锅炉炉膛安全监控系统FSSS

1、锅炉炉膛安全监控系统FSSS一、FSSS系统概述我国大型电站锅炉炉膛和制粉系统爆炸事故时有发生,造成设备严重破坏,危及人身安全,影响电力工业安全生产。对于大容量锅炉来说，炉膛内可燃混合物积存到发生爆炸往往发生在一、二秒时间内，运行人员根本来不及反应，同时随着锅炉容量增加，设备日益复杂，要监控的项目很多，特别是在起停过程中操作十分频繁，即使最熟练的运行人员，误操作也难免发生，因此对于大容量的锅炉必需具备一个周密可靠的安全监控系统。锅炉炉膛安全监控系统FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System）是锅炉必须具备的一种监控系统。锅炉安全监控系统能在锅炉正常工作和

2、起停等各种运行方式下，连续地密切监视燃料系统及燃烧状态的大量参数与状态，不断地进行逻辑判断和运算，必要时发出动作指令，通过种种连锁装置，使燃烧设备中的有关部件严格地按照既定的合理程序完成必要的操作或处理未遂性事故，以保证锅炉燃烧系统安全。煤粉锅炉整体示意图（一）FSSS独立系统是由操作盘、控制屏、现场设备三部分组成的。1、操作盘l  运行人员中央操作盘(工控机)l  现场就地点火操作柜2、控制屏l  公共管理逻辑屏l  油路控制屏3、现场设备  现场设备主要是用来监测炉内燃烧和燃料空气系统的装置，如炉内有无火焰，空气燃油的压力、温度是否满足规定

3、要求以及阀门、挡板开关的情况等。    主要包括：压力开关、温度开关、流量、差压开关、限位开关以及火焰检测器等。 ·压力开关：用于反映燃料、空气、炉膛压力。例如当炉膛压力超过规定允许值时，使机组跳闸。·温度开关：用于反映燃料、空气温度。例如当磨煤机出口温度过高时，使得磨煤机热风挡板和热风门关闭或进行报警。·流量差压开关：用于指示燃料空气系统的流量或差压。如进入炉膛的风量，磨煤机磨碗上下差压等。·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之内，防止阀门、挡板开关过紧而卡死，同时利用限位开关触点来提供阀门开关

4、位置，或推进机构伸进、缩回位置信号。·火焰检测器：主要用于监视炉膛和暖炉油枪的火焰，另外还提供火检系统的冷却风机及其控制柜。 （二）DCS子系统形式       目前在DCS系统的招标文件中通常都包含了炉膛安全监控系统（FSSS）。FSSS系统可以是一个独立的控制系统并与DCS系统有通信接口，或者是DCS中的一个子系统。除了控制系统外，还通常包含一些现场设备。（对老机组改造，不再需要提供现场设备）。1、FSSS控制系统：  控制系统可以看作是FSSS系统的“大脑”，它对运行人员的操作指令和敏感元件的状态进

5、行连续的监测和处理。运行人员发出的指令只有通过逻辑系统验证，满足一定的安全许可条件后才能送到驱动装置上，当出现危及设备和机组安全运行的情况，逻辑系统会自动停掉有关设备。 2、FSSS 逻辑系统：    一般分成以下部分：·总体控制部分；   这一部分主要包括：炉膛吹扫、主燃料跳闸、炉膛火焰监视、燃料启动许可、快速减负荷（FCB）、辅机故障减负荷（KB）、暖炉油母管跳闸阀和再循环控制以及密封风机、火检冷却风机、炉水循环泵控制等。·油层控制系统   分别控制每个油层以及各个燃烧器组（由油枪、高能点火

6、器、油枪三用阀组成）。3、FSSS系统主要功能   FSSS主要是保证锅炉安全运行，不参与调节，它的联锁等级是最高的，具体的安全联锁条件要根据机组的燃料系统的物理特性和燃料种类决定。大型机组FSSS系统包含下述主要安全功能炉膛点火前后的吹扫；暖炉油点火；主燃料（煤粉）的引入；连续运行的监视；紧急停炉；燃烧后的吹扫。联锁保护控制系统。（三）FSSS的系统组成1、点火系统       FSSS锅炉安全监控系统的点火系统由推进执行装置、高能点火器、点火枪、油枪、就地点火控制系统、推进燃烧装置及火焰火检、熄火保护系统等组成

7、。·推进执行装置：可用于点火枪，也可用于火焰检测装置和油枪的自动推进操作。·高能点火枪：包括一体式和分体式两种结构,都具有起始发火电压低,耐结焦,抗污染,寿命长等特点.·油枪：使用机械雾化油枪。·高能点火装置：由高能点火器（储能器）高压屏蔽电缆及高能半导体电嘴（点火枪）等三部分组成。·就地点火控制系统：由就地点火程控柜、高能点火装置、火焰检测装置、油燃烧装置、推进执行器和球阀或三功能阀组成。系统具有自动和手动控制推进执行装置的进退操作；自动和手动控制高能点火装置的点火操作及自动和手动执行三功能阀的截止、吹扫、投油阀位状态切换三项功能。2、FSS

8、保护系统       FSS保护系统是FSSS锅炉安全监控系统中的重中之重，它包括火焰火检、熄火保护系统，压力检测装置及保护逻辑控制子系统。2.1火焰检测装置    燃料燃烧剧烈的化学反映过程中，将释放包括紫外线，红外线，可见光，热辐射和声波等电磁波能量。在火焰火检、熄火保护系统监视中，所有这些能量又构成了火焰是否存在及燃烧强弱的检测基础。本公司的锅炉安全监控系统配置了紫外线检测装置,红外线检测装置和可见光检测装置,视锅炉燃料的不同而选配不同的检测装置。   2.2压力检测装置

9、0;   压力检测装置是通过对炉膛压力的检测，反映出锅炉燃烧状态的变化，也可以判断锅炉的燃烧工况，是FSSS锅炉安全监控系统的重要检测装置。炉膛压力检测硬件部分包括:炉膛负压取样器,压力平衡容器柜,压力开关,联接管路。炉膛负压取样器，安装于炉膛上部，压力变化敏感区（由锅炉生产厂家指定或设计部门决定）   2.3保护逻辑控制系统     (1)主燃料跳闸保护  主燃料跳闸保护（MFT）是FSSS系统中最重要的安全功能，在出现任何危及锅炉安全运行的危险工况时，MFT动作将快速切断所有进入炉膛的燃料，既切断所有

10、煤和油的输入，以保证锅炉安全，避免事故发生或限制事故进一步扩大。     主燃料跳闸采用负逻辑运算，所有的条件“与”运算形成MFT信号，“与”门的输出端连接一个存储器RS（记忆元件），其作用就是规定的炉膛吹扫完成之前的时间内，也就是炉膛点火前的一段时间内，保持MFT信号，将已经跳闸的有关设备闭锁，禁止任何燃料和点火源进入炉膛，只要点火前吹扫定时没有完成，MFT就一直存在。    引起主燃料跳闸原因有的是锅炉主保护项目，也有辅机运行（停运即事故掉闸）等。为防止事故进一步扩大，要即时切断进入炉膛中的燃料。·炉膛压力保护

11、应分别设三个正压和负压取样点，在炉膛上独立开孔，并通过独立的取样管接至压力开关，同时必须考虑防堵措施。另外还要注意炉膛压力取样点应与吹灰器和看火孔有足够的距离，以免吹灰或开启孔洞时影响压力测量值。炉膛压力超过整定值时（高或低）经三选二逻辑延迟后发出MFT跳闸条件。· 汽包水位保护     汽包水位保护是指汽包水位高，低越限后动作MFT的保护。水位是锅炉机组的一个重要运行参数，只有维持汽包水位在允许范围内，才能保证机、炉安全运行。水位过高时，减少了蒸汽重力分离的行程，汽水分离效果变差，使蒸汽中大量带水，造成过热器中沉积盐分，恶化过热器的工作条件，

12、严重时还可能引起汽轮机产生水冲击，威胁汽轮机的安全运行，有损汽轮机的危险。水位低时，锅炉的水循环遭到破坏，水冷壁的安全受到威胁，严重时会造成锅炉干烧，进而损坏锅炉设备，再者，汽包水位异常会使蒸汽品质下降，这不仅影响机炉的经济性，还会对机组带来潜在的危险。为了防止水位造成误动作，加入一05秒延时，若超出该时间水位越限信号还存在动作MFT。·防止锅炉灭火和爆炸的关键措施在于及时掌握炉膛的燃烧工况，准确判断燃烧器火焰的有无，以及灭火后及时快速阻止燃烧进入炉膛排尽炉内可燃物，为此动作MFT的条件中有“临界火焰出现，主火焰故障”逻辑。“临界火焰”即不稳定临界火焰，在一定时间内，炉膛内曾经熄灭的

13、燃烧器数量达到总的运行燃烧器的某百分数，炉膛燃烧不稳，出现灭火前的“临界火焰”。如四台磨运行若燃烧器少于12支运行或三台磨运行若运行的燃烧器少于9支则认为临界火焰出现动作MFT。      单元火焰故障（主火焰故障）即至少有四支油燃烧器曾着过，这时油火焰和煤火焰全部丧失，此时动作MFT。·燃料跳闸（失去燃料跳闸）      运行着锅炉，若失去燃料动作MFT，同时需将炉内热的烟气吹扫排出，该逻辑形成条件为至少有四支油枪曾运行（用RS触发器记忆信号）此时如果煤粉源和油源

14、中断则认为丧失燃料跳闸形成该信号去动作MFT。·再热器保护       大型电站锅炉都为中间再热机组，为了防止再热器干扰，一般要求再热机组需设置保护再热器（逻辑）措施，一旦该条件出现，要动作MFT。具体逻辑为汽机调节阀A、B、C、D关闭且高旁又没有打开时则认为再热器堵塞此时动作MFT。西门子设计中将锅炉启动及正常运行分开设计，分开锅炉启动及正常运行两种情况。·风量保护     一般从锅炉点火到带30%负荷以前，可发出风量小于30%信号启动MFT。锅炉负荷增加30%以

15、后，即使风量少于30%也不会发此信号；而在锅炉降负荷时，即使负荷小于30%，同时风量也小于30%，也不会发出信号启动MFT，因为锅炉启动初期必须在炉膛内通以足够的风量将这些可燃物带走，避免沉积，这称为富风运行，若风量不足则发出信号启动MFT；在降负荷时，炉膛温度较高，可燃混合物相对减少运行趋势是停炉，即使风量不足也无须启动MFT。该逻辑设计二次风量小于25%时，启动MFT。·火检冷却风压低保护·电厂火检冷却风机配有两台，互为备用，在冷却风母管测得的压力经三选二逻辑运算迟延后启动MFT。·送风机中断    若运行的两台风机同时失去时，启

16、动MFT。·引风机中断      同时失去两台引风机时，发出引风机中断信号，且启动MFT。风机中断信号为风机停且没有启动的命令即认为风机中断。·失去给水泵     在失去全部给水泵信号后，若在迟延时间内恢复不上，即发出失去给水泵跳闸信号，启动MFT。      MFT动作后，炉膛要进行五分钟吹扫，吹扫结束后如果炉膛压力低则跳引风机，并向闭环控制送该信号，形成一超驰信号控制引风机静叶。引风机跳闸后连锁跳送风机，若炉膛压

17、力高值要跳送风机。      主燃料跳闸逻辑具有首次跳闸原因指示功能，它能对引起主燃料跳闸（MFT）的初始原因进行记忆，并给运行人员显示出来，这样就方便了运行人员查找故障的原因，及时采取正确的措施。3、炉膛吹扫炉膛吹扫的目的是将炉膛和管道中可能存在的可燃性混合物清除掉，防止点火时引起炉膛爆炸。因此在点火前，事故跳闸（MFT）和正常停炉后均须进行吹扫。 点火前吹扫必须满足下列许可条件：·所有阀门关闭；·所有给煤机停；·所有磨煤机停；·所有磨煤机热风门关闭；·两台一次风机停；&#

18、183;两台电除尘停；· 两台空预器运行；·所有辅助风挡板打开；·汽包水位正常；·110VDC和220VAC正常；·至少一台送风机运行；·至少一台引风机运行；·炉膛负压正常；·风量30%；·至少一台水泵运行；·油泄露实验完成；·主油阀关闭；      当条件均成立，CRT上显示“吹扫许可”，这时操作员可按“启动吹扫”按钮或接收其它系统的自动吹扫指令信号启动吹扫程序“吹扫在过程中”信号建立并进行5分钟的吹扫记时。在吹扫期间吹扫条件始终要满

19、足。吹扫完成后，该逻辑发出完成信号，自动复归MFT，锅炉可以启动。在锅炉MFT（主燃料跳闸）和停炉后均不应该马上停送、引风机，应保证有一定的空气量（30%额定风量）进行燃料后的吹扫，只有完成燃料后吹扫并在炉膛压力超过限值时才跳风机。   燃烧后吹扫的条件是：·所有油枪喷嘴阀关闭；·所有给煤机停；·主油管跳闸阀关闭；·所有磨煤机停；·风量30%额定风量；·所有监视火球的火焰检测器显示无火焰。4、暖炉油层控制：    4.1燃油泄露测试程序  测试具体过程如下：燃油压力正常后，打

20、开主油阀，然后关闭，等待五分钟，五分钟以后如压力即不升高也不降低则认为主油阀、分支油阀都不漏，可启动油系统，如果压力升高则认为主油阀泄露，压力降底则认为分支油阀泄露。4.2油层控制：·油层启动许可条件     当满足下列所有条件时，油层启动许可条件建立。暖炉油母管跳闸阀开启；暖炉油温度正常；暖炉油压力不低；无MFT指令；火焰器冷却空气压力正常。·油层启动   暖油枪是以层为单位投入运行的。同一层内六个油燃烧器按1-2-3-6-5-4的顺序自动投入。每一层的逻辑都相同，运行人员可通过画面启动油层。启动指令发出后，首先

21、将油控制阀投自动，打开油再循环阀，然后按预定的程序依次投入各个燃烧器。各个油燃烧器启动的间隔时间为15秒。·油层停止    油层停止程序是指油层正常停止运行可由运行人员通过画面进行操作。同层各个油燃烧器的停止顺序为4-5-6-3-2-1。各个油燃烧器的停止间隔时间为30秒。如果在层停止过程中发出油层跳闸和启动指令，则停止过程终止，按相应指令动作。     MFT发生时，油层停止顺序自动执行。 4.3油燃烧器的控制 ·油燃烧器的启动   

22、    当油燃烧器收到层控制来的指令后，且满足相应的条件情况下，油枪推进，当推进油枪指令存在且油枪已经推进到位，既发出高能电弧点火器已推进。     当高能电弧电点火器推进器指令存在，且高能电弧点火器已推进到位，发出打开油枪喷嘴阀到吹扫位置信号，这时如无油角跳闸指令存在，则置油枪喷嘴阀在吹扫位置，并发出信号，使高能电弧点火器变压器电源接通，高能电弧点火器开始以每秒4个火花的速率打火，以点燃可能留在油阀后油管路中的残油，吹扫30秒后，发出信号将油枪喷嘴阀置于燃烧位置，点火器继续打火，点燃油枪，10秒后高能电弧点火器点火枪缩回，变压器电源

23、断开。这时将根据油枪火焰检测器火焰信号检查是否成功。如有火焰，控制盘上相应绿色指示灯亮，表示点火成功。如无火焰，控制盘上相应红色指示灯亮，表示点火不成功，系统发出点火不成功信号并报警（失去油枪火焰光字牌亮）。这时如相邻给煤机证实投入运行，则发出油角跳闸指令，直接关闭油枪喷嘴阀。·油角停止   油角的正常停止程序和油角跳闸是有区别的尽管二者的最终结果都是关闭油阀，在正常停止时油枪必须经过“吹扫”程序，把从油阀出口到油枪喷嘴管道内残存的油吹干净。而在油角跳闸的场合，因为是危机工况，所以只是直接关闭油阀，切断燃料而不经过吹扫程序。   油角正常停止程

24、序中实质上包括油枪吹扫和关油阀两个程序。油角正常停止有下列三种情况：一是油角逻辑接受从油层停止程序发来的正常停角指令；二是油枪运行时，将就地维护开关切换到吹扫位置；三是油角启动后油枪火焰失去，但已有相邻给煤机证实投入运行。这三种情况下满足一定条件，油枪先进行五分钟吹扫，然后关闭油阀。由于采用Skotch三用阀，油枪从燃烧到吹扫切换过程在瞬时完成，能保证吹扫出来的残油连续燃烧，因而在吹扫过程中不需要投高能电弧点火器。以下对正常停角程序作具体说明。当油角逻辑接受从油层停止程序发来的正常停止指令，发出将油阀关至吹扫位置指令；或油枪就地维护开关在吹扫位置且手动雾化蒸汽阀已开；或存在油角启动后，油枪火焰

25、失去这三种情况之一时，满足下列三个条件：a 无油角跳闸指令；b 相邻给煤机已证实投入运行或油枪火焰检测器指示有火焰存在；c 油枪吹扫完成存储器未置位，即未完成5分钟油枪吹扫周期。       则使油枪吹扫指令存储器置位，如无油角跳闸指令存在，即置油枪喷嘴阀于吹扫位置，进行5分钟吹扫周期。5分钟后，吹扫完成存储器置位，即发出油角跳闸指令，关闭油阀，同时发出指令缩回油枪。5、火焰检测逻辑：    5.1层火焰检测：锅炉配有2层煤燃烧器，每层分别有4个燃烧器，且下4层配有油枪助燃。对应于每个煤、油燃烧器都配备了

26、独立的火焰检测器，也是以层为单位。层火焰的监视原理如图所示：层火焰的工作原理比较简单，先将同侧的4个火焰检测器的火焰信号进行3/4逻辑判断，为了避免火检可能受背景的影响，将相应的磨煤机投运和油枪投运作为一个条件列入逻辑中。 火焰火检、熄火保护系统监视逻辑图   5.2全炉膛火焰丧失：  全炉膛火焰丧失逻辑图如图所示。根据电厂要求只有在磨煤机投运两台以上时方投入火焰丧失保护。全炉膛失火信号将直接导致主燃料跳闸。同样在逻辑中也考虑了某层火焰可能受到背景光的影响。 全炉膛火焰丧失逻辑图（一）上位机及控制主柜主要由SIEMENS S7-300可编程控制

27、器、控制计算机及本公司自身开发的单片机板卡等构成。    系统完成主要功能：锅炉吹扫、程控点火、炉膛灭火保护、炉膛压力保护、主燃料跳闸保护。   A、与DCS系统及现场网络等通讯容易。该装置采用标准RS485工业通讯接口MODBUS通信协议可与DCS系统方便的组网，作为DCS系统的下挂子系统，实现资源共享。B、具有双机保护功能   本装置除PLC动作逻辑之外，另备单片机硬件门电路保护；软硬逻辑互补，确保主机不会拒动。C、先进的事故记录及分析功能      该装置可记录多次保护

28、动作原因及动作参数曲线。这样，很早时的动作记录仍可保留在主机内。另外可将所有动作原因依动作先后顺序排序，便于分析处理。并可以在上位机系统以图形方式或文字方式查询，并且打印。D、装置运行稳定，可靠性高。   系统由可编程控制器完成所有保护动作逻辑，由工控机完成画面显示，人机接口及参数记录。由单片机完成高难的火焰信号处理，采集。故功能分配十分合理，即使工控机死机，由于动作逻辑由可编程完成，仍能保证现场不出事故。该装置误动作率、拒动率及保护投入率在同类产品中保持绝对领先。FSSS提供独立于DCS的MFT继电器, 该继电器的线圈电压等级为24VDC, 其接点容量为220VAC, 5

29、A或220VDC，3A 。该继电器的驱动信号除来自FSSS外, 还能接受来自独立于DCS的手动MFT按钮的硬接线信号。 E、 画面直观。  该装置画面采用汉化动态显示，直观易懂。 F、 升级能力强。 该装置从软件到硬件升级能力都很强，容易实现功能扩展。（二）火检系统和火检冷却风系统由本公司生产的火焰控制器、现场火焰传感器（采用德国进口），和现场火检控制柜组成。火焰传感器采用紫外、红外双传感器检测，最大限度的保证锅炉炉膛和油枪火焰检测的稳定性和可靠性。采集的炉膛火焰信号经火检控制柜处理后在送FSSS控制主柜处理。   该系统由互为备用的

30、两台冷却风机、压力表、压力开关、风道转换挡板、空气油水过滤分离器、冷却风机控制柜等组成，两台冷却风机共用一台控制柜，来自动控制两台风机的启停。冷却风可以直接取自大气，也可来自送风机出口。冷却风机系统用来提供火焰探测器在正常工作时的冷却风，用以保证火焰探测器能长期稳定地工作下去。冷却风机系统应能提供在锅炉不同的负荷下每只火焰探测器所需的冷却风的风量和风压，而火焰探测器的入口风压要比锅炉炉膛的压力高出一定的整定值（2000Pa），防止锅炉烧正压的时候损坏火焰探测器；同时每个火焰探测器冷却风的风量不能少于每分钟1立方米，防止温度过高影响火焰探测器的正常工作。在锅炉正常运行期间，不允许冷却风机同时停运

31、，否则将有可能烧毁火焰探测器。  冷却风系统示意图（三）锅炉点火系统就地点火控制柜内部核心是用西门子S7-200的小型PLC进行现场就地点火和FSSS系统控制主柜的远程程控点火以及燃油泄漏测试统统，与FSSS系统控制主柜通讯方式采用RS485通讯，有效的减少了从就地点火柜到FSSS控制主柜的通讯电缆数量。比市场上大部分同类厂品更加稳定可靠。点火现场设备由我公司生产的电动推进器、雾化油枪、储能40焦耳的高能点火器、高温点火电缆和高能点火枪等组成。  点火系统示意图泄漏试验的目的是检查油阀及其出口管路有无漏油现象。对于大型机组，在起动之前，大都要求对轻油管路及重油管路进行泄漏试验。我国电厂由于管理泄油造成火灾伤亡设备事故常有发生，故泄漏试验非常重要。泄露试验管路系统所有自动的重油阀关闭，所有油层的重油手动阀打开，重油供给压力正常。整体试验过程需12分钟。若在试验过程中某一试验条件不满足。则自动发出报警信号。试验的方法是：在试验条件满足