FSSS在全燃气锅炉控制中的设计与实现

2013-08-15刘春梅张晓津

科技传播 2013年9期

刘春梅，张晓津，高平

中机国能电力工程有限公司，上海 200061

0 引言

锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）是保证锅炉燃烧系统中各设备按照规定的操作顺序和条件安全启动、切投、并能在危急工况下跳闸相关设备或迅速切断进入炉膛的全部燃料（包括点火燃料），防止发生爆燃、爆炸等破坏性事故的安全保护和顺序控制装置。

目前国内FSSS 在煤粉炉的设计和应用已经很成熟，但是在全燃气锅炉特别是400t/h 超高压、中间再热、自然循环锅炉还没有成功经验可以借鉴，本文结合宁波钢铁有限公司 400t/h超高压、中间再热、自然循环全燃气锅炉工程，介绍了全燃气锅炉燃烧系统设计中的测点的设置及逻辑设计。

1 锅炉燃烧系统监控和FSSS

1.1 燃烧系统概述

锅炉的燃料为钢铁公司生产过程中产生的焦炉煤气、高炉煤气和转炉煤气。焦炉煤气为锅炉点火/备用燃料，在富余时参与混烧，钢厂把高炉煤气和转炉煤气混合后，供给燃气锅炉，作为锅炉主燃料。本锅炉的煤气燃烧器分多层布置在炉膛下部燃烧室前后墙上，前墙三层四列布，置共12 个燃烧器，其中最上层中间两个为焦炉煤气燃烧器；后墙两层四列布置，共8个燃烧器。本工程全燃气锅炉的燃烧器的布置（以下层燃烧器为例）如图1 所示，机组采用焦炉煤气作为点火燃料，高能点火枪作为点火器。前后墙下层每只煤气燃烧器中布置1 支焦炉煤气枪和一个高能点火枪。

另外为保证燃烧安全，每只燃烧器上配有火焰检测装置。

1.2 FSSS 的功能

在系统图设计时主要考虑FSSS 如下功能，主要包括炉膛安全保护系统(Fuel-firing Safety System， FSS)和燃烧器控制系统(Burner Control System，BCS)两部分功能：

1）炉膛安全保护系统(FSS)：主要包括MFT、炉膛吹扫、煤气泄漏试验、火焰检测等功能；

2）燃烧器控制系统(BCS)：主要包括对高炉煤气进气阀、启动燃烧器、点火器、煤气角阀、风门等的控制。并对启动燃烧器的安全点火、投运和切除做连续监视和控制。

其具体功能有：

1）锅炉炉膛氮气吹扫；

2）总燃料跳闸（MFT）；

3）炉膛压力保护；

4）启动燃烧器煤气泄漏试验；

5）启动燃烧器点火和熄火控制；

6）煤气进气阀的联锁控制；

7）灭火保护；

8）联锁和报警。

2.3 FSSS 的组成

本工程FSSS 采用爱默生过程控制有限公司的分散控制系统（DCS）实现上述功能。

FSSS 系统具有独立的冗余控制逻辑、冗余的电源、独立输入/输出系统，所有触发MFT 的信号均采用硬接线，不通过通讯总线传送，并且在功能上和物理上独立于其它逻辑系统。

在集中控制室的控制台上，还设置了独立的并可直接动作的MFT 按钮，其回路独立于DCS 的控制器及模件，并由硬接线实现。确保了在DCS 瘫痪时，能够安全停炉。

2.4 FSSS 在燃气锅炉系统的特殊要求

1）由于气体燃料的性质，从单一来源或多处来的燃气，使其可能严重地偏离合适的空气/燃料比，而在燃烧器、炉膛或烟囱等处又无法监视，因此燃料控制系统要有防止富余燃料混合物生成的保护连锁。

因此，设计中在煤气母管上和每一层燃烧器的入口设置了燃烧器进气关断门，并在煤气管道上和热风管道上设置了流量测点、压力测点（作为流量计算的补偿）和调节阀。检控点的设置以上层燃烧器为例，详见图（2）燃烧系统检测控制系统图。通过调节煤气和热风的流量来控制空气/燃料比，当出现空气/燃料比超出预定值时，FSSS 将关断煤气母管和各个燃烧器入口的关断门，并闭锁增加燃料量和减少空气量的控制动作，实现了富余燃料混合物生成时的保护连锁。

2）由于燃气管道内残留可燃气体，维护和检修具有危险性，故不能采用常规的空气吹扫，因此采用氮气进行吹扫和再冲气。

在设计中，设置了厂区氮气母管流量测点和氮气吹扫压力测点，来监视氮气的流量和压力在正常范围内，以确保氮气吹扫的正常运行。

3）应防止燃料燃烧时炉膛出现过高的燃气压力，应提供燃气压力高跳闸的装置。

因此除常规的在炉膛出口设置了三个“压力高”和三个“压力低”的压力开关外，在煤气加热器出口母管上和厂区焦炉煤气母管上各设置了三个压力开关（保护动作信号按“三取二”逻辑）和一台压力变送器，用来监视煤气管道上的压力，当出现压力异常时报警/停炉，确保炉膛在负压下安全、可靠地运行。

2.5 FSSS 监控点的设置

为实现如上功能，在热控系统图设计中，除了应燃气锅炉系统的特殊要求设置的测点外，在FSSS 系统中还设置了煤气泄漏检测、煤气加热器进出口煤气差压测点、煤气加热器煤气入口温度测点、煤气加热器管壁温度测点、混合煤气母管流量测点等，混合煤气母管压力低报警测点、在集中控制室中，满足FSSS 的监控功能。

3 FSSS 逻辑设计

FSSS 系统包括锅炉炉膛安全保护及燃烧器管理两大内容，FSSS 控制逻辑分主要为公用控制逻辑、燃气控制逻辑和点火控制逻辑三大部分。

3.1 公用逻辑

公用逻辑是对炉膛燃烧的总体保护，它的主要功能有：氮气吹扫、炉膛吹扫、MFT 和点火允许条件等。

公用控制逻辑还包括火检冷却风机、混合煤气燃烧器进气关断门、焦炉煤气进气关断门，混合煤气母管气动门，焦炉煤气母管气动门，厂区焦炉煤气母管放散阀，混合煤气母管放散阀，煤气加热器出口气动门，煤气加热器出口放散阀。

3.1.1 氮气吹扫

氮气吹扫的目的是有效地清除掉在燃气管道内可能聚积的任何可燃物体（绝大部分是燃料和空气的混合物），以防在点火时发生爆炸。

在焦炉煤气系统总阀关闭的情况下，通入氮气吹扫，待管道内及各支管内空气被吹扫干净，经检查合格后，停止氮气吹扫，打开煤气总阀及水封装置，送煤气到各层液压快切阀前。

3.1.2 炉膛吹扫

炉膛吹扫的目的是有效地清除掉在炉膛及其相连的烟道中可能聚积的任何可燃物体，以防在点火时发生爆炸。锅炉启动前必须进行炉膛吹扫，否则，FSSS 阻止任何燃料燃烧设备启动。炉膛吹扫应保证具备下列3 个基本条件：

1）所有进入炉膛的燃料输入被切断；2）炉膛内无火焰；3）炉膛内保持一定的通风量。

在如上条件满足后，应吹扫5min 以上。

吹扫时应满足的条件：（1）燃气泄漏试验完成；（2）无MFT 跳闸条件；（3）主燃气跳闸阀关；（4）所有燃气燃烧器跳闸阀关；（5）任一送风机在运行；（6）任一引风机在运行；（7）送风机入口至炉膛、烟道尾部及烟囱的通道应敞开；（8）所有火检均未检测到火焰；（9）汽包水位正常；（10）炉膛负压在正常限值内；（11）锅炉总风量合适；

当炉膛吹扫条件均满足时，进入吹扫周期，5min 后系统自动发出吹扫完成信号，同时复位MFT 和首出原因。如吹扫期间任何许可条件失去，则发出吹扫中断信号，并显示中断原因。应在所有吹扫条件重新满足后，系统重新启动5min 吹扫周期，直到吹扫完成。

3.1.3 总燃料跳闸（MFT）

MFT 是指锅炉的安全运行条件得不到满足、需要紧急停炉而发出指令快速切断所有通往炉膛的燃料并引发必要的连锁动作，避免对锅炉的潜在危害，以保护锅炉炉膛、其他设备及运行人员的安全，引起总燃料跳闸的的任一条件成立，则引发MFT 动作。当MFT 跳闸后，有首出跳闸原因显示；当MFT 复位后，首出跳闸记忆清除。

MFT 动作条件：

1）手动紧急停炉MFT 按钮；2)所有送风机跳闸；3）所有引风机跳闸；4）炉膛压力超限高高或低低；5）汽包水位超限高高或低低；6）总风量低于设定值；7）没有检测到煤气燃烧器火焰；8）火焰丧失（全部燃烧器的2/3 熄火）；9）燃气丧失（GFT）；10）燃烧器停运不成功；11）汽机跳闸；12）发电机跳闸；13）给水泵跳闸；14）火检冷却风丧失。

MFT 发生后，连锁动作如下设备：

1）报警光字牌应发出声光报警信号，LCD 出现报警显示并打印；

2）混合煤气、焦炉煤气母管电动门关，燃烧器进气关断门关；

3）所有燃烧器切除，退出；

4）MFT 向汽机ETS 送信号联跳汽机。

不是由送、引风机跳闸、不是由小于30%风量引起MFT，送风机动叶、引风机变频控制柜切手动，同时超驰关到吹扫位；由于小于30%风量引起的MFT，但送、引风机都在运行，保持当前开度5min 不变，5min 后超驰开到吹扫位，同时切手动；由送、引风机跳闸引起的MFT，1min 后送风机动叶、引风机全开15min，保持炉膛自然通风。

关闭过热器减温水调节们、减温水电动门和过热器减温水母管电动门；

关闭再热器减温水调节们、减温水电动门和再热汽减温水母管电动门；

汽机跳闸；

发电机跳闸；

给水泵跳闸。

MFT 继电器复位条件：

MFT 继电器电源正常；炉膛吹扫完成；MFT 继电器已跳闸；不存在MFT 跳闸条件。

3.1.4 点火允许条件

以下条件全部满足，产生“焦炉煤气点火允许”信号：

MFT 已复位；炉膛差压正常；风量＞30%；焦炉煤气压力正常；冷却风机出口母管压力正常；

以下条件全部满足，产生“混合煤气点火允许”信号：

MFT 已复位；炉膛差压正常；风量＞30%；混合煤气压力正常；焦炉煤气点燃。