I/A系列集散控制系统在电厂炉膛安全监控系统中的应用

【摘 要】文章介绍了炉膛安全监控系统的概念和作用，在集散控制系统中的逻辑组态和实现方法，并介绍了福克斯波罗公司的I/A 系列集散控制系统，从软硬件两方面对其在炉膛安全监控系统中的应用进行了说明。

【关键词】I/A系列 集散控制系统 炉膛安全监控系统

一、概述

炉膛安全监控系统，简称FSSS，是一个包括燃烧器管理和燃烧安全联锁功能的系统。它能在锅炉正常工作和启动、停止等运行方式下连续监视燃烧系统的有关参数和状态，并且进行逻辑运算和判断，通过联锁逻辑和设备，使燃烧设备中有关部分按照既定的合理程序完成必要的操作或处理未遂性事故，以便保证锅炉炉膛及燃烧器系统的安全。它在防止运行人员误操作事故及有关设备故障引起锅炉炉膛爆炸方面起着重要的作用，是大型火力发电厂必不可少的自动化设备。

二、炉膛安全监控系统简介

FSSS系统一般由三个部分组成：公共逻辑控制系统，燃油控制系统，燃煤控制系统。主要完成以下功能：

锅炉炉膛吹扫

主燃料跳闸MFT （Main Fuel Trip）

发出跳闸原因显示和记忆（至SOE事件顺序记录）

锅炉燃油投入许可及控制

燃油泄漏试验

（一）锅炉炉膛吹扫

炉膛吹扫是锅炉点火前和锅炉点火失败后必须进行的吹扫程序。炉膛吹扫的目的是将锅炉炉膛和烟道内积存的可燃混合物排除掉，完整的吹扫过程是燃烧器必要的点火条件之一。在5分钟吹扫过程中，如果失去任一项吹扫条件，控制逻辑将立即中断吹扫程序，并发出报警，待吹扫条件全部满足，重新吹扫。

点火前吹扫

锅炉点火前，必须进行炉膛吹扫，这是锅炉防爆规程中最基本的防爆保护措施。锅炉停炉以后在闲置的炉膛内会积聚杂物，绝大部分是燃料和空气的混合物，在锅炉点火前要向炉膛内吹进足够的风量将这些混合物带走，以防在点火时发生炉膛爆炸。按照美国国家防火协会（NFPA）的规定，吹扫时间不得少于5min，吹扫风量不得小于30%。

吹扫过程为：

首先由运行人员启动送、引风机，二次风调节系统通过辅助风挡板来调节风量，当吹扫条件具备后，BMS系统发出“吹扫允许”指令，此时运行人员在操作站上启动“启动吹扫”按钮，锅炉开始吹扫并计时，炉膛吹扫时间不少于5min。

吹扫条件为：

有送风机运行；有引风机运行；所有油角快关阀关闭；燃油母管跳闸；关；无MFT指令；所有给煤机停；所有磨煤机停；二次风风门挡板在；节位；所有火检指示无火；燃烧器喷嘴在水平且风量适当（

在运行操作站上， 设有相应指示灯显示上述条件，并根据工况，分别显示“吹扫允许”、“吹扫进行”、“吹扫中断”和“吹扫完成”，吹扫完成指令同时自动复位MFT继电器。

锅炉吹扫后备保护逻辑

锅炉吹扫后备保护的功能是当炉膛完成吹扫一个周期，由于某种原因出现炉膛压力过高或过低时，使送、引风机跳闸，从而保护炉膛免遭过大的正、负压力而造成损坏的一种保护逻辑。

吹扫条件为：

燃料全切断；全炉膛无火；MFT；

当上述信号确立后，启动一个5min的计时器，当5min计时结束前，若有“炉膛压力过高”或“炉膛压力过低”的信号存在，则跳闸运行中的送、引风机；若吹扫5min结束且其间没有“炉膛压力过高”或“炉膛压力过低”的信号存在，也会跳闸送、引风机，表示5min的吹扫周期正常结束。

（二）锅炉跳闸（MFT）保护

MFT逻辑

当发出下列条件之一时，FSSS系统则立即切断锅炉主燃料，机组停止运行，并显示记忆首出跳闸原因。出现跳闸的原因有：

二个手动按钮同时紧急按下，即手动紧急停炉；送风机均跳闸；引风机均跳闸；预热器全部跳闸；MCS电源丧失（是否设置由用户决定）；给水泵全部跳闸；省煤器；口给水流量小于设定值（三取二） ；再热器保护丧失；炉膛压力高越限（三取二）；炉膛压力低越限（三取二）；全炉膛燃料丧失；全炉膛火焰丧失；火检冷却风丧失；三取二） （是否设置由用户决定）；风量小于25%（三取二）；FSSS电源丧失；螺旋水壁出口金属壁温高越限；过热器出口蒸汽温度高越限；再热器出口蒸汽温度高越；；分离器水位高越限；分离器出口蒸汽温度高越限；锅炉控制系统故障

MFT逻辑图如下图1所示：

MFT跳闸继电器动作时，应同时对下列设备快速发出动作指令：

关闭暖炉油母管跳闸阀及油角阀；切除全部高能点火器；切除全部一次风机；切除全部磨煤机及同时置磨煤机控制为手动方式；切除投运吹灰器；开二次风门挡板；关闭减温水调节阀及截止阀；关闭主汽门；除尘器跳闸；送信号给MCS、SCS送信号给汽机旁路控制系统；汽机跳闸；声光报警。

MFT首出原因

当有MFT信号产生时，说明有工况危险到设备以及人身的安全，是属于保护级别的跳闸动作，所以在MFT动作后，及时了解到究竟是哪个设备或者参数引起的MFT跳闸就显得很有必要，这样可以使得维护人员很容易就知道是系统中哪个部分出现了异常情况，能够及时地对此设备进行检修或者调换，因此MFT首出原因的逻辑在FSSS系统中是非常重要的。

MFT首出原因如下图2所示：

（三）锅炉燃油投入许可及控制

燃油泄漏试验

在锅炉点火前需检查燃油跳闸阀至各油枪入口快关阀之间的管道和阀门在规定的油压下有无漏油现象。

由运行人员在CRT上操作，如果泄漏试验失败则炉膛吹扫不成功，系统发出泄漏试验失败信号，经处理后重新开始泄漏试验。

油泄漏试验一般分两部分进行，首先是检测各油枪角阀及各油枪角阀至母管跳闸阀之间的油管路是否泄漏，然后检测油跳闸阀是否有泄漏。当这两部分试验都通过时，则表明该油系统泄漏试验成功。

具体过程如下：

在母管油压达到泄漏试验设定值时，先开跳闸阀和回油阀进行油循环后，经过一定时间的油循环关闭回油阀，对油系统的各管路、阀门进行充压至跳闸阀后泄漏试验压力高开关动作，关闭跳闸阀。这时观察跳闸阀后的压力变化是否保持在规定的允许范围之内。在证实前面这段无泄漏后，再进行对油跳闸阀的试验，打开回油阀泄压至跳闸阀后泄漏试验压力低压力开关动作后，关闭回油阀，观察跳闸阀出口压力变化。在规定时间内，若该压力开关不动作，则表明跳闸阀泄漏试验通过。反之则说明该跳闸阀有泄漏现象。

燃烧器点火和熄火控制（集控室和就地）

油燃烧器控制方式分中央单角、对角控制，就地单角控制。当单角控制方式时，可通过软手操对所选定的油角进行启、停控制；当对角控制方式时，可通过软手操对1、3角或2、4角进行启、停控制。

在油枪可投入运行之前，FSSS控制系统检查下列许可条件：

主燃料跳闸复归；火焰检测器系统正常（电源、冷却风压）；所有火检均无火焰；冷却风母管压力正常。

当以上这些条件满足后，在CRT操作站上显示“允许点火”信号，且当各个油枪的点火条件满足后，油枪可以投入运行。

由运行人员投入油枪时，系统设计时考虑给运行人员提供投入单个油枪或一对油枪的灵活性。

在运行人员通过CRT操作站启动一个指定的燃烧器组进行点火时，系统能根据时间顺序，开启快关阀、雾化阀。如在设定时间内某油枪未被证实点燃，关闭其对应的快关阀、雾化阀，并发出“点火失败”的报警。在维持吹扫风量的前提下，允许再进行下一次点火，但至少相隔一分钟以上。禁止在没有查明或纠正点火失败原因之前就试图重复再点火操作。

许可条件丧失或在指定时间内不能完成运行程序，则中断此程序。

运行人员能通过操作CRT操作站中断运行程序，停止运行程序的过程能监视并被证实。任何一个阀门不能关闭的情况下，产生一个“断油不成功”的报警。

油角启停过程中控制对象是：油枪进退，高能点火枪进、打火，燃油快关阀的开关，雾化阀的开关，吹扫阀的开关，油燃烧器辅助风门挡板的开、关。

（四）燃油跳闸（OFT）

当燃油供油压力不低且所有油角阀关且无MFT指令，运行人员可在操作站（CRT）按压开按钮，燃油跳闸阀将自动开启。

如下工况将自动关油母管跳闸阀：1、MFT；2、运行人员按压关按钮；3、有油角阀开但油母管压力低或雾化介质压力低。

当所有油角阀关，运行人员可在操作站（CRT）按压开按钮，燃油循环阀将自动开启。如下工况将自动关油母管循环阀：1、MFT；2、运行人员按压关按钮；3、当有大于等于3只燃烧器在运行，燃油循环阀自动关闭。

三、DCS软硬件的实现

（一）控制器

系统采用了I/A系列最新的现场控制处理器FCP270。和现场总线模块一起完成各种调节、逻辑、定时和顺序控制功能。同时也能执行数据采集、报警侦测和通知的任务，为炉膛安全监控系统的实施提供了完整有效的硬件平台。

控制器通过标准的光纤和工业以太网相连，传输速率达到100Mbps，保证了大量重要设备信息的安全传输。支持使用外部时间校准器（例如全球卫星定位系统GPS）来进行控制器和个模块间的时间同步。

控制器内部的时钟频率最快可以达到50ms扫描一次，为炉膛安全监控系统的快速反应创造了良好条件。

下图3为控制处理器的外貌：

（二）信号接受模块

跳闸原因的多样性和同时性导致辨析跳闸发生的时间成为分析事故原因的一个难点。当MFT发生瞬间，多个跳闸几乎同时出现时，现场设备的信号通过硬接线发送到DCS系统的终端卡件，对卡件的精度和响应时间提出了很高的要求。I/A系统的200系列现场总线模块之一FBM207和与其对应的专用SOE软件Sequence of Events Software Package则能满足对MFT跳闸条件进行精确记录的需求。

下图4是FBM207模块和对应的终端集成器。

FBM207模块是一种提供了16通道电压输入的数字量（离散量）输入接口模块。支持从直流15到60伏特、交流120伏特、直流125伏特和交流240伏特多种输入电压特性。每个输入通道都是分组隔离的。

（三）数据采集软件

SOE软件采用服务器/客户端结构来采集、储存、显示和汇报控制系统中的开关量数据。

SOE数据本身是基于事件的。所谓“事件”指的就是一个数字量输入信号自身状态的变化，即从“零”变为“一”或反之的情况。当这种事件发生时，SOE软件生成一条包含变化量的数值以及变化发生事件的消息。在SOE数据库中，“事件顺序”是一组完整的，按时间分类的事件的集合，用来证明工厂中事件或干扰的出现和顺序。

下图是SOE软件的界面：

SOE软件提供了1毫秒分辨率的高精度信号收集；对于多对控制器内的信号，采用GPS时间同步系统来达到相同精度的采集效果；在时间大量且频繁发生时，利用一个内部可更改的缓冲带来避免数据的丢失；和I/A系统的历史数据库进行无缝整合，保证SOE数据的长时间保存；生成当前信息或历史数据的报告和记录；动态的屏幕数据显示，可以让使用者方便地找到查看或打印特定的数据；任意一台客户机都能连接和现实SOE数据；简洁的图形用户界面让使用者快速地定义和导入SOE数据点。

四、总结

采用I/A系统的现场控制处理器FCP270、FBM217信号采集模块和SOE软件，能方便且可靠的记录下炉膛安全监控系统中的设备的重要反馈信息。通过控制器的内部处理能够快速响应设备的启停跳闸或保护要求。I/A系统已成功应用在一些大型火电机组炉膛安全监控系统中，有力地保证机组设施和操作人员的安全，有效降低电厂的成本，提高效率和竞争力。

参考文献：

[1]印江. 电厂分散控制系统. 北京：中国电力出版社，2006

[2]罗万金. 电厂热工过程自动调节. 北京：水利电力出版社，1995