超超臨界二次再熱機(jī)組爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

孫 漾（華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

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超超臨界二次再熱機(jī)組爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

孫 漾
（華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

摘要：超超臨界二次中間再熱燃煤機(jī)組鍋爐工藝配置復(fù)雜，相應(yīng)的熱工保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性也大幅上升。爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)是鍋爐側(cè)最重要的熱工保護(hù)系統(tǒng)。本文介紹了爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的常規(guī)功能設(shè)計(jì)，結(jié)合某1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組工程，介紹了機(jī)組工藝系統(tǒng)配置及鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備概況，匯總了系統(tǒng)控制對(duì)象，提出了爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：超超臨界；燃煤發(fā)電機(jī)組；二次再熱；保護(hù)；爐膛安全；監(jiān)控系統(tǒng)。

1 概述

隨著我國(guó)電力工業(yè)的發(fā)展，火力發(fā)電機(jī)組逐步采用效率更高、參數(shù)更高、單機(jī)容量更大的超臨界和超超臨界機(jī)組。大型超臨界、超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組工藝系統(tǒng)更加復(fù)雜，且鍋爐均為直流爐，沒(méi)有汽包蓄熱，工作介質(zhì)和工況變化快。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行工況出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，運(yùn)行參數(shù)惡化速度也快，且因?yàn)閴毫Φ燃?jí)高，造成事故的等級(jí)也相對(duì)提高。因此，相應(yīng)的熱工保護(hù)系統(tǒng)的復(fù)雜性也大幅上升，熱工保護(hù)系統(tǒng)的控制功能、安全可靠性對(duì)保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行更加重要。

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（Furnace Safeguard Supervisory System，F(xiàn)SSS）是鍋爐側(cè)最重要的熱工保護(hù)系統(tǒng)。由于不同電廠機(jī)組鍋爐的形式、設(shè)計(jì)理念、以及生產(chǎn)管理人員的認(rèn)識(shí)差異，不同機(jī)組的FSSS在系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)、動(dòng)作條件、指令輸出、邏輯實(shí)現(xiàn)方式等方面各不相同。本文結(jié)合某電廠1000 MW超（超）臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組工程，介紹了機(jī)組工藝系統(tǒng)配置及鍋爐FSSS相關(guān)設(shè)備概況，匯總了FSSS的控制對(duì)象，提出了FSSS的設(shè)計(jì)思想及須實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。

2 爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）使操作人員能夠通過(guò)控制裝置和預(yù)先編制的安全聯(lián)鎖程序?qū)ξ＜板仩t安全的異?，F(xiàn)象給予快速反應(yīng)，從而防止運(yùn)行人員操作事故及設(shè)備故障引起鍋爐爐膛爆炸，更有效地提高鍋爐運(yùn)行的安全性。

FSSS一般由燃料安全系統(tǒng)（Fuel Safety System，F(xiàn)SS）和燃燒器控制系統(tǒng)（Burner Control System，BCS）兩部分組成，主要完成以下功能：

（1）鍋爐點(diǎn)火前的燃油泄漏試驗(yàn)及爐膛吹掃。

（2）主燃料跳閘（MFT）及危急工況下鍋爐的保護(hù)聯(lián)鎖。

（3）油燃燒器、燃油系統(tǒng)閥門等設(shè)備的控制。

（4）煤粉燃燒器的投切控制。

（5）磨煤機(jī)的啟停控制及聯(lián)鎖保護(hù)。

（6）火焰檢測(cè)、監(jiān)視等。

2.1 爐膛吹掃

爐膛吹掃是指讓空氣流過(guò)爐膛及煙道，清除爐膛及煙道內(nèi)積聚的可燃物，防止?fàn)t膛爆炸。完整的爐膛吹掃過(guò)程是燃燒器點(diǎn)火的必要條件之一。鍋爐啟動(dòng)前或MFT后必須進(jìn)行爐膛吹掃，否則不允許點(diǎn)火。

2.2 燃油泄漏試驗(yàn)

燃油泄漏試驗(yàn)的主要目的是在鍋爐點(diǎn)火前檢查整個(gè)爐前油系統(tǒng)在規(guī)定的油壓下有無(wú)漏油現(xiàn)象，以保證油系統(tǒng)的正常運(yùn)行，包括燃油母管及至各油槍的管道和閥門。

燃油泄漏試驗(yàn)一般按以下步驟進(jìn)行：

第1步：試驗(yàn)啟動(dòng)后，打開進(jìn)油母管關(guān)斷閥向油管路注油，當(dāng)油管路壓力高于某一設(shè)定值后，注油完成。

第2步：關(guān)閉進(jìn)油母管關(guān)斷閥，監(jiān)視油壓的下降速度。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，如果油壓變化值小于規(guī)定的允許范圍，則證明燃油母管及各油燃燒器支管在帶壓時(shí)無(wú)泄漏。

如果燃油泄漏試驗(yàn)失敗則系統(tǒng)發(fā)出泄漏試驗(yàn)失敗信號(hào)，控制邏輯自動(dòng)將爐膛吹掃設(shè)定為不成功，泄漏試驗(yàn)完成后須重新進(jìn)行爐膛吹掃。

2.3 主燃料跳閘

主燃料跳閘（Main Fuel Trip，MFT）是大型火電機(jī)組主保護(hù)之一，是鍋爐安全保護(hù)的核心內(nèi)容，在FSSS系統(tǒng)中起著保護(hù)鍋爐安全的最重要的作用。在出現(xiàn)危及鍋爐或機(jī)組安全運(yùn)行的危險(xiǎn)工況時(shí)，MFT動(dòng)作，快速切斷所有進(jìn)入爐膛的燃料（包括燃煤和燃油），并按停爐的控制程序由順序控制系統(tǒng)（Sequence Control System，SCS）和模擬量控制系統(tǒng)（Modulating Control System， MCS）對(duì)有關(guān)閥門、擋板、輔機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖和控制，遮斷汽機(jī)，發(fā)變組解列，以保證機(jī)組及人員安全，避免事故發(fā)生或擴(kuò)大。如果主燃料跳閘（Main Fuel Trip， MFT）保護(hù)誤動(dòng)或者拒動(dòng)，會(huì)對(duì)主設(shè)備安全甚至對(duì)電網(wǎng)安全造成很大影響。

對(duì)于超（超）臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，通常在以下條件發(fā)生時(shí)，鍋爐MFT動(dòng)作：

（1）運(yùn)行人員手動(dòng)操作MFT動(dòng)作。

（2）爐膛壓力高高。

（3）爐膛壓力低低。

（4）給水流量低低或給水泵全停。

（5）送風(fēng)機(jī)全停。

（6）引風(fēng)機(jī)全停。

（7）空預(yù)器全停。

（8）火檢冷卻風(fēng)壓力低低。

（9）總風(fēng)量低低。

（10）全爐膛滅火。

（11）全燃料喪失。

（12）分離器出口溫度高高。

（13）分離器水位高高。

（14）主蒸汽壓力高高。

除此之外，對(duì)于未設(shè)計(jì)停機(jī)不停爐或快速減負(fù)荷（Fast Cut Back， FCB）機(jī)組，當(dāng)汽機(jī)或發(fā)變組故障時(shí)（或當(dāng)鍋爐負(fù)荷高于某一設(shè)定值時(shí)汽機(jī)或發(fā)變組故障），觸發(fā)鍋爐MFT動(dòng)作。有些電廠也根據(jù)自身機(jī)組情況將過(guò)熱器/再熱器出口蒸汽溫度高高、再熱器保護(hù)喪失等作為MFT的觸發(fā)條件之一。

MFT發(fā)生后，控制系統(tǒng)將發(fā)出以下指令：

（1）跳閘所有油燃燒器，切斷油燃料，包括關(guān)燃油進(jìn)油閥、所有燃油角閥、燃油回油閥等。

（2）跳閘所有磨煤機(jī)。

（3）關(guān)閉所有磨煤機(jī)入口及出口門等。

（4）跳閘所有給煤機(jī)。

（5）跳閘所有一次風(fēng)機(jī)。

（6）跳閘所有給水泵。

（7）關(guān)閉過(guò)熱器減溫水總閥、各截止閥、調(diào)閥。

（8）關(guān)閉再熱器減溫水總閥、各截止閥、調(diào)閥。

（9）開二次風(fēng)擋板。

（10）送MFT信號(hào)至ETS跳閘汽輪機(jī)等。

目前大型火電機(jī)組一般在DCS中專門采用一對(duì)控制器用于實(shí)現(xiàn)MFT、爐膛吹掃、泄露試驗(yàn)等功能。DCS基于微處理器，處理速度快，并且可以方便的設(shè)計(jì)比以往采用電氣設(shè)備（如繼電器、開關(guān)等）進(jìn)行邏輯控制更復(fù)雜、更完善的聯(lián)鎖保護(hù)功能，減少了故障點(diǎn)，并且能夠方便的增減控制點(diǎn)及改變邏輯組態(tài)。同時(shí)，有關(guān)鍋爐安全的全部參數(shù)可在DCS各控制器間交換，并全面監(jiān)視、記錄、存儲(chǔ)、打印，有利于故障查找、分析及處理。

但是，為防止MFT控制器故障或與DCS其它控制器通訊出現(xiàn)故障，一般所有觸發(fā)MFT的條件均以硬接線的方式直接接入MFT控制器。同時(shí)，為提高可靠性，設(shè)計(jì)軟、硬兩路冗余的MFT指令傳輸途徑。當(dāng)MFT動(dòng)作時(shí)，控制器軟件會(huì)送出相應(yīng)的信號(hào)跳閘或控制相關(guān)設(shè)備，同時(shí)將信號(hào)送入MFT跳閘繼電器柜。MFT跳閘繼電器也會(huì)直接向相關(guān)設(shè)備送出一個(gè)硬接線信號(hào)進(jìn)行跳閘或聯(lián)鎖。此外，在集控室運(yùn)行人員操作臺(tái)上設(shè)手動(dòng)MFT按鈕，并硬接線直接接入MFT跳閘繼電器柜。這樣，即使DCS出現(xiàn)全面故障，手動(dòng)MFT按鈕動(dòng)作依然能夠完成相關(guān)設(shè)備的跳閘。

3 主要工藝系統(tǒng)概況

3.1 三大主機(jī)及主要熱力系統(tǒng)概況

某電廠1000 MW超（超）臨界二次再熱燃煤發(fā)電機(jī)組采用上海鍋爐廠有限公司超超臨界參數(shù)二次再熱、直流、單爐膛、平衡通風(fēng)、切圓燃燒方式、塔式爐。汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠超超臨界二次再熱、單軸、五缸四排汽、十級(jí)回?zé)岢槠⒛狡啓C(jī)。發(fā)電機(jī)由上海發(fā)電機(jī)廠供貨。

機(jī)組設(shè)高、中、低壓三級(jí)串聯(lián)汽機(jī)旁路系統(tǒng)。給水回?zé)嵯到y(tǒng)為帶二級(jí)外置式蒸汽冷卻器的十級(jí)回?zé)岢槠到y(tǒng)（5低加、1除氧器、4高加）。凝結(jié)水系統(tǒng)采用2臺(tái)100%容量的凝結(jié)水泵，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用。主給水泵采用2臺(tái)50%容量同軸汽動(dòng)給水泵。

3.2 鍋爐及FSSS相關(guān)設(shè)備概況

該機(jī)組鍋爐制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每爐配6臺(tái)磨煤機(jī)。煤粉燃燒系統(tǒng)在30%B-MCR到100%B-MCR使用2至5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，在100%B-MCR工況下5臺(tái)運(yùn)行1臺(tái)備用。

鍋爐送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)各按2×50%配置。啟動(dòng)系統(tǒng)為帶再循環(huán)泵的內(nèi)置式啟動(dòng)系統(tǒng)，鍋爐設(shè)一臺(tái)再循環(huán)泵和六只內(nèi)置式啟動(dòng)分離器以及一只貯水箱。

鍋爐燃燒器采用高級(jí)復(fù)合空氣分級(jí)低NOx切向燃燒系統(tǒng)，燃燒器出口直徑375×574 mm，燃燒器數(shù)量4×12只。鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火設(shè)置等離子點(diǎn)火裝置。每個(gè)燃燒器均裝設(shè)一個(gè)高質(zhì)量的火焰檢測(cè)裝置，滿足鍋爐保護(hù)和燃燒器控制系統(tǒng)的要求。鍋爐燃燒器擺動(dòng)時(shí)，在熱態(tài)運(yùn)行中一、二次風(fēng)（含燃盡風(fēng)）均可上下擺動(dòng)，最大擺角一次風(fēng)為±20°，二次風(fēng)為±30°。

油燃燒器的總輸入熱量按20%B-MCR計(jì)算。點(diǎn)火方式為高能電火花點(diǎn)燃輕油，然后點(diǎn)燃煤粉。鍋爐配備兩臺(tái)三分倉(cāng)式回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。

4 FSSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 FSSS系統(tǒng)主要控制對(duì)象

由前所述，該機(jī)組鍋爐納入FSSS系統(tǒng)控制的對(duì)象主要有：

（1）燃油系統(tǒng)：進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥、回油母管燃油關(guān)斷閥、油角閥、燃油蓄能電磁閥、吹掃閥、油槍、點(diǎn)火槍等。

（2）直吹制粉系統(tǒng)包括：

磨煤機(jī)A～F，及其輔助設(shè)備（包括：密封風(fēng)電動(dòng)門、潤(rùn)滑站電加熱器、減速機(jī)電加熱器、潤(rùn)滑站高/低壓油泵、出口速關(guān)門、冷/熱一次風(fēng)氣動(dòng)隔絕門、旋轉(zhuǎn)分離器、液壓站電機(jī)、液壓站電加熱器、分離器密封風(fēng)電動(dòng)門、滅火蒸汽電動(dòng)隔離閥、輔汽供磨煤機(jī)蒸汽滅火及吹灰電動(dòng)隔離閥等）。

給煤機(jī)A～F，及其輔助設(shè)備（包括：進(jìn)煤隔絕門、出煤隔絕門、密封風(fēng)電動(dòng)門等）。

（3）等離子點(diǎn)火裝置及其輔助設(shè)備（包括：冷卻水泵A/B/C、等離子火檢冷卻風(fēng)機(jī)A/B、等離子載體風(fēng)機(jī)A/B、加熱器蒸汽入口電動(dòng)閥等）。

（4）其它雜項(xiàng)包括：火檢冷卻風(fēng)機(jī)A/B；密封風(fēng)機(jī)A/B等。

4.2 FSSS系統(tǒng)主要功能

4.2.1 爐膛吹掃

本機(jī)組爐膛吹掃條件及步驟與常規(guī)一次中間再熱超超臨界機(jī)組相同。采用二次風(fēng)，由模擬量控制系統(tǒng)（MCS）負(fù)責(zé)調(diào)解爐膛總風(fēng)量為30%～40%，計(jì)時(shí)5 min，如果順利結(jié)束，則爐膛吹掃完成。

4.2.2 燃油泄露試驗(yàn)

本機(jī)組除2.2節(jié)所述第1步、第2步試驗(yàn)外，另增加了進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥泄露試驗(yàn)：在第2步完成后，打開回油母管燃油關(guān)斷閥進(jìn)行卸油后關(guān)閉回油母管燃油關(guān)斷閥，然后監(jiān)視燃油母管壓力的上升速度。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，如果油壓變化值小于規(guī)定的允許范圍，則證明進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥無(wú)泄漏。

燃油泄露試驗(yàn)由操作員直接在操作員站上發(fā)指令進(jìn)行啟動(dòng)，泄露試驗(yàn)的啟動(dòng)允許條件包括：MFT繼電器已跳閘、進(jìn)油/回油母管燃油關(guān)斷閥/油角閥全關(guān)、火檢無(wú)火。

4.2.3 主燃料跳閘及油燃料跳閘

（1）主燃料跳閘（MFT）是指切斷進(jìn)入鍋爐的所有燃料，包括煤、油、等離子。根據(jù)工藝系統(tǒng)配置及功能設(shè)計(jì)，除2.3節(jié)所述通常MFT條件外，本機(jī)組FSSS邏輯監(jiān)視以下條件，任一條件發(fā)生，則MFT動(dòng)作：當(dāng)鍋爐負(fù)荷＞15%時(shí)，如果汽機(jī)跳閘，則鍋爐MFT；若鍋爐負(fù)荷＜15%，如果汽機(jī)跳閘且旁路不通，則鍋爐MFT；垂直水冷壁出口溫度高高（不同工況下有不同的設(shè)定值）。

再熱器保護(hù)喪失；正常模式下，鍋爐四次點(diǎn)火失敗；FGD觸發(fā)鍋爐MFT。

其中，再熱器保護(hù)喪失包括一次再熱器和二次再熱器，具體指：當(dāng)鍋爐總?cè)剂狭浚?5%且機(jī)組未并網(wǎng)時(shí)，發(fā)生以下三種情況并延遲10 s時(shí)，再熱器保護(hù)喪失條件成立。

（所有高旁閥關(guān)閉）AND（#1超高壓主汽門關(guān)閉OR#1超高壓調(diào)門關(guān)閉）AND（#2超高壓主汽門關(guān)閉OR#2超高壓調(diào)門關(guān)閉）；（所有中旁閥關(guān)閉）AND（#1高壓主汽門關(guān)閉OR#1高壓調(diào)門關(guān)閉）AND（#2高壓主汽門關(guān)閉OR#2高壓調(diào)門關(guān)閉）；（所有低旁閥關(guān)閉）AND（#1中壓主汽門關(guān)閉OR#1中壓調(diào)門關(guān)閉）AND（#2中壓主汽門關(guān)閉OR#2中壓調(diào)門關(guān)閉）。

此外，F(xiàn)SSS電源消失也將觸發(fā)鍋爐MFT。

當(dāng)MFT發(fā)生后，除發(fā)出2.3節(jié)所列常規(guī)指令外，本機(jī)組控制系統(tǒng)還將發(fā)出MFT信號(hào)至等離子、吹灰、脫硫、脫硝等系統(tǒng)。

（2）油燃料跳閘（Oil Fuel Trip，OFT）是指切斷進(jìn)入鍋爐的所有油燃料。本機(jī)組FSSS邏輯監(jiān)視以下條件，任一條件發(fā)生，則觸發(fā)OFT動(dòng)作：

主燃料跳閘（MFT）；手動(dòng)OFT；燃油供油母管壓力低低，且仍有油角閥處于打開狀態(tài)；進(jìn)油快關(guān)閥由打開狀態(tài)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)時(shí)，仍有油角閥處于打開狀態(tài)；任一油角閥關(guān)閉失敗。

當(dāng)OFT發(fā)生后，本機(jī)組控制系統(tǒng)將發(fā)出以下指令：

關(guān)閉進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥、回油母管燃油關(guān)斷閥；關(guān)閉所有油槍的吹掃閥，并退回所有油槍、點(diǎn)火槍。

4.2.4 燃油系統(tǒng)的管理

燃油系統(tǒng)的管理對(duì)象包括進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥、回油母管燃油關(guān)斷閥、油角閥、燃油蓄能電磁閥、吹掃閥、油槍、點(diǎn)火槍等。鍋爐經(jīng)過(guò)爐膛吹掃，并且所有油點(diǎn)火條件均滿足，即可手動(dòng)打開進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥，并按系統(tǒng)既定的程序進(jìn)行油槍點(diǎn)火。當(dāng)油槍退出運(yùn)行時(shí)需執(zhí)行油槍吹掃程序清除油槍及燃燒器中殘留的燃油。

4.2.5 制粉系統(tǒng)的管理

制粉系統(tǒng)的管理對(duì)象如前4.1節(jié)（2）所述。當(dāng)煤燃燒器的點(diǎn)火源建立且點(diǎn)火條件滿足之后，系統(tǒng)及可按既定的程序進(jìn)行煤粉點(diǎn)火。本機(jī)組點(diǎn)火源包括油槍和等離子兩個(gè)點(diǎn)火源，因此點(diǎn)火模式可分為油槍點(diǎn)火模式和等離子點(diǎn)火模式。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)某超（超）臨界二次中間再熱燃煤機(jī)組工藝系統(tǒng)的配置及特點(diǎn)，分析了爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）的控制對(duì)象，介紹了FSSS的設(shè)計(jì)思想及功能。二次再熱機(jī)組的FSSS與其它型式的機(jī)組相比，控制聯(lián)鎖思想和內(nèi)容基本一致，但須根據(jù)機(jī)組的配置及特點(diǎn)，在邏輯判斷、保護(hù)條件方面仔細(xì)進(jìn)行推敲和優(yōu)化，以保證機(jī)組運(yùn)行安全可靠。

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中圖分類號(hào)：TM75

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-9913（2016）02-0022-05

* 收稿日期：2016-02-17

作者簡(jiǎn)介：孫漾（1984- ），男，吉林長(zhǎng)春人，博士，工程師，主要從事過(guò)程建模與控制優(yōu)化、大型火力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制的研究。

Design Scheme of Furnace Safeguard Supervisory System for Ultra Supercritical Second Reheat Units

SUN Yang
（East China Electric Power Design Institute Co.， Ltd.， Shanghai 200063， China）

Abstract:Boiler process for （ultra） supercritical coal-fired double reheat unit is complex， also， the complexity of thermal protection system increases significantly. Furnace safeguard supervisory system （FSSS） is the most important thermal protection system for the boiler. In this paper，with a 1000 MW ultra supercritical double reheat coal-fired unit project，the general situation of unit process system and FSSS equipments are introduced. According to the process configuration of the boiler， FSSS control objects are summarized， and FSSS function design is put forward.

Key words:Ultra supercritical； coal-fired units； double reheat； protection； furnace safety； supervisory system.