炉膛安全监视系统的理论分析

炉膛安全监视系统的理论分析

解鹰

内蒙古霍煤鸿骏铝电公司电力分公司 内蒙古  通辽 028000

摘要：随着火电机组装机容量的增加和发电过程中风险的增加，对电力安全生产提出了更高的要求，电力行业安全仪表系统的功能安全性分析成为新的研究热点。炉膛安全监控系统(FSSS)作为一种锅炉侧保护系统，属于安全仪表系统的范畴，在火电机组中得到了广泛的应用。

关键词：炉膛安全监视系统； 锅炉炉膛燃爆；防止燃爆；

FSSS系统功能FSSS系统一般分为两个部分，即燃烧器控制系统BCS和燃料安全系统FSS。燃烧器控制系统的功能是对锅炉燃烧系统设备进行监视和控制，保证点火器，油枪和磨煤机组系统的安全启动、停止和运行。燃料安全系统的功能是在锅炉点火前和跳闸停炉后对炉膛进行吹扫，防止可燃物在炉膛堆积。在检测到危及设备、人身安全的运行工况时，启动主燃料跳闸（MFT），迅速切断燃料，紧急停炉。

一、炉膛安全监控系统的工作原理

FSSS作为火电机组自动保护和自动控制的一个重要组成部分，将锅炉的燃烧控制与安全保护融为一体，向运行人员提供全部燃烧系统的操作手段，同时对锅炉运行的各个阶段进行监视、报警和跳闸，使燃烧设备的有关部件严格按照既定合理程序完成必要操作，并对异常工况和未遂性事故做出快速反应及处理，保证操作人员与锅炉燃烧系统的安全。FSSS的实质是通过一个逻辑控制系统实现燃烧系统的安全运行规程。燃烧控制系统(CCS)与FSSS被视为现代大型火电机组锅炉控制系统的两大支柱。CCS作为基本过程控制系统(BPCS)，用于控制连续、稳定的燃烧状态及合理的空气／燃料比，以保证锅炉连续燃烧和火焰稳定，通常在分散控制系统(Distributed Control System，DCS)中实现；FSSS作为安全仪表系统(SIS)，用于安全保护和顺序控制，以防发生爆燃、爆炸等破坏性事故，

二、炉膛安全监控系统的组成结构

一个典型的FSSS需要具备可靠的电源配置、灵活方便的操作界面、安全可靠的就地现场设备，以及实现复杂运算、控制功能的逻辑系统。FSSS的组成结构如图1所示。

图1 FSSS的组成结构

1.操作界面。操作界面是FSSS人、机系统的重要接口。若FSSS包含在DCS中，则没有专用的操作界面，FSSS的有关操作通过DCS的操作员站进行；若采用独立于DCS的FSSS，则设有专用的操作界面，操作界面分为集控室操作盘和就地控制盘。(1)集控室操作盘。集控室操作盘位于集中控制室内，主要功能是操作监视和控制。操作盘上设有控制炉膛清扫、启停燃烧系统所必要的开关按钮，燃烧设备的运行状态通过反馈信号返回操作盘，由指示灯指示阀门、挡板的开关状态及电机的启停状态。(2)就地控制盘。就地控制功能通常限制在最低程度，主要用于维修、测试和校验现场设备。就地控制盘包括：给煤机就地控制盘、磨煤机就地控制盘、油枪及点火器就地控制盘等。正常运行时，所有现场控制开关均处于遥控位置，从而保证设备处于逻辑系统的自动控制下。

2.现场设备。现场设备包括传感器和执行器。(1)传感器。传感器用于监测炉内的燃烧和燃料空气系统状态，包括：压力开关、温度开关、流量开关、限位开关及火焰检测器等。压力开关用于反映燃料、空气、炉膛的压力；温度开关用于反映燃料、空气等的温度；流量开关用于指示燃料空气系统的流量，或指示通过对流管束、空气预热器、风机的介质压降；限位开关用于限制阀门和挡板的行程，以保证运行在规定的安全限度内，同时利用限位开关触点提供阀门开关位置或推进机构伸进、缩回位置信号；火焰检测器用于鉴别燃烧器火焰或监视炉膛火球。传感器通常与一些反馈装置(如指示灯、报警屏上的光字牌)相连接。报警点设定值一般略高或略低于跳闸点，以提醒运行人员存在即将发生事故的状况。若运行人员未能及时操作，越限信号还会通过逻辑系统使机组自动跳闸。(2)执行器。执行器用于控制进入炉膛的燃料和空气，包括电动和启动的阀门、挡板执行器，给煤机、磨煤机、给粉机、风机的电动机启动器，以及油枪、点火杆的气动或电动伸缩机构。执行器可采用交流电或直流电驱动，也可设计为带电动作和失电动作两种方式。

3.逻辑系统。逻辑系统对操作界面发送的各种操作指令和来自现场设备的状态信号进行监测、处理，当出现危及设备和机组安全运行的情况，逻辑系统会发出指令，自动停掉相关设备。运行人员发出的指令只有通过逻辑系统证实满足一定的安全条件后，才能送到执行器上。逻辑系统可通过可编程控制器或分散控制系统的工作站实现。

三、炉膛安全监控系统的安全功能

根据FSSS的燃烧器控制功能及锅炉保护功能，可将其分为两部分：燃烧器控制系统(BCS)及燃料安全系统FSS)。BCS主要用于对燃油系统和制粉系统设备运行监视和顺序控制，保证点火器、油枪和磨煤机系统的安全启动、停止和运行；FSS用于在各种运行方式下，连续密切监视燃烧系统的参数与状态，必要时发出动作指令，通过联锁装置使燃烧设备相关部件严格按照既定程序完成操作，或对异常工况和未遂事故做出快速处理，FSS的功能主要由炉膛吹扫、油燃料系统泄漏试验、燃料跳闸三个子系统完成。

1.锅炉点火前FSSS的安全功能。(1)油泄漏试验。油泄漏试验是针对进油快关阀、回油快关阀及油角阀的密闭性所做的试验，目的是防止燃油从油阀或管道中泄漏，从而避免燃料聚积。油泄漏试验可直接用逻辑实现，也可由步序功能组逻辑组合实现，在试验条件全部满足后，由操作员直接在CRT显示器上发出泄漏试验指令。油泄漏试验分回油快关阀／油角阀泄漏试验和进油快关阀泄漏试验两步进行，两个步骤的顺序可互换。当油母管中没有燃油时，测试的是进油快关阀，若经过一段时间后油母管压力仍很小，说明进油快关阀无泄漏；否则，说明进油快关阀泄漏。当油母管中充满燃油时，测试的是回油快关阀及油角阀，若经过一段时间后油母管压力仍很大，证明回油快关阀及油角阀无泄漏；否则，说明回油快关阀或油角阀泄漏。(2)炉膛吹扫。进行炉膛吹扫是为了清扫积聚在炉膛及管道内未燃烧的残余燃料和可燃气体，防止炉膛点火时发生爆炸。炉膛吹扫在油泄漏试验之后进行，是锅炉启动前防止燃料聚积最有效也是必须执行的方法。当吹扫条件满足后，运行人员按下启动吹扫按钮，程序会发送一个信号使二次风门以一定开度打开，待风量达到25％到40％的全负荷体积风量值时，启动5分钟吹扫计时。

2.锅炉运行中FSSS的安全功能。(1)油燃烧器管理。油燃烧器管理的内容包括：油角设备的操作，油角的启动、停止、吹扫，以及油层控制三个方面。油角设备的操作包括油角阀、油枪、吹扫阀、点火枪等的驱动级及其相关逻辑。各个油角有其对应的油角启动、停止和吹扫程序，对于没有封装驱动级的系统，这些程序可以通过逻辑直接实现；对于有封装驱动级的系统，这些程序通过逻辑加步序加驱动级实现。油枪吹扫是油枪灭火的一部分，用于清除油枪及燃烧器头部的残油，吹扫介质是蒸汽或空气。但在某些情况下，禁止吹扫条件成立，油枪退出运行时不进行油枪吹扫。(2)煤燃烧器管理。煤燃烧器管理的内容包括煤燃烧器逻辑、煤点火允许条件、供其他系统使用的中间点逻辑、制粉系统的启停步序、制粉系统跳闸条件及首出原因，以及制粉系统设备单操及联锁逻辑。由于制粉系统可分为直吹式和中储式，煤燃烧器管理也分为中储式制粉系统的煤燃烧器管理和直吹式制粉系统的煤燃烧器管理。中储式制粉系统控制燃料进入炉膛的设备是给粉机，一层燃烧器的四个角均有一个给粉机，燃料控制方式分为单角、对角及层控制；直吹式制粉系统控制燃料进入炉膛的设备是磨煤机，一台磨煤机为一层燃烧器的四个角提供燃料，四个出口门一般是联动的，燃料控制方式为层控制。

总之，目前，世界能源仍将长期依赖化石燃料，从而决定了电力行业以火电机组为主的格局。随着电力技术的发展，火力发电机组装机容量越来越大，发电过程存在的风险也不断增加，这就对安全生产提出了更高的要求，电力行业安全仪表系统的功能安全分析成为新的研究热点。

参考文献：

[1]李建国．关于炉膛安全监视系统的理论探讨．2020.