燃氣鍋爐自動控制系統實現與應用

田媛

（中冶東方工程技術有限公司，山東 青島 266555）

1 概述

鍋爐是一種產生蒸汽的熱交換設備。它通過煤、油或氣等燃料的燃燒過程釋放出熱能，并通過傳熱設備把熱量傳遞給水，將水轉變為過熱蒸汽，過熱蒸汽直接供給工業、生活等生產中所需要的熱能。武漢鋼鐵集團鄂鋼公司富裕煤氣發電項目新建2臺150t/h燃氣鍋爐，鍋爐燃燒產生的過熱蒸汽部分送至汽輪機用于發電，部分送至外網滿足其它用戶生產、生活需要。

鍋爐控制系統分為燃燒系統、汽水系統、煙風系統及減溫減壓系統，控制系統主要完成設備操作、設備狀態及生產參數的監控功能，汽包水位自動控制調節功能，爐膛負壓控制調節功能，鍋爐送風風量控制調節功能及熱風燒嘴和煤氣燒嘴控制調節功能，鍋爐上位系統實現了畫面顯示、設備操作、報警、歷史趨勢記錄及報表打印等功能。

2 系統介紹

2.1 燃燒系統

鍋爐燃燒介質由高爐煤氣及焦爐煤氣組成，分三層，每層四路進入鍋爐本體混合一定量的熱風參與燃燒過程。每個燒嘴處設計有火焰監視器，共12個，用于監視爐膛火焰的持續性及大小，在上層及下層各燒嘴處設計有點火器共8個，每條高爐煤氣、焦爐煤氣及熱風管道上均設計有氣動調節閥，通過調節調節閥閥門開度來控制爐膛溫度，并在鍋爐本體設計有熱電偶用于監測爐溫。

2.2 汽水系統

鍋爐汽水系統流程如下：除氧器→高壓給水泵→省煤器預熱→鍋爐汽包→生成不飽和蒸汽→Ⅰ級過熱器→Ⅰ級過熱器集箱→噴水減溫器→ⅠⅠ級過熱器→ⅠⅠ級過熱器集箱→生成飽和的過熱蒸汽→用戶。

2.3 煙風系統

空氣由送風機送至空氣預熱器進行預熱成為熱風，熱風送至燒嘴與煤氣混合燃燒，生成高溫煙氣，煙氣由引風機牽引經過過熱器、省煤器、預熱器至煙囪排放，并將鍋爐燃燒產生的不飽和蒸汽加熱成高溫高壓飽和蒸汽。

3 系統配置

鍋爐控制系統分為上位和下位兩類系統組成，下位控制系統實現了L0級（現場控制設備級）與L1級（基礎自動化系統級）間的網絡連接，并預留L2級（過程控制計算機系統級），上位控制系統實現現場顯示、儲存、報警、打印等功能。

4 控制功能

4.1 燃燒控制系統

鍋爐燃燒自動調節的基本任務，是使燃料燃燒產生的熱量，適應蒸汽負荷的要求，且要保證燃燒經濟和鍋爐運行安全，為此合理的風煤比才能維持汽包內或出口蒸汽壓力在需要的范圍內。

4.1.1 對空氣和燃料的控制

鍋爐用水經省煤器預熱后，注入鍋爐內，在進水管道內，進行流量、溫度、壓力測量，送至調節器。在這一調節器中，通過減法器計算出溫度差，將前面所測得的流量乘以溫差，即可求得進水管道中所注入的水所需的熱量。而出口測的熱水溫度信號送給溫度調節電路，溫度調節電路將它在與人工設定值水平SP之間進行控制計算，將輸出信號作為結果輸出，將前面原料加熱所需要的熱量加到該輸出信號中，作為燃料流量的設定值，與燃料流量這一小閉環所檢測出此時燃料的流量值，做一差值計算，從而調節燃料控制閥的大小，進而進行熱量控制。

4.1.2 燃燒雙交叉控制

圖 雙交叉限幅燃燒自動控制系統圖

雙交叉燃燒控制是以維持合適的空氣、燃燒比值為手段，達到燃燒時始終維持低過剩空氣系數，從而保證了較高的燃燒效率，同時也減少了排煙對環境的污染。

雙交叉燃燒控制實際上是以爐溫調節為主回路，以燃燒流量和空氣流量調節并列為副回路的串級調節系統，加上高、低信號選擇器組成的帶有邏輯功能的比值調節系統。它的主要作用是當爐子負荷變化，以維持爐溫在給定值上，而且使燃燒工況始終處于低過剩空氣系數的經濟合理狀況。

4.2 汽包水位控制

鍋爐汽包水位控制常用的有位式調節和連續調節兩種方式。位式調節是根據汽包水位高、低兩個位置進行控制的，適用于蒸汽量小于4t/h的燃氣鍋爐。本鍋爐采用三沖量水位自動調節系統。汽包水位三沖量給水調節系統由汽包水位測量變送器、蒸汽流量測量裝置及變送器、給水流量測量裝置及變送器、調節器、執行器等組成。汽包水位信號是主信號，任何擾動引起的水位變化，都會使調節器輸信號發生變化，改變給水流量，使水位恢復到給定值；蒸汽流量信號是前饋信號，其作用是防止由于“虛假水位”而使調節器產生錯誤的動作，改善蒸汽流量擾動時的調節質量；蒸汽流量和給水流量兩個信號配合，可消除系統的靜態偏差。當給水流量變化時，測量孔板前后的差壓變化很快并及時反應給水流量的變化，所以給水流量信號作為介質反饋信號，使調節器在水位還未變化時就可根據前饋信號消除內擾，使調節過程穩定，起到穩定給水流量的作用。

4.3 爐膛負壓調節

爐膛負壓自動控制是通過調節引風機入口風門開度，保持爐膛負壓在-20～-10pa的微負壓狀態，保證鍋爐安全燃燒。引風機停止后，其風門執行機構需自動關閉。

4.4 鍋爐送風自動控制

送風自動控制的目的是：使鍋爐所投入的燃料在爐膛中燃燒時，自動投入合適的風量，以保證鍋爐的經濟燃燒。通過煤氣壓力調節送風壓力，進而達到最高的鍋爐熱效率，煙氣含氧量作為總風量的修正值，通過調節送風機變頻器頻率來調節送風壓力。

4.5 鍋爐過熱蒸汽溫度自動調節

過熱蒸汽溫度自動調節的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許范圍之內，并保護過熱器使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。鍋爐過熱蒸汽溫度調節采用自制冷凝水噴水減溫裝置，通過調節減溫水調節閥門開度來控制集汽集箱和減溫器出口蒸汽溫度，保證集汽集箱中蒸汽溫度在430～450℃范圍內。

4.6 鍋爐爐膛安全監控系統

鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）是鍋爐安全運行必不可少的設備，負責燃燒器管理和燃料安全。它能在鍋爐啟動、停止和正常工作等運行方式下，對鍋爐燃燒器的主要參數進行連續監測和管理，通過聯鎖程序使燃燒設備按照既定的合理程序完成必要的動作以保護鍋爐爐膛及燃燒系統的安全。

4.6.1 爐膛吹掃

在任何燃料點火發生以前（冷啟動或鍋爐燃料跳閘指令發出之后），鍋爐吹掃是必須完成的。要開始爐膛吹掃，必須滿足和維持下列許可條件：a.風量＞30%額定負荷風量；b.系統電源正常；c.汽包水位正常；d.任一送風機運行；e.任一引風機運行；f.火檢無火；g.所有燃氣閥關閉；h.無鍋爐跳閘指令。

當所有的爐膛吹掃許可條件滿足后，吹掃允許指示燈亮，按下爐膛吹掃按鈕，將開始5分鐘吹掃。如果在吹掃過程中有任一個吹掃條件不滿足，吹掃自動停止，吹掃中斷指示燈亮。如所有吹掃許可條件一直滿足，則5分鐘后爐膛吹掃完成。一旦吹掃完成后，MFT信號復位。

①主燃料跳閘（MFT）及首次主燃料跳閘原因指示

當下列任何一個主燃料跳閘條件（嚴重且緊急的情況）出現，發出的鍋爐主燃料跳閘指令，將所有鍋爐燃料切斷。在CRT監控畫上將有首次燃料跳閘原因顯示。a.引風機全停；b.送風機全停；c.手動緊急停爐；d.爐膛壓力高-高（三取二）；e.爐膛壓力低-低（三取二）；f.汽包水位高（三取二）；g.汽包水位低（三取二）；h.全爐膛火焰喪失；i.燃料喪失。

②全爐膛滅火

全爐膛滅火是指給燃氣停止供應5S后，且下列條件均滿足：a.底層：火檢沒有火焰（4取3）；b.中層：火檢沒有火焰（4取3）；c.頂層天然氣層：火檢沒有火焰（3取2）。

③燃氣母管快關閥開關控制

在正常點火前，或當MFT跳閘繼電器復位后，在程控方式、燃氣壓力正常、所有燃氣角快關閥以及角點火快關閥全關閉的前提下，可以開啟燃氣母管快關閥。在下列條件下，將取消“開燃氣母管快關閥”指令，并且自動關閉燃氣母管快關閥：a.MFT跳閘；b.按下“關”按鈕；c.燃氣壓力低超過5秒且有燃氣角快關閥開。

④燃氣點火允許條件：a.燃氣母管快關閥開到位；b.無MFT；c.燃氣壓力正常；d.燃氣角快關閥關位；e.點火快關閥關位；f.火檢冷卻風壓正常。

5 監控功能

該工程上位控制系統通過浙大中控DCS控制軟件實現，在畫面上可顯示鍋爐生產設備的溫度、壓力、流量，歷史趨勢，報警、完成各閥門、設備的操作，完成煤氣、助燃空氣的調節閥的操作，各系統的手自動切換、操作。

6 應用效果

通過本系統的成功投運，有效的提高了能源的利用率，保證系統的安全運行，出水溫度穩定，升溫速度快，調節及時，超調小，波動小。

[1]郭吉仁，李萌，謝明祚，王蕾，程明永，霍新華.燃氣鍋爐自動點火與爐膛安全監控系統自動控制系統[R].天津市工業自動化儀表研究所2006.