摘 要：本文通过分析燃气电厂启动锅炉燃烧器控制时序图，采取主燃气阀电源回路优化、燃烧器火焰探测器稳定性提升等措施，有效提高启动锅炉的启动成功率和稳定性，保证燃气联合循环机组启动初期所需要辅助蒸汽的蒸汽品质，提高机组启动成功率和并网准点率。
关键词：启动锅炉；燃烧器；控制系统；改造；优化
0 前言
某GE 9F 燃气电厂配套了2 台荷兰HKB 公司的SHP-D启动锅炉，两台锅炉一用一备，燃料来源为天然气。该锅炉为采用三回程全湿背结构的火管快装锅炉，三回程全湿背结构可使烟气温度降到合理的范围，从而烟气与锅炉炉水的热量转换达到最佳效果，具有较高的热效率。
该锅炉采用双炉膛布置，配置双燃烧器，每个燃烧器手动可单独启动，但仅作为应急启动，不可长时间运行。
正常运行时，燃烧器处于自动控制状态，接受控制系统的负荷指令，自动调节燃料量和空气量，同时两个燃烧器之间互为联锁跳闸，其中一台燃烧器故障跳闸时，另外一台燃烧器联锁跳闸。
燃烧器的运行调整包含燃气进口压力调整、空气量调整，务必使炉膛内保持正常的稳定燃烧，火焰中心应呈明亮的蓝色，炉内保持正压，烟囱不冒黑烟，在初期调试阶段，应使用延期分析仪，分析排烟成份，使排烟达到排放标准。
1 启动锅炉的设计可靠性要求
对于GE 9F 级单轴联合循环机组来说，机组启动和停止时必须给汽轮机提供轴封用汽、低压缸冷却用汽，所以机组启动和停止完全依赖于启动锅炉的正常工作。
同时燃机机组的频繁快速启停对启动锅炉可靠性有很高的要求[1]。
启动锅炉对可靠性的要求至少包括3 个方面：故障率低；维护简单，可维修性好；使用寿命长，能在燃机机组的设计寿命期内可靠运行。
对于燃机机组，可以用启动成功率指标来较好反映启动锅炉的可靠性，其定义如下：启动成功率= 启动成功次数/启动总次数，一般要求启动成功率应该保证在95% 以上[2]。
2 启动锅炉燃烧系统控制原理
2.1 燃烧器系统组成
启动锅炉燃烧器系统组成见图1。天然气经过过滤器过滤后，进入调压关断组合阀，组合阀起到燃气降压和阀前后差压大保护遮断作用。经过调压后的天然气主路经过主燃气阀1 和主燃气阀2 后，通过燃料阀调节燃料量，最后进入燃烧器进行燃烧。燃烧器点火初期时，在主路配置有点火分支，通过开启点火阀1 和点火阀2，将小流量的点火燃料送入燃烧器进行小火焰点火[3]。
图1 燃烧器系统组成
Fig.1 Burner system
2.2 燃烧系统控制过程
燃烧控制系统设置本地、远程控制切换开关，本地控制模式为PLC 控制柜上启动和停止，远程控制模式为PLC控制。燃烧控制功能全部在Etamatic 电子复合调节器中实现，一个调节器单独控制单个燃烧器，同时电子负荷调节器将工作状态、点火过程、保护动作信号、运行、故障信号送入PLC 控制系统。
当锅炉从冷态到热态启动时, 先由电子复合调节器的点火程序自动完成点火前的安全启动连锁检查、风机启动、风压验证、阀门检漏、炉膛吹扫、点燃小火，火焰检测器检测火焰正常后引燃大火直到运行正常, 运行正常后, 锅炉投入正常运行。此时, 燃烧控制（自动/ 手动可切换）切至由锅炉压力来控制，此系统可根据锅炉压力的设定值的大小，再通过PLC 的PID 运算，运算结果输出至燃烧器上的伺服机构以带动燃料量和风量的驱动装置控制锅炉的燃烧负荷, 以满足锅炉热负荷的需要。
2.3 燃烧系统控制时序分析
燃烧系统控制时序图见图2。
图2 燃烧系统控制时序图
Fig.2 Control of combustion system sequence diagram
程序时序图时间说明：
①燃气安全回路空气压力低开关扫描时间，设定值：任意值。
②检漏测试时压力建立时间，设定值：2s。
③伺服马达驱动运行时间，设定值：30 ～ 60s。
④再循环档板延迟时间，设定值：0 ～ t5。
⑤ 通风时间，设定值：30~999s 可调。
⑥ 变压器预先通电时间，设定值：3s。
⑦ 第一安全周期，设定值：4s。
⑧ 稳定周期，设定值：3s。
⑨ 第二安全周期，设定值：3s。
⑩ 运行相位，设定值：任意。
⑪ 控制模式，设定值：任意。
⑫ 燃气测试管路上的压力缓减时间，设定值：3s。
⑬ 吹扫时间，设定值：0~999s 可调。
⑭ 基本负荷控制单元。
⑮ 燃烧后时间，设定值：0~20s 可调。
⑯ 火焰熄灭检查，设定值：5s。
⑰ 检漏燃气阀2，设定值：30s。
⑱ 自检。
程序时序分析：
1) 锅炉安全互锁电路为PLC 联锁回路，此信号为1 时，燃烧器允许运行。
2) 燃气安全互锁电路为燃烧器间联锁回路，当另外一个燃烧器跳闸时，联锁跳闸本燃烧器，避免单燃烧器长时间运行。
3) 点火前炉膛吹扫：炉膛点火前必须进行炉内吹扫，避免炉膛点火时出现爆燃。当燃烧器接收到启动指令时，风机立即启动，空气挡板在t3 时间开到最大位置后，持续t5 吹扫时间后，关小至点火位置；燃料阀在t3 时间开到最大位置后,立即关小至点火位置；再循环挡板在t5 吹扫时间内从关闭状态开启至最大位置，吹扫时间结束后，关小至点火位置。
4) 点火前燃气主阀泄漏试验：燃烧器启动时，打开燃气主阀1，持续2s，在燃气主阀1 和燃气主阀2 之间建立起检漏压力，进行阀门泄漏试验。在30s 内，如果检漏压力开关状态未发生变化，则阀门泄漏试验成功，进入点火阶段，否则燃烧器跳闸。
5) 燃烧器点火阶段：空气挡板、燃料阀、再循环挡板在吹扫时间t5 结束后，处于点火位置时，点火变压器预先通电3s，持续至第一安全周期4s。在点火变压器通电的同时，燃气主阀1 和点火电磁阀打开，通过点火管线向燃烧器通入点火燃气进行燃烧。在第一安全周期和稳定周期结束后，燃气主阀2 打开，向燃烧器通入运行燃气进行燃烧。在第二安全周期结束后，点火电磁阀关闭。在点火和运行阶段，火焰信号应从稳定周期开始处于稳定检测状态，否则将会
跳闸燃烧器。
6) 燃烧器运行阶段：燃烧器在t10 内，根据PLC 给定的负荷指令，由电子复合调节器计算出空气挡板、燃料阀、再循环挡板的调节指令，驱动执行机构，控制合适的空气燃料比例。
3 启动锅炉燃烧器稳定性问题分析
某燃气电厂自投运以来，启动锅炉启动成功率偏低，影响机组的安全运行。以下分析几起启动失败事件。
3.1 #1、#2 启动锅炉启动失败事件
2012 年6 月12 日，#1、#2 启动锅炉启动时点火失败。经就地检查，#1、#2 启动锅炉4 台燃烧器启动故障代码均为H601，此故障代码对应的故障描述为：检漏失败、燃气压力一直存在。
检查处理过程：
1) 检查燃烧器主燃气阀1 和主燃气阀2 之间的燃气压力低开关，开关动作正常，可排除压力开关故障。
2) 检查燃烧器主燃气阀1 和主燃气阀2。当燃烧器启动时，发现两个燃气阀均未动作。根据燃烧器控制时序图分析，燃烧器启动时，首先打开主燃气阀1 进行检漏压力建立，然后进行30 秒的阀门泄漏试验，所以燃烧器启动故障跟主燃气阀1 未动作有直接联系。根据图纸检查主燃气阀1 的工作电源，发现PLC1 控制柜内编号为Q7 的空气开关在分位，送上空气开关后，#1 启动锅炉启动正常，接着#2 启动锅炉也启动正常。
分析认为：空气开关额定电流容量为4A，此开关控制#1 启动锅炉、#2 启动锅炉的#1 和#2 燃烧器共4 台主燃气阀1，而主燃气阀1 电磁阀工作电流为2A，当同时启动两台启动锅炉时，4 个主燃气阀1 电磁阀工作电流为8A，超过空气开关额定电流容量，所以导致跳闸。
改进措施：增加2 台启动锅炉的8 个主燃气阀电磁阀工作电源单独分开，每台启动锅炉中每个燃烧器的主燃气阀1、主燃气阀2 增加独立的额定电流2A 空气开关, 此两个空气开关上游增加额定电流4A 的空气开关。优化后的燃烧控制器接线图纸见图3。
图3 燃烧控制器接线图
Fig.3 Ignition controller wiring diagram
3.2 提高燃烧器火焰探测器信号检测稳定性
统计2014 年启动锅炉启动故障问题，有20 起左右的启动失败事件与燃烧器火焰探测器信号检测不稳定有直接关系。燃烧器火焰检测器在锅炉启动初期频繁出现检测不到火焰的现象。分析认为启动初期火焰强度较小，火焰检测二次表判断为无火焰，导致启动失败。因此制定了一系列措施提高火焰检测稳定性。
1) 对火检进行微调。启动初期火焰强度小，对火检安装位置及角度要求高，可对火检进行反复微调，尽可能达到检测最佳效果。
2) 论证是否可以提高点火管线的通流管径，增加点火时的天然气流量，增加点火火焰强度。
3) 厂家燃烧调整时，要求厂家通过调整稳焰盘和风门挡板等手段，尽可能将启动初期的火焰强度调整到最大。
4) 增加火焰探测器。采用同为紫外检测原理的燃机火检探头，安装在燃烧器上，火焰信号引入PLC 进行观察。如果火焰信号满足启动初期检测效果的话，可取消原有的火检。安装燃机火检探头时，需要加工相应的配套安装底座。
实施效果：
在实施措施1) 后，火检安装位置反复调整，但未达到最佳检测效果，火检信号检测稳定性未有明显提高。
措施2) 经过技术论证，认为点火管线的通流直径与燃烧器的点火特性有关，不可随意变更管线直径。
措施3) 厂家对燃烧器燃烧状态进行空气燃料比例调整，适当调整了燃料阀、空气挡板、再循环挡板，而且尽可能将火焰强度调整到最大状态，但是火焰信号稳定性未能得到明显改善。
在实施措施4) 过程中，由于燃机火检探头检测为大火焰信号，而启动锅炉为小火焰信号，基本无法采集到火焰。
而在火检探头反复试验过程中，发现可以将火检信号做一定的延迟处理以提高稳定性。经过分析，决定进行逻辑优化：将火焰模拟量信号及火检继电器输出的开关量信号引入PLC 控制器中，将火检强度大于30% 的模拟量信号和火检继电器开关量信号形成逻辑关系，并输出1s 延时后返回燃烧控制器。逻辑优化后，启动锅炉未发生因火焰信号问题而导致的跳闸。
3.3 提高燃烧器前压力稳定性
燃烧器调压阀后压力是否稳定决定燃烧状况，压力波动大时，可能导致调压阀跳闸或直接熄火等状况。因此在启动锅炉的调压阀后增加安全阀，阀后压力高于安全阀整定值时进行放散，起到稳压作用。
3.4 增加启动锅炉故障分析手段
启动锅炉跳闸时，故障信息显示在燃烧控制器上，而故障信息只能显示故障代码。故障代码出现后，对照相应的报警信息再进行排查，故障分析手段较少，可增加相应的压力测点，在画面实时显示，并进入历史趋势。
1) 增加燃烧器调压阀前、阀后压力变送器：当压力出现较大波动时，调压阀可能跳闸关闭、燃烧器有可能熄火等，可以判断出燃烧器熄火是否是调压阀问题。
2) 增加燃烧器关断阀间、阀后压力变送器：可检测关断阀泄漏情况，可判断出启动初期是哪个阀门引起的检漏故障。
3.5 密切监视锅炉燃烧情况，适时进行燃烧调整和定期工作
在锅炉启动、带负荷运行各个阶段，通过观察孔密切监视燃烧器火焰强度及颜色，可判断燃烧器的空燃比是否正常。燃烧异常时，适时进行燃烧调整。同时加强定期工作，定期检查燃烧器燃气阀、空气挡板、再循环挡板是否卡涩，定期给油脂，执行机构指令与反馈跟踪良好。
4 结语
启动锅炉作为燃气电厂重要的公用系统，为电厂启动初期提供辅助蒸汽，可靠性和稳定性对主机安全稳定运行起到至关重要的作用，特别是当机组冷态启动时，启动锅炉能否稳定提供品质合格的蒸汽决定着机组的启动成功率和并网准点率。通过对燃烧器控制时序图的分析、燃烧器主燃气阀电源回路优化、燃烧器火焰探测器稳定性提升等一系列措施，有效地提高了启动锅炉的启动成功率和稳定性，有力地保证了燃气联合循环机组的安全稳定运行。
作者简介：
王小江（1979-），男，福建南安人，本科，福能集团 晋江天然气发电有限公司，高级工程师，长期从事大型发电机组热工技术管理工作。
参考文献：
【1】章素华主编. 燃气轮机发电机组控制系统[M]. 北京: 中国电力出版社,2012.
【2】国家能源局. 防止电力生产事故的二十五项重点要求及编制释义[M]. 北京: 中国电力出版社,2014.
【3】中国华电集团公司编. 大型燃气- 蒸汽联合循环发电技术丛书. 设备及系统分册[M]. 北京: 中国电力出版社,2009.
