300MW機組燃氣點火控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 斌，劉云鶴，甄雨衡，王 焜，呂忠峰，張軼軒

（白山熱電有限責任公司，吉林 白山 134300）

目前我國大部分燃煤機組均采用燃油點火，在冷態(tài)啟動過程或者低負荷運行過程中均需耗用大量的燃油。在啟動過程中和低負荷運行工況下，投入的燃油在爐內冷態(tài)大空間環(huán)境下缺氧燃燒，造成大量不完全燃燒［1-2］。為了有效降低火電機組鍋爐在點火啟動、穩(wěn)燃助燃及停爐過程中的燃油耗量，滿足鍋爐安全、經濟、穩(wěn)定運行的需求，白山熱電有限責任公司（以下簡稱白山熱電廠）擬采用燃氣點火，利用燃氣的著火放熱點燃煤粉，實現(xiàn)微量燃氣在冷態(tài)下點燃煤粉，降低鍋爐啟動點火及低負荷穩(wěn)燃的燃料成本。

然而，引入燃氣點火系統(tǒng)后，勢必會對原有的鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）造成影響［3］。目前FSSS在煤粉爐微油點火系統(tǒng)、等離子點火系統(tǒng)設計都已經很成熟［4-5］，而對于煤粉爐燃氣點火FSSS的設計來說，由于燃氣燃料的特殊性，還需要開展相關的研究、設計及優(yōu)化工作，因此，本文以白山熱電廠300MW亞臨界燃氣點火系統(tǒng)為研究對象，對燃氣點火系統(tǒng)在大型煤粉爐FSSS的設計和運用進行研究。

1 設備概況

該廠300MW 機組鍋爐為SG-1025／17.5-M889型亞臨界壓力中間一次再熱自然循環(huán)鍋爐，配有WR水平濃淡低氮燃燒器。采用熱風送粉方式，通過A、B、C、D四層煤粉管道和兩層三次風接至鍋爐四角燃燒器，燃燒器風箱中設有兩層（AB層和BC層）共8支啟動及助燃簡單機械霧化油槍，在B層煤粉燃燒器內設有4支空氣霧化啟動小油槍。

本次燃氣點火系統(tǒng)改造保留原有燃油點火系統(tǒng)，將C層煤粉燃燒器改為微氣點火煤粉燃燒器，CD層增設燃氣大氣槍；采用主動穩(wěn)定燃燒的結構與控制的設計方法，在燃燒器小空間內利用空氣與燃氣充分預混燃燒，產生高溫燃燒中心，點燃小空間內的煤粉流，然后分級點燃整個一次風粉流。在確保燃燒器安全、穩(wěn)定運行的前提下，利用微量燃氣即可實現(xiàn)整個一次風粉混合物以穩(wěn)定著火燃燒的狀態(tài)進入爐膛，確保不因爐膛熱負荷過低、燃燒不穩(wěn)而熄火，從而實現(xiàn)機組深度調峰及鍋爐點火成功。

2 FSSS功能及邏輯設計

2.1 FSSS主要功能

FSSS一般分為兩個部分，即燃燒器控制系統(tǒng)（BCS）和燃料安全控制系統(tǒng)（FSS）。BCS的主要功能是對鍋爐燃燒系統(tǒng)設備進行監(jiān)視和順序控制，保證點火器、油槍和磨煤機系統(tǒng)的安全啟動、停止、運行。FSS的功能是在鍋爐點火前和跳閘、停爐后對爐膛進行吹掃、防止可燃物在爐膛積存，在監(jiān)測到危及設備、人身安全的工況時，啟動主燃料跳閘（MFT），迅速切斷燃料，緊急停爐。

根據(jù)本次燃氣點火系統(tǒng)改造的特點，結合相關安全需求對FSSS進行了優(yōu)化，優(yōu)化改造后FSSS主要功能包括：MFT；燃氣燃料跳閘（GFT）；燃氣泄漏試驗；爐膛吹掃；燃氣燃燒器控制；煤粉燃燒器控制。

2.2 FSSS邏輯設計

2.2.1 MFT條件及動作指令設計

MFT是FSSS最重要的功能，當出現(xiàn)可能引起爐膛爆炸或危及鍋爐安全的情況時，立即切斷燃料，防止爐膛爆炸，確保鍋爐安全運行。FSSS邏輯需要監(jiān)視以下不同的MFT條件，如果任何一個條件成立，F(xiàn)SSS邏輯就會跳閘。在該MFT條件消失，且鍋爐吹掃結束后，復位MFT。

原有MFT判定邏輯中“所有燃料喪失”主要指的是煤粉和燃油，本次改造對其進行優(yōu)化，在原有“所有油槍角閥關閉或來油快關閥關閉且所有給粉機全?！钡幕A上增加“CD層全部燃氣角閥關閉或燃氣供氣關斷閥處于關狀態(tài)”，修改后全燃料喪失邏輯為：鍋爐已點火；燃油進油快關閥全關，或燃油油層各油閥均關閉；燃氣供氣關斷閥全關，或CD層全部燃氣角閥均關閉；A至D給粉機均停運。

本次改造主要在原有MFT聯(lián)鎖動作指令上新增了燃氣系統(tǒng)相關聯(lián)鎖動作指令，其余部分保持原有聯(lián)鎖動作指令。另一方面，新增燃氣系統(tǒng)相關聯(lián)鎖動作指令設計成軟硬件互相冗余，當MFT條件出現(xiàn)時，控制站會送出相應的信號來停掉相關的設備，同時MFT繼電器柜也會向該設備送出硬接線信號來停掉他。這種軟硬件互相冗余的設計，有效地提高了MFT動作的可靠性。硬回路改造為關燃氣供氣氣動關斷閥和關爐前C／CD層燃氣關斷閥，通過MFT繼電器接點送出信號來直接關閉所有的燃氣氣動關斷閥。軟回路改造主要包括：動作GFT；關燃氣供氣關斷閥；關爐前C／CD層燃氣關斷閥；關所有燃氣角閥；關閉燃氣調節(jié)閥；退出所有點火器。

2.2.2 GFT條件及動作指令設計

新增的燃氣燃料跳閘條件主要包含：MFT跳閘；運行人員手動發(fā)出關閉燃氣母管關斷閥的指令；燃氣壓力報警（取壓力開關，定值0.1MPa）：燃氣壓力低報警超過3s，且任意燃氣角閥打開（3取2）；燃氣泄漏報警（燃氣泄漏報警器取或）。

當任何一個跳閘條件滿足后，都將引起GFT。GFT／MFT跳閘采用同一跳閘控制回路，即邏輯組態(tài)時把GFT信號、MFT信號進行邏輯或運算后，由對應的MFT跳閘繼電器執(zhí)行GFT指令，軟硬件互相冗余的設計有效提高了GFT動作的可靠性，相應的GFT聯(lián)鎖動作指令和MFT聯(lián)鎖動作指令保持一致。

2.3 燃氣泄漏試驗

由于天然氣燃料的特殊性，天然氣系統(tǒng)泄漏試驗是對爐燃氣母管關斷閥（前＼后）、燃氣母管所做的密閉性試驗，防止天然氣泄漏，引起爐膛爆燃。泄漏試驗允許條件包括：MFT／GFT已跳閘；所有燃氣放散閥已關；燃氣母管關斷閥已關；各燃氣關斷閥已關；所有燃氣角閥已關；全爐膛無火。

當試驗條件滿足時，可啟動燃氣泄漏試驗。另一方面，增加燃氣泄漏試驗旁路，在確定不必要進行燃氣管路泄漏試驗的情況下，可予以旁路。試驗步驟如下。

a.打開燃氣母管關斷閥、C／CD層燃氣支管關斷閥和煙道燃氣支管關斷閥，對管路進行充壓30s。如果30s之內，燃氣母管關斷閥后燃氣管道壓力正常（0.2～0.4MPa），則充壓成功，關閉燃氣母管關斷閥；如果30s之內燃氣壓力信號不滿足，則充壓失敗，并發(fā)出燃氣泄漏試驗失敗的報警顯示。

b.第一階段試驗：計時120s：檢測燃氣管道、各層燃氣角閥是否合格；120s之內如果燃氣管道氣壓下降至規(guī)定值（0.2MPa）以下，則燃氣泄漏試驗失敗，應消除泄漏點后重新做泄漏試驗；180s計時結束，燃氣管道氣壓維持在規(guī)定值（0.2MPa）以上，則第一階段試驗成功，開啟燃氣管道放散閥對燃氣管道進行泄壓。

c.管路泄壓：如果30s之內，燃氣管道氣壓降至規(guī)定值（0.1MPa）以下，壓力開關動作，則泄壓成功，關閉燃氣管道放散排空閥；如果30s之內，燃氣管道氣壓未降至規(guī)定值（0.1MPa）以下，壓力開關不動作，則泄壓失敗，并發(fā)出燃氣泄漏試驗失敗的報警顯示。

d.第二階段試驗：計時120s：檢測燃氣母管關斷閥是否合格；如果120s計時結束，燃氣壓力未上升至0.1MPa以上，則第二階段試驗成功。

e.燃氣泄漏試驗完成。

2.4 爐膛吹掃

鍋爐點火前和點火失敗后必須進行爐膛吹掃，目的是排除爐膛和煙道內積存的可燃混合物。完整的吹掃過程是鍋爐點火的必要條件之一，在5min吹掃過程中，若失去任一項吹掃條件，吹掃程序就會中斷并報警，待吹掃條件全部滿足才能重新吹掃。

本次改造主要在原吹掃條件下新增了所有燃氣角閥關閉、燃氣母管關斷閥關閉、燃氣泄漏試驗完成或旁路的判定，其余部分保持原有判斷條件不變。當吹掃條件滿足后，執(zhí)行吹掃程控，主要流程不變。

2.5 燃氣燃燒器系統(tǒng)控制

CD層燃氣大氣槍在功能設計上與原有AB層、BC層油槍類似，主要用于機組啟動階段，配合其余兩層油槍，完成鍋爐點火，提升煙溫；另一方面，也可以在機組正常運行階段投運，燃用部分燃氣，降低燃料成本。因此，其控制邏輯設計參照原有AB層、BC層油槍控制邏輯設計。

C層微氣槍在功能設計上與原有B層微油槍類似，可作為點火，也可以作為穩(wěn)燃來進行投運。C層煤粉燃燒器維持原有的FSSS邏輯，這時微氣槍不參與MFT邏輯保護，可隨時操作。C層微氣槍只能依靠自己所屬的高能點火器進行點火，不允許依靠其他燃燒器的火焰進行點火。C層微氣槍處于遙控方式時，其控制為單角控制，畫面上設了單控操作區(qū)用以實現(xiàn)單支啟停。

單角控制：C層所屬的4支燃氣微氣槍、CD層所屬的4支燃氣大氣槍的控制系統(tǒng)能自動完成高能點火器的推進及退出、高能點火器點火、燃氣角閥的打開、進氣、退出、點火結果監(jiān)視及處理。就地點火系統(tǒng)只接收FSSS發(fā)來的點火允許、啟動、停運控制信號和跳閘信號。

3 結論

隨著環(huán)保及節(jié)能要求的逐步提高，燃氣做為煤粉鍋爐點火燃料的應用將會日益廣泛，其控制方式與傳統(tǒng)微油點火煤粉鍋爐相比有很大不同，相應的FSSS控制邏輯需根據(jù)燃氣點火系統(tǒng)的特點進行設計。本文以白山熱電廠300MW機組為研究對象，通過對引入燃氣點火系統(tǒng)后FSSS的邏輯梳理，對爐膛吹掃、全燃料跳閘、點火允許條件、燃氣燃料跳閘、燃氣泄漏試驗等內容進行了設計和優(yōu)化。改進后，經過試驗驗證完全達到試驗要求，在后續(xù)的點火生產運行過程中，F(xiàn)SSS邏輯動作正常，燃氣點火系統(tǒng)運行穩(wěn)定，保障鍋爐在各個負荷段安全穩(wěn)定運行，有效降低了燃料成本。