摘 要：本文通過分析燃?xì)怆姀S啟動鍋爐燃燒器控制時序圖，采取主燃?xì)忾y電源回路優(yōu)化、燃燒器火焰探測器穩(wěn)定性提升等措施，有效提高啟動鍋爐的啟動成功率和穩(wěn)定性，保證燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組啟動初期所需要輔助蒸汽的蒸汽品質(zhì)，提高機(jī)組啟動成功率和并網(wǎng)準(zhǔn)點率。
關(guān)鍵詞：啟動鍋爐；燃燒器；控制系統(tǒng)；改造；優(yōu)化
0 前言
某GE 9F 燃?xì)怆姀S配套了2 臺荷蘭HKB 公司的SHP-D啟動鍋爐，兩臺鍋爐一用一備，燃料來源為天然氣。該鍋爐為采用三回程全濕背結(jié)構(gòu)的火管快裝鍋爐，三回程全濕背結(jié)構(gòu)可使煙氣溫度降到合理的范圍，從而煙氣與鍋爐爐水的熱量轉(zhuǎn)換達(dá)到效果，具有較高的熱效率。
該鍋爐采用雙爐膛布置，配置雙燃燒器，每個燃燒器手動可單獨啟動，但僅作為應(yīng)急啟動，不可長時間運行。
正常運行時，燃燒器處于自動控制狀態(tài)，接受控制系統(tǒng)的負(fù)荷指令，自動調(diào)節(jié)燃料量和空氣量，同時兩個燃燒器之間互為聯(lián)鎖跳閘，其中一臺燃燒器故障跳閘時，另外一臺燃燒器聯(lián)鎖跳閘。
燃燒器的運行調(diào)整包含燃?xì)膺M(jìn)口壓力調(diào)整、空氣量調(diào)整，務(wù)必使?fàn)t膛內(nèi)保持正常的穩(wěn)定燃燒，火焰中心應(yīng)呈明亮的藍(lán)色，爐內(nèi)保持正壓，煙囪不冒黑煙，在初期調(diào)試階段，應(yīng)使用延期分析儀，分析排煙成份，使排煙達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。
1 啟動鍋爐的設(shè)計可靠性要求
對于GE 9F 級單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組來說，機(jī)組啟動和停止時**給汽輪機(jī)提供軸封用汽、低壓缸冷卻用汽，所以機(jī)組啟動和停止完全依賴于啟動鍋爐的正常工作。
同時燃機(jī)機(jī)組的頻繁快速啟停對啟動鍋爐可靠性有很高的要求[1]。
啟動鍋爐對可靠性的要求至少包括3 個方面：故障率低；維護(hù)簡單，可維修性好；使用壽命長，能在燃機(jī)機(jī)組的設(shè)計壽命期內(nèi)可靠運行。
對于燃機(jī)機(jī)組，可以用啟動成功率指標(biāo)來較好反映啟動鍋爐的可靠性，其定義如下：啟動成功率= 啟動成功次數(shù)/啟動總次數(shù)，一般要求啟動成功率應(yīng)該保證在95% 以上[2]。
2 啟動鍋爐燃燒系統(tǒng)控制原理
2.1 燃燒器系統(tǒng)組成
啟動鍋爐燃燒器系統(tǒng)組成見圖1。天然氣經(jīng)過過濾器過濾后，進(jìn)入調(diào)壓關(guān)斷組合閥，組合閥起到燃?xì)饨祲汉烷y前后差壓大保護(hù)遮斷作用。經(jīng)過調(diào)壓后的天然氣主路經(jīng)過主燃?xì)忾y1 和主燃?xì)忾y2 后，通過燃料閥調(diào)節(jié)燃料量，進(jìn)入燃燒器進(jìn)行燃燒。燃燒器點火初期時，在主路配置有點火分支，通過開啟點火閥1 和點火閥2，將小流量的點火燃料送入燃燒器進(jìn)行小火焰點火[3]。
圖1 燃燒器系統(tǒng)組成
Fig.1 Burner system
2.2 燃燒系統(tǒng)控制過程
燃燒控制系統(tǒng)設(shè)置本地、遠(yuǎn)程控制切換開關(guān)，本地控制模式為PLC 控制柜上啟動和停止，遠(yuǎn)程控制模式為PLC控制。燃燒控制功能全部在Etamatic 電子復(fù)合調(diào)節(jié)器中實現(xiàn)，一個調(diào)節(jié)器單獨控制單個燃燒器，同時電子負(fù)荷調(diào)節(jié)器將工作狀態(tài)、點火過程、保護(hù)動作信號、運行、故障信號送入PLC 控制系統(tǒng)。
當(dāng)鍋爐從冷態(tài)到熱態(tài)啟動時, 先由電子復(fù)合調(diào)節(jié)器的點火程序自動完成點火前的***啟動連鎖檢查、風(fēng)機(jī)啟動、風(fēng)壓驗證、閥門檢漏、爐膛吹掃、點燃小火，火焰檢測器檢測火焰正常后引燃大火直到運行正常, 運行正常后, 鍋爐投入正常運行。此時, 燃燒控制（自動/ 手動可切換）切至由鍋爐壓力來控制，此系統(tǒng)可根據(jù)鍋爐壓力的設(shè)定值的大小，再通過PLC 的PID 運算，運算結(jié)果輸出至燃燒器上的伺服機(jī)構(gòu)以帶動燃料量和風(fēng)量的驅(qū)動裝置控制鍋爐的燃燒負(fù)荷, 以滿足鍋爐熱負(fù)荷的需要。
2.3 燃燒系統(tǒng)控制時序分析
燃燒系統(tǒng)控制時序圖見圖2。
圖2 燃燒系統(tǒng)控制時序圖
Fig.2 Control of combustion system sequence diagram
程序時序圖時間說明：
①燃?xì)?**回路空氣壓力低開關(guān)掃描時間，設(shè)定值：任意值。
②檢漏測試時壓力建立時間，設(shè)定值：2s。
③伺服馬達(dá)驅(qū)動運行時間，設(shè)定值：30 ～ 60s。
④再循環(huán)檔板延遲時間，設(shè)定值：0 ～ t5。
⑤ 通風(fēng)時間，設(shè)定值：30~999s 可調(diào)。
⑥ 變壓器預(yù)先通電時間，設(shè)定值：3s。
⑦ *****周期，設(shè)定值：4s。
⑧ 穩(wěn)定周期，設(shè)定值：3s。
⑨ *****周期，設(shè)定值：3s。
⑩ 運行相位，設(shè)定值：任意。
? 控制模式，設(shè)定值：任意。
? 燃?xì)鉁y試管路上的壓力緩減時間，設(shè)定值：3s。
? 吹掃時間，設(shè)定值：0~999s 可調(diào)。
? 基本負(fù)荷控制單元。
? 燃燒后時間，設(shè)定值：0~20s 可調(diào)。
? 火焰熄滅檢查，設(shè)定值：5s。
? 檢漏燃?xì)忾y2，設(shè)定值：30s。
? 自檢。
程序時序分析：
1) 鍋爐***互鎖電路為PLC 聯(lián)鎖回路，此信號為1 時，燃燒器允許運行。
2) 燃?xì)?**互鎖電路為燃燒器間聯(lián)鎖回路，當(dāng)另外一個燃燒器跳閘時，聯(lián)鎖跳閘本燃燒器，避免單燃燒器長時間運行。
3) 點火前爐膛吹掃：爐膛點火前**進(jìn)行爐內(nèi)吹掃，避免爐膛點火時出現(xiàn)爆燃。當(dāng)燃燒器接收到啟動指令時，風(fēng)機(jī)立即啟動，空氣擋板在t3 時間開到位置后，持續(xù)t5 吹掃時間后，關(guān)小至點火位置；燃料閥在t3 時間開到位置后,立即關(guān)小至點火位置；再循環(huán)擋板在t5 吹掃時間內(nèi)從關(guān)閉狀態(tài)開啟至位置，吹掃時間結(jié)束后，關(guān)小至點火位置。
4) 點火前燃?xì)庵鏖y泄漏試驗：燃燒器啟動時，打開燃?xì)庵鏖y1，持續(xù)2s，在燃?xì)庵鏖y1 和燃?xì)庵鏖y2 之間建立起檢漏壓力，進(jìn)行閥門泄漏試驗。在30s 內(nèi)，如果檢漏壓力開關(guān)狀態(tài)未發(fā)生變化，則閥門泄漏試驗成功，進(jìn)入點火階段，否則燃燒器跳閘。
5) 燃燒器點火階段：空氣擋板、燃料閥、再循環(huán)擋板在吹掃時間t5 結(jié)束后，處于點火位置時，點火變壓器預(yù)先通電3s，持續(xù)至*****周期4s。在點火變壓器通電的同時，燃?xì)庵鏖y1 和點火電磁閥打開，通過點火管線向燃燒器通入點火燃?xì)膺M(jìn)行燃燒。在*****周期和穩(wěn)定周期結(jié)束后，燃?xì)庵鏖y2 打開，向燃燒器通入運行燃?xì)膺M(jìn)行燃燒。在*****周期結(jié)束后，點火電磁閥關(guān)閉。在點火和運行階段，火焰信號應(yīng)從穩(wěn)定周期開始處于穩(wěn)定檢測狀態(tài)，否則將會
跳閘燃燒器。
6) 燃燒器運行階段：燃燒器在t10 內(nèi)，根據(jù)PLC 給定的負(fù)荷指令，由電子復(fù)合調(diào)節(jié)器計算出空氣擋板、燃料閥、再循環(huán)擋板的調(diào)節(jié)指令，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制合適的空氣燃料比例。
3 啟動鍋爐燃燒器穩(wěn)定性問題分析
某燃?xì)怆姀S自投運以來，啟動鍋爐啟動成功率偏低，影響機(jī)組的***運行。以下分析幾起啟動失敗事件。
3.1 #1、#2 啟動鍋爐啟動失敗事件
2012 年6 月12 日，#1、#2 啟動鍋爐啟動時點火失敗。經(jīng)就地檢查，#1、#2 啟動鍋爐4 臺燃燒器啟動故障代碼均為H601，此故障代碼對應(yīng)的故障描述為：檢漏失敗、燃?xì)鈮毫σ恢贝嬖凇?/p>
檢查處理過程：
1) 檢查燃燒器主燃?xì)忾y1 和主燃?xì)忾y2 之間的燃?xì)鈮毫Φ烷_關(guān)，開關(guān)動作正常，可排除壓力開關(guān)故障。
2) 檢查燃燒器主燃?xì)忾y1 和主燃?xì)忾y2。當(dāng)燃燒器啟動時，發(fā)現(xiàn)兩個燃?xì)忾y均未動作。根據(jù)燃燒器控制時序圖分析，燃燒器啟動時，首先打開主燃?xì)忾y1 進(jìn)行檢漏壓力建立，然后進(jìn)行30 秒的閥門泄漏試驗，所以燃燒器啟動故障跟主燃?xì)忾y1 未動作有直接聯(lián)系。根據(jù)圖紙檢查主燃?xì)忾y1 的工作電源，發(fā)現(xiàn)PLC1 控制柜內(nèi)編號為Q7 的空氣開關(guān)在分位，送上空氣開關(guān)后，#1 啟動鍋爐啟動正常，接著#2 啟動鍋爐也啟動正常。
分析認(rèn)為：空氣開關(guān)額定電流容量為4A，此開關(guān)控制#1 啟動鍋爐、#2 啟動鍋爐的#1 和#2 燃燒器共4 臺主燃?xì)忾y1，而主燃?xì)忾y1 電磁閥工作電流為2A，當(dāng)同時啟動兩臺啟動鍋爐時，4 個主燃?xì)忾y1 電磁閥工作電流為8A，超過空氣開關(guān)額定電流容量，所以導(dǎo)致跳閘。
改進(jìn)措施：增加2 臺啟動鍋爐的8 個主燃?xì)忾y電磁閥工作電源單獨分開，每臺啟動鍋爐中每個燃燒器的主燃?xì)忾y1、主燃?xì)忾y2 增加獨立的額定電流2A 空氣開關(guān), 此兩個空氣開關(guān)上游增加額定電流4A 的空氣開關(guān)。優(yōu)化后的燃燒控制器接線圖紙見圖3。
圖3 燃燒控制器接線圖
Fig.3 Ignition controller wiring diagram
3.2 提高燃燒器火焰探測器信號檢測穩(wěn)定性
統(tǒng)計2014 年啟動鍋爐啟動故障問題，有20 起左右的啟動失敗事件與燃燒器火焰探測器信號檢測不穩(wěn)定有直接關(guān)系。燃燒器火焰檢測器在鍋爐啟動初期頻繁出現(xiàn)檢測不到火焰的現(xiàn)象。分析認(rèn)為啟動初期火焰強(qiáng)度較小，火焰檢測二次表判斷為無火焰，導(dǎo)致啟動失敗。因此制定了一系列措施提高火焰檢測穩(wěn)定性。
1) 對火檢進(jìn)行微調(diào)。啟動初期火焰強(qiáng)度小，對火檢安裝位置及角度要求高，可對火檢進(jìn)行反復(fù)微調(diào)，盡可能達(dá)到檢測效果。
2) 論證是否可以提高點火管線的通流管徑，增加點火時的天然氣流量，增加點火火焰強(qiáng)度。
3) 廠家燃燒調(diào)整時，要求廠家通過調(diào)整穩(wěn)焰盤和風(fēng)門擋板等手段，盡可能將啟動初期的火焰強(qiáng)度調(diào)整到。
4) 增加火焰探測器。采用同為紫外檢測原理的燃機(jī)火檢探頭，安裝在燃燒器上，火焰信號引入PLC 進(jìn)行觀察。如果火焰信號滿足啟動初期檢測效果的話，可取消原有的火檢。安裝燃機(jī)火檢探頭時，需要加工相應(yīng)的配套安裝底座。
實施效果：
在實施措施1) 后，火檢安裝位置反復(fù)調(diào)整，但未達(dá)到檢測效果，火檢信號檢測穩(wěn)定性未有明顯提高。
措施2) 經(jīng)過技術(shù)論證，認(rèn)為點火管線的通流直徑與燃燒器的點火特性有關(guān)，不可隨意變更管線直徑。
措施3) 廠家對燃燒器燃燒狀態(tài)進(jìn)行空氣燃料比例調(diào)整，適當(dāng)調(diào)整了燃料閥、空氣擋板、再循環(huán)擋板，而且盡可能將火焰強(qiáng)度調(diào)整到狀態(tài)，但是火焰信號穩(wěn)定性未能明顯改善。
在實施措施4) 過程中，由于燃機(jī)火檢探頭檢測為大火焰信號，而啟動鍋爐為小火焰信號，基本無法采集到火焰。
而在火檢探頭反復(fù)試驗過程中，發(fā)現(xiàn)可以將火檢信號做一定的延遲處理以提高穩(wěn)定性。經(jīng)過分析，決定進(jìn)行邏輯優(yōu)化：將火焰模擬量信號及火檢繼電器輸出的開關(guān)量信號引入PLC 控制器中，將火檢強(qiáng)度大于30% 的模擬量信號和火檢繼電器開關(guān)量信號形成邏輯關(guān)系，并輸出1s 延時后返回燃燒控制器。邏輯優(yōu)化后，啟動鍋爐未發(fā)生因火焰信號問題而導(dǎo)致的跳閘。
3.3 提高燃燒器前壓力穩(wěn)定性
燃燒器調(diào)壓閥后壓力是否穩(wěn)定決定燃燒狀況，壓力波動大時，可能導(dǎo)致調(diào)壓閥跳閘或直接熄火等狀況。因此在啟動鍋爐的調(diào)壓閥后增加***閥，閥后壓力高于***閥整定值時進(jìn)行放散，起到穩(wěn)壓作用。
3.4 增加啟動鍋爐故障分析手段
啟動鍋爐跳閘時，故障信息顯示在燃燒控制器上，而故障信息只能顯示故障代碼。故障代碼出現(xiàn)后，對照相應(yīng)的報警信息再進(jìn)行排查，故障分析手段較少，可增加相應(yīng)的壓力測點，在畫面實時顯示，并進(jìn)入歷史趨勢。
1) 增加燃燒器調(diào)壓閥前、閥后壓力變送器：當(dāng)壓力出現(xiàn)較大波動時，調(diào)壓閥可能跳閘關(guān)閉、燃燒器有可能熄火等，可以判斷出燃燒器熄火是否是調(diào)壓閥問題。
2) 增加燃燒器關(guān)斷閥間、閥后壓力變送器：可檢測關(guān)斷閥泄漏情況，可判斷出啟動初期是哪個閥門引起的檢漏故障。
3.5 密切監(jiān)視鍋爐燃燒情況，適時進(jìn)行燃燒調(diào)整和定期工作
在鍋爐啟動、帶負(fù)荷運行各個階段，通過觀察孔密切監(jiān)視燃燒器火焰強(qiáng)度及顏色，可判斷燃燒器的空燃比是否正常。燃燒異常時，適時進(jìn)行燃燒調(diào)整。同時加強(qiáng)定期工作，定期檢查燃燒器燃?xì)忾y、空氣擋板、再循環(huán)擋板是否卡澀，定期給油脂，執(zhí)行機(jī)構(gòu)指令與反饋跟蹤良好。
4 結(jié)語
啟動鍋爐作為燃?xì)怆姀S重要的公用系統(tǒng)，為電廠啟動初期提供輔助蒸汽，可靠性和穩(wěn)定性對主機(jī)***穩(wěn)定運行起到至關(guān)重要的作用，特別是當(dāng)機(jī)組冷態(tài)啟動時，啟動鍋爐能否穩(wěn)定提供品質(zhì)合格的蒸汽決定著機(jī)組的啟動成功率和并網(wǎng)準(zhǔn)點率。通過對燃燒器控制時序圖的分析、燃燒器主燃?xì)忾y電源回路優(yōu)化、燃燒器火焰探測器穩(wěn)定性提升等一系列措施，有效地提高了啟動鍋爐的啟動成功率和穩(wěn)定性，有力地保證了燃?xì)饴?lián)合循環(huán)機(jī)組的***穩(wěn)定運行。
