質(zhì)等中小型鍋爐上，該系統(tǒng)在中小型鍋爐安全監(jiān)控方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡(jiǎn)介：周龍（1979—），男，江蘇徐州人，工程師，從事工業(yè)爐燃燒控制系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研發(fā)工作。