WNS 型燃氣蒸汽鍋爐控制原理及維護實例

蔡科濤，王 雪

（1.川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院，四川廣漢 618300；2.四川宏大安全技術服務有限公司，四川廣漢 618300）

0 引言

鍋爐能為工業生產提供熱源，是石油化工行業不可缺少的重要設備。其安全、平穩運行，為工業生產提供穩定熱源，才能保證工業生產產品品質。

1 鍋爐控制原理

鍋爐控制系統是一個大慣性、大滯后且互相影響的復雜系統。本系統由一次儀表、二次儀表、手自動切換操作部分、程序控制器、PLC、觸摸屏、執行機構、燃燒器等組成[1]。WNS 型蒸汽鍋爐在電控柜中同時配有PLC、觸摸屏、程序控制器、水位控制器、壓力控制器及負荷控制器等監測、控制、顯示裝置，控制原理如圖1 所示。

各控制元件功能說明:

（1）水位控制器：采用歐姆龍61F-G3 型，在工頻狀態下，用于控制鍋爐位式進水，以確保鍋爐水位在正常范圍內，同時，輸出信號到PLC 進行工頻時水位顯示，并輸出水位極低連鎖信號至程序控制器連鎖停爐。

（2）程序控制器：采用西門子LFL1.322 型，用于控制和監測燃燒器工作狀況，以實現整個燃燒過程的自動運行。程序控制器主要是對燃燒機的控制，對汽包液位不做控制，只作低液位連鎖停爐，是鍋爐控制系統的核心元件。

（3）負荷控制器：采用西門子RWF40 型數字調節器，用于不斷檢測壓力傳感器檢測的鍋爐壓力，將壓力信號與設定值進行比較，經運算輸出開關信號到燃燒機，控制風門大小，調節空燃比，進行負荷調整，從而進行大小火的轉換，達到鍋爐蒸汽壓力的平穩控制。

（4）壓力控制器：用于實時監測鍋爐蒸汽壓力，設置汽壓超高報警，采用常開觸點，報警時觸點閉合，以配合程序控制器、PLC 及時控制鍋爐啟停，保障鍋爐的安全運行。同時，壓力控制器的設定值要在安全閥設定值以下，以確保在超壓情況下，安全閥作為最后一道保護屏障，不需經常起跳，減少故障的發生。

（5）液位調節器：采用歐姆龍E5EK 型數字控制器，將液位變送器檢測的實時水位模擬信號（4～20）mA 與給定值進行比較，經PID 運算，輸出（4～20）mA 的電流信號給變頻器，控制水泵的運行頻率。同時，變頻器輸出兩組觸點信號給PLC 完成變頻器故障和水泵啟停的檢測。液位變送器采用EJA110A 與雙室平衡容器配套檢測。

（6）PLC：采用歐姆龍SYSMAC CPMZAH 型號，以上各控制元件同時都有信號傳入PLC，PLC 對接收的信號不斷進行分析、判斷，對以上各控制元件有監控作用，將處理信號傳給觸摸屏，通過觸摸屏將鍋爐的運行狀態及時顯示出來。同時，可通過觸摸屏進行人機對話，對鍋爐進行控制操作。

（7）觸摸屏：采用歐姆龍NT31-ST122-EV2 型，是鍋爐當前所處狀態的實時顯示裝置，也是對鍋爐實施操作控制的面板。

圖1 鍋爐控制原理

2 維護實例

2.1 鍋爐上水時水泵頻繁啟停處理

該鍋爐的水位監測，主要采取現場玻板顯示、液位變送器顯示及水位電極控制三種方式。雙色、平板玻璃液位計，主要用于司爐工及現場巡檢直觀觀察[2]。由于鍋爐進水使用裝置上返回的冷凝水，含雜質較多，經常導致液面計結垢臟污，需經常排污和清洗。

汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數[3]：水位過高或急劇波動，會破壞汽水分離器的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水過多，增加在管壁上的結垢進而影響蒸汽質量。水位過低，則會破壞水循環，引起水冷壁管的破裂，嚴重時更可能導致干鍋，損壞鍋爐，造成人員傷亡或重大安全事故。水位控制器通過檢測水位電極信號判斷鍋筒內水位狀態，并據此控制水泵的啟停[4-5]。控制原理如表1 所示。

表1 水位控制原理

經仔細檢查，水位測量、電極邏輯都正常，將電極棒整體取出后發現，“低水位”與“高水位”兩支電極棒長度相差只有1 cm。因低液位電極棒不可能調整，根據工況考慮后將高水位電極棒截短，泵的頻繁啟停得到有效解決[6]。

2.2 水位電極邏輯錯誤的處理

對水位電極邏輯錯誤的故障原因分析及處理措施：

水位控制器工作原理：水位控制器加在電極棒上是8 V的交流電源，接地線與鍋殼相連。當水電極兩端的電阻低于50 kΩ 時，控制器即認為水面已高于電極，當水電極兩端的電阻升至200 kΩ 以上時，控制器即認為水面已高于電極。

由于鍋爐進水使用裝置上回來的冷凝水，含雜質較多容易結垢，經停爐取出電極棒發現，電極棒上果然結垢嚴重從而導致電阻值升高，使水位檢測精度降低，出現電極水位邏輯錯誤，經清洗電極棒后，故障消除。

2.3 液位變送器測量值在固定范圍內變化的處理

該鍋爐汽包液位檢測采用的是雙室平衡容器配差壓變送器的原理。雙室平衡容器是一種結構巧妙具有一定自我補償能力的汽包水位測量裝置，他能最大限度的削弱汽水密度變化對常規運行水位差壓的影響，實踐證明，該系統運行良好，測量精度高，效果明顯[7-8]。

而該鍋爐在運行的過程中，出現變送器檢測的液位在固定的范圍內變化，與現場玻璃板液位計的顯示偏差很大的現象。結合雙室平衡容器的工作原理，經分析、檢查發現此故障為雙室平衡容器穿漏，導致正、負壓側差壓發生變化所致。經停爐更換雙室平衡容器，投運后，液位顯示正常，與現場玻璃板液位計相符，故障得到解決。

2.4 負荷控制調節不合理的處理

該鍋爐負荷控制器采用的是西門子RWF40 控制器。RWF40 接收壓力傳感器西門子QBE2002 傳輸的（0～10）V 信號，對應量程為（0～2.5）MPa，通過運算，輸出開關量信號去控制燃燒器閥門開度，進而控制火焰大小，達到負荷調節的目的。在實際運行中，因數顯表控制參數的設置不當，導致燃燒器閥門開度頻繁變化，火力變化也就很大，導致汽包壓力波動大，裝置蒸汽供氣不平穩，對后工段工藝控制造成不穩定。經查閱使用說明書，根據現場工況采用經驗法和實踐跟蹤法，對部分控制參數進行調節，如表2 所示。

表2 參數調節前后對比

經修改設定值后，燃燒器運行平穩，鍋爐的壓力、負荷也相對很平穩。

2.5 燃燒器故障處理

燃燒器是鍋爐控制系統的核心部件，燃燒器故障引起的鍋爐不能啟爐、故障停爐，是鍋爐運行中最常見，也是較為復雜的難點問題[9]。

2.5.1 鍋爐不能啟爐

鍋爐壓力、液位、各種連鎖信號等一切正常，但不能啟爐。啟爐時出現故障報警，不能啟爐，根據程序控制器上的故障停留位置，參考故障說明，根據程序控制器故障顯示窗口上的符號，發現如果在啟動至點火之間發生未用任何符號說明的故障停機，那么通常是由于超前的（即錯誤的）火焰信號所致。經認真細致的排查，發現火焰檢測電眼有燒壞痕跡，更換火焰檢測電眼后，恢復正常。

2.5.2 無法啟爐

啟爐過程中，風壓無顯示，無法啟爐。由于該鍋爐動力電采用雙電源形式，在一次切換電源之后，啟運鍋爐發現，風機正常運轉卻無風壓顯示，導致無法啟爐。參照鍋爐電路圖對“風壓開關S10”電位點檢查，硬件是良好的，線路也無故障。再查，發現在切換電源時，電源相序接反了，導致風機反轉，無風量進入回路。更正后，恢復正常。

2.5.3 火焰燃燒狀況不好

只有燃料和空氣的混合比例匹配時，才能達到完全燃燒。配風比不當，引起火焰燃燒狀況不好。完全燃燒既可以提高鍋爐的燃燒效率，達到節能降耗的目的，對鍋爐本體也有很好的保護作用。燃氣鍋爐正常的燃燒狀況判斷[10]：①火焰呈紅黃色，煙囪冒黑煙，表示空氣量過小；②火焰中心帶紅黃色，邊緣帶藍色，爐內充滿火焰，煙無色透明，表示燃燒充分；③火焰呈明顯藍色，煙囪冒白煙，表示空氣量過大。

該鍋爐在運行一段時間后，通過后視鏡觀察火焰燃燒狀況，發現火焰呈紅黃色，煙囪冒黑煙。經停爐將風機過濾網拆下徹底清洗，并調整伺服機構的風、氣閥配比開度，使火焰的燃燒狀況達到了最佳狀態。因風機離地面高度不到60 cm，長期運行，過濾網容易堵塞，導致風量減小，影響燃燒效果，所以要定期清除燃燒器里面的灰塵。

2.5.4 啟爐時點火失敗

在啟爐過程中，點火時，主氣閥打開的一瞬間，通過后視鏡觀察，有點火火焰出現，有瞬間的燃燒，但因點火負荷時燃氣閥開度較小，相對風量稍大，空燃比瞬間無法跟蹤匹配，點火失敗。通過調節伺服機構凸輪限制開關的開度，空燃比正常，啟爐正常。調整數據如表3 所示。

表3 空燃比伺服機構調節

2.6 其他維護處理[11]

2.6.1 鍋爐周期性停爐

在沒有任何報警及異常的情況下，鍋爐連續多天在同一時刻無故障停爐。經查驗，系面板控制器上系統參數設置有誤，設置了定時啟停功能，改動后一切正常。本次情況點也對鍋爐日常操作提出了較高要求。

2.6.2 其他維護點

鍋爐維護的其他關鍵點主要有零部件、安全附件的檢查、日常保養及調整，包括燃氣壓力調節等，是鍋爐維護的常規也是重要的操作點。

3 結束語

鍋爐的日常維護保養非常重要。水位電極、雙室平衡容器與變送器的配套使用，以及直觀的玻璃板液位計的利用，保障鍋爐水位控制的平穩。液位控制PID 參數整定、負荷控制參數整定，優化鍋爐的控制方式，提高鍋爐控制水平，保障蒸汽的平穩供應，進而為裝置的平穩安全生產提供重要保障。燃燒機作為日常維護保養的重點，特別是空燃比的調節，是保障鍋爐正常高效運行的重要前提。通過對WNS 燃氣蒸汽鍋爐的控制原理的分析，結合實際維護工作，實現對鍋爐的整體維護達到很好的效果。