罗建明1涂源钊2
摘要：本文介绍了一种由可编程控制器设计的电厂锅炉保护系统。该系统利用可编程控制器（ＰＬＣ）的逻辑处理功能，简化了接口线路，使系统具有安全、可靠、稳定、经济的特点。
关健词：锅炉保护;可编程控制器;电厂

电厂锅炉保护是热工保护的重要内容。运用可编程控制器来实现锅炉保护有着安全、经济、可靠的特点。本文重点介绍了用可编程控制器来设计电厂锅炉保护的全过程。在豆坝发电厂＃３、＃４炉（４２０ｔ／ｈ）的灭火保护改造中，我们设计了以可编程控制器为核心的保护系统。电厂锅炉为双炉膛结构，两台送风机，两台引风机。
在设计时，和常规的设计思路不同，极大地简化了外围控制线路，考虑了一部份的智能的因素，屏蔽了启动过程和停炉时的一部分不必要的信号。而且，当锅炉出现危险情况时，不论保护是否投入，均能发出相应的热工信号。保护动作的可靠性大提高。充分利用了可编程控制器的逻辑设计轻易的特点。

１电厂锅炉保护的要求
电厂锅炉是发电厂三大主要设备之一。其作用是根椐负荷需要，调整进入炉膛的燃料使之完全安全的燃烧，产生高温高压的蒸汽来冲转汽机，从而拖动发电机来发电。锅炉是采用送风机送入空气而依靠引风机来排走烟气的平衡式通风方式。控制炉膛出口的压力稍低于大气压力。即负压运行。炉膛负压是反映燃烧工况是否正常的重要参数。炉膛负压过大，会使漏风增加，效率减低，引风机电耗增加。低负荷时，漏风严重会造成炉膛灭火，反之，炉膛压力变正，则高温火焰及烟灰就要外冒，不但污染环境，还可能造成人身事故。所以维持炉膛压力在一定范围之内是非常重要的。电厂采用调整引风机挡板开度或引风机转速来改变排走烟气的量，使炉膛负压被控制在一定范围内。当锅炉出现危急情况，如燃烧状态变化，或送引风出力变化，均会造成炉膛压力的变化。炉膛压力过高或过低时应自动作停炉处理，即炉膛压力过高、过低保护。

燃料全中断保护：正常运行的锅炉，如燃料全中断，必然造成炉灭火，负压增加。如在灭火后重新送入燃料，极易使炉膛发生爆燃、爆炸。这就是通常所说的“灭火放炮”事故。所以，当炉膛燃料中断超过一定时间，造成进入炉膛的燃料流发生中断时，就不能再送入燃料了，而必须吹扫炉膛后重新进行点火。

引风机全停：一般发电厂均有两台引风机同时运行。当一台引风机停止运行时，炉膛负压会有大幅度的变化，运行人员如能及时调整，降低负荷，锅炉还能运行。引风机全停，其结果是炉膛压力升高，严重破坏了锅炉的平衡通风方式。应立即停止送入燃料，作停炉处理。
送风机全停：一般发电厂均有两台送风机同时运行。当一台送风机停止运行时，炉膛负压会有大幅度的变化，运行人员如能及时调整，降低负荷，锅炉还能运行。送风机全停，其结果是炉膛压力降低，严重破坏了锅炉的平衡通风方式。应立即停止送入燃料，作停炉处理。
锅炉灭火：锅炉如灭火后，继续送入燃料，由于可燃物没有在规定的区域内燃烧，则发生可燃物的堆积。极易使炉膛发生爆燃或爆炸。这就是通常所说的“灭火放炮”事故。所以，发生灭火时，就应停止将燃料送入炉膛，并进行吹扫。完成之后才能重新点火。

汽包水位过高或过低：汽包水位过高或过低都会对锅炉和汽轮机的安全运行带来严重的威胁。汽包水位表示其蒸发面的高低，水位过高，蒸汽空间缩小，会引起蒸汽中水份增加，使蒸汽品质恶化，轻易造成过热器管内积盐垢，管子过热损坏；汽包严重满水时，会造成蒸汽大量带水，，引起管道和汽轮机的水冲击。甚至打坏汽轮机叶片。水位过低，可能会破坏正常的水循环，使水冷壁管超温损坏；严重缺水时，还可能造成水冷壁爆管的事故。

随着锅炉容量的增大，汽包的相对水容积减小，因而大容量锅炉汽包水位变化是很快的。经计算，１０２５Ｔ／ｈ自然循环汽包锅炉的汽包水位变化２００ｍｍ的时间为６?觸８ｓ。假如给水中断而继续运行，则在１０~３０ｓ的时间内，汽包水位就会消失或降到危险水位。因此，锅炉运行中保证水位在一定的范围内是极其重要的。一般情况下，通过调整给水调门开度或给水泵出力从而改变进入锅炉的给水量来实现汽包水位的调整。

作为典型设计，汽包水位保护是在汽包水位真正高二值时，开启事故放水门，水位低于高一值及其以下时关闭事故放水门。

２锅炉保护的过程
当锅炉出现上述任一危险情况时，锅炉保护就会动作。强制切断进入炉膛的所有燃料，进行自动的炉膛吹扫。只有在满足炉膛吹扫的条件下，炉膛内部的空气转换了３~５倍后，锅炉才能重新点火。

３配置及输入输出基本点
配置：
ＳＹＳＭＡＣＣ２００ＨＥＰＲＯＧＲＡＭＭＡＢＬＥＣＯＮＴＲＯＬＬＥＲ
１，电源单元ＰＡ２０４Ｓ１块
２，ＣＰＵ单元ＣＨ２００ＨＥ１块
３，输入卡件ＩＡ２２２４块
４，输出卡件ＯＣ２２５３块
５，空单元３块
６，十槽位底板１块
输入部份：
１.炉膛压力部份２*８点；为防止炉膛压力高保护误动作，炉膛压力高、低信号采用三取二逻辑。并有线路不正常的检测功能。
２，送、引风及燃料开关量输入：
３，炉膛火焰开关量信号；
４，汽包水位高、低信号
５，保护的切／投
输出部份：
１，线路不正常信号
２，热工信号
３，用于ＳＯＥ的开关量信号
４，ＭＦＴ动作输出
５，事故放水门控制
４锅炉保护系统结构框图

（１）炉膛火焰信号的输入；其目的是将火焰的模拟量信号转换成开关量输入可编程控制器。(图略)

ＭＦＳＳ装置是由我厂要求，经制造厂特制的装置。经分析，本系统的薄弱环节是火焰模拟量到开关量的转换环节。为此，同一炉膛的火焰信号分别进入不同的输入板件。经由不同的卡件输出。使ＭＦＳＳ装置的输入或输出卡件故障均不会使保护误动作。实现了“功能集中、危险分散”的原则。同时在设计时，模拟量及开关量的公共线均有多组。可编程控制器是否接收到火焰开关量信号通过操作台上的层着火指示灯显示，并有反馈的作用。避免由于线路原因造成保护不可靠。

（２）汽包水位信号输入
为了提高保护系统的可靠性，同样，甲、乙侧汽包水位信号分别进入可编程控制器的不同的输入模件。在程序设计上考虑任一侧汽包水位报警或出现危险值均产生热工信号。同样实现了“危险分散”的原则。

下图中汽包水位计也是根椐我厂要求进行制作。汽包水位电接点表除了能进行水位显示外，还能输出高一值、高二值、高三值和低一值、低二值、低三值的无源接点信号。(图略)
在水位保护中充分考虑到热力系统的特点。当安全门动作后，会伴随着不虚假水位的出现，保护的动作要能避开这种情况，同时又要能发信号。经分析。在安全门动作以后的水位曲线如下：

安全门动作（ｔ０）后，蒸汽流量忽然增加，锅炉汽包水位虚高，锅炉汽包水位变化如Ｈ所示。经大约２０秒（ｔ１），汽包水位开始下降，可以认为虚假水位现象结束。则在程序中这样设计，只要安全门动作（用微分指令实现），以后的２０秒内，如检测到汽包水位高到了危险值，保护不动作，只发信号。２０秒后，恢复正常的保护功能。当汽机忽然甩负荷（ｔ０）后?熏蒸汽流量忽然减少，锅炉汽包水位变化同上图正好相反。只要发电机甩负荷，（用微分指令实现），以后的２０秒内，如检测到汽包水位低到了危险值，保护不动作，只发信号。２０秒后，恢复正常的保护功能。
（３）其它信号的输入
其它诸如炉膛压力信号、送引风机状态信号、给粉电源状态信号、排粉机状态信号、燃油电磁阀状态信号、天然气电磁阀状态信号、保护切投信号直接进入可编程控制器的输入模件。为防止炉膛压力保护误动作，对炉膛压力进行“三取二”逻辑处理。
（４）信号的输出
报警功能：无论是否投入保护，均能实现当锅炉出现不安全状态时，发出报警信号。
Ａ：当锅炉任一炉膛出现炉压高或低时，发炉压高一值或低一值信号。
Ｂ：汽包水位任一侧水位为高一值、高二值、高三值及低一值、低二值、低三值时发相应热工信号。
Ｃ：锅炉燃烧不稳信号。本设计对燃烧不稳信号有独到的考虑。燃烧不稳反映锅炉燃烧由好变差。有两种情况，锅炉会发出燃烧不稳信号。一是当锅炉开始投入燃料３０分钟后，如只有一层着火时（层着火：通常情况下，锅炉四个角每一个角的喷燃器均安装有火焰监视器，当四只火焰监视有二只以上发现着火时，则认定该层着火。每个炉膛有两层均灭火，为全炉膛灭火），发燃烧不稳信号。而在点火初期，没有必要发出燃烧不稳信号。因为，点火初期一般火焰状态不是很好。同时，这种情况也没有必要通知运行人员。如信号太多，会影响运行人员对运行状态的判定。二是点火后进度快全炉膛已着火，后因某种情况，只有一层着火，发燃烧不稳信号。即燃烧过程由好变差时发出燃烧不稳热工信号。再一个就是当锅炉发生灭火事故时，按照事物变化总是从质变到量变的道理，总是要先出现燃烧不稳，再出现灭火。对于分析事故的过程，也是非常有用的。为便于事故分析，相关信号送入事故记录仪（ＳＯＥ）便于事件的分析。
Ｄ：燃料全中断信号
如未加证实，当停炉时，会发相应热工信号。只有在炉膛有火焰时，才会发出燃料全中断信号。但对于用于保护的逻辑功能，却是只要没有投入燃料，而保护是处于投入状态时，保护就会动作并发出相应的信号。
Ｅ：炉灭火信号。
锅炉燃料全中断时，在保护投入或不投入时均能发出热工信号。锅炉投入燃料３０分钟未着火时，发炉灭火信号，任一炉失去一层火焰，发出炉燃烧不稳热工信号。
（５）保护动作的输出
常规的保护输出采用多个并联工作的继电器。继电器采用同一信号驱动。现采用不同卡件的多个不同输出驱动多个继电器。而且输出也并联在一起。保护拒动的可能性减到了最小。
根椐电厂双炉膛的特点，考虑到排粉机乏气管道存在交叉，当任一炉满足ＭＦＴ动作条件时，均同时停止进入两炉膛的所有燃料。
（６）吹扫功能的合理简化
锅炉灭火保护动作后的吹扫也是个具体的问题，要在保证安全的前提下尽量简化。
①炉内无火
②至少一送风机运行
③至少一引风机运行
④Ｉ组给粉电源停
⑤ＩＩ组给粉电源停
⑥甲排粉机停
⑦乙排粉机停
⑧风量不小于２５％
５锅炉保护的效果
在实际运行中，锅炉保护投入不久，就有一次炉灭火事件。由于在设计中考虑了燃烧不稳信号，所以在事故记录中清楚的记录了炉灭火的过程。记录为：“炉膛压力大一值，炉燃烧不稳，炉灭火，锅炉保护动作”。分析应是燃烧不稳定进而造成炉膛压力变化，然后炉灭火保护动作。经证实是给粉不稳定，造成炉燃烧不稳，炉膛压力波动。进而炉灭火。由于在设计中有了燃烧不稳的信号，在反应炉膛燃烧工况变化时，就能有完整的记录。给事故分析提供了方便。
还有一次是安全门误动作，造成汽包水位虚高，但是锅炉保护并没有动作，因此没有停炉，更没有停机，也没有发生甩负荷的情况，在电力市场要进行电量考核的今天，防止保护误动就更有意义了。这就表明保护逻辑设计得很恰当。
６本锅炉安全监视系统的评价
对现代大容量高参数锅炉来讲，热工保护显得更为重要，防止保护系统的拒动和误动有着同等的重要性。在锅炉安全监视系统上，用国外的系统价格在１００万元左右。而本系统只要不到二十万。就我国的现状来讲，本系统有重要的实用价值和现实意义。如在本文摘要中所说的一样，本安全保护系统有较高的可靠性。此种类型的保护系统在国内还未见报道。
参考文献
[1]Ｃ２ＯＯＨＥ可编程控制器用户手册
作者简介：罗建明，男，年龄：３３岁，工程师，从事热工技术治理工作。电话：１３９９０９０８０８７
（６４４６００四川宜宾发电总厂）罗建明
（６１００６５四川大学）涂源钊