鍋爐主燃料喪失跳閘保護的應用和改進

楊悅

(中國石化上海石油化工股份有限公司 儀控中心，上海 200540)

某石化公司熱電部4號鍋爐原先的控制系統使用時間較長，功能落后，安全保護措施不到位，隨著DCS技術的發展，控制系統的改造升級成為裝置安全生產的必然趨勢。該公司在DCS改造時，選用了Honeywell PKS C300系統。

DCS概念的引進必然會聯系到鍋爐主保護，即主燃料喪失跳閘保護(MFT)。在DCS的改造調試運行中，對MFT保護有些不足和誤動作的情況做了修改和加強，對發生MFT之后的首出和報警做了分析和優化。本文以該公司鍋爐控制系統的改造升級為例，介紹了MFT保護邏輯的應用和改進，分析和解決了誤動作的情況。

1 MFT功能和簡介

1.1 MFT的概念

MFT是鍋爐重要的保護措施，當鍋爐運行發生緊急情況且對設備和人身安全有危險時，由人工操作或保護信號指令快速切斷進入爐膛的所有燃料，達到保證鍋爐安全運行和保護主要設備的目的。

MFT信號直接作用于最后執行對象，當MFT信號觸發后，為切斷進入爐膛的一切燃料，所有燃燒設備和有關輔助設備都將動作。MFT動作后，如果不是送、引風機保護動作的原因，則送、引風機保持運行狀態進行爐膛吹掃，反之將延時打開所有送、引風機擋板，在全開狀態下自然通風不少于15 min。

在發出MFT的同時有首出記憶便于故障判斷和處理，一個MFT動作后將閉鎖其他MFT信號發出。正常運行時，一般不會同時觸發2個首出記憶。

該鍋爐設計的MFT主保護分別為： 送風機全停、引風機全停、膛負壓高高、膛負壓低低、汽包水位高高、汽包水位低低、全爐膛火焰喪失、燃料中斷、手動MFT及點火延時。

以下分別對每條MFT保護條件進行說明：

1)送風機全停。2臺送風機全部停運的情況下，發出MFT動作信號。

2)引風機全停。2臺引風機全部停運的情況下，發出MFT信號。

3)爐膛負壓高高。3個爐膛壓力開關量信號中同時輸出2個高報警(1.2 kPa)信號，發出MFT信號。

4)爐膛負壓低低。3個爐膛壓力開關量信號中同時輸出2個爐膛壓力低報警(-1.2 kPa)信號，發出MFT信號。

5)汽包水位高高。3個汽包水位信號中同時有2個大于2 745 Pa，發出MFT信號。

6)汽包水位低低。3個汽包水位信號中同時有2個小于-2 745 Pa，發出MFT信號。

7)全爐膛火焰喪失。3個煤層和2個油層，每一層4個火焰中有3個火焰喪失，發出MFT信號。

8)燃料中斷。所有油門關閉以及所有給粉機停運，發生MFT動作。

9)手動MFT。操作站上2個MFT手操按鈕同時按下，發生MFT動作。

10)點火延時。在吹掃完成30 min之后，沒有任何油層或者煤層投運，發生MFT動作。

1.2 MFT爐保柜介紹

該鍋爐DCS改造后加入了MFT爐保柜。其主要作用是當DCS崩潰時，依然可以通過MFT爐保柜保護現場設備，確保能快速安全地實現鍋爐安全運行。

1.2.1MFT的動作

如圖1所示，爐保柜內分為兩部分。第一部分為220 V直流供電，第二部分為220 V交流供電。KP是直流供電的空氣開關，KS為交流供電的空氣開關。PB-1，PB-2是鍋爐運行操作臺上2個手動MFT按鈕，串聯接線，當2個按鈕同時按下時，16個繼電器動作，MFT保護發生。

圖1 爐保柜電源接線示意

MFTA，MFTB是鍋爐DCS中發出的脈沖保護信號輸出指令。當DCS發出指令時，任一接點接通，16個繼電器動作，MFT保護發生。

1.2.2MFT的復位

當發生MFT動作時，圖1中16個MFT接點閉合。當MFT動作消失時，DCS發出脈沖指令，使1MFT RST接點接通，閉合狀態變成斷開狀態，16個繼電器失電，繼電器復位。

2 鍋爐主保護調試期間存在的問題

2.1 爐膛負壓

爐膛負壓高高和爐膛負壓低低是鍋爐MFT的重要聯鎖條件，采用3臺變送器，輸出3個4～20 mA信號在DCS監視畫面中顯示，以方便監控，量程范圍設置為-500～500 Pa。而MFT的主保護是以6個壓力開關量信號作為信號源，其動作值分別為1.2 kPa和-1.2 kPa。

如果MFT的首出原因為爐膛負壓引起，那么當查閱歷史報警記錄時，只能看到開關量信號的報警記錄，而監視用的模擬量數值范圍為-500～500 Pa，無法達到MFT動作時的數值。

2.2 MFT信號的觸發

MFT信號觸發條件包括： 送風機全停、引風機全停、膛負壓高高、膛負壓低低、汽包水位高高、汽包水位低低、全爐膛火焰喪失、燃料中斷、手動MFT及點火延時。

原MFT動作保護的邏輯設計中，當MFT發生時，其只有2個DO輸出信號到爐保柜，即圖1中的1MFTA和2MFTA觸點，表示在爐保柜每個部分中，只有一對觸點來實現MFT保護動作。這樣就大幅降低了MFT保護動作的可靠性。

2.3 全爐膛火焰喪失

全爐膛火焰喪失保護，取自2個油層和3個煤層的火焰探頭信號發出的火焰強度信號，每一層有4個火焰探頭，在DCS中以開關量信號來檢測。當火焰探頭檢測到一定的火焰強度信號后，DCS顯示著火信號輸出為ON，每一層3個信號輸出ON后再取反來判定火焰有火還是無火。

原設計中判斷AB油層有火還是無火的邏輯如圖2所示。從圖2中可以看出，著火信號直接輸出后判定有火還是無火。在調試中存在的問題是： 當火焰強度有瞬時的波動或者干擾時，DI點狀態翻轉，馬上又恢復。但是，判定無火條件已經發出，這樣就會造成由于假信號或者干擾信號等一些瞬時原因使MFT保護發生誤動作。對鍋爐的正常運行帶來不必要的麻煩。

圖2 該鍋爐原設計AB油層火焰判斷邏輯示意

2.4 試運行期間鍋爐MFT的發生

在該鍋爐DCS改造后試運行期間，發生過2次MFT保護動作。

在發生第一次MFT保護動作之后，查首出原因無記錄，SOE報警無記錄。檢查MFT首出記憶邏輯中10個MFT信號的組態報警設置為NONE，即表示沒有首出報警組態。修改報警設置把NONE修改為UNGER級別，檢查SOE卡板接線狀態，發現在10個MFT保護中有3個信號沒有接入SOE卡板，分別為： 引風機全停、送風機全停、以及點火延時。

發生第二次MFT之后，查首出記憶報警為“點火延遲”報警。查“點火延時”邏輯圖，如圖3所示。觸發“點火延時”的條件是RS觸發器前面的“吹掃完成”條件，當吹掃完成后，延時30 min，如果沒有任何“油層運行”(圖中虛線框所示)來復位RS觸發器的話，那么吹掃完成條件將一直處于ON狀態，會觸發“點火延時”MFT。發生MFT時，根據工況停運了油層。所以，復位條件消失，延時30 min后發生MFT。

圖3 點火延時邏輯示意

3 改進方案及取得的成效

3.1 爐膛負壓檢測的改進

為了方便查閱歷史趨勢和報警，能查出實際的動作數據，利于分析事故原因，可以把3臺爐膛負壓變送器中的1臺的量程擴展到-2～2 kPa。這樣就能利用歷史趨勢，查出實際的動作狀態值。

3.2 MFT保護邏輯的改進

改進后的MFT邏輯如圖4所示，圖4中MFT觸發條件與2.2節中相同，為了提高MFT保護動作的可靠性，在調試過程中，提出再增加2個DO輸出指令，即圖4中虛線框中的部分。增加的2個DO指令連接到爐保柜的1MFTB和2MFTB 2個觸點，使1MFTA和1MFTB串聯接線，2MFTA和2MFTB串聯接線。這樣在爐保柜每個部分中，就有2個觸點來實現MFT保護動作，實現冗余功能。確保了當MFT發生時，能在第一時間快速安全地實現主燃料切斷保護。

圖4 改進后MFT保護邏輯示意

3.3 AB油層火焰判斷邏輯的改進

改進后AB油層火焰判斷邏輯如圖5所示，為了避免信號瞬時干擾導致的MFT誤動作，根據以往對爐膛火焰瞬時干擾信號的經驗，改進了邏輯，增加2 s的延時塊，延時塊起的作用是屏蔽掉由于假信號或者干擾信號等一些瞬時原因使DI狀態點發生翻轉，以此來提高火焰強度信號的可靠性，避免發生MFT誤動作。提高了MFT主保護的準確性。

圖5 改進后AB油層火焰判斷邏輯示意

3.4 MFT的故障原因分析和改進

3.4.1原因分析

發生MFT后，通過查閱“吹掃完成”邏輯圖，如圖6所示。“MFT動作發生”是去復位“吹掃完成”前RS觸發器的唯一條件，即只有當MFT動作發生時，才能使“吹掃完成”條件消失，處于OFF狀態，這樣的設置不合理，因為在正常情況下，是不可能發生MFT動作。即在正常情況下“吹掃完成”條件一直處于ON的狀態。

圖6 “吹掃完成”邏輯示意

在原始設計中有2個“吹掃完成”的復位條件分別為MFT動作和任意一個油層角閥打開。結合圖6分析可得：

1)當吹掃條件滿足，開始吹掃。300 s后，如果MFT動作條件依然沒有消失，那么“吹掃完成”失敗，處于OFF狀態。

2)當鍋爐運行初期時，吹掃完成后，只要有一個油層角閥打開，那么“吹掃完成”信號就會消失。只要在30 min內一個油層投運，“點火延時”就會消失。即使鍋爐正常運行后，停運所有油層，因為“吹掃完成”條件已消失，所以不會觸發“點火延時”MFT動作。

原設計“吹掃完成”邏輯如圖7所示，根據追查，吹掃完成條件一直處于ON狀態，是由于調試過程中調試人員誤刪除圖7邏輯中“任意一個油層角閥打開”的條件所致。

圖7 原設計“吹掃完成”邏輯示意

3.4.2改進方案

分析上述MFT發生的原因之后，逐項對其進行了改進。

1)恢復原始設計“吹掃完成”邏輯圖。

2)對于其中3個MFT條件，引風機全停、送風機全停、以及點火延時沒有進SOE卡板接線的，要求在邏輯圖中增加DO輸出指令。通過硬接線的方式，從DO卡板輸出接線到SOE卡板。這樣，在發生MFT動作的時候，就可以在SOE中迅速查到報警記錄，便于分析和解決事故。

4 結束語

MFT是鍋爐安全運行的重要保障，從上述事故分析可以取得經驗，系統邏輯設計一定要正確可靠。每一個信號都不能忽視，每一個環節都不能出錯。對于直接停爐的信號，應該按“三取二”的方式選取。在做完模擬試驗之后，修改完條件之后，調試人員一定要反復認真檢查邏輯的正確性。

每次檢修、消缺性檢修之后，一定要認真校驗參與MFT動作條件的表計。每次MFT發生之后都要仔細從事故追憶和報警系統中研究事故的原因，進行舉一反三，避免下次事故的發生。

對于一些保護定制和延時時間，都應該根據設計要求或者實際情況通過試驗來確定。這樣既能保證鍋爐安全運行，又能避免保護頻繁誤動作。從MFT的正確性、可靠性來說。PKS 300系統基本到達了設計要求。