CFB鍋爐熱工保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析與優(yōu)化

韓新建，韓新春

（1.神華集團(tuán)循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心，西安 710065；2.陜西德源府谷能源有限公司，陜西榆林 719407）

CFB鍋爐熱工保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析與優(yōu)化

韓新建1，韓新春2

（1.神華集團(tuán)循環(huán)流化床技術(shù)研發(fā)中心，西安 710065；2.陜西德源府谷能源有限公司，陜西榆林 719407）

CFB鍋爐由于其獨(dú)有的特點(diǎn)與煤粉鍋爐在燃燒方式上有本質(zhì)的區(qū)別。結(jié)合CFB鍋爐的特點(diǎn)，分析和總結(jié)了提高CFB鍋爐熱工保護(hù)可靠性的措施，并對(duì)相關(guān)的熱工保護(hù)邏輯進(jìn)行了優(yōu)化，有效提高了CFB鍋爐熱工保護(hù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

CFB鍋爐；熱工保護(hù)；可靠性；優(yōu)化

0 引言

CFB鍋爐具有燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)［1］，與煤粉爐相比，其熱工保護(hù)和控制系統(tǒng)有所不同。近年來(lái)，隨著CFB機(jī)組的大量投運(yùn)，特別是超臨界CFB機(jī)組的成功投運(yùn)，由于設(shè)計(jì)、建設(shè)工期短等原因，鍋爐保護(hù)系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題，熱工保護(hù)需進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。因此，研究和優(yōu)化CFB鍋爐熱工保護(hù)邏輯，提高保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)CFB機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的意義。

本文結(jié)合CFB鍋爐特點(diǎn)及控制要求，重點(diǎn)從保護(hù)信號(hào)處理、保護(hù)信號(hào)判據(jù)條件處理、邏輯優(yōu)化等方面進(jìn)行分析總結(jié)。

1 CFB鍋爐熱工保護(hù)特點(diǎn)分析

隨著CFB機(jī)組容量和運(yùn)行參數(shù)的不斷提高，對(duì)熱工保護(hù)的安全性和可靠性要求越來(lái)越高。CFB鍋爐熱工保護(hù)項(xiàng)目的設(shè)定首先應(yīng)符合鍋爐廠家設(shè)計(jì)規(guī)定，在此基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)組投運(yùn)后的實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)保護(hù)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。CFB鍋爐熱工保護(hù)特點(diǎn)如下。

（1）CFB鍋爐與煤粉爐的差別在于燃燒方式不同，燃燒時(shí)大量的循環(huán)物料在爐膛內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)CFB鍋爐主燃料跳閘（MFT）動(dòng)作時(shí)，即使切斷所有燃料供應(yīng)，循環(huán)流化床內(nèi)可能還存有大量未燃盡的燃料和高溫循環(huán)灰，爐內(nèi)存在大量的蓄熱。CFB鍋爐除了設(shè)計(jì)有MFT，油燃料跳閘（OFT）保護(hù)外，還設(shè)置有鍋爐跳閘（BT）邏輯。

（2）CFB鍋爐可壓火再次啟動(dòng)。CFB鍋爐運(yùn)行正常時(shí)，汽輪機(jī)或發(fā)電機(jī)由于故障停止運(yùn)行，CFB鍋爐可轉(zhuǎn)入壓火狀態(tài)。當(dāng)故障在規(guī)定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)且啟動(dòng)條件具備時(shí)，CFB鍋爐在床溫滿足規(guī)定要求條件下可再次啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)必須保證床料的正常流化。

（3）CFB鍋爐正常運(yùn)行時(shí)必須保證爐內(nèi)床料和返料器內(nèi)返料的正常流化，防止因流化不好而結(jié)焦，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置最小流化風(fēng)量保護(hù)。

（4）床溫是表征CFB鍋爐運(yùn)行狀況的重要參數(shù)，床溫高于設(shè)定值時(shí)會(huì)造成鍋爐結(jié)焦，為防止鍋爐結(jié)焦，設(shè)置了床溫高保護(hù)。CFB鍋爐中有大量高溫物料在爐膛和返料器內(nèi)循環(huán)燃燒，床溫測(cè)量元件易受高溫床料的沖刷而磨損。除選用可靠性高的防磨元件并設(shè)置多個(gè)測(cè)點(diǎn)外，還需增加各床溫測(cè)點(diǎn)信號(hào)品質(zhì)判斷邏輯，邏輯中要剔除壞的溫度點(diǎn)，避免對(duì)床溫計(jì)算產(chǎn)生影響。

2 熱工保護(hù)信號(hào)處理原則

為提高保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，必須對(duì)進(jìn)入保護(hù)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行區(qū)分和處理［2-3］。

（1）進(jìn)入熱工保護(hù)和聯(lián)鎖的信號(hào)應(yīng)該嚴(yán)格確定來(lái)源，正確區(qū)分“設(shè)備停運(yùn)”和“設(shè)備跳閘”信號(hào)。

（2）對(duì)設(shè)備的“保護(hù)”和“聯(lián)鎖”指令信號(hào)進(jìn)行區(qū)別：保護(hù)指令采用長(zhǎng)信號(hào)，聯(lián)鎖指令采用脈沖信號(hào)。

（3）嚴(yán)格區(qū)分設(shè)備故障報(bào)警和保護(hù)信號(hào)。送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)等輔機(jī)的濾網(wǎng)差壓高信號(hào)只用作報(bào)警，不參與保護(hù)。

（4）高壓電動(dòng)機(jī)電機(jī)線圈溫度信號(hào)不作設(shè)備跳閘條件，只作為超溫報(bào)警和設(shè)備的啟動(dòng)允許條件。

（5）用于重要聯(lián)鎖保護(hù)的、通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳送的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，需要通過(guò)增加延時(shí)或增加硬接線的方式確保信號(hào)的可靠，減少或消除瞬時(shí)干擾造成的保護(hù)誤動(dòng)作。對(duì)重要的網(wǎng)絡(luò)通信信號(hào)設(shè)置品質(zhì)判斷保護(hù)、報(bào)警。重要的輔機(jī)增加避開(kāi)分散系統(tǒng)、直接到電氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)的停運(yùn)按鈕。對(duì)設(shè)備啟停和重要開(kāi)關(guān)量信號(hào)動(dòng)作設(shè)置事件追憶功能。

（6）信號(hào)濾波處理。對(duì)模擬量信號(hào)如壓力等參數(shù)做保護(hù)時(shí)，需要根據(jù)其特點(diǎn)和工程的實(shí)際情況進(jìn)行慣性濾波處理，減少干擾信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)的影響，提高信號(hào)的準(zhǔn)確性。

（7）對(duì)采用模擬量信號(hào)經(jīng)與定值比較而輸出作為開(kāi)關(guān)量信號(hào)的處理。對(duì)于重要的保護(hù)如鍋爐MFT，分別采用獨(dú)立的取樣系統(tǒng)，至少要有3個(gè)不同的信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)（有些信號(hào)需要進(jìn)行溫度等補(bǔ)償處理）偏差及品質(zhì)判斷進(jìn)行三取二判斷輸出。當(dāng)1臺(tái)或2臺(tái)變送器出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)邏輯自動(dòng)切換為二取一或一取一，3臺(tái)故障時(shí)MFT動(dòng)作。例如煙氣含氧量低低、給水流量低低等保護(hù)。

（8）對(duì)控制器處理網(wǎng)絡(luò)周期的規(guī)定應(yīng)滿足保護(hù)系統(tǒng)要求。對(duì)于一些重要的保護(hù)，特別是對(duì)保護(hù)動(dòng)作的及時(shí)性要求高的保護(hù)，要考慮控制器處理網(wǎng)絡(luò)周期和保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間的差異，保證控制器處理網(wǎng)絡(luò)周期遠(yuǎn)小于保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間，以確保保護(hù)動(dòng)作的及時(shí)性。

3 CFB鍋爐熱工保護(hù)項(xiàng)目

CFB鍋爐保護(hù)包括爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)（FSSS）和鍋爐輔機(jī)保護(hù)，F(xiàn)SSS分為MFT，OFT及BT。CFB鍋爐MFT設(shè)計(jì)軟邏輯和MFT繼電器兩路冗余，MFT繼電器設(shè)置成兩路冗余回路，當(dāng)MFT條件出現(xiàn)時(shí)，軟邏輯會(huì)送出跳閘信號(hào)至相對(duì)應(yīng)的設(shè)備，同時(shí)MFT硬繼電器也會(huì)向這些重要設(shè)備送出兩路冗余跳閘信號(hào)。這種設(shè)計(jì)有效提高了MFT動(dòng)作的可靠性。

FSSS功能包括燃油系統(tǒng)泄漏試驗(yàn)、爐膛吹掃、MFT、OFT以及BT等子系統(tǒng)。當(dāng)鍋爐運(yùn)行條件不滿足時(shí)BT動(dòng)作，切除所有燃料和風(fēng)機(jī)運(yùn)行，降低鍋爐燃燒效率。鍋爐輔機(jī)保護(hù)根據(jù)設(shè)備的特點(diǎn)和運(yùn)行要求具體設(shè)定。

4 提高CFB鍋爐熱工保護(hù)可靠性的措施

熱工保護(hù)系統(tǒng)包括檢測(cè)工藝系統(tǒng)的測(cè)量元件、分散控制系統(tǒng)（DCS）或可編程邏輯控制器（PLC）的輸入/輸出模件、電源模件、控制器、保護(hù)動(dòng)作回路、控制邏輯和被控對(duì)象。保護(hù)系統(tǒng)的任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都會(huì)造成保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)和拒動(dòng)［4］，因此，應(yīng)該從設(shè)備選型、信號(hào)處理、控制邏輯優(yōu)化等方面深入研究提高熱工保護(hù)可靠性的措施。

4.1 提高熱工保護(hù)信號(hào)可靠性的措施

熱工測(cè)點(diǎn)信號(hào)的可靠性對(duì)保護(hù)控制系統(tǒng)尤為重要。除了對(duì)設(shè)備選型、取樣點(diǎn)選擇和安裝等方面有要求外，還需要對(duì)熱工測(cè)點(diǎn)信號(hào)采取相應(yīng)措施，以保證其可靠性。

4.1.1 提高單點(diǎn)熱工信號(hào)可靠性的措施

熱工測(cè)點(diǎn)信號(hào)易受測(cè)量元件變送器故障、接線松動(dòng)、信號(hào)斷線、信號(hào)干擾等因素的影響。用作單點(diǎn)調(diào)節(jié)或保護(hù)的信號(hào)可靠性較低，易造成保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)。提高熱工測(cè)點(diǎn)可靠性的措施包括：（1）選用可靠性高的熱工測(cè)量設(shè)備；（2）對(duì)于無(wú)法增加冗余測(cè)點(diǎn)的，應(yīng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行可靠性處理，如增加信號(hào)品質(zhì)判斷處理等，當(dāng)信號(hào)品質(zhì)判斷為壞點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)退出該點(diǎn)保護(hù)并設(shè)報(bào)警，也可選用與該點(diǎn)信號(hào)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)來(lái)作為容錯(cuò)邏輯；（3）對(duì)于有條件可增加測(cè)點(diǎn)的，改為三取二的邏輯。

4.1.2 提高熱工保護(hù)信號(hào)可靠性的其他措施

對(duì)CFB鍋爐主保護(hù)MFT，除軟邏輯外，繼電器柜內(nèi)應(yīng)冗余設(shè)置繼電器動(dòng)作信號(hào)至相應(yīng)設(shè)備，保證動(dòng)作回路的可靠性。

4.2 CFB鍋爐熱工保護(hù)邏輯優(yōu)化

4.2.1 RB和MFT保護(hù)信號(hào)邏輯優(yōu)化

2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)均停觸發(fā)RB，MFT邏輯存在的問(wèn)題：信號(hào)采用直接取自電氣開(kāi)關(guān)柜的常開(kāi)單點(diǎn)停止信號(hào)，可靠性差。每臺(tái)一次風(fēng)機(jī)停止常開(kāi)接點(diǎn)信號(hào)取自電氣開(kāi)關(guān)柜并進(jìn)入FSSS，運(yùn)行中存在MFT保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入（DI）通道故障或一臺(tái)風(fēng)機(jī)檢修時(shí)開(kāi)關(guān)拉出，此時(shí)若另一臺(tái)運(yùn)行的風(fēng)機(jī)發(fā)生跳閘，則2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)均停運(yùn)觸發(fā)MFT，RB保護(hù)信號(hào)將無(wú)法成立。

邏輯優(yōu)化：用風(fēng)機(jī)停止信號(hào)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行信號(hào)邏輯取反、風(fēng)機(jī)當(dāng)前電流值小于10A這3個(gè)信號(hào)三取二后作為風(fēng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)信號(hào)。將單點(diǎn)信號(hào)改成三取二邏輯判斷，提高了保護(hù)的可靠性，優(yōu)化后的邏輯如圖1所示。

4.2.2 爐膛壓力高高和爐膛壓力低低保護(hù)優(yōu)化

使用壓力開(kāi)關(guān)等開(kāi)關(guān)量信號(hào)，其動(dòng)作響應(yīng)速度較模擬量信號(hào)快，但在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，作為保護(hù)發(fā)訊設(shè)備的開(kāi)關(guān)量?jī)x表沒(méi)有連續(xù)監(jiān)控的參數(shù)，無(wú)法實(shí)時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀況，在儀表失靈和測(cè)量管路泄漏、堵塞時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，將導(dǎo)致保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)。相對(duì)而言，模擬量設(shè)備在此方面具有優(yōu)勢(shì)。

爐膛壓力高高和爐膛壓力低低保護(hù)邏輯存在的問(wèn)題：邏輯設(shè)計(jì)采用獨(dú)立取樣的3個(gè)壓力開(kāi)關(guān)量，開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)三取二判斷輸出。CFB鍋爐運(yùn)行中，大量的高溫床料、灰分及未燃盡顆粒易造成取樣管路堵塞，存在保護(hù)拒動(dòng)的可能。爐膛壓力高高M(jìn)FT邏輯如圖2所示。

圖1 優(yōu)化后的一次風(fēng)機(jī)均停MFT控制邏輯

圖2 爐膛壓力高高M(jìn)FT邏輯

邏輯優(yōu)化：為了防止因壓力開(kāi)關(guān)儀表管路堵塞而引起保護(hù)拒動(dòng)，將變送器產(chǎn)生的模擬量信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換與開(kāi)關(guān)量保護(hù)信號(hào)相結(jié)合，作為爐膛壓力保護(hù)信號(hào)，在開(kāi)關(guān)量信號(hào)因取樣管路堵塞，保護(hù)信號(hào)失靈的情況下，模擬量信號(hào)可作為后備保護(hù)來(lái)動(dòng)作。在原有邏輯的基礎(chǔ)上，原爐膛壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)獨(dú)立取樣的3個(gè)壓力變送器信號(hào)作為爐膛壓力監(jiān)視的同時(shí)，3個(gè)壓力信號(hào)分別經(jīng)信號(hào)品質(zhì)判斷和定值比較通過(guò)三取二邏輯輸出，可提高保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。變送器的量程選擇應(yīng)大于爐膛壓力保護(hù)定值。爐膛壓力低低保護(hù)邏輯同爐膛壓力高高保護(hù)。優(yōu)化后的爐膛壓力高高鍋爐MFT邏輯如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的爐膛壓力高高鍋爐MFT邏輯

5 結(jié)束語(yǔ)

CFB鍋爐有其獨(dú)有的特點(diǎn)，需要對(duì)其保護(hù)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。本文對(duì)熱工保護(hù)信號(hào)處理、CFB鍋爐保護(hù)項(xiàng)目設(shè)置、提高CFB鍋爐熱工保護(hù)可靠性的措施等內(nèi)容進(jìn)行了介紹。CFB鍋爐熱工保護(hù)需要在遵循《火電廠熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》和《防止電力生產(chǎn)安全事故二十五項(xiàng)反措》基礎(chǔ)上，結(jié)合鍋爐制造廠提供的保護(hù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際運(yùn)行情況不斷進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提高熱工保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

［1］胡昌華，盧嘯風(fēng).600MW超臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備與運(yùn)行［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［2］火力發(fā)電廠熱工保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定：DL/T 5428—2009［S］.

［3］王付生.電廠熱工自動(dòng)控制與保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2003.

［4］李建國(guó)，尹峰，劉武林，等.分散控制系統(tǒng)故障應(yīng)急處理預(yù)案［J］.中國(guó)電力，2009，45（2）：26-30.

（本文責(zé)編：劉芳）

TM 621.2

B

1674-1951（2016）11-0015-03

韓新建（1982—），男，山西朔州人，助理工程師，從事循環(huán)流化床鍋爐熱工控制技術(shù)的研究管理工作（E-mail：hanxinjian0309＠163.com）。

2016-09-07；

2016-10-08

國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0600200）

韓新春（1988—），男，山西朔州人，助理工程師，從事火電廠熱工方面的工作（E-mail：499430963＠qq.com）。