高溫超高壓燃氣鍋爐FSSS系統設計與應用

摘要：以某廠220 t高溫超高壓燃氣鍋爐項目為例，介紹FSSS系統在焦爐、轉爐等燃氣鍋爐上的功能應用及邏輯程序主要部分設計。

關鍵詞：爐膛安全監控系統（FSSS）;爐膛吹掃;主燃料跳閘（MFT）;火檢監測系統;燃燒器管理

1 ? ?FSSS概述

爐膛安全監控系統（FSSS）是在鍋爐本體四周均勻設置的燃燒器及燃料氣閥組邏輯聯鎖控制、電儀設備狀態實時監控，能夠就地及遠程操作，便于鍋爐安全投產及安全停車的邏輯聯鎖控制性系統。FSSS包括爐膛燃燒安全監控系統（FSS）和燃燒器設備管理控制系統（BCS）。

1.1 ? ?FSS（Fuel Safety System）主要控制功能

鍋爐鼓風機及引風機吹掃、主燃料跳閘（MFT）、MFT首跳原因顯示、手動緊急跳閘、火焰檢測、爐膛工業電視系統、聯鎖報警、與DCS通信。

1.2 ? ?BCS（Burner Control System）主要控制功能

點火燃料氣閥（小火焰）控制、主燃料氣閥（大火焰）控制、燃燒器設備控制、爐前設備控制。

2 ? ?爐膛吹掃

（1）鍋爐在啟動前和停爐后必須進行爐膛吹掃：爐膛點火之前，送風機及引風機要啟動起來，對爐膛內部有可能產生的泄漏可燃氣或滯留爐膛內的其他殘余氣體進行一次性吹掃。送風機及引風機送風量根據要求應大于30%，吹掃時間在5 min以上。爐膛滅火后根據工藝要求同樣也要進行爐膛吹掃，在鍋爐跳閘或正常停爐切除所有燃燒器后，都必須進行不少于5 min的吹掃，以清除可能儲存在爐膛內或煙道內的燃料混合物，防止可燃氣體的積存。爐膛吹掃完成后，方可允許點火燃燒設備的燃料投入及進行點火。爐膛吹掃完成條件不滿足，不允許點火。

（2）爐膛吹掃進行計時需滿足以下條件：送風機運行、引風機運行、風量不小于30%、混合煤氣閥全關、高爐煤氣閥全關、汽包水位正常、無鍋爐跳閘指令、爐膛壓力正常、無MFT條件出現、爐膛火檢檢測無火。在吹掃進行中如果任意一個條件喪失，將顯示吹掃中斷，復位后則吹掃累計時間置零。待所有吹掃條件重新建立、顯示吹掃允許后，可以重新進行吹掃，直至吹掃程序完成，發出吹掃完成信號。

3 ? ?主燃料跳閘（MFT）及首跳條件

（1）主燃料跳閘是FSSS系統中最重要的組成部分。主燃料跳閘是指在發生緊急工況的狀態下，或外部聯鎖（例如汽機跳閘、主蒸汽超壓等）由工藝及設計要求編制程序發出的唯一可使燃燒設備切斷一切燃料的條件。具體條件如圖1所示。程序編輯時把聯鎖條件發出做了首顯，并在CRT電腦屏幕上顯示給操作人員，報警菜單及歷史記錄都可查詢。發生主燃料跳閘的條件，可根據實際工況按照專業工程師要求添加，程序編輯中加入（保護投入/切除）可方便工作人員操作。

（2）主燃料跳閘需滿足的條件：手動MFT（即同時按“MFT動作”和“MFT確定”按鈕）、送風機跳閘、引風機跳閘、爐膛壓力高（三取二延時5 s）、爐膛壓力低（三取二延時5 s）、總風量<30%持續大于5 min、汽包水位高保護（三取二）、汽包水位低保護（三取二）、高爐煤氣壓力低（延時5 s）、混合煤氣壓力低（延時5 s）、汽機跳閘、全爐膛滅火、燃料喪失。當MFT產生時，系統程序應立即發出指令切斷鍋爐燃燒器一切燃料投入，并自動完成下列操作：報警光字牌發出聲光報警、高爐煤氣閥迅速關斷、混合煤氣閥迅速關斷、至其他聯鎖系統。“手動緊急MFT”是主燃料跳閘的功能程序中人為判斷需要緊急停爐的一個條件。由集中控制操作室操作人員發出。“手動緊急MFT”操作按鍵安裝在控制平臺上，由“急停”按鍵加防護罩組成，硬線連接到燃燒器上燃料閥組的就地控制柜邏輯控制中。當發出緊急指令，燃燒器上燃料閥組的就地控制柜接收信號，立刻切斷一切燃料進入爐膛。

4 ? ?火檢監測系統及爐膛火焰監測系統

（1）火檢監測系統是FSSS系統中重要的設備系統，它負責燃燒設備從點火到運行燃料投入是否被引燃判斷的整個過程，對程序邏輯判斷爐膛是否滅火并及時切斷燃料閥組起著至關重要的作用。火檢監測系統由火檢冷卻風機系統、風壓開關、冷卻管線和閥組及多套火檢裝置組成。火檢監測系統配合單臺燃燒設備檢測燃料氣燃燒火焰，FSSS系統中滅火保護程序取燃料火檢信號作為全爐膛滅火邏輯判斷信號，系統發出全爐膛滅火信號，切斷所有燃料閥門。火焰信號強度系統都有歷史和實時記錄，以供查用。

（2）爐膛火焰監測系統（全爐膛工業電視）。即應用在電力、石油、化工等行業，通過電視屏幕監測各種燃燒鍋爐內燃料燃燒狀態的彩色工業電視監視系統，故又稱爐膛火焰電視監視系統，它是監視爐膛火焰燃燒狀態的重要設備。操作者可在集控室內的顯示屏上直觀地監視到爐膛內點火、正常燃燒和熄火等工作狀態，具體如圖2所示。爐膛火焰電視監視系統通過電動或氣動傳動裝置將攝像探頭送入爐膛內，通過外部壓力開關或傳感器自動監測攝像探頭溫度，如溫度過高則自行退出。爐膛火焰電視監視系統能夠真實地反映爐膛內部火焰的燃燒工況，有利于及時發現各種危險狀況。

火檢監測系統及爐膛火焰監測系統在FSSS系統中起到重要的安全保障，在鍋爐燃燒控制領域、火焰監測領域已經廣泛使用。

5 ? ?燃燒器管理

5.1 ? ?點火燃料燃燒器管理

按照既定程序對鍋爐點火燃燒器進行控制，包括遠程自動/就地手動啟停和遠程自動操作。點火許可條件為：無MFT信號、煤氣支閥全關、煤氣壓力正常、風量正常、爐內無火、爐膛吹掃完成，且未超出規定的點火啟動時限，火檢冷卻風正常。上述條件均滿足時，系統顯示“點火允許”。

單個燃料氣角閥啟動順序：點火槍推進→啟動點火器→支氣閥開啟。支氣閥開啟后，如果點火10 s后閥門打開、火檢有火、點火器不工作，3 s延時判斷并發出“點火成功”。如果在點火10 s后點火閥門打開、火檢無火，該點火燃燒器未被證實點燃，應立即關閉該支氣閥，上位機的CRT畫面上發出“點火失敗”報警。邏輯如圖3所示。燃燒器設備上的各種設備儀表狀態在現場就地控制柜面板上及集控室上位機的CRT畫面上均有顯示。第一個燃燒器點火失敗，系統將啟動爐膛吹掃程序，對爐膛進行吹掃（操作員根據CO濃度信號，可在線調整吹掃時間）。在持續風量吹掃完成且滿足點火要求的前提下，允許下一次點火，至少間隔5 min，禁止在沒有檢查點火失敗原因之前重復進行點火操作。

5.2 ? ?主燃料燃燒器管理

按既定程序對鍋爐燃燒器主燃料進行控制，包括遠程操作/就地手動啟停。點火燃料投入、燃燒器設備點火成功后，操作員視燃燒穩定狀況可投入鍋爐燃燒器主燃料。鍋爐燃燒器主燃料快關閥開啟的許可條件：所有主燃料閥處于關閉位，主燃料壓力正常。當點火管通過火檢探頭及爐膛工業電視被證實點燃并穩燃后，開啟主燃料氣支閥，完成相應燃燒器的點燃，燃燒器即投入正常運行。主燃料氣支閥參與MFT跳閘聯鎖，當火檢無火或發MFT跳閘信號時主燃料氣支閥自動關閉。

6 ? ?FSSS系統構成

6.1 ? ?就地柜

就地點火控制柜是控制鍋爐點火設備的就地集中控制單元設備，控制對象包括：點火推進器、點火器、快關閥、排空閥等。就地點火控制柜有兩種工作方式：就地控制和遠程DCS控制。就地控制方式就是現場就地操作就地控制柜，通過就地控制柜面板上按鍵控制現場設備啟停，現場設備狀態在就地控制柜面板上可顯示。同樣，就地控制柜切換到“遠程控制”，遠程DCS也可以遠程進行操作和顯示設備狀態，就地控制方式將失效。就地控制柜通信方式多為硬線連接，燃燒設備距離集中控制室較遠，根據設計要求可加PLC和以太網進行遠程通信，但關鍵性的啟動和急停仍需硬線通信連接。

6.2 ? ?主機柜

主機柜有兩種操作狀態：手動狀態和自動狀態。手動狀態是指人為單步操作并判斷如何控制設備，自動狀態是指把單步控制狀態程序編輯為自動完成，并邏輯判斷如何控制設備。主機柜中PLC為系統控制核心，內裝有施耐德Quantum PLC，鍋爐設備PLC控制系統為防止死機、系統錯誤、設備停電做了冗余配置。主機柜中AC220 V電源采用雙路電源供電的方式，一路來自廠用電，一路來自UPS，雙電源自動切換開關實現一備一用，柜內DC24 V電源同樣一備一用;PLC采用雙機熱備，極大地提高了主機柜的安全可靠性。

6.3 ? ?上位機

上位機是HMI（人機交換界面），由研華工控機和DELL顯示器組成。上位機提供系統的監視與操作界面，系統的監視與操作在上位機完成。HMI界面項目的監控畫面都是在iFIX軟件圖形編輯器中繪制完成，根據該項目的控制流程，系統HMI由5個主畫面組成：FSSS主監控畫面、爐膛吹掃畫面、MFT畫面、報警信息畫面、退出系統畫面。畫面可以根據現場甲方安全操作需要，設置多個級別的控制權限。工程師級的權限最高，可以修改儀表設定參數、邏輯控制程序、操作畫面設定;操作員權限只允許按照操作手冊基本規定進行操作與實時監控。

7 ? ?FSSS系統應用

FSSS系統的應用主要分布在投運前、中、后三個階段。在燃燒器投運前，主要通過程序對燃料氣管線上的閥組進行氣密性檢驗、燃料氣氧氣含量在線監測，滿足要求后，方可進入點火狀態，目的是防止點火前燃料氣爐膛泄漏出現閃爆。在燃燒器投運中也就是點火進行中，判斷燃料氣壓力、爐膛壓力、爐膛內可燃氣在線監測等點火條件。一鍵點火程序主要邏輯包含爐膛吹掃、點燃點火管線、引燃主燃料管線（以小火引燃大火）、爐膛火焰在線顯示及火焰監測裝置實時監控、滅火切斷燃料氣閥組等，目的是提高點火自動化程度，并實現點火失敗后快速判斷，自動切斷燃料氣源，防止燃料氣大量泄漏到爐膛，引起危害性爆炸。在燃燒器投運后，系統工作主要是實時在線監測MFT邏輯程序的產生，在操作值班人員反應不及時的特殊危險狀態下發出緊急停爐報警，迅速切斷燃料氣源，保障生產人員、鍋爐爐膛及現場設備安全。因此，爐膛安全監控系統（FSSS）在大型鍋爐中應用廣泛，它保證了鍋爐爐膛的燃料投用及設備運行安全。

FSSS系統框圖如圖4所示。

8 ? ?結語

隨著技術不斷發展成熟，FSSS系統集成了爐膛可視化的監控系統，爐內在線氧含量、可燃氣體分析儀，極大地提高了爐膛安全水平。FSSS系統也越來越多地被應用在冶金、化工、發電行業等燃氣、燃油、垃圾焚燒、生物質等中小型鍋爐上，該系統在中小型鍋爐安全監控方面具有廣闊的應用前景。

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收稿日期：2020-07-06

作者簡介：周龍（1979—），男，江蘇徐州人，工程師，從事工業爐燃燒控制系統、自動化系統設計及研發工作。