FSSS在全燃氣鍋爐控制中的設計與實現

劉春梅，張曉津，高 平

中機國能電力工程有限公司，上海 200061

0 引言

鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）是保證鍋爐燃燒系統中各設備按照規定的操作順序和條件安全啟動、切投、并能在危急工況下跳閘相關設備或迅速切斷進入爐膛的全部燃料（包括點火燃料），防止發生爆燃、爆炸等破壞性事故的安全保護和順序控制裝置。

目前國內FSSS 在煤粉爐的設計和應用已經很成熟，但是在全燃氣鍋爐特別是400t/h 超高壓、中間再熱、自然循環鍋爐還沒有成功經驗可以借鑒，本文結合寧波鋼鐵有限公司 400t/h超高壓、中間再熱、自然循環全燃氣鍋爐工程，介紹了全燃氣鍋爐燃燒系統設計中的測點的設置及邏輯設計。

1 鍋爐燃燒系統監控和FSSS

1.1 燃燒系統概述

鍋爐的燃料為鋼鐵公司生產過程中產生的焦爐煤氣、高爐煤氣和轉爐煤氣。焦爐煤氣為鍋爐點火/備用燃料，在富余時參與混燒，鋼廠把高爐煤氣和轉爐煤氣混合后，供給燃氣鍋爐，作為鍋爐主燃料。本鍋爐的煤氣燃燒器分多層布置在爐膛下部燃燒室前后墻上，前墻三層四列布，置共12 個燃燒器，其中最上層中間兩個為焦爐煤氣燃燒器；后墻兩層四列布置，共8個燃燒器。本工程全燃氣鍋爐的燃燒器的布置（以下層燃燒器為例）如圖1 所示，機組采用焦爐煤氣作為點火燃料，高能點火槍作為點火器。前后墻下層每只煤氣燃燒器中布置1 支焦爐煤氣槍和一個高能點火槍。

另外為保證燃燒安全，每只燃燒器上配有火焰檢測裝置。

1.2 FSSS 的功能

在系統圖設計時主要考慮FSSS 如下功能，主要包括爐膛安全保護系統(Fuel-firing Safety System， FSS)和燃燒器控制系統(Burner Control System，BCS)兩部分功能：

1）爐膛安全保護系統(FSS)：主要包括MFT、爐膛吹掃、煤氣泄漏試驗、火焰檢測等功能；

2）燃燒器控制系統(BCS)：主要包括對高爐煤氣進氣閥、啟動燃燒器、點火器、煤氣角閥、風門等的控制。并對啟動燃燒器的安全點火、投運和切除做連續監視和控制。

其具體功能有：

1）鍋爐爐膛氮氣吹掃；

2）總燃料跳閘（MFT）；

3）爐膛壓力保護；

4）啟動燃燒器煤氣泄漏試驗 ；

5）啟動燃燒器點火和熄火控制；

6）煤氣進氣閥的聯鎖控制；

7）滅火保護；

8）聯鎖和報警。

2.3 FSSS 的組成

本工程FSSS 采用愛默生過程控制有限公司的分散控制系統（DCS）實現上述功能。

FSSS 系統具有獨立的冗余控制邏輯、冗余的電源、獨立輸入/輸出系統，所有觸發MFT 的信號均采用硬接線，不通過通訊總線傳送，并且在功能上和物理上獨立于其它邏輯系統。

在集中控制室的控制臺上，還設置了獨立的并可直接動作的MFT 按鈕，其回路獨立于DCS 的控制器及模件，并由硬接線實現。確保了在DCS 癱瘓時，能夠安全停爐。

2.4 FSSS 在燃氣鍋爐系統的特殊要求

1）由于氣體燃料的性質，從單一來源或多處來的燃氣，使其可能嚴重地偏離合適的空氣/燃料比，而在燃燒器、爐膛或煙囪等處又無法監視，因此燃料控制系統要有防止富余燃料混合物生成的保護連鎖。

因此，設計中在煤氣母管上和每一層燃燒器的入口設置了燃燒器進氣關斷門，并在煤氣管道上和熱風管道上設置了流量測點、壓力測點（作為流量計算的補償）和調節閥。檢控點的設置以上層燃燒器為例，詳見圖（2）燃燒系統檢測控制系統圖。通過調節煤氣和熱風的流量來控制空氣/燃料比，當出現空氣/燃料比超出預定值時，FSSS 將關斷煤氣母管和各個燃燒器入口的關斷門，并閉鎖增加燃料量和減少空氣量的控制動作，實現了富余燃料混合物生成時的保護連鎖。

2）由于燃氣管道內殘留可燃氣體，維護和檢修具有危險性，故不能采用常規的空氣吹掃， 因此采用氮氣進行吹掃和再沖氣。

在設計中，設置了廠區氮氣母管流量測點和氮氣吹掃壓力測點，來監視氮氣的流量和壓力在正常范圍內，以確保氮氣吹掃的正常運行。

3）應防止燃料燃燒時爐膛出現過高的燃氣壓力，應提供燃氣壓力高跳閘的裝置。

因此除常規的在爐膛出口設置了三個“壓力高”和三個“壓力低”的壓力開關外，在煤氣加熱器出口母管上和廠區焦爐煤氣母管上各設置了三個壓力開關（保護動作 信號按“三取二”邏輯）和一臺壓力變送器，用來監視煤氣管道上的壓力，當出現壓力異常時報警/停爐，確保爐膛在負壓下安全、可靠地運行。

2.5 FSSS 監控點的設置

為實現如上功能，在熱控系統圖設計中，除了應燃氣鍋爐系統的特殊要求設置的測點外，在FSSS 系統中還設置了煤氣泄漏檢測、煤氣加熱器進出口煤氣差壓測點、煤氣加熱器煤氣入口溫度測點、煤氣加熱器管壁溫度測點、混合煤氣母管流量測點等，混合煤氣母管壓力低報警測點、在集中控制室中，滿足FSSS 的監控功能。

3 FSSS 邏輯設計

FSSS 系統包括鍋爐爐膛安全保護及燃燒器管理兩大內容，FSSS 控制邏輯分主要為公用控制邏輯、燃氣控制邏輯和點火控制邏輯三大部分。

3.1 公用邏輯

公用邏輯是對爐膛燃燒的總體保護，它的主要功能有： 氮氣吹掃、爐膛吹掃、MFT 和點火允許條件等。

公用控制邏輯還包括火檢冷卻風機、混合煤氣燃燒器進氣關斷門、焦爐煤氣進氣關斷門，混合煤氣母管氣動門，焦爐煤氣母管氣動門，廠區焦爐煤氣母管放散閥， 混合煤氣母管放散閥，煤氣加熱器出口氣動門， 煤氣加熱器出口放散閥。

3.1.1 氮氣吹掃

氮氣吹掃的目的是有效地清除掉在燃氣管道內可能聚積的任何可燃物體（絕大部分是燃料和空氣的混合物），以防在點火時發生爆炸。

在焦爐煤氣系統總閥關閉的情況下，通入氮氣吹掃，待管道內及各支管內空氣被吹掃干凈，經檢查合格后，停止氮氣吹掃，打開煤氣總閥及水封裝置，送煤氣到各層液壓快切閥前。

3.1.2 爐膛吹掃

爐膛吹掃的目的是有效地清除掉在爐膛及其相連的煙道中可能聚積的任何可燃物體，以防在點火時發生爆炸。鍋爐啟動前必須進行爐膛吹掃，否則，FSSS 阻止任何燃料燃燒設備啟動。爐膛吹掃應保證具備下列3 個基本條件：

1）所有進入爐膛的燃料輸入被切斷；2）爐膛內無火焰；3）爐膛內保持一定的通風量。

在如上條件滿足后，應吹掃5min 以上。

吹掃時應滿足的條件：（1）燃氣泄漏試驗完成；（2）無MFT 跳閘條件；（3）主燃氣跳閘閥關；（4）所有燃氣燃燒器跳閘閥關；（5）任一送風機在運行；（6）任一引風機在運行；（7）送風機入口至爐膛、煙道尾部及煙囪的通道應敞開；（8）所有火檢均未檢測到火焰；（9）汽包水位正常；（10）爐膛負壓在正常限值內；（11）鍋爐總風量合適；

當爐膛吹掃條件均滿足時，進入吹掃周期，5min 后系統自動發出吹掃完成信號，同時復位MFT 和首出原因。如吹掃期間任何許可條件失去，則發出吹掃中斷信號，并顯示中斷原因。應在所有吹掃條件重新滿足后，系統重新啟動5min 吹掃周期，直到吹掃完成。

3.1.3 總燃料跳閘（MFT）

MFT 是指鍋爐的安全運行條件得不到滿足、需要緊急停爐而發出指令快速切斷所有通往爐膛的燃料并引發必要的連鎖動作，避免對鍋爐的潛在危害，以保護鍋爐爐膛、其他設備及運行人員的安全，引起總燃料跳閘的的任一條件成立，則引發MFT 動作。當MFT 跳閘后，有首出跳閘原因顯示；當MFT 復位后，首出跳閘記憶清除。

MFT 動作條件：

1）手動緊急停爐MFT 按鈕；2)所有送風機跳閘；3）所有引風機跳閘；4）爐膛壓力超限高高或低低；5）汽包水位超限高高或低低；6）總風量低于設定值；7）沒有檢測到煤氣燃燒器火焰；8）火焰喪失（全部燃燒器的2/3 熄火）；9）燃氣喪失（GFT）；10）燃燒器停運不成功；11）汽機跳閘；12）發電機跳閘；13）給水泵跳閘；14）火檢冷卻風喪失。

MFT 發生后，連鎖動作如下設備：

1）報警光字牌應發出聲光報警信號，LCD 出現報警顯示并打印；

2）混合煤氣、焦爐煤氣母管電動門關，燃燒器進氣關斷門關；

3）所有燃燒器切除，退出；

4）MFT 向汽機ETS 送信號聯跳汽機。

不是由送、引風機跳閘、不是由小于30%風量引起MFT，送風機動葉、引風機變頻控制柜切手動，同時超馳關到吹掃位；由于小于30%風量引起的MFT，但送、引風機都在運行，保持當前開度5min 不變，5min 后超馳開到吹掃位，同時切手動；由送、引風機跳閘引起的MFT，1min 后送風機動葉、引風機全開15min，保持爐膛自然通風。

關閉過熱器減溫水調節們、減溫水電動門和過熱器減溫水母管電動門；

關閉再熱器減溫水調節們、減溫水電動門和再熱汽減溫水母管電動門；

汽機跳閘；

發電機跳閘；

給水泵跳閘。

MFT 繼電器復位條件：

MFT 繼電器電源正常；爐膛吹掃完成；MFT 繼電器已跳閘；不存在MFT 跳閘條件。

3.1.4 點火允許條件

以下條件全部滿足，產生“焦爐煤氣點火允許”信號：

MFT 已復位；爐膛差壓正常；風量＞30%；焦爐煤氣壓力正常；冷卻風機出口母管壓力正常；

以下條件全部滿足，產生“混合煤氣點火允許”信號：

MFT 已復位；爐膛差壓正常；風量＞30%；混合煤氣壓力正常；焦爐煤氣點燃。

3.2 燃氣控制邏輯

3.2.1 煤氣喪失(GFT)

GFT 是MFT 中跳閘條件之一。

一個GFT 信號迅速切斷所有煤氣燃料，下列任何一個條件成立，產生GFT 信號：

1）煤氣隔絕閥關閉：煤氣系統隔絕閥在打開后又在任何時刻被關閉；

2）煤氣壓力低：所有煤氣系統閥門打開時，煤氣壓力低、焦爐煤氣壓力低；運行人員跳閘：運行人員在主控制臺上按下煤氣系統隔絕閥“關閉”開關；

MFT：任何時刻MFT 的繼電器動作；

GFT 發生后，連鎖動作以下設備：

煤氣隔絕閥迅速關閉；各煤氣閥關閉并退出點火槍；輸出光字牌報警，并在LCD 顯示和打印；

GFT 復位的條件：

1）所有煤氣系統閥門關閉；2）MFT 已復位；3）不存在GFT 跳閘條件；

3.2.2 煤氣系統閥門控制

以焦爐煤氣母管氣動門為例

當下列條件同時滿足時，允許開煤氣總管隔絕閥：

1）煤氣壓力允許；2）MFT 復位；3）GFT 復位。

連鎖關閉條件：

1）MFT；2）GFT；3）爐膛吹掃。

3.3 點火器控制邏輯

本系統是下層有八個焦爐氣槍，點燃焦爐煤氣后，再點燃下層的混合煤氣，然后在燃燒穩定后，再引燃上層的混合煤氣。

以#1 焦爐氣槍為例。點火允許條件：

1）鍋爐空氣量滿足吹掃需要，大于30%額定風量；

2）火焰檢測器冷卻風壓力滿足；

3）燃氣支路快切閥關閉；

4）爐膛負壓滿足；

5）無MFT 或點火燃料系統跳閘等跳閘信號；

6）點火燃料系統及煤氣系統泄漏試驗完成（由運行人員實現）；

7）點火燃料系統滿足點火要求；

8）點火系統已準備好（包括火焰檢測器電源正常、點火器電源正常）；

9）爐內無火；

10）點火系統跳閘條件不存在；

11）煙道CO 含量在正常范圍；

12）燃燒器點火風門在點火位置。

當以上這些許可條件滿足時， 應在控制室操作員站的LCD上顯示“允許點火”。

4 結論

上述燃燒系統FSSS 的監控測點的設計和邏輯設計已經應用在寧波鋼鐵1×135MW 全燃氣余能電廠工程中，目前FSSS的調試已經成功。電廠運行人員可在集控室內對FSSS 系統進行監視和控制。