基于PLC的燃煤气锅炉FSSS系统设计与应用.pdf

8 8 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 4期 基 于 P LC 的燃煤 气锅 炉 F S S S系统设 计 与应 用 贾旭涛 ， 安婷婷 ， 邓继祖， 翟天奎， 周聪勇 西安 陕鼓动力股份有限公 司 工程设计院， 西安 7 1 0 0 7 5 摘要 结合 国内某钢厂 7 5 t ／ h高炉燃煤气锅 炉发电项 目的应用实例 ， 介绍 了煤 气锅炉炉膛安 全监控系统 F S S S 的结构、 主要控制功能及其在高炉煤气燃烧锅炉的控制系统中的应用。 关键词 F S S S ； 自动点火； 炉膛安全 ； M F T 中图分类号 T P 2 7 3 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 3 0 4 0 0 8 8 0 4 De s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f FS S S s y s t e m i n t h e b o i l e r b u r n i n g b l a s t- f u r n a c e g a s b a s e d o n PLC J I A Xu t a o，A N T i n g t i n g ，DEN G J i z u，Z HAI T i a n k u i ，Z HOU C o n g y o n g E n g in e e r i n g D e s ig n I n s t i t u t e ， X i ’ a n S h a a n g u P o w e r C o ．， L t d ． ， X i ’ a n 7 1 0 0 7 5， C h i n a Ab s t r a c t Co mb i n e d wi t h a do me s t i c s t e e l 7 5 t ／h b o i l e r firin g b l a s t f u r na c e g a s p o we r g e n e r a t i o n p r o j e c t a p p l i c a t i o n e x a m p l e s ， i n t r o d u c e s t h e g a s fi r e d b o i l e r f u r n a c e s a f e g u a r d s u p e r v i s o r y s y s t e m F S S S s t r u c t u r e，ma i n c o n t r o l f u n c t i o n a n d i n t h e b l a s t f u r n a c e c o a l g a s c o mb u s t i o n b o i l e r c o n t r o l s y s t e m a pp l i c a t i o n． Ke y wor ds FS S S；a u t o ma t i c i g n i t i o n；f ur n a c e s a f e t y；MFT 0 引言 中小型燃气锅炉广泛地应用于冶金行业能源综 合利用项 目上 ， 主要通过锅炉燃烧 回收的高炉煤气 ， 产生高温高压蒸汽， 将蒸汽中的热能通过汽轮机转 化为机械能 ， 并在 发电机 中将机械能转化 为电能。 这种方式能充分回收利用废弃资源， 节能减排， 符合 国家能源政策 。锅炉是这个工艺流程 中最核心的能 量转换设备 ， 由于其燃烧介质有毒易燃易爆的特性 ， 燃烧设备启停、 运行过程中的危险性， 必须有一套高 可靠性 的 F S S S F u r n a c e S a f e g u a r d S u p e r v i s o ry S y s t e rn ， 即锅炉炉膛安全监控系统。在 出现紧急故障 时， 例如 锅炉启动炉膛爆炸、 炉膛灭火爆炸， 点火时 能量瞬时中断或不足 ， 正在运行 过程 中燃烧器 突然 失去火焰引起的可燃物堆积爆炸等等 。燃气锅炉要 靠运行人员瞬间发现并切断燃料 ， 实施手动保护操 作 比较困难 ， 因此 ， 数百 M W 级别的发电厂大型锅 炉广泛采用锅炉炉膛安全监控系统 ， 以保证 炉膛 的 安全运行。随着该技术 的不断发展成熟 ， 越来越多 的被应用在冶金行业燃气发 电用 中小型锅炉上 ， 因 收稿 日期 2 0 1 2 0 90 3 作者简介 贾旭涛 1 9 8 1 ， 男 ， 陕西西安人 ， 自控工程师 ， 研 究方 向为透平机组及余热利用工艺系统控制。 此， 对中小型锅炉炉膛安全监控系统的应用推广 ， 具 有现实意义并且应用前景十分广 阔。该文 以某 厂 7 5 t ／ h燃气锅炉 2 0 MW 发电项 目为例 ， 主要阐述了 F S S S系统在 中小锅炉上的设计应用。 1 工艺简介 该项 目的锅炉为 7 5 t ／ h全烧高炉煤气锅炉 ， 采 用每层 A、 B、 C、 D四角布 置旋 流式燃 烧器 ， 分 上 、 中、 下 3层布置 ， 共 1 2个燃烧控制点 ， 炉膛设 中心稳 燃带。高炉煤气和热风分别通过各 自管道送进燃烧 器喷入炉膛 ， 在烧咀 口混合燃烧， 主燃烧器配备有高 能电子点火枪 ， 点火枪配备有 电动推进装置 ， 实现 自 动点火。燃烧生成的高温烟气通过炉膛水冷壁 、 过 热器 、 省煤器及空气预热器各受热面放热冷却后排 入炉后烟气系统 。高炉煤气在入锅炉间前设置电动 蝶阀和插板阀组 、 快切阀实现可靠快速切断 ， 然后分 2支管从锅炉两侧送燃烧器。在锅炉运行中出现火 焰异常熄灭 、 汽包水位异常和炉膛压力异常等情况 时， 可迅速切断煤气供应 ， 防止煤气进入炉膛 。配有 调节风门及变频控制的送风机和引风机满足锅炉各 种工况下的需要 。锅炉燃烧系统如图 1 所示。锅炉 燃烧器为 3层布置 ， 图 1所示为其中 A和 B两个角 的剖面图。 2 0 1 3年第 4期 工业仪表与自动化装置 8 9 图 1 锅炉燃烧系统图 2 F S S S系统架构 锅炉炉膛安全监 控系统 F S S S 是一种 安全保 护装置 ， 主要是保证锅炉安全运行 ， 不参 与调节 ， 只 参与高级别的联锁保护， 所以， 一般需要单独设置一 套控制系统专门完成此项控制功能， 煤气／ 热风量燃 烧 P I D调节 由装置 D C S系统控制各介质支管道上 的调节阀完成。F S S S系统 主要 以安全保 护为主要 控制目的， 且其保护动作级别高于装置主 D C S系统 的保护级别。该项 目 F S S S系统 由 P L C主控 系统、 就地点火系统 、 炉膛火焰监测监 视系统 3大部分及 现场仪表共 同组成。 2 ． 1 P L C主控系统 采用 S i e m e n s 公司的 S 7 3 0 0系列 P L C作为系 统的主控制器 ， 系统 C P U 型号 C P 3 1 52 D P 采用 冗余配置， 双机热备 软冗余 ， 系统电源 P S 也采 用冗余配置 ， 远程模块选用 E T 2 0 0 M。 自动 控制系 统采用冗余配置后， 大大加强了系统运行的可靠性， 冗余系统具有自诊断功能， 一旦系统出现诊断错误， 将 自动切换， 保证生产设备正常运行， 避免因 P L C 系统本身的故障导致的意外停炉。 P L C控制柜和上位机放置在集控室 内， 为 了保 证系统供电的安全性 ， 采用 2路 2 2 0 V A C电源供 电 的方式 ， 一路来 自 U P S ， 另一 路来 自厂用 电。另外 P L C控制柜还提供 F S S S系统各相关就地设备所用 2 4 V D C电源 ， I ／ O点数量除要满足现有 自动控制 系 统功能要求外， 留有 1 0 ％的 I ／ O余量。上位监控软 件采用北京杰控 F i e m v i e w 1 0 2 4点 专用炉膛安全 监控 软件 ， 下位 编程软件 采用 S T E W ／V 5 ． 4 中文 版 ， 软件在 Wi n d o w s X P S P 3平台上运行 。上位机与 P L C之间采用 工业 以太 网通 信。主控 系统如 图 2 所示 。 号 图 2 F S S S主控系统 图 2 ． 2 就地点火系统 该项 目锅炉共设 4台就地点火控制柜 ， 都安装 在锅炉炉体侧面 ， 就地点火柜为防爆柜， 采用一控一 方式控制锅炉现场点火设备 ， 即 1台控制柜控制 1 个锅炉角所配的推进装置、 点火器 、 点火气阀等。且 带有点火枪的进退位置显示灯 ， 点火器启动开关 ， 点 火气角阀位置显示灯 ， 点火气角 阀操作开关 ， 就地／ 远方选择开关 。就地柜 内控制 电源 由 P L C控制柜 提供的2 4 V D C 。其控制方式有 2 种 就地单步操作 和远方程控操作。2种工作方式的切换在就地控制 柜完成。控制柜为程控方式 留有操作接 口， 在程控 9 0 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 3年第 4期 方式下接受中控室F S S S 主控系统发来的操作指令， 完成 自动控制相应的动作。如 在程控方式下 ， 控制 柜只根据 F S S S主控系统发来 的动作指令而触发输 出动作， 这时就地操作不起作用， 反之相同。控制柜 所控设备的运行状态和所处位置可由柜门上的指示 灯显示出来 ， 例如点火枪的进退到位、 点火器正在点 火、 阀门开关位等。所有这些信号同时送至 F S S S主 控系统， 能使其按程序完成既定功能， 并使中控室的 运行人员对现场设备运行情况一 目了然 。 2 ． 3 炉膛火焰检测监视系统 炉膛火焰检测是对炉膛或燃烧器的火焰进行检 测 ， 从而判别锅炉的燃烧状况 ， 以确保炉膛安全的点 火器及燃烧器的点燃， 炉膛燃烧监控和炉膛灭火保 护都以火焰检测信号作为判断依据。该项目火焰检 测由 2部分组成 1 火焰检测。使用 防爆型 I F Du V一 0 1 1 C E X一体化紫外火检系统进行火焰检测。火检安装 方式为“ 1对 1 ” 外窥式安装方式 ， 即每个燃烧 火嘴 配备 1套火检系统 ， 采用外窥式安装 ， 探头直接对准 气火焰的初燃区来采集气火焰信号。火检系统输出 如下信号到 F S S S主控系统 火焰强度的模拟量输 出4～ 2 0 m A； 火焰存在开关量输出 干接点 ； 自检故障输出信号 干接点 。 2 火焰监视 。采用高温摄像机 松下 的全炉 燃烧状态彩色工业 电视系统 ， 操作人员可在 中控室 显示器上看到炉膛 内火焰 的真实图像 。 以上 2种监控方式的探头都安装在高温区 ， 需 在送风机出口引出火检冷却风来冷却炉膛火焰检测 监视系统 ， 保证火焰检测监视器工作在正常温度下 ， 在该冷却风主管段需安置 1块压力开关 ， 当送风机 出 口火检冷却风管段压力低于要求值时 ， 该压力开 关给出报警信号 ， 以便采取措施防止火检系统过热 而烧毁。 3 F S S S系统主要控 制功能 该项 目 F S S S系统所有保护控制逻辑在 P L C系 统组态完成 ， 主要完成 自动点火过程及炉膛安全 监 控保护两大功能， 实现锅炉启停全自动控制。 3 ． 1 自动点火功能 以一个火嘴为例 1 自动点火时序控制 预点火操作完成后 ， 推进点火枪 ， 激励点火变压 器 ， 打开点火气支路阀 ， 建立该火嘴火焰 ， 打火 3 0 S 后， 停止激励点火变压器， 退出点火枪。该点火气嘴 处于运行状态 。 2 点火设备故障或运行 火嘴在一定 时间内丢 掉火焰时 自动切除该火嘴支路阀。 3 当该高炉煤气火嘴投入运行后， 系统发出允 许投入相邻高炉煤气火嘴的允许信号， 然后由系统 直接远方投入相邻高炉煤气火嘴。 4 高炉煤气 自动置换放空联锁控制 。 当高炉煤气支路阀全部关闭后， 该联锁功能将 自动关闭高炉煤气母管进气总阀。然后打开氮气置 换 阀和对 空排气 阀。该状态保持一定 时间 后 自 动关闭氮气置换阀。 5 高炉煤气母管泄漏试验。 3 ． 2 炉膛安全监控功能 该功能负责在锅炉运行全程工况下连续监视各 相关设备状态和参数。当各相关设备状态和参数超 出各设定值时， 系统连锁逻辑将 自动切除相关设备， 以防止未遂性事故 的发生。从而保证炉膛安全。其 功能包括 1 Mr r MA S T E R F U E L T R I P 主燃料跳闸。紧 急停炉功能 当主控 P L C系统接 收到任一紧急停炉 信号时， MF T功能将 立 即切 除进 入炉膛 的全部 燃 料 ， 锅炉停锅。当发生 MF T时 ， F S S S系统除立 即切 断进入炉膛的一切燃料外 ， 还需 自动完成对总 、 支高 炉煤气进气切断阀的快关动作 ， 向 D C S系统发出停 炉指令 ， 交 由 D C S执行后续其他辅助动作 ， 实现发 电装置平稳停机。其核心控制逻辑如图 3 所示。 失 去引 风 机 H 保 护切 ／ 投 I 发 出 声光 报 警， 失 去 送 风 机 卜 - - l 堡 墼卜 ． ]并 产 生 首 出 原 因 } 失 去 全 部 燃 料卜 一 1 卜 l 快 速 关 闭 所 有 锅 炉总 流量 c 2 5 ％ H 保 护切 ／ 投b - ]高 炉 煤 气支路 阀 l 炉 膛 压 力 高 H保 护 切 ／投b - O R 蚵 f 快 速 关 cjj 高 炉 I炉 膛 压 力 低 H 堡 丝卜． - ]煤 气 总 进 气 阀 l 汽 包 水 位 高 H 保 护 切 般 t- - f 高 炉 煤 气 进 入 汽 包 水 位 低 t- 4 { 切 ／ 卜 l 置 换 放 方 式 高 炉 煤气 压力 高I- - I 保护 切 ／ 投I- - I 向D C S 系 统 提供 高 炉 煤气 压力 低H 保护 切 ／ 投I- - - - 1 M F T 跳闸 节点 图 3 MF T控制逻辑图 2 炉膛吹扫功能 每次锅炉启动点火前必须进行周期为 5 rai n的 炉膛吹扫 ， 以便将炉膛内空气更换 5次， 以保证炉膛 内没有任何未燃尽的燃料存在， 以防出现爆燃。 3 预点火操作 当炉膛 吹扫完成且气燃料母管泄漏试验成功 后 ， 操作员要进行下列操作 以做好释放燃料进入炉 膛的准备 复位 MF T； 关闭高对空放气 阀； 打开高煤