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火力发电厂整体安全综合解决方案
点击数: 发布时间:12-12-18 15:53
安全危害管控与特殊性
  火力发电采用煤炭、重油及天然气为燃料(在我国三种都有,其中燃煤及燃重油以汽力发电机组为主,燃天然气以复循环机组为辅),燃烧燃料释放出热能蒸汽,再通过蒸汽热力涡轮机驱动发电。蒸汽涡轮组主要包括锅炉、汽轮机、燃汽轮机或内燃机,发电主系统是火力电厂运行安全及电力生产稳定的关键。随着科技技术的进步、网络遥测能力的提升,火力发电厂的安全管控也大幅改进。以下先从火力发电厂的结构立体
  来看其在安全防范上要管控的有哪些部分,再从这些部分来探讨其需求的特殊之处及解决方案。
  火力发电厂的特征为有排放燃烧废气的高大烟囱、锅炉蒸汽汽轮机的水冷却塔、发电机组、燃油或燃气储存用的一个个25000m3以上的大重油槽或是天然气的低温储槽,另外就是燃烧煤炭的堆煤场及长长的煤炭输送带,以及发电厂的标准配置主变压器区域与电力输出的开关厂。
  煤炭、燃油、天然气都是对火很敏感的燃料源,加上燃烧发电的方式,从进料到天然气汽化、锅炉燃烧、静电集尘、灰渣处理、燃烧脱硫脱硝到飞灰固化、锅炉冷却、蒸汽压力的释放、冷却河水或海水的抽取排放及电力线的电力传输等,每一个火力发电过程中都充满了高温与火对燃料源、设备及人员作业的安全危害顾虑。因此就必须从每一个火力发电环节上的特定需求去规划设计安防的解决方案。
  发电设备安全与运作状态监控整合
  严格上讲火力发电厂的安防需求分为二个大层面:一个是设备的安全与状态监控,一个是综合安全监视监控。这两部分看起来似乎是相互独立的,但以今日的安全管理观念来看,平台集成的安全监控概念才是目前完整解决火力发电厂安全的根本方式。在集成前先了解所有不同区域不同过程环节的需求,针对需求才能做出完善的解决方案。
  设备监控方面包括:燃料上的重油槽或天然气低温储槽的液位、温度及运作输送过程的管线压力;锅炉燃烧、静电集尘、灰渣处理、燃烧脱硫脱硝、飞灰固化燃烧的设备运作状态及输送管在线的压力;燃烧锅炉的蒸汽压力和蒸汽余热温度、燃烧废气回收状态;静电集尘的灰尘浓度监控以防止尘爆发生;废水处理排放监控、烟囱排气监测等。
  这些设备安全监控都可通过SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)监控系统来采集完整的设备信息,掌握所有系统的正确运作状态,并可以快速诊断出系统设备故障,这种方式已成为各种电力系统不可或缺的设备监控方式。SCADA设备安全监控架构包含数据采集端设备RTU(Remote Terminal Unit)、可通过编程或软件配置改变控制对策的控制器PLC (Programmable Logic Controller )、可集成综合式监控管理平台的人机接口GUI(General User Interface )及远程资料收集探测器(Detect Sensor) 等设备。
  随着五遥(遥测、遥信、遥控、遥调、遥视)技术、数字网络技术等的迅猛发展和火力发电厂在系统控制水平及工程设计上的不断进步,传统火力发电厂的DCS系统也快速往整合式数字方式发展(图2)。目前火力发电厂主要设备安全监控解决方案有:DAS(设备运作数据采集系统)、MCS(模拟量化调节系统)、SCS(设备逻辑顺序控制系统)、BMS(炉膛安全保护监控系统)及DEH(电力及液面调节系统)。以上几种遥控遥测的设备监控系统提高了发电机组的安全性与可靠度,这样的系统下再加上影像监视系统的辅助,可大大减轻电厂值班操作人员的负担,达成电力系统安全自动化目标。

  随着这些监控解决方案设备的发展,火力发电厂的设备安全与管理信息系统和发电主控系统一体化的无缝连接必将成为火力发电厂设备监控系统未来的发展趋势。
  整体安全监视监控综合解决方案
  前面提到目前火力发电厂的监控系统虽然分为两大部分,但火力发电厂的监控已进化到平台集成式的监控形式。因此除了DCS设备安全监控外,还包括影像的监视监控、报警探测与门禁周界三大部分。因为火电厂所有设施区域较集中,但区域内环境却较复杂,所以笔者将需求监控系统的区域又分为行政、储料、发电厂房三个大区块来提出安全监控的解决方案。
行政区
  行政区部分包括发电厂办公楼及出入口、周界外围墙部分。此部分主要关注点在于出入口人员的门禁管制与脸部辨识:对出入的人车做到严格管控;办公楼出入口的固定式影像摄像机;门窗出入口的被动式探测报警系统的警戒保护。周界部分则必须做到动态掌握侦测与入侵阻绝,对不法接近及入侵做到预警及警报发布。入侵报警在厂区围墙安装主动红外探测器(AIR)进行周界防范,可以采用高清PTZ追踪型日夜摄像机搭配多光束主动式探测器或是拉力振动式围篱侦测系统进行布防,同时系统具有报警联动功能,警报启动后系统会自动弹出相对应的视频监视画面并对报警区域进行自动录像,以达解决行政区及周界安全防范目的。
  储料区
  储料区包括燃煤储运场、输送带区域、重油或天然气储槽区。重点在于煤炭堆置区的影像及消防监控,可以使用日夜PTZ型摄像机搭配影像智能 (IVS)火光侦测功能进行区域防护;输送带区域则侧重输送带作业状态、输送带上煤炭的大小尺寸是否正常、有无断料情况;以及监控是否有人员入侵盗窃煤炭燃料。若是采用重油或是天然气燃烧方式发电,则在油料及天然气的低温储槽区配置管线压力侦测,并采用防爆日夜PTZ型高清摄像机置于保护罩内进行全天候监控(图3)。此处因涉及爆炸危险故一切设备都必须采用IEC或UL合格的抗腐蚀防爆管线及保护箱进行设备架设,同时可采用智能视频虚拟画线做人员越线入侵检测。
  发电厂房区
  发电厂房区因为火力发电的特殊关系,从发电设备或厂房的性质划分为蒸汽轮机区、锅炉高温区、冷却水处理区、飞灰脱硫处理区、主变压器及开关厂区和厂房监控控制区等六个重点监控区域来说明。
  1.蒸汽轮机区:此处为高温多湿的特殊环境,重点在于对人员及作业的安全监控。采用耐温耐湿的保护罩加上除雾除湿装置以确保摄像机的监视可以清晰无干扰,同时燃烧产生的蒸汽或多或少都含有一些酸碱物质,必须考虑对摄像机的耐酸碱抗腐蚀保护。
  2.锅炉高温区:此处是一个有特殊监控需求的设备区,碍于篇幅仅在此作简单陈述。这里的监控设备是根据发电厂锅炉的特殊高温及冷却方式要求而设计的,必须满足全炉膛火焰的监视要求,通过这些高温监视设备,锅炉操作人员可在电厂控制室内的监视器上远程对锅炉燃烧器点火、灭火及察看运行过程中火焰燃烧情况,处理异常、低负荷运行、火焰燃烧不充分等危害锅炉正常运行的现象。
  3.冷却水处理区:此处也为高温多湿的特殊环境,重点除对人员及作业安全监控外,还必须对冷却锅炉的河水或海水状态及进出口的水量进行影像与数据监控。这里一样是采用IP66(NEMA-4X)耐温耐湿耐酸碱及抗盐害的保护罩加上除雾除湿装置以确保摄像机的监视正常运作。
  4.飞灰脱硫处理区:此处是燃煤火力发电厂内一个具危险性的特殊环境。燃煤火力发电燃烧过程中会产生一些如硫化氢等有害气体及飞灰等一些带有害物质的灰渣,无防护处理时会对工作人员产生危害。所以此处除了必要的物质及气体侦测外,脱硫及脱硝作业及飞灰的倾倒、堆积及固化处理的过程都必须做到影像的完全监控,以免有作业安全问题发生时却无人发现,同时在集尘等作业上更要注意灰尘浓度及作业区温度的监控。监视系统用于对锅炉、机械、机电和辅助车间等生产环境,以及重要设备相对集中的区域进行监视。通过显示器和大屏等,使电厂监控室操作人员能监视本区域内的所有图像。此处必须采用高清摄像机加上防爆及防尘保护并搭配前端数据采集探测器的联动达到完整监控的目的(图4)。
  5.主变压器及开关厂区:本区的需求与解决方案同其他发电方式几乎是一致的,主变压工作温度、散热风扇运作、升压电压、电流量变化的监控都是重点。开关厂属于高度危险区域,且在输配电柱上会因为近接而产生电弧放电伤人并损及电力升压次级端变压器,在此区域唯一能做的就是从远方架设PTZ百万高清监视摄像机来进行区域作业监控,以免电磁干扰摄像机的监控效果。另外在电力输出的铁塔安全监测方面,火力发电厂主要是在电力铁塔上安装一些远程监控终端设备例如温度传感器设备、覆冰探测器等,负责采集电力铁塔周围的环境变化数据,做到温湿度异常报警、凝冰报警。当铁塔或线路结冰时通过远程监控就了如指掌,便于及时进行除冰。另外因部分电厂位处滨海地区风力较大,因此会配备铁塔倾斜探测器、绝缘子漏电探测器、风向风力探测器等对电力铁塔进行监测。
  6.厂房监控控制区: 电厂监控控制室是整个电厂控制系统的核心。出入口控制系统包含了门禁管理、发卡系统、信息管理等各种应用功能,记录所有进出人员信息,并进行统一存储管理。在电厂监控室内主要管理区的出入口、电子设备间等重要部位的通道口安装门磁开关、电控锁或读卡机等控制装置,在现场进行身份识别并由电厂控制室监控。系统采用计算机多重任务处理,对各通道口的位置、通行对象及通行时间等实时进行控制或按设定过程控制。通过控制室主机显示器或大屏等,电厂各级人员能监视到相关需要的信息与图像,并对所有的图像进行控制、群组切换、分割画面及轮巡监视等功能。另外厂区主要路口、周界及各出入口的监视摄像机及周界入侵报警联动也都必须纳入电厂主监控室的掌控,通过显示器和电视墙进行有效的监视和管理。在IP联网下,通过各个区域的视频服务器,可将所有视频信号通过独立的光纤网络传输到电厂监控室,并对所有监控子系统进行全面的监控和管理,将电厂范围内所有视频信号通过网络服务器接入到电厂信息公网上,实现远程监控和网络管理 (图5)。

  现阶段火力发电厂的安防解决方案必须将影像、环境、设备、电力监控与防盗、消防和报警系统进行联网,并通过整体的监视监控平台来达成远程的监视、遥控和图像的传输、环境监控及联网报警的功能,才能更加有效地预防工安事故的发生,同时保障电厂安全、确保系统稳定,让安全防范技术符合电力行业规范的新水平。