第8章 炉膛安全监控系统(高)

第8章炉膛安全监控系统(高)

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(Furnace Safeguard Supervisory System,简称FSSS)，也有称燃烧器管理系统(Burner Management System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。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(Burner Control System，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(Fuel Safety System,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(Main Fuel Trip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(Boiler Circulation Pumps,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。则可得出以下方程式：（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：

（8-2）式中 P

1、P2爆炸前、后的介质压力； T

1、T2爆炸前、后的介质温度。将式（8-1）、式（8-2）联立求解得：

（8-3）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：（8-4）式中 P介质的质量； R介质的绝对温度； V2示出了一个典型炉膛安全监控系统的功能结构。图8空气比、一次风速度）、以及观测角度等因素。一般来说：

1、火焰闪烁频率在一次燃烧区较高，在火焰外围处较低；

2、检测器距一次燃烧区越近，检测到的高频成分（100～300 Hz）越强；

3、检测器探头视角越狭窄，所检测到的频率越高；反之亦然。可以推论，全炉膛监视的闪烁频率要比单只燃烧器监视的频率低得多。在锅炉燃烧现场可以发现，用紫外线光敏管检测器监视煤粉燃烧器时，被监视火焰的信号强度可能等同于或低于毗邻的火焰信号强度，这是因为未燃煤粉在靠近燃烧器喉部处往往起到一种遮盖作用。若火焰检测器视线通过或接近遮盖区，则当该燃烧器停用而炉膛里的其它燃烧器继续燃烧时，信号强度反而比原来增加了，这个结果是用紫外线光敏管检测器监视煤粉燃烧器的一个大问题。因此，燃煤或燃油锅炉推荐采用检测火焰闪烁高频分量的可见光检测器或红外线检测器。由于气体火焰不具有煤和油所具有的高频（200～400 Hz）脉动特性，因而红外监视系统对气体火焰是不起作用的，对气体燃料推荐采用紫外线检测器。概括的说，炉膛火焰发出的辐射能以不同的频率闪烁着，不同燃料、不同燃烧区的闪烁频率是不同的。炉内燃烧的好坏，其火焰的平均光强度也是不的。火焰检测器就是利用火焰的闪烁频率和光强度来鉴别火焰有无及强弱的。

二、火焰检测器类型与选用火焰检测器担负着检测炉膛火焰的任务，是炉膛安全监控系统中至关重要的部件。常用的火焰检测器有紫外线式、可见光式和红外线式等几种形式。

1、紫外线火焰检测器这是一种利用火焰本身特有的紫外线强度来判别火焰有无的检测装置。由于紫外线波长范围较狭小（在210-7～310-7m之间），因此，采用的检测探头是可见光和红外线不敏感的紫外光敏管。它是一种固态脉冲器件，发出的信号是与火焰辐射强度成正比例的随机脉冲。紫外光敏管有两个电极，一般加交流高压。当辐射到电极上的紫外线足够强时，电极间就产生“雪崩”脉冲电流，其频率与紫外线强度有关，最高达几千赫。熄火时脉冲消失。

2、可见光火焰检测器它是利用火焰中存在大量可见光来检测火焰有无的装置。可见光敏感元件有光敏电阻、光电二极管、硅光电池等，能产生与火焰强度成正比的模拟信号，其感受区在310-7～810-7m之间（可见光的蓝绿区）。可

见光的强度和火焰的闪烁频率经检测和逻辑处理后，可鉴别相应燃烧器的火焰的“有”和“无”。

3、红外线火焰检测器它是利用红外线探测器件的火焰检测装置。采用的是硫化铅光敏电阻为敏感元件，可检测燃烧火焰中大量存在的、不易被煤尘和其它燃烧产物所吸收的可见光和910-7m以上的红外线，是一种可靠性高、应用范围广、单只燃烧器监视效果好火焰检测器。由于电站燃煤锅炉的火焰监测中具有下列特点：（1）正常启（停）时，从给煤机启动到燃烧器火焰建立（或给煤机停止到火焰熄灭）有延滞时间存在；（2）检测探头工作条件恶劣（受辐射热、煤尘、飞灰与腐蚀性气体影响）。目前大型锅炉较多采用四角切圆燃烧方式，特别是当采用摆动式燃烧器时，探头只能安装在风盒里，这样的布置使探头工作条件更为恶劣；（3）喷嘴出口处有脱火区。这是因火焰向喷嘴方向的传播速度低于燃料的喷出速度所致。（4）紫外线辐射强度低；（5）煤喷嘴周围有大片浓密的未燃煤粉遮盖；60年代和70年代，广泛采用的是紫外线火焰检测器，由于紫外线火焰检测器对天然气和透明无遮盖的轻油火焰检测效果较好，能有效地监视单只燃烧器的着火情况，故在油、气炉上被广泛采用。但是，紫外线辐射易被油雾、水蒸气、煤尘及燃烧产物所吸收，所以在风量失调工况下的重油燃烧或煤粉燃烧中，采用紫外线管检测是不可靠的，尤其是在锅炉低负荷运行或燃用劣质煤时，紫外线的辐射会大量减少，紫外线光敏管检测煤火焰的灵敏度会很低。故一般认为紫外线检测适用于气体燃料而不适宜用于煤粉燃烧。鉴于上述燃煤锅炉火焰监测中的特点，目前国内外燃煤锅炉（特别是新建的大型电站锅炉）已普遍采用以探测红外线和可见光为基础的新型火焰检测器，它逐步取代了传统紫外线光敏管检测器的地位。

三、典型火焰检测器

（一）可见光火焰检测器检测火焰在可见光谱段闪烁的煤粉火焰监视产品有多种。如Bailey公司的火焰闪烁检测器、CE公司的Safe ScanⅠ型检测器等，前者的光敏元件采用硅光电池；后者的光敏元件采用带红外滤波器的硅光电二极管，对此光电信号一般都采用对数放大器进行预处理。检测器同时能一定程度地检测火焰的闪烁频率和亮度信号，可正确判断火焰的有无。Safe Scan I用于燃

煤锅炉的火球监视，在低负荷时反应此紫外线监视灵敏。下面以CE公司的产品为例，介绍可见光火焰检测器。

1、可见光火焰检测器概貌美国CE公司生产的Safe Scan I型和II型火焰检测器，目前在大型燃煤锅炉火焰检测中应用比较广泛，它是一种利用光电管的光敏特性制成的可见光式火焰检测器。图8-5示出了光电管的光谱特性。

图8光导纤维响应；2无红外滤波光电二极管响应。由图8-5可知：①光纤导管在波长400~1500nm(1nm=10-9m)范围内的传输特性比较平坦；②带红外滤波的光电管仅对可见光有响应；③无红外滤波光电管对红外线区和可见光区都有响应；④三条曲线对紫外线区均不敏感，因而不会受紫外线的干扰。用光谱分析仪和示波器记录的脉动特性表明：带红外滤波的光电管对5~12Hz光波响应最为强烈，随着频率增加响应减弱，增至60~80Hz时基本上无反应。无红外滤波的光电管对频率3~6Hz光波响应最为强烈，增至20~30Hz时基本上无响应。图中可见，带红外滤波的特性可以得到较高的频率灵敏度，提高火焰信号的鉴别能力。目前，CE公司的Safe Scan I型和II型火焰检测器正是利用了这一特性，采用了带红外线滤波器的光电二极管，这种光敏元件的敏感波长仅为400~700nm，其范围正好是可见光的波长范围，且它的波形峰—峰值较大，灵敏度较高，所以采用带红外滤波的光电管来检测炉膛的火焰最为合适的，这将大大提高检测系统的可靠性和探头的鉴别能力。火焰检测器原理性框图如图8-6所示。图8-6 火焰检测器原理性框图炉膛火焰的可见光通过探头内的透镜将光信号引出炉膛，经探头板将光信号转换成电流信号，该电流信号的大小反映了炉