锅炉的保护装置及手动控制

机组的保护装置与手动控制是机组设备的重要组成部份，对机组的安全运行起着重要的作用，其作用有三：一是当被控对象的变化少于给定范围以后，具备限制报案作用；二是当机组出现异常状况或操作失误时，具备连锁保护作用；三是当机组正常运行时，具备控制(或检测、指示)作用。

机组的自控保护装置从上述三个作用出发，可分为警报、连锁保护和手动控制三个系统。

一、锅炉的警报系统

机组的警报系统是由水位、压力和湿度的传感与声光信号装置互相串联而成的一个电路系统。当水位、压力和湿度处于极限位置时，指示灯将通过亮或灭、闪烁或色调区别来显示相应的状态，而扬声器讯号装置则通过发声达到报案作用。

(一)水位警报系统

为了保持机组水位正常，避免发生缺水或满水车祸，对蒸发量小于或等于2t/h的机组，应当装设高低水位警报器。它的作用是：当机组内的水位低于最高安全水位或高于最低安全水位时，水位警报器就手动发出报案响声和光讯号，告诫司炉人员快速采取举措，避免车祸发生。

水位警报器有安装在锅筒外和锅筒内两种。锅筒内的水位警报器因检修困难而渐趋淘汰。常用的有浮球式、磁铁式、电极式三种。

1.浮球式水位警报器

浮球式水位警报器的结构主要由报案军号、高水位针形阀，低水位针形阀、连杆、高水位浮球等钢梁组成，如图5-30所示。

当水位正常时，低水位浮球浸入在水底，高水位浮球悬于蒸气空间，曲轴处于水平平衡状态，两个针形阀关掉。

如水位高于最低水位线，则低水位浮球所受压强减小；如水位低于最高水位线，则高水位浮球所受压强降低，此刻均会破坏曲轴的平衡，而使针形阀开启发出警报。

图5-30浮球式水位警报器

1.报案军号2.高水位阀3.低水位阎4.与锅筒汽连管插口5.水位表汽连管插口6.曲轴7.高水位浮球8.低水位浮球9.水位表水连管插口10.施水管插口11.与锅筒水连管插口12.试水旋塞插口

2.磁石式水位警报器

磁石式水位警报器的结构主要由永磁钢组、浮球、三组水银继电器和调整箱等钢梁组成，如图5-31所示。当锅筒内的水位发生变化时，浮球也逐渐变化，进而推动永磁钢组上升或下跌，并拨通相应的高水位、低水位或极限低水位继电器发出警报讯号。为了提升水位警报器的灵敏度和使用寿命，有的单位使用干簧管二极管代替水银继电器，收到了较差的疗效。

图5-31磁石式水位警报器

1.极限低水位继电器2.永磁钢组3.调整箱组件4.浮球组件5.外壳6.浮球7.与锅筒水连管法兰8.与锅筒汽连管法兰9.低水位继电器10.高水位继电器

3.负极式水位警报器

这些警报器的原理是运用锅水的导电性，当水位发生变化到一定位置，因为负极和锅水的接触或分离，使机电回路闭合或断掉，以便显示出水位高低的讯号，使得发生音箱报案。

(二)超温报案系统

超温报案系统是由能发生电讯号的体温检测仪表和机电线路及报案装置所组成。常用的能发出电讯号的体温检测仪表是一种电接点压力式体温计，其机电原理见图5-32。

图5-32电接点压力式体温计机电原理图

1.接地点2.下限给定值接点3.上限给定值接点4.示值指示针接点5.讯号开关

电接点压力式湿度计的测温部份和压力式湿度计的原理和结构一样。当我们还要控制一定湿度范围时，可把给定指示针利用专用锁匙调整到给定值位置。当因为气温变化，使温包内的压力发生变化，使动接点的示值指示针联通，当被测介质的气温达到和超出最大(或最小)给定值时，指示针和给定值针重合，动接点便和上限接点(或下限接点)相接触导电，发出电的信号，通过机电线路闭合(或断掉)控制回路，达到报案和连锁保护目的。

(三)超压报案系统

额定蒸发量小于或等于6t/h的机组，应装蒸气超压报案和连锁保护装置。

超压报案装置是由能发出电讯号的压力检测仪表和报案装置等所组成。当机组出现超压现象时，发出警报，并通过连锁控制燃烧，如停止供应燃料、停止通风，使司炉人员能及时采取举措，以免导致机组超压起火车祸。

超压报案装置是一种电接点压力表，当我们还要控制一定压力范围时，可把给定值指示针利用专门锁匙调整到定值位置。当压力发生变化时，弹簧管件的自由端发生联通，因而使动接点的示值指示针发生摇动。当被测介质的压力达到和超出最大(或最小)给定值时，指示针和给定值指示针重合，动接点便和上限接点(或下限接点)相接触导电，发出电的信号，通过机电线路闭合(或断掉)控制回路，达到报案和连锁保护的目的。

二、锅炉的连锁保护装置

当机组的水位、压力、温度达到极限值以及循环泵出现故障时，机组的连锁保护装置投入工作，对于燃煤机组，主要是停止鼓、引水泵工作和控制炉排停止运行，以中断燃烧。对于汽油煤气机组，主要是截断燃料供应，于是按程序停炉。

(一)低水位连锁保护

当机组水位经过限值保护后，依然不能恢复正常，继续超限时，达到一定范围后，就应采取连锁保护举措。对于蒸气机组，因为低水位带给的害处比高水位大得多，所以，《锅炉安全技术监察细则》规定，2t/h以上的蒸气机组应当装设低水位连锁保护装置。

低水位连锁保护的线路原理是当机组处于极限低水位时，通过水位传感，把位置信号转化成联通号，运用该讯号控制电路中的常闭、常开继电器和开关。因为这种连锁继电器与二极管串联于鼓、引水泵以及燃烧系统的控制线路中，所以当发生低水位连锁保护时，保护继电器截断控制回路电源，进而达到紧急停炉保护的目的。

(二)超压连锁保护

当机组的蒸气压力超出限值时，需进行连锁保护，其方式就是停炉，即停止燃烧系统的工作，不使汽压继续上升，以避免机组发生超压起火车祸。超压连锁保护常适于额定蒸发量小于或等于6t/h的蒸气机组和冷水机组，以及在以油、气、煤粉作燃料的机组上作为安全控制。

超压连锁保护与低水位连锁保护的原理基本上相似，也是将水位讯号换成了压力讯号，一般选用电接点压力表、压力控制器及其他压力变换器，将机组还要连锁保护时的压力转化成继电器联通号，通过控制系统实现停炉。

(三)超温连锁保护

当开水机组的冷水水温超出了规定值时，燃煤机组应手动截断鼓、引风装置，汽油煤气机组应手动截断燃料供应。

超温连锁保护与超压连锁保护的原理基本相似，此处无需深究。

（四）循环风机的连锁保护

循环风机主要为冷水机组进行冷水循环之用。按照冷水机组的工作特点，应当保证工作时循环水不致中断。因而，循环风机主要控制保护电路有：循环风机与备用泵间的连锁保护（手动投入）和循环风机与燃烧系统间连锁保护（紧急停炉）。

(五)汽油煤气机组的紧急停炉连锁保护

当水位、压力和湿度达到极限值时，汽油煤气机组的连锁保护就是截断油、气供应，按程序进行吹扫后紧急停炉。其线路原理就是用连锁保护装置的连锁继电器串联于汽油煤气机组控制线路总停止回路中，当发生连锁保护时，保护继电器截断总控制回路的相应电源，以便达到紧急停炉保护的目的。

(六)褐煤炉、燃油煤气炉打火保护装置

因为机组窑炉打火时，会忽然改变窑炉内光和热幅射状态，可运用装在熔池壁上的测试器件，把光幅射速率的变化转化为电量，通过机电线路和开关等推动执行机构来截断燃料供应，同时发出相应讯号。那样就可以避免即便窑炉打火，而燃料依然供应，导致窑炉失火车祸。

火焰测试装置的测试器件，主要有光导管(光敏电感)和紫外光敏管两种。

火焰测试点的数目和位置，应能保证窑炉即便打火，能及时进行反应。一般装在火焰燃烧器下部大火孔附近位置。

(七)防爆门

以烟煤、油或易燃性氢气为燃料的室燃机组在打火或运行中若果操作不当，就或许导致窑炉或尾部烟道发生坍塌或二次燃烧。严重的坍塌会造成炉墙和烟道的断裂、倒塌，锅筒和受压器件的毁坏，尾部受热面被烧毁，某些的也有发生水塔炸坏的车祸，有时还能引起人员的死伤。在室燃机组上安装防爆门，作用是在熔池或烟道发生轻微起火时，能自行开启泄压，防止车祸的扩大，因而保护机组尤其是炉墙的安全。

常用的防爆门有翻板式和爆破膜式两种方式。如图5-33、图5-34、图5-35所示

图5-33倾斜翻板式防爆门

1.炉墙2.窗框3.门盖4.耐火保温材料5.窑炉

图5-34平行翻板式防爆门

1.门盖2.门座3.杠杆4.耐火保温材料5.重锤6.石棉绳

图5-35爆破膜式防爆门

1.爆破膜2.夹紧装置3.管箍

三、锅炉的手动控制

(一)水位手动控制

水位手动控制称作给水手动调节，其任务是在各类负荷条件下，控制给水量，使踏入锅内的给水量与机组蒸发量保持基本平衡。这些控制有单冲量、双冲量和三冲量控制三种。

1.单冲量给水控制系统

这些控制系统是以锅筒水位为被调参数来调节给水流量的。执行机构可以是电机的继电器，也可以是电动给水调节阀。

对于大型机组，蒸发量大于4t/h的机组，设计中通常选用浮球式给水手动调节器作为手动给水装置传感。如图5-36所示，它由筒体、浮球、调整箱等钢梁组成。

图5-36浮球式给水手动调节器

1.调整箱2.浮球3.筒体BB—泵继电器RR—燃烧继电器JJ—警报继电器

这些调节器既有手动调节给水的作用，又有高低水位报案作用。锅筒内的水位正常时，浮球浮在筒体的中部；若锅筒内的水位发生变化时，浮球则随水位的变化而变化，推动永久磁铁组运动。因为磁体是相斥的，磁铁组推动水银继电器，可猛然断合，那样在不同的水位可使给电机或警报器开关动作，以便完成开停泵或报案工作。

2.双冲量给水控制系统

双冲量给水控制系统以锅筒水位和蒸气流量这两个冲量为被调参数，来调节给水调节阀的开度。因为蒸气流量的变化早于水位的变化，所以这些控制系统的调节功能比较好，可以降低水位的波动。该系统的原理如图5-37所示。

图5-37双冲量给水控制系统图

3.三冲量给水控制系统

这些系统以锅筒水位、蒸汽流量和给水流量为冲量来调节给水调节阀的开度，维持水位的稳定。该系统的原理如图5-38所示。三个冲量中锅筒水位是主参数，给水流量是反馈讯号，蒸气流量是卷积讯号。三冲量给水控制较前两种给水稳定得多，能满足负荷多变、给水压力波动经常等复杂隋况，所以在工业窑炉中得到愈来愈广泛的应用。

图5-38三冲量给水控制系统图

(二)燃烧调节的手动控制

燃烧的手动调节就是在控制机组出口的蒸气压力（冷水水温或室内气温、室内气温）为一定值的前提下，调节燃料药量。为了达到合理的燃烧，还应当对燃烧的质量加以控制，即可按照机组排出的烟气含氧量来控制通风系统，调节通风量，以保持过量的适量空气系数，提高机组的热损失。因而，一个完整的燃料调节，实际上包括机组蒸气压力(冷水水温或室内气温、室内气温)的调节、燃烧设备燃烧量的调节、空气量的调节、炉膛压力的调节和鼓、引水泵的控制。

1.燃煤机组燃烧调节的手动控制

燃煤机组的压力位式控制原理如图5-39所示。机组蒸气压力由电接点压力或其他压力控制器转化为继电器讯号，控制燃烧系统鼓、引水泵、炉排根据程序进行启停工作，以达到控制压力的目的。当压力低于上限整定值时，压力控制器送出一继电器讯号，通过控制系统使鼓水泵、炉排等停止运行。经过一定时间延时以后停止引水泵运行，使机组蒸气压力升高。当压力升高到高于下限整定值时，压力控制器又送出另一继电器讯号，通过控制系统使引水泵首先启动，经过一定延时以后，再启动鼓水泵和炉排运行，使燃烧系统恢复工作，机组压力再次上升。那样就可使蒸气力保持在一个预定的范围之内变化。

压力的位式调节还可以采取控制水泵和炉排速率的步骤来进行，那样除了可以达到燃烧与负荷相平衡的目的，但是还可以节约水泵和炉排电动机的电能消耗。这些调节方式的关键是须要搭载双速节能电动机，因为水泵的风量与扭矩成反比，而电动机的煤耗又与扭矩成三次方关系，在风量减少到额定值的l/2时，电动机的功率也将提高到原先的l/8。普通电动机节能比较小，而节能电动机可达l/5。在机组压力高(即负荷小)时，水泵和炉排低速运行；机组压力低(即负荷大)时，水泵和炉排高速运行，这与前述的水泵、炉排随压力高低而启停控制的原理相似，用一压力控制器的继电器讯号即可以实现这一功能。因为对蒸气压力的调节是以调节燃料量为主，蒸气压力和蒸气流量，经调节器进行估算、调节转变为机电讯号，通过炉排的减速机构来控制燃料量，以便达到蒸气压力的调节。这些调节.实际上只是对机组形成蒸气糖分的调节。

图5-39燃烧手动调节系统

通过冷水水温(或室内气温、室内气温)的位式调节所实现的冷水机组手动燃烧控制与上述相似。

为了使燃料燃烧，应当供应一定数目的空气。假如适量空气系数过大，将降低排烟热损失。因而，对每台运行机组，当它使用某些燃料时，都有最适合的适量空气系数值，而其值可以通过控制排烟处烟气中的气体和氧的浓度来达到，其中以控制氢气的浓度更能反映适量空气系数值。为此，测量排烟处的烟气中的含氧量，通过氢气测量仪并经转化，再到调节器进行估算、调节转化成机电讯号，并通过执行器控制鼓水泵的导向挡板。为了补偿氧量测量仪在检测上的滞后，应减少送风调节的动态偏差，在燃料调节器与空气调节器之间构建动态平衡。

窑炉负压的维持是选用负压调节器，即窑炉负压冲量，经过调节器估算、调节，通过执行器来控制引水泵的导向挡板。负压调节器除接受负压冲量外，还接受来自空气调节器的超前冲量，也就是说，在他们之间构建了动态联系。当空气调节器动作时，可以立刻通过动态联系使负压调节器也动作，那样能使窑炉负压的偏离不大。假如没有这个动态联系，负压调节器只有当送风量改变，导致窑炉负压变动后才会投入工作，那样都会使负压的动态误差加强。当载荷稳定后，动态联系的作用也就逐渐消失。

在手动调节系统中，还装有各式记录仪表、指示仪表、警报讯号和一些操作器。操作器的目的是拿来远距离对执行器进行自动操作。有的调节器上原本就带有操作器。另外也有给定器，拿来对这些参数(如压力、流量)的要求值，预选输送到调节器中，使参数不偏离给定值。

2.汽油(气)机组燃烧调节的手动控制

因为汽油(气)机组的燃料为液(气)态，对燃烧控制提供了极为有利的条件，现时国外生产的汽油(气)机组均为全手动燃烧调节。调节模式有两种：位式调节和比列调节。

(1)位式燃烧调节。其调节方式是按照蒸气压力推行分段调节，通常又可分为二段燃烧控制和三段燃烧控制，其调节系统如图5-40。

图5-40位式燃烧调节

当机组打火运行初始点或则当机组蒸气压力达到运行上限压力值循环流化床，停炉后，又回到下限恢复工作值时，其首先引爆一个喷头，即一段燃烧，其设计负荷为30%燃烧量。冷炉运行时，一段火燃烧，机组降压后，则可发力到二段燃烧。当机组燃烧达到满负荷运行，而汽压不断上升，达到额定上限工作压力值的90%或95%时，则手动切回到一段火燃烧。如压力继续上升，达到上限工作压力值时，则手动停炉。如燃烧负荷跟不上用汽负荷，则压力升高。到二段燃烧切换压力值时，又手动切到二段燃烧。那样周而复始，来完成燃烧负荷的调节。

当机组运行到其上限工作压力值停炉时，经过一段时间压力升高，恢复压力值时，其又有手动步入一段燃烧，恢复其手动调节功耗。

三段燃烧调节方法依次为“一段踏入二段、进入三段→停炉→压力升高→一段→二段→三段”循环运行。

以上的二段或三段运行原理的实现主要靠压力控制器、风门调节器、燃油电磁阀等基本器件，其关键是风门调节器。风门调节器的作用是：①自动分配分段燃烧的风量；②为开启分段燃烧打开电磁阀，提供连锁保护，即保证风门的开度仍然与汽油(气)的喷入量保持同步。而风门与喷油(气)量配比，则通过有经验的安装工程技术人员，在机组投入初始运行时，按其烟气检测进行调整。当最后确定以后，在将来的常年运行中，不作改变。

通过上述剖析，分段式燃烧调节较为简易，对于通常蒸气压力要求不高的场合循环流化床，均能有效的使用，但因为其段式燃烧的特点，使负荷量跳跃式变化。对蒸气压力影响较大，非常是二段燃烧只有30%、100%两段调节，通常适用于2～4t/h以下的大型机组使用，而三段式燃烧其负荷为30%、60%、100%跳跃，所以适合较大容量的机组，比如4～lOt/h的机组中使用。

(2)燃烧比列调节。燃烧比列调节是一种较为健全的手动控制系统，它能平缓地对燃烧负荷进行控制，使机组汽压较平缓地运行，与外界用汽负荷相平衡。

比列调节是单冲量调节，取机组炉膛蒸气压力(冷水水温)作冲量，由压力比列调节器将压力冲量变为电感讯号，与电动执行器中的位置电感讯号作比较，于是转化为拐角输出，推动执行机构曲轴或曲轴，改变进油调节阀和风门挡板开度，进而改变燃烧器的运行状态，以达到风油(气)比列配合，适应负荷变化。在风油(气)配比开度改变的同时都有反馈讯号回到调节器，以达到调节系统再次处于平衡。调节比列的范围为30%～110%，30%以下的负荷为开停控制，30%负荷为最低燃烧点。燃烧控制与调节特征曲线如图5-41所示。

图5-41燃烧控制与调节特征曲线

四、自动控制与保护装置的安全技术要求

（一）基本要求

(1)蒸气机组必须装设高、低水位报案(高、低水位报案讯号必须就能分辨)，额定蒸发量小于或则等于2t/h的机组，还必须装设低水位连锁保护装置，保护装置最迟必须在最低安全水位时动作。

(2)额定蒸发量小于或则等于6t/h的机组，必须装设蒸气超压报案和连锁保护装置，超压连锁保护装置动作整定值必须高于安全阀较低整定压力值。

(3)机组的过热器和再热器，必须依照锅炉运行模式、自控条件和过热器、再热器设计结构，采取相应的保护举措，避免金属壁超温；再热蒸气系统必须设置车祸喷水装置，使得能手动投入使用。

(4)安置在单层或则超高层建筑物内的机组，每台机组必须搭载超压(温)连锁保护装置和低水位连锁保护装置。

（二）控制循环蒸气机组

控制循环蒸气机组必须装设以下保护和连锁装置：

(1)锅水循环泵进出口液位保护。

(2)循环泵电动机内部温度超温保护。

(3)锅水循环泵出口阀与泵的连锁装置。

（三）A级直流机组

A级直流机组必须装设以下保护装置：

(1)在任何状况下，当给水流量高于启动流量时的报案装置。

(2)机组踏入纯直流状态运行后，工质步骤后边点气温超出规定值时的报案装置。

(3)给水的断水时间少于规定时间时，手动截断机组燃料供应的装置。

(4)亚临界及以上直流机组上下窑炉风冷壁金属气温超出规定值的报案装置。

(5)设置有启动循环的直流机组，循环泵电动机内部温度超温的保护装置。

（四）循环流化床机组

循环流化床机组必须装设风量与燃料连锁保护装置，当流化风量高于最小流化风量时，就能截断燃料供给。

（五）室燃机组

室燃机组必须装设具备以下功能的连锁装置：

(1)全部引水泵断电时，手动截断全部送风和燃料供应。

(2)全部送水泵断电时，手动截断全部燃料供应。

(3)直吹式制粉系统一次水泵全部断电时，手动截断全部燃料供应。

(4)汽油及其雾化工质的压力、燃气压力高于规定值时，手动截断汽油或则煤气供应。

(5)冷水机组压力增加到会发生熔化或则温度下降超出了规定值时，手动截断燃料供应。

(6)冷水机组循环风机忽然停止运转，备用泵未能正常启动时，手动截断燃料供应。

A级高压及以上机组，除符合前款(1)～(4)要求外，还必须有汽包高低压力连锁保护装置。

（六）打火程序控制与打火保护

室燃机组必须装设打火程序控制装置和打火保护装置，使得满足以下要求：

(1)在打火程序控制中，打火前的总通风量必须不大于3倍的从汽包到水塔进口烟道总体积；锅壳机组、贯流机组和非发电用直流机组的通风时间起码持续20s，水管机组的通风时间起码持续60s，电厂机组的通风时间通常必须持续3min以上。

(2)单位时间通风量通常保持额定负荷下的总燃烧空气量，电厂机组通常保持额定负荷下的25%～40%的总燃烧空气量。

(3)打火保护装置动作时，必须保证手动截断燃料供给，对A级机组还必须对窑炉和烟道进行充分吹扫。

（七）油、气体和褐煤机组燃烧器安全时间与启动热功率

1.燃烧器打火、熄火安全时间(注5-2)

用油、气体和褐煤作燃料的机组，其燃烧器应当保证打火、熄火安全时间符合表5-5、表5-6和表5-7要求。

注5-2：燃烧器启动时，从燃料踏入窑炉打火失败到燃料迅速截断装置开始动作的时间称为打火安全时间；燃烧器运行时，从火焰烧尽到迅速截断装置开始动作的时间称为打火安全时间。

表5-5汽油燃烧器安全时间要求

注5-3：假如汽油在50℃时的运动粘度小于20mm2/s，此值可以增至3s。

表5-6煤气燃烧器安全时间要求

表5-7燃粉煤燃烧器安全时间要求

2.燃烧器启动热功率

用油或则二氧化碳作燃料的机组，必须严苛限制燃烧器打火时的启动热功率。

(1)汽油机组燃烧器的启动热功率

①单台额定汽油量Be大于或则等于1OOkg/h的汽油燃烧器可以在额定输出热功率下直接打火；

②单台额定汽油量Be小于1OOkg/h的汽油燃烧器，不可以在额定输出热功率下直接打火，其最大容许启动流量Bsmax见表5-8。

表5-8汽油燃烧器最大容许启动流量要求

(2)煤气机组燃烧器的启动热功率

①单台额定输出热功率大于或则等于120kW的煤气燃烧器，可以在额定输出热功率下直接打火；

②单台额定输出热功率小于120kw的煤气燃烧器，启动热功率应该不小于120kW或则不小于额定输出热功率的20%。

（八）其他安全要求

(1)因为车祸造成主燃料系统断电，灭火后无法及时进行窑炉吹扫的必须尽早推行补充吹扫，不应该向早已打火停炉的机组窑炉内供应燃料。

(2)机组运行中连锁保护装置不应该随便退出运行，连锁保护装置的备用电源或则气源必须靠谱，不应该随便退出备用，使得定期进行备用电源或则气源自投实验。

(3)电加热机组的家电器件必须有靠谱的机电绝缘功耗和足够的机电耐压硬度。