锅炉的保护装置及自动控制

锅炉的保护装置与自动控制是锅炉设备的重要组成部分，对锅炉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超过给定范围之后，具有限制报警作用；二是当锅炉出现异常情况或操作失误时，具有连锁保护作用；三是当锅炉正常运行时，具有控制(或测量、指示)作用。

锅炉的自控保护装置从上述三个作用出发，可分为警报、连锁保护和自动控制三个系统。

一、锅炉的警报系统

锅炉的警报系统是由水位、压力和温度的传感器与声光讯号装置相互串联而成的一个电路系统。当水位、压力和温度处于极限位置时，指示灯将通过亮或灭、闪烁或颜色区别来显示相应的状态，而音响信号装置则通过发声达到报警作用。

(一)水位警报系统

为了保持锅炉水位正常，防止发生缺水或满水事故，对蒸发量大于或等于2t/h的锅炉，必须装设高低水位警报器。它的作用是：当锅炉内的水位高于最高安全水位或低于最低安全水位时，水位警报器就自动发出报警声响和光信号，提醒司炉人员迅速采取措施，防止事故发生。

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趋于淘汰。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警汽笛、高水位针形阀，低水位针形阀、连杆、高水位浮球等构件组成，如图5-30所示。

当水位正常时，低水位浮球浸没在水中，高水位浮球悬于蒸汽空间，连杆处于水平平衡状态，两个针形阀关闭。

如水位低于最低水位线，则低水位浮球所受浮力减少；如水位高于最高水位线，则高水位浮球所受浮力增加，此时均会破坏连杆的平衡，而使针形阀开启发出警报。

图5-30　浮球式水位警报器

1.报警汽笛　2.高水位阀　3.低水位阎　4.与锅筒汽连管接口　5.水位表汽连管接口　6.连杆　7.高水位浮球　8.低水位浮球　9.水位表水连管接口　10.施水管接口　11.与锅筒水连管接口　12.试水旋塞接口

2.磁铁式水位警报器

磁铁式水位警报器的结构主要由永磁钢组、浮球、三组水银开关和调整箱等构件组成，如图5-31所示。当锅筒内的水位发生变化时，浮球也随之变化，从而带动永磁钢组上升或下降，并接通相应的高水位、低水位或极限低水位开关发出警报信号。为了提高水位警报器的灵敏度和使用寿命，有的单位使用干簧管继电器取代水银开关，收到了较好的效果。

图5-31　磁铁式水位警报器

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

3.电极式水位警报器

这种警报器的原理是利用锅水的导电性，当水位发生变化到一定位置，由于电极和锅水的接触或分离，使电气回路闭合或断开，从而显示出水位高低的信号，并且发生音响报警。

(二)超温报警系统

超温报警系统是由能发生电讯号的温度测量仪表和电气线路及报警装置所组成。常用的能发出电讯号的温度测量仪表是一种电接点压力式温度计，其电气原理见图5-32。

图5-32　电接点压力式温度计电气原理图

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.信号继电器

电接点压力式温度计的测温部分和压力式温度计的原理和结构一样。当我们需要控制一定温度范围时，可把给定指示针借助专用钥匙调整到给定值位置。当由于温度变化，使温包内的压力发生变化，使动接点的示值指示针移动，当被测介质的温度达到和超过最大(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，发出电的讯号，通过电气线路闭合(或断开)控制回路，达到报警和连锁保护目的。

(三)超压报警系统

额定蒸发量大于或等于6t/h的锅炉，应装蒸汽超压报警和连锁保护装置。

超压报警装置是由能发出电讯号的压力测量仪表和报警装置等所组成。当锅炉出现超压现象时，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措施，以免造成锅炉超压爆炸事故。

超压报警装置是一种电接点压力表，当我们需要控制一定压力范围时，可把给定值指示针借助专门钥匙调整到定值位置。当压力发生变化时，弹簧弯管的自由端发生移动，从而使动接点的示值指示针发生转动。当被测介质的压力达到和超过最大(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，发出电的讯号，通过电气线路闭合(或断开)控制回路，达到报警和连锁保护的目的。

二、锅炉的连锁保护装置

当锅炉的水位、压力、温度达到极限值以及循环泵出现故障时，锅炉的连锁保护装置投入工作，对于燃煤锅炉，主要是停止鼓、引风机工作和控制炉排停止运行，以中断燃烧。对于燃油燃气锅炉，主要是切断燃料供应，然后按程序停炉。

(一)低水位连锁保护

当锅炉水位经过限值保护后，仍然不能恢复正常，继续超限时，达到一定范围后，就应采取连锁保护措施。对于蒸汽锅炉，由于低水位带来的危害比高水位大得多，因此，《锅炉安全技术监察规程》规定，2t/h以上的蒸汽锅炉必须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锅炉处于极限低水位时，通过水位传感器，把位置信号转换成电信号，利用该信号控制电路中的常闭、常开开关和继电器。由于这些连锁开关与继电器串联于鼓、引风机以及燃烧系统的控制线路中，因此当发生低水位连锁保护时，保护开关切断控制回路电源，从而达到紧急停炉保护的目的。

(二)超压连锁保护

当锅炉的蒸汽压力超过限值时，需进行连锁保护，其方法就是停炉，即停止燃烧系统的工作，不使汽压继续上升，以防止锅炉发生超压爆炸事故。超压连锁保护常用于额定蒸发量大于或等于6t/h的蒸汽锅炉和热水锅炉，以及在以油、气、煤粉作燃料的锅炉上作为安全控制。

超压连锁保护与低水位连锁保护的原理基本上相同，只是将水位信号换成了压力信号，通常采用电接点压力表、压力控制器及其他压力变换器，将锅炉需要连锁保护时的压力转换成开关电信号，通过控制系统实现停炉。

(三)超温连锁保护

当热水锅炉的热水温度超过了规定值时，燃煤锅炉应自动切断鼓、引风装置，燃油燃气锅炉应自动切断燃料供应。

超温连锁保护与超压连锁保护的原理基本相同，此处无需详述。

（四）循环水泵的连锁保护

循环水泵主要为热水锅炉进行热水循环之用。根据热水锅炉的工作特性，必须保证工作时循环水不致中断。因此，循环水泵主要控制保护电路有：循环水泵与备用泵间的连锁保护（自动投入）和循环水泵与燃烧系统间连锁保护（紧急停炉）。

(五)燃油燃气锅炉的紧急停炉连锁保护

当水位、压力和温度达到极限值时，燃油燃气锅炉的连锁保护就是切断油、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开关串联于燃油燃气锅炉控制线路总停止回路中，当发生连锁保护时，保护开关切断总控制回路的相应电源，从而达到紧急停炉保护的目的。

(六)煤粉炉、燃油燃气炉熄火保护装置

由于锅炉炉膛熄火时，会突然改变炉膛内光和热辐射状态，可利用装在炉膛壁上的检测元件，把光辐射频率的变化转换为电量，通过电气线路和继电器等带动执行机构来切断燃料供应，同时发出相应信号。这样就可以防止一旦炉膛熄火，而燃料仍然供应，造成炉膛爆炸事故。

火焰检测装置的检测元件，主要有光导管(光敏电阻)和紫外光敏管两种。

火焰检测点的数量和位置，应能保证炉膛一旦熄火，能及时进行反应。通常装在火焰燃烧器上部着火孔附近位置。

(七)防爆门

以煤粉、油或可燃性气体为燃料的室燃锅炉在点火或运行中如果操作不当，就可能引起炉膛或尾部烟道发生爆炸或二次燃烧。严重的爆炸会导致炉墙和烟道的开裂、倒塌，锅筒和受压元件的损坏，尾部受热面被烧坏，个别的还有发生烟囱炸坏的事故，有时还会造成人员的伤亡。在室燃锅炉上安装防爆门，作用是在炉膛或烟道发生轻度爆炸时，能自行开启泄压，避免事故的扩大，从而保护锅炉尤其是炉墙的安全。

常用的防爆门有翻板式和爆破膜式两种形式。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.门框　3.门盖　4.耐火保温材料　5.炉膛

图5-34　垂直翻板式 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.短管

三、锅炉的自动控制

(一)水位自动控制

水位自动控制亦称给水自动调节，其任务是在各种负荷条件下，控制给水量，使进入锅内的给水量与锅炉蒸发量保持基本平衡。这种控制有单冲量、双冲量和三冲量控制三种。

1.单冲量给水控制系统

这种控制系统是以锅筒水位为被调参数来调节给水流量的。执行机构可以是水泵的开关，也可以是电动给水调节阀。

对于小型锅炉，蒸发量小于4t/h的锅炉，设计中一般采用浮球式给水自动调节器作为自动给水装置传感器。如图5-36所示，它由筒体、浮球、调整箱等构件组成。

图5-36　浮球式给水自动调节器

1.调整箱　2.浮球　3.筒体BB—泵开关　RR—燃烧开关JJ—警报开关

这种调节器既有自动调节给水的作用，又有高低水位报警作用。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，带动永久磁钢组运动。由于磁极是相斥的，磁钢组带动水银开关，可突然断合，这样在不同的水位可使给水泵或警报器开关动作，从而完成开停泵或报警工作。

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汽流量这两个冲量为被调参数，来调节给水调节阀的开度。由于蒸汽流量的变化早于水位的变化，因此这种控制系统的调节功能比较好，可以减少水位的波动。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

这种系统以锅筒水位、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，给水流量是反馈信号，蒸汽流量是前馈信号。三冲量给水控制较前两种给水稳定得多，能满足负荷多变、给水压力波动频繁等复杂隋况，因此在工业锅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)燃烧调节的自动控制

燃烧的自动调节就是在控制锅炉出口的蒸汽压力（热水温度或室外温度、室内温度）为一定值的前提下，调节燃料用量。为了达到合理的燃烧，还必须对燃烧的品质加以控制，即可根据锅炉排出的烟气含氧量来控制通风系统，调节通风量，以保持适量的过量空气系数，减少锅炉的热损失。因此，一个完整的燃料调节，实际上包括锅炉蒸汽压力(热水温度或室外温度、室内温度)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、引风机的控制。

1.燃煤锅炉燃烧调节的自动控制

燃煤锅炉的压力位式控制原理如图5-39所示。锅炉蒸汽压力由电接点压力或其他压力控制器转换为开关信号，控制燃烧系统鼓、引风机、炉排按照程序进行启停工作，以达到控制压力的目的。当压力高于上限整定值时，压力控制器送出一开关信号，通过控制系统使鼓风机、炉排等停止运行。经过一定时间延时之后停止引风机运行，使锅炉蒸汽压力下降。当压力下降到低于下限整定值时，压力控制器又送出另一开关信号，通过控制系统使引风机首先启动，经过一定延时之后，再启动鼓风机和炉排运行，使燃烧系统恢复工作，锅炉压力重新上升。这样就可使蒸汽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风机和炉排速度的方法来进行，这样不仅可以达到燃烧与负荷相平衡的目的，而且还可以节省风机和炉排电动机的电能消耗。这种调节方法的关键是需要配备双速节能电动机，由于风机的风量与转速成正比，而电动机的能耗又与转速成三次方关系，在风量减少到额定值的l/2时，电动机的功率也将减少到原来的l/8。普通电动机节能比较小，而节能电动机可达l/5。在锅炉压力高(即负荷小)时，风机和炉排低速运行；锅炉压力低(即负荷大)时，风机和炉排高速运行，这与前述的风机、炉排随压力高低而启停控制的原理相同，用一压力控制器的开关信号即可以实现这一功能。由于对蒸汽压力的调节是以调节燃料量为主，蒸汽压力和蒸汽流量，经调节器进行计算、调节转变为电气信号，通过炉排的减速机构来控制燃料量，从而达到蒸汽压力的调节。这种调节.实际上也是对锅炉产生蒸汽热量的调节。

图5-39　燃烧自动调节系统

通过热水温度(或室外温度、室内温度)的位式调节所实现的热水锅炉自动燃烧控制与上述相同。

为了使燃料燃烧，必须供应一定数量的空气。如果过量空气系数过大，将增加排烟热损失。因此，对每台运行锅炉，当它使用某种燃料时，都有最适宜的过量空气系数值，而其值可以通过控制排烟处烟气中的二氧化碳和氧的含量来达到，其中以控制氧气的含量更能反映过量空气系数值。为此，测定排烟处的烟气中的含氧量，通过氧气测定仪并经转换，再到调节器进行计算、调节转换成电气信号，并通过执行器控制鼓风机的导向挡板。为了补偿氧量测定仪在测量上的滞后，应减小送风调节的动态误差，在燃料调节器与空气调节器之间建立动态平衡。

炉膛负压的维持是采用负压调节器，即炉膛负压冲量，经过调节器计算、调节，通过执行器来控制引风机的导向挡板。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，在它们之间建立了动态联系。当空气调节器动作时，可以立即通过动态联系使负压调节器也动作，这样能使炉膛负压的偏离不大。如果没有这个动态联系，负压调节器只有当送风量改变，引起炉膛负压变动后才能投入工作，这样就会使负压的动态偏差加大。当工况稳定后，动态联系的作用也就随之消失。

在自动调节系统中，还装有各种记录仪表、指示仪表、警报信号和一些操作器。操作器的目的是用来远距离对执行器进行手动操作。有的调节器上本来就带有操作器。另外还有给定器，用来对某些参数(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.燃油(气)锅炉燃烧调节的自动控制

由于燃油(气)锅炉的燃料为液(气)态，对燃烧控制提供了极为有利的条件，现时国内生产的燃油(气)锅炉均为全自动燃烧调节。调节方式有两种：位式调节和比例调节。

(1)位式燃烧调节。其调节方法是根据蒸汽压力实行分段调节，一般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

当锅炉点火运行初始点或者当锅炉蒸汽压力达到运行上限压力值，停炉后，又回到下限恢复工作值时，其首先点燃一个喷嘴，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，锅炉升压后，则可切入到二段燃烧。当锅炉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，则自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，则自动停炉。如燃烧负荷跟不上用汽负荷，则压力下降。到二段燃烧切换压力值时，又自动切到二段燃烧。这样周而复始，来完成燃烧负荷的调节。

当锅炉运行到其上限工作压力值停炉时，经过一段时间压力下降，恢复压力值时，其又有自动进入一段燃烧，恢复其自动调节性能。

三段燃烧调节方式依次为“一段进入二段、进入三段→停炉→压力下降→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、燃油电磁阀等基本元件，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，即保证风门的开度始终与燃油(气)的喷入量保持同步。而风门与喷油(气)量配比，则通过有经验的工程技术人员，在锅炉投入初始运行时，按其烟气测量进行调整。当最后确定之后，在今后的长期运行中，不作改变。

通过上述分析，分段式燃烧调节较为简易，对于一般蒸汽压力要求不高的场合，均能有效的使用，但由于其段式燃烧的特性，使负荷量跳跃式变化。对蒸汽压力影响较大，特别是二段燃烧只有30 %、100%两段调节，一般适用于2～4t/h以下的小型锅炉使用，而三段式燃烧其负荷为30%、60%、100%跳跃，因此适于较大容量的锅炉，例如4～lOt/h的锅炉中使用。

(2)燃烧比例调节。燃烧比例调节是一种较为完善的自动控制系统，它能平稳地对燃烧负荷进行控制，使锅炉汽压较平稳地运行，与外界用汽负荷相平衡。

比例调节是单冲量调节，取锅炉汽包蒸汽压力(热水温度)作冲量，由压力比例调节器将压力冲量变为电阻信号，与电动执行器中的位置电阻信号作比较，然后转换为转角输出，带动执行机构连杆或凸轮，改变进油调节阀和风门挡板开度，从而改变燃烧器的运行状态，以达到风油(气)比例配合，适应负荷变化。在风油(气)配比开度改变的同时都有反馈信号回到调节器，以达到调节系统重新处于平衡。调节比例的范围为30%～110%，30%以下的负荷为开停控制，30%负荷为最低燃烧点。燃烧控制与调节特性曲线如图5-41所示。

图5-41　燃烧控制与调节特性曲线

四、自动控制与保护装置的安全技术要求

（一）基本要求

(1)蒸汽锅炉应当装设高、低水位报警(高、低水位报警信号应当能够区分)，额定蒸发量大于或者等于2t/h的锅炉，还应当装设低水位连锁保护装置，保护装置最迟应当在最低安全水位时动作。

(2)额定蒸发量大于或者等于6t/h的锅炉，应当装设蒸汽超压报警和连锁保护装置，超压连锁保护装置动作整定值应当低于安全阀较低整定压力值。

(3)锅炉的过热器和再热器，应当根据机组运行方式、自控条件和过热器、再热器设计结构，采取相应的保护措施，防止金属壁超温；再热蒸汽系统应当设置事故喷水装置，并且能自动投入使用。

(4)安置在多层或者高层建筑物内的锅炉，每台锅炉应当配备超压(温)连锁保护装置和低水位连锁保护装置。

（二）控制循环蒸汽锅炉

控制循环蒸汽锅炉应当装设以下保护和连锁装置：

(1)锅水循环泵进出口差压保护。

(2)循环泵电动机内部水温超温保护。

(3)锅水循环泵出口阀与泵的连锁装置。

（三）A级直流锅炉

A级直流锅炉应当装设以下保护装置：

(1)在任何情况下，当给水流量低于启动流量时的报警装置。

(2)锅炉进入纯直流状态运行后，工质流程中间点温度超过规定值时的报警装置。

(3)给水的断水时间超过规定时间时，自动切断锅炉燃料供应的装置。

(4)亚临界及以上直流锅炉上下炉膛水冷壁金属温度超过规定值的报警装置。

(5)设置有启动循环的直流锅炉，循环泵电动机内部水温超温的保护装置。

（四）循环流化床锅炉

循环流化床锅炉应当装设风量与燃料连锁保护装置，当流化风量低于最小流化风量时，能够切断燃料供给。

（五）室燃锅炉

室燃锅炉应当装设具有以下功能的连锁装置：

(1)全部引风机跳闸时，自动切断全部送风和燃料供应。

(2)全部送风机跳闸时，自动切断全部燃料供应。

(3)直吹式制粉系统一次风机全部跳闸时，自动切断全部燃料供应。

(4)燃油及其雾化工质的压力、燃气压力低于规定值时，自动切断燃油或者燃气供应。

(5)热水锅炉压力降低到会发生汽化或者水温升高超过了规定值时，自动切断燃料供应。

(6)热水锅炉循环水泵突然停止运转，备用泵无法正常启动时，自动切断燃料供应。

A级高压及以上锅炉，除符合前款(1)～(4)要求外，还应当有炉膛高低压力连锁保护装置。

（六）点火程序控制与熄火保护

室燃锅炉应当装设点火程序控制装置和熄火保护装置，并且满足以下要求：

(1)在点火程序控制中，点火前的总通风量应当不小于3倍的从炉膛到烟囱进口烟道总容积；锅壳锅炉、贯流锅炉和非发电用直流锅炉的通风时间至少持续20s，水管锅炉的通风时间至少持续60s，电站锅炉的通风时间一般应当持续3min以上。

(2)单位时间通风量一般保持额定负荷下的总燃烧空气量，电站锅炉一般保持额定负荷下的25%～40%的总燃烧空气量。

(3)熄火保护装置动作时，应当保证自动切断燃料供给，对A级锅炉还应当对炉膛和烟道进行充分吹扫。

（七）油、气体和煤粉锅炉燃烧器安全时间与启动热功率

1.燃烧器点火、熄火安全时间(注5-2)

用油、气体和煤粉作燃料的锅炉，其燃烧器必须保证点火、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，从燃料进入炉膛点火失败到燃料快速切断装置开始动作的时间称为点火安全时间；燃烧器运行时，从火焰熄灭到快速切断装置开始动作的时间称为熄火安全时间。

表5-5　燃油燃烧器安全时间要求

注5-3：如果燃油在50℃时的运动黏度大于20mm2/s，此值可以增至3s。

表5-6　燃气燃烧器安全时间要求

表5-7　燃煤粉燃烧器安全时间要求

2.燃烧器启动热功率

用油或者气体作燃料的锅炉，应当严格限制燃烧器点火时的启动热功率。

(1)燃油锅炉燃烧器的启动热功率

①单台额定燃油量Be小于或者等于1OOkg/h 的燃油燃烧器可以在额定输出热功率下直接点火；

②单台额定燃油量Be大于1OOkg/h的燃油燃烧器，不可以在额定输出热功率下直接点火，其最大允许启动流量Bsmax见表5-8。

表5-8　燃油燃烧器最大允许启动流量要求

(2)燃气锅炉燃烧器的启动热功率

①单台额定输出热功率小于或者等于120kW的燃气燃烧器，可以在额定输出热功率下直接点火；

②单台额定输出热功率大于120kw的燃气燃烧器，启动热功率应当不大于120kW或者不大于额定输出热功率的20%。

（八）其他安全要求

(1)由于事故引起主燃料系统跳闸，灭火后未能及时进行炉膛吹扫的应当尽快实施补充吹扫，不应当向已经熄火停炉的锅炉炉膛内供应燃料。

(2)锅炉运行中连锁保护装置不应当随意退出运行，连锁保护装置的备用电源或者气源应当可靠，不应当随意退出备用，并且定期进行备用电源或者气源自投试验。

(3)电加热锅炉的电器元件应当有可靠的电气绝缘性能和足够的电气耐压强度。