鍋爐汽包液位控制及聯(lián)鎖保護(hù)

李一良

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

項(xiàng)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(chē) 裝 置 系 統(tǒng)（Emergency Shutdown Device，ESD）及燃燒管理系統(tǒng)（Burning Management System，BMS）進(jìn)行控制及保護(hù)。DCS 負(fù)責(zé)一般的過(guò)程控制及安全級(jí)別要求不高的聯(lián)鎖功能；ESD 負(fù)責(zé)對(duì)安全級(jí)別要求更高的聯(lián)鎖功能；BMS 主要負(fù)責(zé)進(jìn)行燃燒控制和點(diǎn)火及停爐控制。鍋爐的點(diǎn)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(xiàng)目并未對(duì)此進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文主要討論DCS 及ESD 中控制與聯(lián)鎖的設(shè)計(jì)方法。

2 鍋爐控制主要內(nèi)容

項(xiàng)目采用的是燃油燃?xì)饣鞜仩t，除了普通比例、積分、微分（Proportion Integration Differentiation，PID）控制回路，主要的復(fù)雜控制回路有兩部分。（1）燃燒器控制，根據(jù)送風(fēng)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(duì)燃燒器的進(jìn)風(fēng)量進(jìn)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(dān)。

2.1 鍋爐汽包液位控制

為了確保鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行，汽包液位是要重點(diǎn)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通常情況下，鍋爐汽水是否平衡會(huì)對(duì)液位造成影響。鑒于此，為了避免液位因負(fù)荷變化而產(chǎn)生大幅度波動(dòng)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(xiàng)目中，不僅主要調(diào)節(jié)了回路液位變量，還引入前饋信號(hào)蒸汽流量和作為串級(jí)副回路測(cè)量信號(hào)的給水流量?jī)蓚€(gè)輔助變量。主、副調(diào)節(jié)回路以及前饋控制構(gòu)成了鍋爐汽包串級(jí)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(gè)變量[1]。

2.2 串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)原理

圖1 所示為串級(jí)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(jí)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(shí)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(hào)反饋，具體來(lái)說(shuō)，就是當(dāng)液位與給定值SP 發(fā)生偏離時(shí)，主調(diào)節(jié)器就能通過(guò)副回路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)給水流量的調(diào)節(jié)，從而將穩(wěn)態(tài)時(shí)液位復(fù)位到給定值。由蒸汽流量構(gòu)成前饋控制通道，蒸汽流量信號(hào)與主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)之和作為副調(diào)節(jié)器的給定值，當(dāng)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，副回路迅速改變給水量，以防止因虛假液位產(chǎn)生的誤動(dòng)作[2]。

2.3 汽包液位控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

汽包液位控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容有：

1）汽包液位變送器。鍋爐汽包液位采用3 臺(tái)相同的差壓液位變送器（鍋爐生產(chǎn)廠商自帶）進(jìn)行液位測(cè)量，三重化儀表設(shè)計(jì)主要是為了測(cè)量的可靠性，提高安全等級(jí)。

2）鍋爐給水流量計(jì)。鍋爐給水進(jìn)汽包之前設(shè)置1 臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，通過(guò)差壓變送器測(cè)量出進(jìn)入汽包內(nèi)的鍋爐給水量[3]。

3）鍋爐產(chǎn)出蒸汽流量計(jì)。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(dòng)鍋爐給水泵和鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)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(shí)際鍋爐蒸汽產(chǎn)量。因?yàn)榭偣苌喜⑽丛O(shè)置流量計(jì)，只能通過(guò)3 路流量計(jì)之和作為液位調(diào)節(jié)的前饋量，3 臺(tái)流量計(jì)根據(jù)流量特性選擇了3 臺(tái)不同孔徑的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)。

4）給水閥。作為汽包液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，設(shè)置了2臺(tái)并聯(lián)的鍋爐給水氣動(dòng)隔膜式調(diào)節(jié)閥，2 臺(tái)閥門(mén)口徑不同，主控閥大于副控閥，2 臺(tái)閥門(mén)采用分程控制的原則進(jìn)行調(diào)節(jié)，穩(wěn)定汽包內(nèi)液位。由于本項(xiàng)目鍋爐生產(chǎn)的蒸汽主要用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，保護(hù)這些設(shè)備的安全最重要，防止蒸汽帶液進(jìn)入透平內(nèi)，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)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(jí)三沖量調(diào)節(jié)，由于設(shè)置了并聯(lián)的2 臺(tái)給水閥，還引入了分程控制方法進(jìn)行液位控制。主、副2 臺(tái)閥門(mén)口徑和流通能力不同，主閥口徑較大，副閥口徑相對(duì)較小，分別應(yīng)用于鍋爐不同負(fù)荷下的調(diào)節(jié)。

在鍋爐負(fù)荷＜50%時(shí)，主要使用副給水閥進(jìn)行液位調(diào)節(jié)，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷≥50%時(shí)，開(kāi)啟主給水閥進(jìn)行液位調(diào)節(jié)，副給水閥在負(fù)荷≥50%時(shí)開(kāi)始逐步進(jìn)行線性關(guān)閉。這樣設(shè)計(jì)的目的是在低負(fù)荷時(shí)鍋爐進(jìn)水量和出汽量都相對(duì)較小，并且負(fù)荷波動(dòng)不大，副給水閥的流通能力完全可以滿(mǎn)足調(diào)節(jié)需要，關(guān)閉主閥起到節(jié)省能量的目的，同時(shí)在小負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，相同的控制精度下使用小流通量的閥門(mén)控制效果更好。使用大口徑閥門(mén)可能只在其小開(kāi)度范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并非閥門(mén)的最佳性能開(kāi)度位置，也容易出現(xiàn)超調(diào)或振蕩的發(fā)生。當(dāng)鍋爐負(fù)荷增大時(shí)，切換至主控閥調(diào)節(jié)以滿(mǎn)足此時(shí)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(mén)位置與調(diào)節(jié)器輸出的位置進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)誤差絕對(duì)值＞10%時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，操作人員可以根據(jù)系統(tǒng)報(bào)警來(lái)決定該如何處理故障。

3 鍋爐聯(lián)鎖保護(hù)

無(wú)論使用多么先進(jìn)的控制方式與現(xiàn)場(chǎng)儀表，總有一定概率出現(xiàn)各種意外問(wèn)題，此時(shí)希望單獨(dú)依靠控制系統(tǒng)將被控對(duì)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(xiǎn)裝置，一定要設(shè)計(jì)安全聯(lián)鎖保護(hù)機(jī)制。就鍋爐而言，其所裝置聯(lián)鎖保護(hù)作為重要組成部分，能夠有效保障鍋爐安全運(yùn)行。鍋爐有了性能良好可靠的保護(hù)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(hù)級(jí)別

鍋爐裝置主要采用了DCS、ESD 及BMS 系統(tǒng)進(jìn)行控制及保護(hù)，由于DCS 安全級(jí)別比ESD 要低，所以，其只負(fù)責(zé)一些對(duì)于安全要求相對(duì)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(shè)計(jì)。根據(jù)對(duì)安全性的要求，人為地將鍋爐裝置各個(gè)聯(lián)鎖功能分配給DCS 或ESD 系統(tǒng)中進(jìn)行操作。

3.2 聯(lián)鎖保護(hù)的功能

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)組事故、設(shè)備故障、設(shè)備異常情況時(shí)，鍋爐的聯(lián)鎖保護(hù)才會(huì)真正發(fā)揮作用。在出現(xiàn)以上情況時(shí)，聯(lián)鎖保護(hù)功能能夠在最短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)停止并改變鍋爐系統(tǒng)緣由的運(yùn)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(yùn)行方式的合理性與科學(xué)性。因此，這不僅要求聯(lián)鎖保護(hù)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(shè)計(jì)的合理性，以及符合所控對(duì)象自身的規(guī)律和要求，使其在事故狀態(tài)下，達(dá)到最佳處理效果。

3.3 聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)計(jì)方法

3.3.1 DCS 系統(tǒng)實(shí)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(hù)功能。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)鍋爐給水泵2 臺(tái)，2 用1 備，1 臺(tái)為汽機(jī)驅(qū)動(dòng)，1 臺(tái)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，汽驅(qū)泵為主泵，電驅(qū)泵為備用泵。鍋爐給水泵對(duì)于鍋爐穩(wěn)定安全運(yùn)行十分重要，泵故障會(huì)導(dǎo)致鍋爐汽包無(wú)法正常供水，所以，在主泵（汽驅(qū)）發(fā)生故障無(wú)法正常運(yùn)行時(shí)，要及時(shí)準(zhǔn)確地切換至備用泵，保證鍋爐供水不發(fā)生中斷。同時(shí)，給水泵的汽驅(qū)透平和電機(jī)也具備自身的聯(lián)鎖保護(hù)，在相關(guān)參數(shù)達(dá)到臨界值時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)。

2）鼓風(fēng)機(jī)互備聯(lián)鎖保護(hù)功能。為鍋爐配備了1 臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)，但是同軸配置了1 汽1 電2 臺(tái)驅(qū)動(dòng)機(jī)，汽機(jī)為主，電機(jī)備用，聯(lián)鎖保護(hù)功能保證在汽驅(qū)機(jī)停機(jī)后，自動(dòng)啟動(dòng)電機(jī)以保證鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行。與給水泵相同，汽機(jī)和電機(jī)也具備自身聯(lián)鎖保護(hù)的功能。

3）放空閥聯(lián)鎖保護(hù)功能。在鍋爐蒸汽主管道壓力達(dá)到臨界值時(shí)自動(dòng)打開(kāi)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(xiǎn)。

3.3.2 ESD 系統(tǒng)實(shí)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(gè)套聯(lián)鎖動(dòng)作保證鍋爐正常運(yùn)行。當(dāng)給水管內(nèi)壓力過(guò)低，說(shuō)明當(dāng)前汽驅(qū)給水泵可能出現(xiàn)問(wèn)題，但是由于沒(méi)有停機(jī)并不會(huì)觸發(fā)備泵啟動(dòng)聯(lián)鎖，為了滿(mǎn)足鍋爐對(duì)給水壓力的要求，此時(shí)也要啟動(dòng)電驅(qū)給水泵同時(shí)為鍋爐注水，保證鍋爐正常運(yùn)行。另外，當(dāng)除氧器液位過(guò)低時(shí)，要及時(shí)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(dāng)汽包液位過(guò)高但還沒(méi)有達(dá)到停爐的指標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)放水閥門(mén)將汽包內(nèi)鍋爐水排放至安全位置再關(guān)閉。

3）主燃料跳閘（Main Fuel Trip，MFT）保護(hù)。這是鍋爐聯(lián)鎖保護(hù)中最重要也是最后一環(huán)，當(dāng)出現(xiàn)不可恢復(fù)的故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)MFT，進(jìn)行停爐操作，確保不會(huì)出現(xiàn)更大的災(zāi)難性后果。

3.3.3 MFT 保護(hù)實(shí)現(xiàn)

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

MFT 主要觸發(fā)信號(hào)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(fēng)機(jī)停轉(zhuǎn)或者鼓風(fēng)風(fēng)壓不足都會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛內(nèi)燃料無(wú)法充分燃燒而造成室內(nèi)可燃?xì)怏w堆積，發(fā)生爆炸事故；爐膛內(nèi)壓力過(guò)高會(huì)出現(xiàn)爐膛爆炸的可能；汽包液位過(guò)高或在其余保護(hù)措施，都無(wú)法有效控制液位回歸正常值時(shí)必須啟動(dòng)停爐聯(lián)鎖，保護(hù)鍋爐；燃油燃?xì)獾膲毫Τ^(guò)限制都無(wú)法正常燃燒而引發(fā)安全事故；人工因?yàn)槠渌虮仨毻t時(shí)手動(dòng)觸發(fā)停爐按鈕。以上原因的其中一條發(fā)生時(shí)都會(huì)引起MFT、ESD 系統(tǒng)將停爐信號(hào)發(fā)至BMS 系統(tǒng)，BMS 根據(jù)預(yù)設(shè)的停爐流程對(duì)燃燒器發(fā)出命令，關(guān)閉燃油燃?xì)夤艿篱y門(mén)，檢查火檢信號(hào)確認(rèn)是否熄火，充入氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，完成熄火停爐操作，保障無(wú)安全事故發(fā)生。

為了更高效、安全地進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)，避免發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)不觸發(fā)或者無(wú)危險(xiǎn)時(shí)誤觸發(fā)造成巨大損失，關(guān)鍵部位的儀表都進(jìn)行兩重化或者三重化設(shè)計(jì)，如爐膛壓力和汽包液位進(jìn)行3 取2聯(lián)鎖，燃油燃?xì)鈮毫M(jìn)行2 取1 聯(lián)鎖。總體是為了更安全地進(jìn)行生產(chǎn)，有危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)能及時(shí)觸發(fā)聯(lián)鎖進(jìn)行停爐操作，保障人身和財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)中重要的熱能動(dòng)力設(shè)備，使用面廣，在工業(yè)生產(chǎn)中扮演重要角色。一個(gè)安全的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)能使鍋爐發(fā)生意外時(shí)及時(shí)地進(jìn)行聯(lián)鎖控制直至聯(lián)鎖停爐，對(duì)于人身財(cái)產(chǎn)的安全才能有所保障。本項(xiàng)目的實(shí)踐，可為類(lèi)似裝置提供參考。