炉膛安全监控系统保护（FSSS）

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锅炉是火力发电厂的主要设备之一。燃料在炉膛里燃烧，进行能量转换，如果风、燃料及系统参数配合不当，就有可能造成燃烧不稳或灭火。炉膛灭火后，如果发生误操作，就可能发生爆炸而造成严重的设备损害事故。因此，安装炉膛安全监控系统，是防止因易燃物积存和误操作而造成锅炉事故的重要措施。
锅炉设备包括锅炉本体及其辅助设备，如给水泵、风机和制粉设备等。锅炉设备的保护随其容量、参数、运行方式和热力系统不同而有很大差异，一般设有主蒸汽压力、汽包水位、炉膛安全、再热气温高、减负荷，紧急停炉、给水泵连锁、炉、机、电大连锁等保护措施。
其中，对炉膛及系统进行保护的设备称为炉膛安全监控系统(FSSS)，或称安全监控装置。

一、FSSS的主要功能

对炉膛安全监控系统功能的设计，应依据锅炉机组容量的大小和所用的燃料特性而定。
1. 锅炉容量对炉膛安全监控系统的要求
锅炉容量不同，其要求炉膛安全监控系统所应达到的功能也有很大差异，具体设计时，应根据实际情况和有关规定进行。炉膛安全监控系统主要功能大致可归纳为以下五项：
(1)炉膛吹扫。
(2)油枪或油枪组程序控制。
(3)炉膛火焰检测。
(4)磨煤机组程序启停和给煤机、磨煤机保护逻辑。
(5)主燃料调整。

2. 炉膛安全监控系统功能说明
(1)锅炉点火前必须对炉膛进行吹扫。吹扫开始和吹扫过程中必须满足吹扫条件，吹扫条件应根据锅炉容量和制粉系统型式而定。
(2)炉膛灭火保护系统和机电炉大连锁系统宜相互独立，MFT(主燃料跳闸)信号宜软、硬两条通道作用于最后执行对象。
(3)不是因引风机、送风机掉闸引起的MFT动作，引、送风机不能跳闸；由于引风机、送风机跳闸引起MFT动作后，应延时打开所有引、送风机挡板，并保持全开状态下自然通风不少于15min。



二、炉膛安全监控系统的信号

(一)炉膛火焰检测
火焰检测装置是FSSS系统的关键设备。火焰检测器根据火焰的物理特性对燃烧工况进行检测。当火焰状态不正常或灭火时，可按一定方式给出信号，作为故障报警或FSSS的逻辑判断条件。
1. 火焰检测装置的类型
火焰检测装置一般由探头、传输电缆、信号处理装置等组成，三者均有各自相应的类型。常用的火焰检测装置有：
(1)离子式火焰检测装置。
(2)可见光式火焰检测装置。
(3)紫外线式火焰检测装置。
(4)红外线式火焰检测装置。

(二)炉膛压力检测



1. 炉膛压力取压装置及取样管路的安装
(1)取样一般要求。
①取压点的选择。取压点要选在被测介质作直线流动的直接管段上，不能选择在拐弯、分岔、死角或其他能形成旋涡的地方。测量流动介质的压力时，传压管应与介质流动方向垂直。传压管口应与工艺设备管壁平齐，不得有毛刺。测量液体的压力时，取样点应在管道下部，以免传压管内存有气体；测量气体压力时，测点应在水平管道上部。测量低于0.1MPa的压力，选择取样点时，应尽量减少液柱重量引起的误差。
②传压管路的敷设。传压管的粗细、长短应选取合适。一般内径6～10mm，长3～50m。水平安装的传压管应保持1:10~1:20的倾斜度。不应该有机械应力。
③压力测量仪表的安装。压力测量仪表应安装在满足规定的使用环境条件和易于观察、维修的地方。仪表在有振动的场所使用时，应加装减振器。在仪表的连接处，应根据被测压力的高低和介质性质，加装适当的垫片。中压及以下可使用石棉垫、聚乙烯垫，高温高压下使用退火紫铜垫。测量有腐蚀性或黏度较大的介质压力时，应加装隔离装置。当测量波动频繁的介质压力时，应加装缓冲器或阻尼器。

(2)一般须开3～4个直径100mm的取压孔。其取样点位置，按炉型由制造厂确定。一般在距离炉顶2～3m处两侧墙和前墙上开孔，每侧开孔应均匀分布。插入的取样管口与内炉墙面平齐并下斜约45°～60°。取样管与墙体接触处应严密不漏风。取样孔四周1.5m内不应有吹灰孔，以免吹灰时干扰炉膛压力的检测值。如果是对已运行过的锅炉开孔，开空标高与原有取压孔一致，且与原取压孔之间的水平距离应大于2m。其他要求与原有取压孔一致。
(3)各取压孔必须单独使用，脉冲管路不得紧贴炉墙或其他热体敷设。

(4)在取压位置与变送器之间可装设缓冲容器(亦称平衡容器)，但必须考虑由此引起的传输延时作用。一般情况下缓冲容器的时间常数t应不大于2s。另外可采取在缓冲容器与取压装置之间装一缩孔的方法进行延时，容积为38L的缓冲容器配孔径2.4mm的缩孔是最佳的安装组合。

2.压力保护定值的确定
(1)炉膛压力高、低报警值和保护(MFT动作)定值及延迟时间由锅炉制造厂和电力设计院确定。如属于已运行的锅炉，因无厂家和设计控制指标，则应根据实际情况通过试验确定，并按以下几点作为确定定值的依据：
①锅炉正常启动和停运过程中炉膛压力波动的幅值；
②炉膛强度；
③实际灭火试验所测得的炉膛压力数值。
(2)炉膛压力的越限报警值，应适当大于锅炉正常启、停时的最大压力值。
(3)保护动作值的确定，首先应考虑能保障人身和设备安全，但又不可过于保守，以致造成不必要的频繁保护动作。所以，炉膛负压保护动作值，可考虑选用锅炉额定负荷情况下，火焰消失时的最大负压值的50%。
(4)炉膛压力保护动作值应低于炉膛强度设计值。随着锅炉服役年限的延长，尤其是对曾经发生过炉膛爆炸事故的锅炉，其炉膛强度必然有所下降，因此在确定炉膛压力保护定值时，必须充分考虑这些因素。
(5)锅炉在正常操作或异常工况下，炉膛可能产生瞬时的压力波动。为了抑制由此而造成的报警或保护动作，可在系统内适当增加阻尼环节。
(6)炉膛压力保护动作值及动作延迟时间的确定，必须经总工程师批准后方可在运行中实施。
(7)压力信号应选用“三取二”逻辑运算信号。


3. 开关量压力变送器
(1)炉膛安全保护系统的正、负压开关，必须选购质量可靠、性能满足实际要求的开关量变送器。
(2)关于压力(包括微压、负压)变送器的工作原理，可参阅有关内容。

三、(FSSS)系统工作原理和组态设计介绍

FSSS (furnace safeguard supervisory system)称为锅炉炉膛安全监控系统，又称为燃烧器控制系统/燃烧器管理系统BMS (burner manage system)或燃料燃烧安全系统。它的主要功能是在锅炉启动和运行的各个阶段，防止炉膛的任何部位积聚燃料和空气的混合物，防止锅炉发生爆燃而损坏设备，并能对锅炉各类燃烧器的投入、切除自动控制，同时对燃烧系统的运行工况连续监视，对异常工况作出快速反应及处理。国产锅炉过去很少考虑炉膛安全保护的问题，在锅炉启动和运行中常发生炉膛灭火而引起炉膛爆炸事故。其主要原因是锅炉中缺少防爆设备条件——连锁、报警和跳闸保护。因此，大容量锅炉设置炉膛安全监控系统是极为重要的。本部分介绍以炉膛安全监视控制系统工作原理为例介绍FSSS系统的组态设计过程。

(一)FSSS系统的必要性
大容量锅炉需要控制的燃烧设备数量比较多，有点火装置、油燃烧器、煤粉燃烧器，还有辅助风(二次风)挡板等。燃烧器的操作过程也比较复杂，点火油枪的投入操作包括点火油枪推进、开雾化蒸汽(或雾化空气)阀、开进油阀等，停用操作包括关进油阀、油枪吹扫、油枪退出等。煤粉燃烧器的投入操作包括开磨煤机出口挡板、开热风门、暖磨、磨煤机启动、给煤机启动等；煤粉燃烧器的停用操作包括停给煤机、关热风门、停磨煤机、磨煤机吹扫等。对一般不能伸进和退出的点火装置(或点火器)以及燃烧器的火焰检测器等均要有冷却措施，为此还设置了冷却风机(由交、直流电动机拖动，其中直流电动机备用)。由此可见，即使投入和切除一组燃烧器也需要相对多的操作步骤和监视判断的项目。在锅炉启停或发生事故情况下，燃烧器的操作工作更加烦琐。所以大容量锅炉的燃烧器必须采用自动顺序控制。


(二)炉膛安全监控系统基本构成

1.系统构成
通常一套完整的炉膛安全监控系统(FSSS)可以分为四个部分，即运行人员控制盘、逻辑控制系统、驱动装置及检测敏感元件。
(1)运行人员控制盘。运行人员控制盘包括所有的指令器件(燃烧器点火、熄火操作按钮或控制指令)，它们用来操作燃烧设备及所有反馈器件(如燃烧器运行工况指示灯和异常工况的报警指示灯)。反馈器件可用来监视燃烧设备的状态，这些器件通常配置在中央控制室内操作盘上。锅炉启动时的燃烧器点火与停炉时燃烧器的熄火都在该操作盘上进行，根据盘上的信号显示能及时、准确地判断发生故障的设备，便于及时处理。


(2)逻辑控制系统。逻辑控制系统比较复杂，是整个炉膛安全监控系统的核心，该系统根据操作盘(或计算机指令)发出的操作命令和控制对象传出的检测信号进行综合判断和逻辑运算，得到结果后发出控制信号用来操作相应的控制对象(如燃烧系统的燃料阀门、风门挡板等)。逻辑控制对象完成操作动作后，经过检测，再由逻辑控制系统发生返回信号送至操作盘，告知运行人员设备的操作运行状况。

(3)驱动装置——执行机构。驱动装置是指燃烧器系统中各种阀门的驱动机构，如电磁阀、控制阀、油枪和点火油枪伸进和退出的气动(电动)执行机构、给煤机、磨煤机的电动机驱动器、风门挡板驱动装置和风机的电动机的驱动装置等。

(4)检测敏感元件。检测敏感元件包括反映各驱动器位置信息的元件，如限位开关等；反映诸如燃料压力、温度、流量和火焰出现与否等各种参数及状态的器件如压力开关、温度开关、流量开关、点火变压器、火焰检测器等。

2.逻辑控制系统的类型
FSSS的逻辑控制系统有继电器式、逻辑组件式和以微处理器为中心的计算机式或可编程控制器式等三种类型。

(1)继电器式。逻辑控制系统由继电器组成。


(2)逻辑组件式。用专用固定接线顺序控制器的系统被称为逻辑组件式控制系统，由于这种系统所控制的对象操作规律是固定不变的，所以可对某些功能控制实行固定接线的方式，这样可使装置既简单又可靠，可做成积木式，避免了电磁式控制系统的缺点。但如在运行调试中，发现部分功能设计不能满足使用要求，需要改进时，就必须改动逻辑功能卡或改动逻辑接线(或调换)，耗费一定的工作量。




(3)可编程控制器式。微处理器的程控装置具有速度快、可靠性高、控制系统的构成简单、功能强、程序可变等优点。从逻辑结构上看，它分为上位逻辑和下位逻辑，上位逻辑又分公共逻辑和层逻辑，下位逻辑就是具体控制对象(如煤粉燃烧器)的角逻辑回路。每个上位逻辑都有三个CPU，按三取二的原则实现各种功能，下位角逻辑有一个CPU。采用这种结构，能确保可靠性并且便于在线检修。专门设计的面向控制问题的组态语言，可以方便地修改、设计控制功能。

3. FSSS系统的结构特点
FSSS采用分层逻辑结构，控制操作更加灵活。公共逻辑是对全部燃烧器进行监控，实现MFT (main fuel trip——主燃料跳闸或锅炉紧急停炉)、FCB(fast cut back——快速切除负荷，汽轮发电机全甩负荷)、RB(run back——主要辅机局部故障，自动减负荷)功能的逻辑回路。层逻辑回路则是对层燃烧器进行自动点火、熄火控制和状态监视的回路。角逻辑回路则是对其中一台燃烧器或点火器实现控制的回路。运行中，操作指令(计算机指令或手动控制指令)送至上位逻辑，再由它向各个下位逻辑发指令，对角逻辑回路实现控制。如果上位逻辑发生故障，仍可以通过下位逻辑或现场操作，对燃烧器实现控制，不会影响锅炉运行。如果下位逻辑发生故障，则仅仅影响该逻辑控制的燃烧器运行，其他运行的燃烧器仍能继续运行。

(三)炉膛安全监控系统的基本功能
炉膛安全监控系统的基本功能是确保锅炉安全、经济、稳定地运行，为达到此目的，首要解决炉膛爆燃问题。炉膛爆燃的原因是煤粉在空气中达到一定的浓度范围，遇明火源发生爆炸，致使炉膛受热面及燃烧设备被破坏。因此，炉膛安全监控系统中必须考虑设置具有能避免由于燃料系统故障或运行人员误操作而造成的炉膛爆燃事故的功能。维持连续和稳定的燃烧过程也是锅炉运行中的一个重要问题。单元机组在低负荷或甩负荷工况下，锅炉燃料急剧减少，往往会出现不稳定燃烧工况，故在系统中应考虑在低负荷工况时自动点燃油燃烧器稳定燃烧，以及在汽轮发电机甩负荷时能自动保留锅炉稳定燃烧而不灭火的控制功能。此外，在机组及锅炉发生重大事故或局部故障(辅机部分跳闸限制负荷)时，为了保证安全，往往需要及时地切断全部燃料或缩减燃料，此系统亦应具有这种功能。
炉膛安全监控系统(FSSS)还能根据不同的运行方式，进行燃烧器投切操作及点熄火自动控制，并相应控制燃烧器风门挡板的状态，从而改善锅炉燃烧工况，提高运行性能及经济性。
因此，炉膛安全监控系统的主要功能有：
(1)炉膛清扫。
(2)轻油、重油系统泄漏检查及轻油、重油快关阀控制。
(3)燃烧器火焰检测及全炉膛火焰检测——炉膛灭火保护。
(4)锅炉紧急停炉(MFT)时，燃料的切断控制。
(5)燃烧器的点、熄火自动控制。
(6)风门挡板控制。
(7)现场手动操作。
(8)在电网事故或汽轮发电机跳闸时，锅炉燃料快速减少控制，锅炉维持低负荷运行的控制，实现停机不停炉或带厂用电运行(FCB)。
(9)部分主要辅机故障，自动减负荷(RB)时，燃烧器台数控制。