WNS 型燃气蒸汽锅炉控制原理及维护实例

蔡科涛，王 雪

（1.川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川广汉 618300；2.四川宏大安全技术服务有限公司，四川广汉 618300）

0 引言

锅炉能为工业生产提供热源，是石油化工行业不可缺少的重要设备。其安全、平稳运行，为工业生产提供稳定热源，才能保证工业生产产品品质。

1 锅炉控制原理

锅炉控制系统是一个大惯性、大滞后且互相影响的复杂系统。本系统由一次仪表、二次仪表、手自动切换操作部分、程序控制器、PLC、触摸屏、执行机构、燃烧器等组成[1]。WNS 型蒸汽锅炉在电控柜中同时配有PLC、触摸屏、程序控制器、水位控制器、压力控制器及负荷控制器等监测、控制、显示装置，控制原理如图1 所示。

各控制元件功能说明:

（1）水位控制器：采用欧姆龙61F-G3 型，在工频状态下，用于控制锅炉位式进水，以确保锅炉水位在正常范围内，同时，输出信号到PLC 进行工频时水位显示，并输出水位极低连锁信号至程序控制器连锁停炉。

（2）程序控制器：采用西门子LFL1.322 型，用于控制和监测燃烧器工作状况，以实现整个燃烧过程的自动运行。程序控制器主要是对燃烧机的控制，对汽包液位不做控制，只作低液位连锁停炉，是锅炉控制系统的核心元件。

（3）负荷控制器：采用西门子RWF40 型数字调节器，用于不断检测压力传感器检测的锅炉压力，将压力信号与设定值进行比较，经运算输出开关信号到燃烧机，控制风门大小，调节空燃比，进行负荷调整，从而进行大小火的转换，达到锅炉蒸汽压力的平稳控制。

（4）压力控制器：用于实时监测锅炉蒸汽压力，设置汽压超高报警，采用常开触点，报警时触点闭合，以配合程序控制器、PLC 及时控制锅炉启停，保障锅炉的安全运行。同时，压力控制器的设定值要在安全阀设定值以下，以确保在超压情况下，安全阀作为最后一道保护屏障，不需经常起跳，减少故障的发生。

（5）液位调节器：采用欧姆龙E5EK 型数字控制器，将液位变送器检测的实时水位模拟信号（4～20）mA 与给定值进行比较，经PID 运算，输出（4～20）mA 的电流信号给变频器，控制水泵的运行频率。同时，变频器输出两组触点信号给PLC 完成变频器故障和水泵启停的检测。液位变送器采用EJA110A 与双室平衡容器配套检测。

（6）PLC：采用欧姆龙SYSMAC CPMZAH 型号，以上各控制元件同时都有信号传入PLC，PLC 对接收的信号不断进行分析、判断，对以上各控制元件有监控作用，将处理信号传给触摸屏，通过触摸屏将锅炉的运行状态及时显示出来。同时，可通过触摸屏进行人机对话，对锅炉进行控制操作。

（7）触摸屏：采用欧姆龙NT31-ST122-EV2 型，是锅炉当前所处状态的实时显示装置，也是对锅炉实施操作控制的面板。

图1 锅炉控制原理

2 维护实例

2.1 锅炉上水时水泵频繁启停处理

该锅炉的水位监测，主要采取现场玻板显示、液位变送器显示及水位电极控制三种方式。双色、平板玻璃液位计，主要用于司炉工及现场巡检直观观察[2]。由于锅炉进水使用装置上返回的冷凝水，含杂质较多，经常导致液面计结垢脏污，需经常排污和清洗。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数[3]：水位过高或急剧波动，会破坏汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水过多，增加在管壁上的结垢进而影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时更可能导致干锅，损坏锅炉，造成人员伤亡或重大安全事故。水位控制器通过检测水位电极信号判断锅筒内水位状态，并据此控制水泵的启停[4-5]。控制原理如表1 所示。

表1 水位控制原理

经仔细检查，水位测量、电极逻辑都正常，将电极棒整体取出后发现，“低水位”与“高水位”两支电极棒长度相差只有1 cm。因低液位电极棒不可能调整，根据工况考虑后将高水位电极棒截短，泵的频繁启停得到有效解决[6]。

2.2 水位电极逻辑错误的处理

对水位电极逻辑错误的故障原因分析及处理措施：

水位控制器工作原理：水位控制器加在电极棒上是8 V的交流电源，接地线与锅壳相连。当水电极两端的电阻低于50 kΩ 时，控制器即认为水面已高于电极，当水电极两端的电阻升至200 kΩ 以上时，控制器即认为水面已高于电极。

由于锅炉进水使用装置上回来的冷凝水，含杂质较多容易结垢，经停炉取出电极棒发现，电极棒上果然结垢严重从而导致电阻值升高，使水位检测精度降低，出现电极水位逻辑错误，经清洗电极棒后，故障消除。

2.3 液位变送器测量值在固定范围内变化的处理

该锅炉汽包液位检测采用的是双室平衡容器配差压变送器的原理。双室平衡容器是一种结构巧妙具有一定自我补偿能力的汽包水位测量装置，他能最大限度的削弱汽水密度变化对常规运行水位差压的影响，实践证明，该系统运行良好，测量精度高，效果明显[7-8]。

而该锅炉在运行的过程中，出现变送器检测的液位在固定的范围内变化，与现场玻璃板液位计的显示偏差很大的现象。结合双室平衡容器的工作原理，经分析、检查发现此故障为双室平衡容器穿漏，导致正、负压侧差压发生变化所致。经停炉更换双室平衡容器，投运后，液位显示正常，与现场玻璃板液位计相符，故障得到解决。

2.4 负荷控制调节不合理的处理

该锅炉负荷控制器采用的是西门子RWF40 控制器。RWF40 接收压力传感器西门子QBE2002 传输的（0～10）V 信号，对应量程为（0～2.5）MPa，通过运算，输出开关量信号去控制燃烧器阀门开度，进而控制火焰大小，达到负荷调节的目的。在实际运行中，因数显表控制参数的设置不当，导致燃烧器阀门开度频繁变化，火力变化也就很大，导致汽包压力波动大，装置蒸汽供气不平稳，对后工段工艺控制造成不稳定。经查阅使用说明书，根据现场工况采用经验法和实践跟踪法，对部分控制参数进行调节，如表2 所示。

表2 参数调节前后对比

经修改设定值后，燃烧器运行平稳，锅炉的压力、负荷也相对很平稳。

2.5 燃烧器故障处理

燃烧器是锅炉控制系统的核心部件，燃烧器故障引起的锅炉不能启炉、故障停炉，是锅炉运行中最常见，也是较为复杂的难点问题[9]。

2.5.1 锅炉不能启炉

锅炉压力、液位、各种连锁信号等一切正常，但不能启炉。启炉时出现故障报警，不能启炉，根据程序控制器上的故障停留位置，参考故障说明，根据程序控制器故障显示窗口上的符号，发现如果在启动至点火之间发生未用任何符号说明的故障停机，那么通常是由于超前的（即错误的）火焰信号所致。经认真细致的排查，发现火焰检测电眼有烧坏痕迹，更换火焰检测电眼后，恢复正常。

2.5.2 无法启炉

启炉过程中，风压无显示，无法启炉。由于该锅炉动力电采用双电源形式，在一次切换电源之后，启运锅炉发现，风机正常运转却无风压显示，导致无法启炉。参照锅炉电路图对“风压开关S10”电位点检查，硬件是良好的，线路也无故障。再查，发现在切换电源时，电源相序接反了，导致风机反转，无风量进入回路。更正后，恢复正常。

2.5.3 火焰燃烧状况不好

只有燃料和空气的混合比例匹配时，才能达到完全燃烧。配风比不当，引起火焰燃烧状况不好。完全燃烧既可以提高锅炉的燃烧效率，达到节能降耗的目的，对锅炉本体也有很好的保护作用。燃气锅炉正常的燃烧状况判断[10]：①火焰呈红黄色，烟囱冒黑烟，表示空气量过小；②火焰中心带红黄色，边缘带蓝色，炉内充满火焰，烟无色透明，表示燃烧充分；③火焰呈明显蓝色，烟囱冒白烟，表示空气量过大。

该锅炉在运行一段时间后，通过后视镜观察火焰燃烧状况，发现火焰呈红黄色，烟囱冒黑烟。经停炉将风机过滤网拆下彻底清洗，并调整伺服机构的风、气阀配比开度，使火焰的燃烧状况达到了最佳状态。因风机离地面高度不到60 cm，长期运行，过滤网容易堵塞，导致风量减小，影响燃烧效果，所以要定期清除燃烧器里面的灰尘。

2.5.4 启炉时点火失败

在启炉过程中，点火时，主气阀打开的一瞬间，通过后视镜观察，有点火火焰出现，有瞬间的燃烧，但因点火负荷时燃气阀开度较小，相对风量稍大，空燃比瞬间无法跟踪匹配，点火失败。通过调节伺服机构凸轮限制开关的开度，空燃比正常，启炉正常。调整数据如表3 所示。

表3 空燃比伺服机构调节

2.6 其他维护处理[11]

2.6.1 锅炉周期性停炉

在没有任何报警及异常的情况下，锅炉连续多天在同一时刻无故障停炉。经查验，系面板控制器上系统参数设置有误，设置了定时启停功能，改动后一切正常。本次情况点也对锅炉日常操作提出了较高要求。

2.6.2 其他维护点

锅炉维护的其他关键点主要有零部件、安全附件的检查、日常保养及调整，包括燃气压力调节等，是锅炉维护的常规也是重要的操作点。

3 结束语

锅炉的日常维护保养非常重要。水位电极、双室平衡容器与变送器的配套使用，以及直观的玻璃板液位计的利用，保障锅炉水位控制的平稳。液位控制PID 参数整定、负荷控制参数整定，优化锅炉的控制方式，提高锅炉控制水平，保障蒸汽的平稳供应，进而为装置的平稳安全生产提供重要保障。燃烧机作为日常维护保养的重点，特别是空燃比的调节，是保障锅炉正常高效运行的重要前提。通过对WNS 燃气蒸汽锅炉的控制原理的分析，结合实际维护工作，实现对锅炉的整体维护达到很好的效果。