高能点火控制与智能火焰检测技术在锅炉炉膛安全监控系统中

1、高能点火控制与智能火焰检测技术在锅炉炉膛安全监控系统中的研究与应用 王 猛（莱芜钢铁集团有限公司 自动化部，山东 莱芜271104）摘要：本文主要介绍了莱钢集团大H型钢生产线130T/H锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)的系统组成、功能，及如何充分应用高能点火装置与智能火焰检测器实现的各种控制技术方案，从而为锅炉炉膛的燃烧诊断和优化控制提供了新方法和新途径。关键词：锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）；高能点火控制；智能火焰检测中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：Development and design of FSSS based on High energy ignition

2、 control and Intelligent flame detection technology Wang Meng (The Automation Department of Laiwu Iron and Steel Group Corporation, Laiwu 271104, China）Abstract：This article mianly introduces the H-beam production line of Lai Gang Group 130 T / H Boiler Furnace Safety Monitoring System system compon

3、entsv、functions, and how to make applications High energy ignition devices and Intelligent flame detector to achieve the various control technology program, so as to the boiler furnace combustion diagnosis and to provide optimal control of the new methods and new ways。Keywords:FSSS; High energy igni

4、tion control; Intelligent flame detection1 前言 锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）是锅炉安全运行必不可少的设备，负责燃烧器管理和燃料安全。它能在锅炉正常工作和启动、停止等运行方式下，连续监视燃烧系统的参数和状态，并进行逻辑运算判断，通过联锁使燃烧设备按照既定的合理程序，完成必要的动作或处理未遂性事故以保护锅炉炉膛及燃烧系统的安全。它在防止由于锅炉运行人员误操作及设备故障下引起锅炉炉膛爆炸而产生的人身伤害、设备损坏等方面起到了重要的保障作用。 莱钢集团大H型钢生产线130T/H燃气炉FSSS系统是一个技术先进，性能可靠的监控系统。采用SIMATIC的S7

5、-200 PLC作为主控制器，配合相应的输入输出控制线路对锅炉运行的主要参数和锅炉辅机运行状态进行连续监测，对锅炉燃烧器进行管理，在操作人员来不及处理的危急情况下，将燃烧系统置于安全状态，从而保护锅炉及所属设备。2 系统组成锅炉炉膛安全监控系统，简称FSSS，是保证锅炉安全运行的重要系统，它在锅炉启动、运行及停止的各个阶段、连续地监测锅炉的有关运行参数。根据防爆规程规定的安全条件、不断地进行逻辑判断和运算，通过相应联锁装置使所控设备按照既定程序完成必要的操作，避免爆炸性的空气-燃料混合物在炉膛及烟道内积聚，防止炉膛爆炸事故的发生。FSSS系统主要由程控柜、火检柜、就地点火控制柜及相关的就地点火

6、设备组成。FSSS系统结构图见图1。DCS信号程控柜控制控制控制2#火检柜控制1#火检柜1#就地柜反馈反馈反馈3#就地柜反馈4#就地柜就地设备就地设备就地设备就地设备2#就地柜点火允许点火允许图1 FSSS系统结构图2.1 程控柜程控柜内含SIMATIC的S7-200PLC，它是整个系统的核心。整套PLC由1块CPU模块和7块数字量输入输出模块组成，能够接受外部相连设备的控制命令及状态信号，运行内部逻辑，进行相应判断和处理，并产生相应的输出信号给外部相连设备，控制其动作和提供一定的运行信号。主机柜内装有输入/输出信号扩展继电器，两个24V电源模块以及用于实现厂用电源和UPS电源互为备用的控制线

7、路，提高了系统运行的稳定性。操作面板置于程控柜前门上，便于整套系统操作和观察相应的状态信号。操作信号通过操作面板可以锅炉点火前的炉膛吹扫，开关高炉煤气支管路阀、焦炉煤气支管路阀，各角燃烧器的启动和停止以及锅炉的紧急保护等功能。2.2 火检柜 每个火检柜内装有2套火检处理器，它接受对应火检探头输入的火焰信号，加以处理后输出有火或无火信号，供给程控柜进行逻辑判断和有火、无火显示。火检柜内设有3个断路器，用于控制相应火检处理电源的供给和切除。2.3 就地点火控制柜 就地点火控制柜用于控制就地各点火设备的动作，实现就地设备的单步点火操作，并备有与远方程控柜的信号接口，以实现程控柜的自动点火和灭火保护操

8、作。就地/程控的操作方式的转换由就地点火控制柜内操作面板上的就地/程控转换开关来实现。就地点火控制柜所控制的设备在控制柜操作面板上均设有相应的操作按钮及状态指示灯。一层和二层的焦炉、高炉煤气火检处理器都放在就地点火控制柜内，用以检测相应的煤气火焰，输出相应的有火或无火信号，从而用来逻辑判断和状态显示。在就地/程控转换开关打在就地位时，通过就地柜能实现如下功能操作：控制点火枪的推进和退出；控制点火器的点火操作；控制一、二层速断阀的开关；显示就地设备的运行状态；判断一、二层煤气火焰的状态并发出有火或无火信号；实现一、二层燃烧器灭火自动关阀功能；控制柜设有点火枪电机保护电路通过时间继电器设定电机动作

9、的持续时间，一旦电机在规定的时间内仍未使相应的行程开关动作以断开电源，则时间继电器动作自动断电，起到保护电机的作用。3 系统功能3.1炉膛吹扫在燃料进入炉膛燃烧之前，必须对炉膛完成一次成功的吹扫。以有效地清除在炉膛烟井及相连的烟道中可能积聚的任何可燃物，否则保护系统阻止任何燃料燃烧设备启动。吹扫燃烧锅炉用空气质量流量应不小于30%满负荷时的空气流量，并应恒定。另一方面，吹扫程序也是锅炉启动之前设备相关功能的一次全面检查，吹扫完成后即可进入点火逻辑。炉膛吹扫是在下列条件均满足并保持的情况下进行5分钟计时的，时间可调。送风机运行引风机运行速断阀全关支管阀全关高炉煤气总阀关汽包水位正常无MFT指令火

10、检无火FSSS系统电源正常3.2燃烧器控制系统各角燃烧器在一、二层速断阀均关闭的条件下，允许打开对应角的焦炉煤气支管阀。在焦炉煤气支管阀开到位后，系统在无MFT指令，燃气压力正常，系统电源正常，对应角电源正常，对应层速断阀处在关位的条件下发出层点火允许信号。在点火允许信号指示灯亮后，可在就地柜操作面板上操作相应按钮实现就地单步点火操作，也可在就地/程控转换开关打在程控位时，在程控柜实现自动点火操作。在就地/程控转换开关打在程控时，在程控柜上按下对应的层角启动按钮和角停止按钮实现对应层的自动点火和停止操作。在对应的层角启动按钮按下后，PLC将依次发出控制信号完成进点火枪，点火枪到位后开点火器和速

11、断阀以及点火失败后关速断阀的点火和灭火保护操作，同时在操作面板上显示响应的状态信号。焦炉煤气点火成功后，按下程控柜操作面板上的开高炉支管阀按钮和关高炉支管阀按钮，实现高炉煤气的投入和切除。 3.2火焰检测火焰检测是FSSS系统中非常重要的组成部分，以前所发生的锅炉爆炸事故大部分是由于炉膛灭火，随后积聚起来的可爆炸性燃料空气混合物再点火而引起的。引起锅炉灭火的原因在绝大多数情况下是锅炉燃烧不稳定，而在任何负荷下，都可能发生燃烧不稳定的情况。特别是在负荷变动时最容易使燃烧不稳定而引起灭火。智能火焰检测器能及时测出“炉膛灭火”工况，并通过主燃料跳闸迅速切断一切输入炉膛的燃料，立即进行炉膛吹扫，从而防

12、止炉膛中可爆炸完全混合物的积聚，以可靠地防止炉膛爆炸。3.4主燃料跳闸及首跳显示为保证只停运少量燃料设备，减少系统不安全因素及炉膛运行的不安全工况，FSSS系统提供含主燃料跳闸的多层次燃料跳闸，当发生下列条件之一时，系统立即发出主燃料跳闸信号：手动MFT（按钮确认）送风机停止引风机停止汽包水位高或低汽包蒸汽压力高全炉膛灭火当发生MFT跳闸时，系统立即送出主燃料跳闸信号，切断锅炉的一切燃料，并与机组其他系统自动完成相应报警及操作。3.5 紧急跳闸 当运行人员发现危及机组运行安全或其他需要紧急停炉的情况时，操作人员可在集控室操作盘上同时按下手动MFT确认按钮，则启动手动紧急跳闸。4 高能点火控制技

13、术 锅炉点火步骤是锅炉运行的首要环节。该锅炉点火控制系统采用先进的控制设备，各种控制部件稳定可靠，并具有系统的连锁和保护功能。控制设备由程控柜、就地柜、高能点火装置，及相应的推进器、速关阀门等组成，主要用于实现远程或就地单步点火操作，熄火操作；并备有与上位机的接口，可接受上位机的指令进行相应的连续动作，实现锅炉的自动点火，并将各种工作位置和工作状况的信号反馈到上位机，控制现场设备。4.1 高能点火装置组成及工作原理 该点火装置采用的是徐州燃院出产的高能点火装置，由XDH点火器、XDZ点火枪及配套屏蔽电缆组成。具有放电电压低、火花能量大、外形体积小、安全可靠和耐腐蚀等特点。的交流工频为20V或1

14、10V，通过升压整流变换成直流脉动电流，对贮能电容充电。当电容器充满时，放电电流经放电管、流圈、屏蔽电缆等传输至点火枪半导体电嘴，形成高能电弧火花。当高能点火装置停止工作时，电容器上的剩余电荷通过泄放电阻泄放。4.2 高能点火控制功能简介 高能点火控制技术是基于高能点火装置平台而开发的新型自动控制技术。该控制可以根据上位机的指令执行相应的连续动作，从而达到锅炉点火自动控制的目的。在控制程序启动后，首先要满足点火允许条件，才能进行点火的后续工作。点火允许条件包括5个：无MFT跳闸显示；燃气压力正常；FSSS系统电源正常；吹扫完毕；焦炉煤气支管阀开到位；速断阀关到位。详细步骤可见控制功能流程图（图

15、2示）：点火控制程序启动点火允许条件进点火枪滤波开点火器开速断阀火检判断无火有火点火成功退点火枪点火失败关速断阀 图2高能点火控制功能流程图 5 智能火焰检测技术在大型锅炉的燃烧过程中，要判断锅炉炉膛的燃烧状况，实现燃烧的自动管理和控制，火焰检测装置是必不可少的。而先进的智能火焰检测器不但能检测出火焰的燃烧和熄灭，还能检测出火焰的稳定性。锅炉全炉膛灭火及失燃料跳闸等跳炉（MFT）条件都是火焰装置检测及判断得出的。将智能火焰检测技术应用在莱钢型钢热电厂锅炉炉膛FSSS系统中，起到了极其重要的作用。4.1智能火焰检测器的组成及原理 智能型火焰检测器是一种双信号火焰检测器，整个检测回路由探头放大器、

16、智能型信号处理组件、火检探头、火检电源等构成，可实现对锅炉燃烧火焰的实时检测。放大器响应由初始燃烧区火焰产生的可见光辐射转变成为电信号，反映火焰的燃烧状况。信号处理器将探头传送的电信号分成“强度”、“频率”进行处理，判别火焰的“有”、“无”，如图3所示开关量输出模拟量输出自检回路操作面板电流、电压转换自适应滤波滤波继电器CPU ACPU B输出回路A/D转换D/A转换光电隔离+5V数字地模拟地+15V-15V探头信号 图3 智能型火焰检测器原理图火检探头由石英透镜、光导纤维、光电传感器、放大器、电压电流转换器等构成。传感器及放大电路部分密封在探头内。传感器采用工作波长为380760 nm的可见

17、光传感器。对于燃煤火焰和燃油火焰的辐射，这种传感器能够更有效地响应其波动特性，并根据初始燃烧区的火焰亮度和闪动，可靠地判定火焰的真实存在。4.2智能火焰检测器工作原理及技术描述 火焰检测装置是依据火焰信号的特性来检测火焰的。首先将火焰信号分成2路信号：强度信号和频率信号。强度信号代表火焰的亮度，频率信号代表火焰的闪动。对强度信号的处理比较简单，只需将实时火焰强度与强度阈值进行比较，当火焰强度高于强度阈值时，判定火焰强度条件成立。 频率的处理实际上是对火焰信号波动部分的处理。频率信号包含信号的频谱、带宽、峰峰值等参数，要对这部分信号进行滤波、交换，从中提取火焰的燃烧特征。由于火焰的频率信号大约为

18、1200 Hz，而炉膛内炽热的焦渣及灰粉发光的频率不超过2 Hz，所以通过频率信号的频谱分析完全可以确定火焰的存在。对火焰频率信号不只是要进行简单的分析，还要对火焰的波形进行数字滤波、傅立叶变换，提供火焰波形中最具火焰特征的信号。这些参数处理最终得到的综合标量仍称为频率，作为判定火焰“有”、“无”的依据。5 高能点火装置与智能火焰检测器几个问题的分析、解决及经验5.1 高能点火装置与智能火焰检测器的问题 火焰检测探头放大器与电缆连接的插子固定的不好，容易松动； 火焰检测装置框架与火检模块接触不好，有时采集不到信号，有时送不出有火信号； 点火枪的损耗非常大； 就地的工作环境比较差，电缆的寿命短。5.2 高能点火装置与智能火焰检测器问题的解决及经验点火枪损耗大的问题，现在只是在点火前试验，如不打火就更换为新点火枪；