火力發(fā)電使用的燃燒鍋爐、蒸汽輪機(jī)具有其特殊危險(xiǎn)性。目前除了一些食品加工、資源回收焚化廠、石化工業(yè)在蒸餾過程可看到鍋爐運(yùn)作外，較少工程是以高溫監(jiān)控為訴求的。但焚化廠、食品加工及石化產(chǎn)業(yè)的鍋爐溫度也只在200到300攝氏度間，而發(fā)電鍋爐因要產(chǎn)生大量蒸汽來推動(dòng)汽輪機(jī)，鍋爐溫度高達(dá)1000攝氏度，是一個(gè)絕對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所，因此它的燃燒過程與周邊區(qū)域的安全管控是值得探討的一門功課。

　　燃燒鍋爐的結(jié)構(gòu)特性與安全特殊性

　　我國火力發(fā)電廠以燃煤、燃重油為主。燃煤的中大型火電廠，一般采用煤粉爐。從其發(fā)電廠的結(jié)構(gòu)看，其生產(chǎn)過程是將進(jìn)廠的原煤經(jīng)碎煤機(jī)破碎后以磨煤機(jī)磨成煤粉用熱風(fēng)吹送噴入鍋爐爐膛，通過煤粉燃燒生成的高溫?zé)釟饧訜釥t膛內(nèi)的水冷壁管、加熱器管使鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽，然后經(jīng)過煙道內(nèi)的再熱器、脫硫、空氣預(yù)熱后進(jìn)入集塵器，清除煙氣中的飛灰之后，通過煙囪排入大氣。

　　淡化后的海水或江河湖泊的水經(jīng)除氧處理后(純水)被吸入鍋爐爐膛內(nèi)生成飽和蒸汽，然后再加熱變成過熱蒸汽，由蒸汽管送入汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)內(nèi)產(chǎn)生膨脹作用后運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電。發(fā)電后水汽進(jìn)入凝汽器凝結(jié)成水，經(jīng)除氧后通過水泵、高壓加熱器再一次送入鍋爐，循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行鍋爐燃燒發(fā)電。發(fā)電過程由于蒸汽和水的損失，還會(huì)補(bǔ)充由海水、江河水處理而得的純水供給鍋爐，而多余的冷卻水或直接排放入?；蚪雍?，或在冷卻塔水池中與大氣進(jìn)行熱交換以循環(huán)利用(圖1)。

　　通?；鹆Πl(fā)電廠依鍋爐蒸汽壓力分為低壓電廠、中壓電廠、高壓電廠、超高壓電廠、亞臨界壓力電廠和超臨界壓力電廠，一般的監(jiān)控系統(tǒng)無法負(fù)擔(dān)這種爐體的溫度及壓力的安全監(jiān)控要求。燃燒鍋爐若監(jiān)控管理不善，將成為火力發(fā)電廠內(nèi)最大的安全隱憂。因此必須采用特殊的燃燒鍋爐監(jiān)控設(shè)備，除熟悉的影像監(jiān)控外，還包含多項(xiàng)特殊的設(shè)備及爐膛監(jiān)控系統(tǒng)，以確?；鹆Πl(fā)電廠的作業(yè)安全。

　　高溫鍋爐的安全問題有哪些?

　　燃燒鍋爐是整個(gè)火力發(fā)電廠的核心，此處的環(huán)境結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由燃料系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)所組成，操作上極為繁雜，很容易產(chǎn)生一些安全作業(yè)與管理問題，這些問題大概有以下幾項(xiàng)：

　　1.鍋爐沒有安裝高低水位報(bào)警器和低水位連鎖保護(hù)裝置，由于水位不準(zhǔn)確，造成缺水干燒，致使鍋爐產(chǎn)生大量蒸汽，壓力驟增，爐壁不能承受壓力而爆炸;

　　2.缺乏針對(duì)高溫鍋爐的監(jiān)控機(jī)制與設(shè)備，主控室無法掌握現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)作狀態(tài);

　　3.爐體焊縫質(zhì)量不良，使鍋爐爐膽不能承受壓力而造成爆炸;

　　4.安全關(guān)閉功能失效，在異常狀態(tài)下無法起到安全告警或應(yīng)有的隔離作用;

　　5.操作鍋爐人員管制不良及不法上崗，造成事故發(fā)生無法處理;

　　6.燃燒鍋爐區(qū)安全管理不善，忽視漏油、漏氣安全管理，造成鍋爐爆炸事故。

　　除了以上的安全作業(yè)與管理缺失問題之外，還必須注意以下在燃燒鍋爐運(yùn)作過程中容易產(chǎn)生的幾個(gè)設(shè)備問題：

　　1.燃油式燃燒不穩(wěn)時(shí)投油，產(chǎn)生負(fù)壓即退出油槍，造成燃燒滅火情況;

　　2.鍋爐操作投油控制不良，產(chǎn)生滅火情況;

　　3.運(yùn)行給煤機(jī)要控制避免故障，防止鍋爐滅火;

　　4.滅火后投油點(diǎn)火應(yīng)如何控制送風(fēng)問題;

　　5.鍋爐滅火后減負(fù)荷的作業(yè)程序如何控制及監(jiān)控;

　　6.低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)如何監(jiān)控鍋爐維持運(yùn)行不影響安全;

　　7.鍋爐設(shè)置防爆門的作用及監(jiān)控;

　　8.鍋爐運(yùn)行中監(jiān)控如何使用粉倉防止粉塵爆炸;

　　9.監(jiān)控停止進(jìn)水時(shí)如何保護(hù)省煤器維持安全;

　　10.監(jiān)控過熱器熱水浸泡防止反沖洗的作用。

　　由以上這些專業(yè)的火力發(fā)電鍋爐安全問題，可以看出單一的安全監(jiān)控機(jī)制無法滿足這些人員作業(yè)及設(shè)備安全的監(jiān)控要求，以下我們看看有哪些解決方案與設(shè)備可以滿足火力發(fā)電廠高溫鍋爐的安全監(jiān)控需求。[nextpage]

　　燃燒鍋爐區(qū)的安全監(jiān)控解決方案

　　火力電廠的高溫鍋爐的安全監(jiān)控解決方案，可從人員作業(yè)安全與設(shè)備運(yùn)作監(jiān)控二個(gè)方面來看，具體方案如下：

　　影像爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)

　　影像爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)(Furnace Surveillance System)是結(jié)合光學(xué)、機(jī)械、視頻、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的一種特定監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)，依據(jù)鍋爐的特殊要求而專門設(shè)計(jì)，可用于燃煤、燃油、燃?xì)獾炔煌仩t爐膛火焰的監(jiān)視，分為內(nèi)窺式、外部監(jiān)看式兩種，國內(nèi)大部分兩種都有采用，但以內(nèi)窺式為多(圖2)。耐高溫針孔鏡頭采用上下轉(zhuǎn)角設(shè)計(jì)，可以滿足全爐膛火焰的監(jiān)視的要求。內(nèi)窺式使用電動(dòng)推進(jìn)裝置將耐高溫探頭伸進(jìn)爐內(nèi)，具有欠壓、超溫和停電自動(dòng)退出的自我保護(hù)功能;外部監(jiān)看式采用固定安裝的方式，無自動(dòng)退出功能但有報(bào)警輸出功能。通過使用上述設(shè)備，鍋爐運(yùn)行人員可在電廠監(jiān)控室的監(jiān)視器上對(duì)鍋爐燃燒器點(diǎn)火、運(yùn)行過程中火焰燃燒、滅火情況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)火焰燃燒不完全等危害鍋爐的異?，F(xiàn)象，再使用實(shí)時(shí)錄像技術(shù)則更可以提供事故后的過程追蹤及事實(shí)影像判斷。

　　爐膛火焰監(jiān)視系統(tǒng)又分為氣冷與水冷式二種(圖3)。氣冷式一般體積小，運(yùn)行可靠，安裝維護(hù)也較方便。采用壓縮空氣冷卻的方式，探頭采用雙層不銹鋼材料，夾層通過壓縮空氣直接致冷，冷卻壓縮空氣在前端形成風(fēng)簾。內(nèi)層壓縮空氣通過渦旋致冷器將空氣冷卻后對(duì)攝像機(jī)及鏡頭進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，同時(shí)在前端噴出形成風(fēng)簾;該系統(tǒng)可將攝像鏡頭直接伸入爐內(nèi)觀察爐內(nèi)火焰形狀、融熔物質(zhì)等狀況。水冷式也是采用雙層不銹鋼材料，夾層通過一定壓力的冰冷純水直接致冷，冷卻壓縮空氣在攝像機(jī)前端形成風(fēng)簾;內(nèi)層水流采用渦旋致冷確保在300-1000攝氏度的爐外溫度下工作;這種攝像機(jī)必須具有過濾紅外線光線的功能，確保對(duì)火焰的監(jiān)控內(nèi)容不失真。

　　鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)

　　鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS,Furnace Safequard Supervisory System)是一種利用PLC可程控界面與I/O 連結(jié)連動(dòng)界面的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，為保證鍋爐安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)。采用獨(dú)立測(cè)量的三取二邏輯判斷方式，就是說當(dāng)有一點(diǎn)或有二點(diǎn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為二選一或一個(gè)換一個(gè)的邏輯判斷以維持系統(tǒng)監(jiān)控的正常運(yùn)作。FSSS具有防止火焰探頭燒毀、污染、失靈及爐膛壓力取樣管堵塞的安全技術(shù)措施，并遠(yuǎn)程采集鍋爐啟動(dòng)、運(yùn)行及停止各個(gè)階段的連續(xù)監(jiān)測(cè)參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的防止鍋爐爆炸條件，不斷進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的邏輯演算及判斷;同時(shí)利用連動(dòng)裝置讓鍋爐燃燒設(shè)備按既定程序進(jìn)行各種運(yùn)作與危害偵測(cè)，并完成必要的調(diào)校與修正。

　　FSSS可以避免可燃爆氣體、煤、油在爐膛累積，在鍋爐發(fā)生事故時(shí)，切斷爐膛的燃料供應(yīng)，防止?fàn)t膛爆炸的發(fā)生。同時(shí)FSSS還具有安全監(jiān)控系統(tǒng)的控制器配置，可依設(shè)定定期進(jìn)行系統(tǒng)自我切換偵測(cè)，另外還有爐膛壓力高/低保護(hù)/汽包水位高、低保護(hù)和直流爐給水中斷保護(hù)功能。此外FSSS通過影像監(jiān)視與DCS/PLC2遠(yuǎn)程監(jiān)控(圖4)，具有防止鍋爐爐膛燃燒熄火時(shí)爆炸和自動(dòng)切投燃燒器的控制功能，包括燃料安全系統(tǒng)和燃燒器控制的遠(yuǎn)程監(jiān)控操作。

　　同時(shí)FSSS內(nèi)還有：(1)自動(dòng)切投燃燒器的控制系統(tǒng)，燃燒器控制系統(tǒng)BCS( Burner Control System);(2)燃料安全系統(tǒng) FSS(Fuel Safety System) ，利用PLC及遠(yuǎn)程偵測(cè)裝置，可以在爐膛燃燒熄火時(shí)，監(jiān)控并啟動(dòng)遙控機(jī)制保護(hù)爐膛不爆炸的監(jiān)視和控制裝置。這是依據(jù)我國電力工業(yè)部1996-03-04及1996-06-01標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的。 FSSS還可以做到：(1)快速減負(fù)荷RB(Run Back)，針對(duì)發(fā)電鍋爐機(jī)組故障時(shí)采取的保護(hù)措施;(2)火焰檢測(cè)器(Flame Detector)，用以偵測(cè)火焰信號(hào)強(qiáng)弱，并輸出可用鍋爐燃燒程度數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)收集器。

　　爐膛燃燒狀況監(jiān)控系統(tǒng)

　　爐膛燃燒狀況監(jiān)控系統(tǒng)(BM-FSSS)屬于遙控遙測(cè)的一部分，包括火焰與點(diǎn)火的狀態(tài)監(jiān)控及爐膛保護(hù)監(jiān)控兩部分。爐膛火焰監(jiān)控：可以實(shí)時(shí)監(jiān)控爐膛內(nèi)各燃燒器的火焰，顯示火焰強(qiáng)度，并通過數(shù)據(jù)收集及影像顯示火焰燃燒狀況，當(dāng)火焰熄滅時(shí)，會(huì)產(chǎn)生燈閃與報(bào)警音，此系統(tǒng)可監(jiān)控爐膛內(nèi)多個(gè)燃燒器熄火時(shí)總?cè)剂祥y的自動(dòng)關(guān)閉狀態(tài)及點(diǎn)火系統(tǒng)推進(jìn)器、速斷閥、點(diǎn)火器的運(yùn)作狀態(tài)。爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)：監(jiān)控點(diǎn)火前對(duì)爐膛的吹掃執(zhí)行狀態(tài)，有效掌握爐膛煙井及煙道中可能積聚的可燃物情況，這個(gè)爐膛保護(hù)吹掃必須在送風(fēng)機(jī)運(yùn)行、引風(fēng)機(jī)運(yùn)行、汽包壓力正常、燃?xì)鈮毫φＯ虑沂菬o火狀態(tài)下才可執(zhí)行;這些狀態(tài)必需通過監(jiān)控系統(tǒng)來監(jiān)控，吹掃完成后才可以進(jìn)入點(diǎn)火程序。爐膛吹掃過程中若發(fā)現(xiàn)送風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)和汽包的水位過低、汽包壓力過高或燃?xì)鈮毫^低及過高時(shí)，都會(huì)自動(dòng)通過系統(tǒng)執(zhí)行爐膛安全保護(hù)措施，以確保發(fā)電廠正常運(yùn)行。

　　爐膛壓力保護(hù)系統(tǒng)

　　爐膛壓力保護(hù)系統(tǒng)(Furnace Pressure Supervisory System)是鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)中重要的監(jiān)控點(diǎn)，使用爐膛壓力保護(hù)系統(tǒng)，取原有壓力開關(guān)信號(hào)至FSSS控制主機(jī)或者由DCS輸出至FSSS控制主機(jī)，是防止?fàn)t膛滅火和爆炸最簡(jiǎn)單的手段之一，為鍋爐爐膛安全監(jiān)控提供監(jiān)控、保護(hù)手段。用爐膛壓力高或爐膛壓力低信號(hào)輔助判斷燃燒器的燃燒狀況是否安全可靠。如果爐膛壓力變化不大，則可判斷鍋爐不存在大面積燃燒器滅火，鍋爐的燃燒穩(wěn)定。[nextpage]

　　鍋爐汽包水位/壓力保護(hù)系統(tǒng)

　　鍋爐內(nèi)汽包滿水或缺水是造成火力發(fā)電廠鍋爐爆炸的主因。若鍋爐內(nèi)滿水將使鍋爐蒸汽嚴(yán)重帶水，使蒸汽溫度下降，蒸汽管道發(fā)生出水狀況，此情況會(huì)損害蒸汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)組。若鍋爐汽包內(nèi)缺水則不能維持鍋爐的正常水循環(huán)回路，使內(nèi)部蒸汽溫度急劇上升，冷卻水的管壁過熱，嚴(yán)重情況會(huì)造成鍋爐設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。所以鍋爐汽包水位必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)保護(hù)，DCS保護(hù)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)防止鍋爐內(nèi)滿水和缺水的狀態(tài)發(fā)生，這也火力發(fā)電廠鍋爐啟動(dòng)的必要條件。目前鍋爐水位保護(hù)系統(tǒng)存在較大的問題是：鍋爐汽包水位的偵測(cè)量不準(zhǔn)確及保護(hù)的可靠度不足。這可通過PLC/DCS并設(shè)置各種BM-C水位以及溫度前端探測(cè)器的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐水汽包狀態(tài)的監(jiān)控達(dá)到保護(hù)高溫鍋爐運(yùn)行及維護(hù)操作人員的安全。

　　現(xiàn)階段問題與未來展望

　　鍋爐安全監(jiān)控是火力發(fā)電廠安全運(yùn)行的關(guān)鍵，所有火力發(fā)電過程的設(shè)備監(jiān)控與運(yùn)作資料采集判斷反應(yīng)等都應(yīng)納入安全監(jiān)控的范圍進(jìn)行規(guī)劃，這樣才是一個(gè)完整的安全解決方案。

　　總體而言，火力發(fā)電廠的安防監(jiān)控有較多的特殊需求，包括：重點(diǎn)地區(qū)實(shí)時(shí)視頻，要能掌握電力系統(tǒng)各類設(shè)備、儀表、開關(guān)、主變壓器等的運(yùn)行情況;實(shí)時(shí)掌控周界和廠內(nèi)外報(bào)警信號(hào)、門禁系統(tǒng)狀態(tài)、環(huán)境溫度濕度等。但目前普遍存在的問題是，上述的各系統(tǒng)大部分無法將原建置到現(xiàn)階段的模擬及數(shù)字系統(tǒng)完全集成為一體化應(yīng)用(高度兼容的綜合平臺(tái))，只能讓各系統(tǒng)單獨(dú)應(yīng)用。

　　但隨著電力監(jiān)控需求及網(wǎng)絡(luò)帶寬的不斷提升，目前已有許多新產(chǎn)品、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，尤其是影像高清技術(shù)及視頻智能分析技術(shù)。高清監(jiān)控將會(huì)加速發(fā)電廠監(jiān)控系統(tǒng)與其他設(shè)備子系統(tǒng)的整合;而視頻智能分析可做到預(yù)警、實(shí)時(shí)處理、事件采證，并加入視頻智能檢測(cè)功能，如煙火檢測(cè)、周界入侵檢測(cè)、物品移動(dòng)、遺留物、徘徊停留和自動(dòng)追蹤等，也為發(fā)電廠的安全監(jiān)視監(jiān)控帶來廣闊的發(fā)展。