第8章 炉膛安全监控系统(高)

第八章炉膛安全监控系统1第八章炉膛安全监控系统第一节概述一、炉膛安全监控系统的地位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、辅助风(二次风)挡板、燃料风(周界风)挡板等，不仅类型比较复杂，而且它们的操作过程也很复杂。例如：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)门、开进油门等；停用操作包括关进油门、油枪吹扫、油枪退出等。煤粉燃烧器的投入的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(点火器)以及燃烧器的火焰监视器等装置要有冷却措施，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)。火焰监视器是判断燃烧器点、熄火成功与否及对火焰进行监视的重要装置。由此可见，即使投入或切除一组燃烧器也需要有相当多的操作步骤和监视判断的项目，在锅炉启动或发生事故工况下，燃烧器的操作工作更加繁复。所以大容量锅炉的燃烧器必须采用自动顺序控制。国内机组过去缺少这种燃烧安全监控系统，使国产锅炉的运行性能受到严重的影响，锅炉的安全运行也受到威胁。由于近年来大机组日益增多，锅炉防爆问题也日趋严重，据电力部门统计，近几年来较大型锅炉爆炸事故每年约发生十余起，损失巨大。另外大容量锅炉爆炸力较大，如采用防爆门已无法承受炉内压力，否则要增加防爆门面积又不现实，因此为国产锅炉装备炉膛安全监控系统已势在必行。炉膛安全监控系统(FurnaceSafeguardSupervisorySystem,简称FSSS)，也有称燃烧器管理系统(BurnerManagementSystem简称为BMS)，或称燃烧器控制系统、燃料燃烧安全系统。是现代大型火电机组锅炉必须具备的一种监系统。它能在锅炉正常工作和启停等各种运行方式下，连续地密切监视燃烧系统的大量参数与状态，不断地进行逻辑判断和第八章炉膛安全监控系统2运算，必要时发出运作指令，通过各种联锁装置，使燃烧设备中的有关部件(如磨煤机组、点火器组、燃烧器组等)严格按照既定的合理程序完成必要的操作，或对异常工况和未遂性事故作出快速反应和处理。防止炉膛的任何部位积聚燃料与空气的混合物，防止锅炉发生爆燃而损坏设备，以保证操作人员和锅炉燃烧系统的安全。炉膛安全监控系统实际上是把燃烧系统的安全运行规程用一个逻辑控制系统予以实现。采用炉膛安全监控系统不仅能自动地完成各种操作和保护动作，还能避免运行人员在手动操作时的误动作，并能及时执行手动操作不及时的快动作，如紧急切断和跳闸等。根据《火力发电厂热工自动化设计技术规定》(NDGJ16-89)要求，“200MW及以上的锅炉应配置至少三功能(火焰检测、炉膛压力保护和炉膛自动吹扫)的炉膛安全监视系统”。炉膛安全监控系统要求自动化程度较高，运行人员可以通过CRT键盘和运行人员控制盘（BTG盘）或其它接口设备，发出各种指令，启停燃烧系统有关设备。燃烧设备可以分别单独启停，也可以根据一定的组合成组自动启停。如它能将同一层的给煤机、磨煤机、有关风门挡板及其它辅属设备一起组成一个自动系统，运行人员只需发出启动某台磨煤机的指令，当所要求的许可条件都满足时，系统将自动按照适当的时间程序进行一系列动作；另外也能将准备投入运行的所有磨煤机层组合一起，运行人员只要发出一个启动指令，系统将所有磨煤机层按顺序逐层自动投入运行。无论是自动启停或遥控操作单台设备的启停，系统逻辑通过各种安全连锁条件，保证这些设备及整个系统的安全，防止危险情况的发生。按照美国防火协会标准设计的炉膛安全监控系统，功能多，控制范围广，而且与控制对象密切相关，即不但与锅炉结构、燃烧器布置、制粉系统、油系统、点火器及它们的运行方式等有关，而且与一次仪表取样点、火焰检测器的安装位置、执行机构的工作性能都有直接关系。因此，炉膛安全监控系统是根据不同的控制对象和不同的控制要求来确定它的功能的。一般，炉膛安全监控系统应由设计院、运行单位和锅炉制造厂共同研究，并选择配套设备、风机、测点布置和合适的执行机构，以提高炉膛安全监控系统的工作可靠性。由于国外在膛安全监控系统方面有成熟的经验，使系统具有高度的可靠性，因此在许多锅炉中已取消了目前国产锅炉还普遍设置的防爆门。第八章炉膛安全监控系统3如今，炉膛安全监控系统与协调控制系统（CCS）一起被视为现代大型火电机组锅炉控制系统的两大支柱。二、炉膛安全监控系统的作用炉膛安全监控系统，一般可分为三大部分：即燃烧器控制系统、燃料安全系统和炉水循环泵控制。各部分及其作用简介如下：1、燃烧器控制系统(BurnerControlSystem，简称BCS)BCS的主要作用是连续监视运行，控制点火及暖炉油枪，对磨煤机、给煤机等制粉设备实现自启停或远方操作，分别监视油层、煤层及全炉膛火球火焰。当吹扫、点火和带负荷运行时，控制风箱挡板位置，以便获得炉膛所需的空气分布。同时，还提供状态信号到模拟量控制系统(MCS)、计算机监视系统(CMS)、旁路控制系统(BPS)及汽机控制系统(TCS)等。2、燃料安全系统(FuelSafetySystem,简称FSS)FSS的主要作用是在锅炉运行的各个阶段，包括启停过程中，预防在锅炉的任何部分形成一种可爆燃的气粉混合物，防止炉膛爆炸。在对设备和人身有危险时产生主燃料跳闸(MainFuelTrip简称MFT)信号，并提供“首次跳闸原因”的报警信号，以便事故查找和分析。MFT信号发出后，切除所有燃烧设备和有关辅助设备，切断进入炉膛的一切燃料。MFT以后仍需维持炉内通风，进行跳闸后的炉膛吹扫，清除炉膛及尾部烟道中的可燃混合物，防止炉膛爆炸。3、炉水循环泵控制(BoilerCirculationPumps,简称BCP)。BCP的主要作用是保证炉水循环泵的正常工作。如三台炉水循环泵中应保证至少有一台在运行，若不能维持最后一台泵的运行，则发出MFT信号，实行紧急停炉。炉水循环泵控制不是炉膛安全监控系统的标准功能，且与前面两部分控制有较大的独立性，彼此之间联系较小。尽管有些厂家的产品包含了此项控制功能(如美国CE公司的FSSS)，但限于篇幅本书将不作介绍。由上述可见，不管在锅炉启停和正常运行，还是在事故处理中，炉膛安全监控系统都第八章炉膛安全监控系统4起着重要作用。由于炉膛安全监控系统的主要功能是在锅炉启、停和运行的任何阶段防止锅炉的任何部位积聚爆炸性燃料和空气混合物，防止损坏锅炉和燃烧设备的恶性爆炸事故发生。为此，必须弄清炉膛爆炸的原因及其防止。第二节炉膛爆炸的原因及其防止一、炉膛爆炸的原因炉膛爆炸的主要原因在于炉膛或烟道中积聚了一定数量未经燃烧的燃料与空气一起形成的可燃混合物，在遇有点火源时，如锅炉启动点火、锅炉熄火后重新点火或炉膛内燃料本身所积存的热能等，会使可燃混合物突然点燃。由于火焰传播速度极快，积存的可燃混合物近于同时点燃，生成烟气后容积突然增大，一时来不及由炉膛排出，因而使炉膛压力骤增，这种现象称为爆燃(俗称“打炮”)。严重的爆燃即为爆炸。由于炉膛压力过高，当超过炉膛结构所能承受的压力时，使炉墙向外崩塌，称为“外爆”。锅炉点火时更容易发生爆炸，且破坏更加严重。这可以通过热力学定律加以说明。设进入炉膛的燃料为B（kg），其发热量为Q（kJ/kg），炉膛体积为V(m3)，吸热后的温度变化为ΔT（K），炉膛里介质的定容比热为)/(3KmkJCv。则可得出以下方程式：VTCVBQ（8-1）在爆炸瞬间，炉膛的传热过程假定为定容绝热过程，根据热力学定律得：TTTTTPP112121（8-2）式中P1、P2——爆炸前、后的介质压力；T1、T2——爆炸前、后的介质温度。将式（8-1）、式（8-2）联立求解得：]1[112VCVTBQPP（8-3）第八章炉膛安全监控系统5由式(8-3)可以得出以下结论：爆炸前温度越低，则爆炸后产生的压力P2越大。在锅炉点火时，炉膛温度T1越低，点火时用的燃油发热量Q较高，因而点火时炉膛爆炸造成的破坏性很大。而正常运行时温度T1较高，且采用的燃煤发热量Q较低，因而破坏性较前者小。点火时的爆燃称冷态放炮，它一般损坏下部炉膛，严重时整个炉膛破坏。运行时的爆燃称为热态放炮，一般损坏炉顶和水平烟道。由于锅炉在启运、运行和停炉的全过程都可能发生爆燃、甚至爆炸的恶性事故，故在考虑锅炉安全保护时，必须在全程投入炉膛安全监控系统。炉膛除了外爆，有时还会发生炉膛内爆。当炉膛压力过低，炉膛内外差压超过炉墙所能随的压力时，炉墙就会向内坍塌，这种现象称为炉膛内爆。发生炉膛内爆的主要原因：一是炉膛在瞬间突然熄火，造成炉膛负压过大；二是引风机出力较大，造成较大的负压力，这是由于控制系统失灵或运行人员误操作造成的。烟气的物理状态可近似按理想气体来描述，根据理想气体定律得到：VMRTP（8-4）式中P—介质的绝对压力；M—介质的质量；R—气体常数；T—介质的绝对温度；V—炉膛体积。当M、R、V均确定后，炉膛熄火后使T下降，T下降又引起P下降。当这个下降幅度超过炉膛结构所能承受的压力时，炉墙就会向内坍塌而造成内爆。炉膛的熄火速度越快，P下降幅度也就越大。另外，锅炉熄火时负荷越大，炉膛压力下降幅度也就越大。二、炉膛爆炸的防止理论和实践证明，炉膛爆燃大多发生在点火和暖炉期间，炉膛熄火和锅炉低负荷运行也经常会发生炉膛爆燃。为此，应根据不同的运行工况采取不同的防范措施。防止炉膛爆燃的原则性措施一般为：1、在主燃料与空气混合物进口处有足够的点火能源，点火器的火焰要稳定，要有恰当的位置和一定的能量，能将进入炉膛的燃料迅速点燃。第八章炉膛安全监控系统62、当进入炉膛的燃料未点燃时，应尽快采取措施缩短未点燃的时间，以减少可燃混合物在炉膛的积存数量。3、对于已进入炉膛的可燃混合应尽快冲淡，使之不在可燃范围内，并不断地将它吹扫出去。4、当进入炉膛的燃料只有部分燃烧时，应继续冲淡，使之成为不可燃的混合物。一般说来，点火时最危险的情况为点火器已点着，但能量太小，不足以将主燃烧器点燃。此时火焰检测器显示为“有火焰”(点火器火焰)，而实际上主燃烧器并未点燃，此期间进入炉膛的燃料未点燃而积存在炉膛内，待主燃烧器点燃后又将存积的燃料一起点燃，形成爆燃。因此应尽可能缩短主燃烧器的点火时间，若在10s内未点燃主燃烧器就应切断燃料，重新吹扫，然后再重新点火。点火期间所用的燃烧器数量应尽可能少些，每只燃烧器的燃烧率不应太低，这样使火焰稳定、操作简化，又可减少误操作。但为了使炉膛均匀加热，在暖炉期间应有足够的燃烧器投入工作，使整个炉膛充满火焰。不论在何种情况下，当某一燃烧器火焰熄火，应立即切断该燃烧器或一组燃烧器的燃料，若全炉膛火焰熄火，则应切断全部燃料，实行紧急停炉。为了防止炉膛内爆，在燃烧控制系统设计中应注意以下几点：①锅炉甩负荷时，炉膛的送风量应维持在甩负荷前的数值；②机组甩负荷后，应尽可能地减少炉膛中燃烧产物的流量；③若能在5-10s的期限内(不是立即地)消除炉膛中的燃料，则机组甩负荷后炉膛压力偏离正常值的幅度就能缩小。防止炉膛内爆是一个新问题，现在仍在摸索过程中。第三节炉膛安全监控系统构成第八章炉膛安全监控系统7一、系统的基本组成通常一套完整的炉膛安全监控系统其硬件设备可以分为四个部分，即控制台、逻辑控制系统、驱动装置和检测敏感元件。如图8-1所示。图8-1炉膛安全监控系统组成示意图(一)控制台炉膛安全监控系统的控制台包括：运行人员控制盘(BTG盘)、操作员CRT与键盘、就地控制盘、系统模拟盘等。1、运行人员控制盘(BTG盘)炉膛安全监控系统的运行人员指令，主要通过运行人员控制盘实现，运行人员控制盘包括所有的指令器件和反馈器件。①指令器件。它们是将有关设备投入运行所必要的操作开关和按钮等。主要用来操作燃料燃烧设备，如锅炉启动时的燃烧器点火与停炉时燃烧器的熄火等操作；②反馈器件。它主要是一些反映设备运行状态的指示灯。用来监视燃烧设备的状态，向运行人员提供一些如阀门、挡板的开或关、电动机的启或停、燃烧器运行工况、异常工况报警等状态信息，以及时、准确的判