張 亮,劉國(guó)華,范廷舉

(1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006;2.綏中發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧 葫蘆島 125222)

隨著我國(guó)電力工業(yè)的迅速發(fā)展,火電廠建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入大機(jī)組、高參數(shù)、高度自動(dòng)化時(shí)代,目前新建或擴(kuò)建電廠多采用1 000 MW超超臨界機(jī)組。大容量、高參數(shù)機(jī)組對(duì)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性和自動(dòng)化程度要求日益提高,需要控制的與鍋爐燃燒有關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)越來(lái)越多。這些設(shè)備和系統(tǒng)類型繁雜,操作方式多變,操作過程復(fù)雜。尤其在鍋爐啟停和事故工況下,燃燒設(shè)備的操作更加繁瑣,如果操作不當(dāng)很容易造成意外事故。故大型機(jī)組必須為鍋爐提供安全、可靠、完善的控制和保護(hù)系統(tǒng),以保障機(jī)組設(shè)備及人身的安全。從20世紀(jì)60年代起,在國(guó)外火電機(jī)組上就開始投入使用一系列火焰檢測(cè)裝置和爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng) (Furnace Safeguard Supervisory System,簡(jiǎn)稱FSSS),并將其作為火電機(jī)組自動(dòng)保護(hù)和自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,完成鍋爐安全監(jiān)測(cè)和保護(hù)。從20世紀(jì)70年代起,爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)也開始在我國(guó)火電機(jī)組上使用。

1 機(jī)組概況

綏中二期工程2×1 000 MW超超臨界機(jī)組鍋爐由東方鍋爐廠有限公司制造,鍋爐型號(hào)為DG3000/26.15-Ⅱ型鍋爐,鍋爐為高效超超臨界參數(shù)變壓直流爐,采用單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、運(yùn)轉(zhuǎn)層以上露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu) П型鍋爐。鍋爐采用0號(hào)輕柴油點(diǎn)火和助燃,共48只點(diǎn)火助燃油槍,油槍為機(jī)械霧化。整個(gè)鍋爐配置6層粉燃燒器 (A、B、C、D、E、F),制粉系統(tǒng)為正壓直吹式,配置了6臺(tái)ZMG-133G中速磨煤機(jī)。鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

FSSS控制邏輯分布在8對(duì)控制器,分別為AP02、AP03、AP04、AP05、AP06、AP07、AP10、AP13。其邏輯功能由南京西門子電站有限公司開發(fā)的SPPA-T3000分散控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制器分布如下。

AP02 AP07∶6個(gè)控制器每一控制器分配一層粉燃燒器和對(duì)應(yīng)的油燃燒器。

AP10控制器 (公用邏輯):油泄漏試驗(yàn)、爐膛吹掃、MFT、點(diǎn)火允許、RUN BACK、火檢冷卻風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)。

AP13控制器:微油點(diǎn)火

2 FSSS組成

FSSS由4部分組成:控制臺(tái)、邏輯控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和檢測(cè)元件。

控制臺(tái)包括運(yùn)行人員控制臺(tái)、就地控制臺(tái)、系統(tǒng)模擬臺(tái)等。

邏輯控制系統(tǒng)是FSSS的核心,需要控制的設(shè)備多,流程和操作方式多變,使得FSSS的邏輯控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)也稱驅(qū)動(dòng)裝置,是FSSS中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。包括各種電磁閥、控制閥;點(diǎn)火槍的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);各種擋板的驅(qū)動(dòng)裝置;給煤機(jī)的電機(jī)控制器等。

檢測(cè)元件是FSSS的信號(hào)源泉,主要作用是將反映燃燒系統(tǒng)狀態(tài)的各種參數(shù)轉(zhuǎn)換成FSSS可接受的信號(hào),主要是各種類型的開關(guān)量信號(hào)。

3 FSSS主要功能

FSSS功能在邏輯控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。FSSS控制邏輯分為公用控制邏輯、燃油控制邏輯及燃煤控制邏輯三大部分。公用控制邏輯部分包含鍋爐保護(hù)的全部?jī)?nèi)容,即油泄漏試驗(yàn)、爐膛吹掃、主燃料跳閘(MFT)與首出原因記憶、點(diǎn)火條件 (油層點(diǎn)火條件和煤層點(diǎn)火條件)、RB等。

3.1 油泄漏試驗(yàn)

油泄漏試驗(yàn)是針對(duì)主燃油跳閘閥、母管回油閥、油管路及單個(gè)油燃燒器跳閘閥的密閉性所做的試驗(yàn),目的是防止燃油供油管路泄漏 (包括漏入爐膛)。燃油泄漏試驗(yàn)不成功將終止?fàn)t膛吹掃程序。

3.1.1 油泄漏試驗(yàn)允許條件

a. 油閥全關(guān);

b.30%＜總風(fēng)量 ＜55%;

c. 燃油系統(tǒng)進(jìn)油壓力正常;

d. 燃油系統(tǒng)進(jìn)油快關(guān)閥已關(guān);

e. 燃油系統(tǒng)回油快關(guān)閥已關(guān);

f. 旁路切除;

g. 燃油系統(tǒng)泄漏試驗(yàn)閥已關(guān);

h. 所有火焰喪失。

3.1.2 油泄漏試驗(yàn)過程

a. 當(dāng)允許條件滿足,將在CRT上指示 “油泄漏試驗(yàn)允許”,這時(shí)可以從CRT上發(fā)出 “試驗(yàn)啟動(dòng)”指令,CRT顯示 “充油試驗(yàn)開始”,打開進(jìn)油泄漏試驗(yàn)閥充壓,等待進(jìn)油快關(guān)閥后燃油壓力大于3.2 MPa的信號(hào)產(chǎn)生。若60 s內(nèi)此信號(hào)產(chǎn)生表明“充油試驗(yàn)完成”,關(guān)閉進(jìn)油泄漏試驗(yàn)閥;反之,則為 “充油試驗(yàn)失敗”,切除泄漏試驗(yàn),關(guān)閉供油快關(guān)閥。

b. 充油試驗(yàn)完成,進(jìn)油泄漏試驗(yàn)閥關(guān)閉,等待180 s,等待中 “進(jìn)油快關(guān)閥后燃油壓力大于2.8 MPa”信號(hào)消失,則泄漏試驗(yàn)失敗,切除試驗(yàn);反之,泄漏試驗(yàn)成功。

3.1.3 油泄漏試驗(yàn)復(fù)位條件

a. 油泄漏試驗(yàn)成功;

b. 充油失敗;

c. 泄油失敗;

d. 進(jìn)油快關(guān)閥打開;

e. 回油快關(guān)閥打開;

f. MFT跳閘。

3.2 爐膛吹掃

爐膛吹掃的目的是將爐膛內(nèi)的殘留可燃物質(zhì)清除掉,以防止鍋爐點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆燃。鍋爐點(diǎn)火前,必須進(jìn)行爐膛吹掃。

爐膛吹掃一次條件,爐膛在吹掃時(shí),必須滿足下列所有條件,若條件不滿足,將中斷吹掃,待條件具備后,重新啟動(dòng)。

a.MFT跳閘;

b. 油閥全關(guān);

c. 任意送風(fēng)機(jī)運(yùn)行;

d. 任意引風(fēng)機(jī)運(yùn)行;

e. 任意空預(yù)器運(yùn)行;

f. 磨煤機(jī)出口擋板全關(guān);

g. 磨煤機(jī)全停;

h. 一次風(fēng)機(jī)全停;

i. 一次風(fēng)機(jī)出口門全關(guān);

j. 全爐膛無(wú)火焰;

k. 任意火檢冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行;

l. 無(wú)MFT跳閘條件;

m. 燃油系統(tǒng)進(jìn)油快關(guān)閥關(guān);

n. 燃油系統(tǒng)進(jìn)油泄漏試驗(yàn)閥關(guān);

o.FGD煙道暢通;

p. 燃油泄漏試驗(yàn)成功。

爐膛吹掃二次條件,爐膛在吹掃時(shí),必須滿足下列所有條件,若條件不滿足,將中斷吹掃,待條件具備后,重新開始計(jì)時(shí)。

a. 二次風(fēng)擋板吹掃位;

b.30%＜風(fēng)量 ＜55%;

c. 三次風(fēng)門未全關(guān)。

當(dāng)吹掃條件滿足后,CRT上顯示 “爐膛吹掃許可”,在CRT上發(fā)出 “吹掃啟動(dòng)”指令,CRT上指示 “爐膛吹掃過程中”,吹掃過程持續(xù)300 s后,吹掃完成,CRT上顯示 “爐膛吹掃完成”,MFT復(fù)歸。若吹掃過程中吹掃條件不滿足,自動(dòng)中斷爐膛吹掃程序。

3.3 主燃料跳閘 (MFT)

主燃料跳閘 (MFT)是鍋爐安全保護(hù)的核心內(nèi)容。在出現(xiàn)任何危及鍋爐安全運(yùn)行的危險(xiǎn)工況時(shí),MFT動(dòng)作將快速切斷所有進(jìn)入爐膛的燃料,以保證鍋爐安全,避免事故發(fā)生或限制事故進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)MFT跳閘后,有首出跳閘原因顯示;當(dāng)MFT復(fù)位后,首出跳閘記憶清除。MFT跳閘條件如下:

a. 手動(dòng)MFT;

b. 給水流量低低;

c. 給水泵全停;

d. 汽輪機(jī)跳閘;

e. 火檢冷卻風(fēng)機(jī)壓力低低;

f. 空預(yù)器全停;

g. 高溫過熱器出口集箱壓力高高;

h. 送風(fēng)機(jī)全停;

i. 引風(fēng)機(jī)全停;

j. 總風(fēng)量 ＜25%;

k. 所有燃料喪失;

l. 一次風(fēng)機(jī)全停;

m. 全爐膛火焰喪失;

n. 臨界火焰喪失;

o. 爐膛壓力低低;

p. 爐膛壓力高高;

q. 再熱器保護(hù);

r. FGD保護(hù)。

MFT設(shè)計(jì)成軟、硬兩路冗余回路,當(dāng)MFT條件出現(xiàn)時(shí)軟件會(huì)送出相應(yīng)的信號(hào)來(lái)跳閘相關(guān)的設(shè)備,同時(shí)MFT跳閘繼電器柜也會(huì)向這些重要設(shè)備送出一個(gè)硬接線信號(hào)來(lái)跳閘它們。例如,MFT發(fā)生時(shí)會(huì)通過相應(yīng)邏輯輸出信號(hào)來(lái)關(guān)閉主跳閘閥,同時(shí)MFT跳閘繼電器柜也會(huì)送出信號(hào)來(lái)直接關(guān)閉主跳閘閥。這種軟硬回路互相冗余有效地提高了MFT動(dòng)作的可靠性。此功能在FSSS跳閘繼電器柜內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

3.4 點(diǎn)火允許條件

3.4.1 油燃燒器點(diǎn)火允許條件

a.MFT復(fù)位;

b.OFT復(fù)位;

c. 燃油系統(tǒng)進(jìn)油壓力正常;

d. 燃油系統(tǒng)吹掃空氣壓力正常;

e. 火檢冷卻風(fēng)壓力正常;

f. 燃油系統(tǒng)進(jìn)油快關(guān)閥已開;

g. 燃油系統(tǒng)回油快關(guān)閥已開;

h. 給水流量正常;

i. 30%＜風(fēng)量 ＜55%。

3.4.2 煤燃燒器點(diǎn)火允許

a.MFT復(fù)位;

b. 任意一次風(fēng)機(jī)運(yùn)行;

c. 火檢冷卻風(fēng)壓力正常;

d.30%＜風(fēng)量 ＜55%;

e. 熱一次風(fēng)母管溫度正常;

f. 一次風(fēng)母管壓力正常;

g. 任意密封風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

3.5 RB工況

CCS產(chǎn)生RB信號(hào),以至少4臺(tái)磨煤機(jī)投運(yùn)為判斷依據(jù),依次切除1臺(tái)磨,順序?yàn)?5-33-36。當(dāng)發(fā)生RB信號(hào)時(shí),自動(dòng)跳閘35號(hào)磨煤機(jī),35號(hào)磨煤機(jī)停運(yùn)10 s后,自動(dòng)跳閘33號(hào)磨煤機(jī),待33號(hào)磨煤機(jī)也停運(yùn)10 s后,自動(dòng)跳閘36號(hào)磨煤機(jī)。最終機(jī)組運(yùn)行時(shí)保留3臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行。

4 調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的問題及改進(jìn)

MFT跳閘柜設(shè)計(jì)為繼電器失電跳閘,由兩路110 V直流電源供電,采用常閉接點(diǎn)進(jìn)行控制。每個(gè)繼電器配有兩對(duì)常閉接點(diǎn),調(diào)試中發(fā)現(xiàn)每個(gè)繼電器控制2臺(tái)設(shè)備的動(dòng)作,這樣很容易導(dǎo)致誤動(dòng)作。例如1臺(tái)繼電器掉電或抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致2臺(tái)設(shè)備跳閘,極大地影響了機(jī)組的安全運(yùn)行?，F(xiàn)改為一對(duì)一式,即1臺(tái)繼電器只控制1臺(tái)設(shè)備的動(dòng)作。

目前國(guó)內(nèi)機(jī)組在MFT跳閘柜設(shè)計(jì)方案有2種:帶電跳閘;失電跳閘;MFT柜的2種方案分析如下:帶電跳閘采用常開接點(diǎn)進(jìn)行控制,采用常開接點(diǎn)進(jìn)行控制的方案雖減少了誤動(dòng)的可能性,但增加了拒動(dòng)的可能性 (若DCS失電后MFT可能不能正常動(dòng)作);失電跳閘采用常閉接點(diǎn)進(jìn)行控制,即在DCS失電后,MFT仍能動(dòng)作。比較來(lái)看,后者對(duì)機(jī)組運(yùn)行更安全,減少了拒動(dòng)的可能性,但卻增加了誤動(dòng)的可能性 (如線路虛接或繼電器抖動(dòng)等都可引起誤跳)。

目前已投入生產(chǎn)的火電機(jī)組中,保護(hù)拒動(dòng)很少發(fā)生,但保護(hù)誤動(dòng)卻比較頻繁。因此,保護(hù)誤動(dòng)問題是當(dāng)前威脅發(fā)電廠安全運(yùn)行所急需解決的問題。FSSS作為火電廠主要的保護(hù)系統(tǒng),在系統(tǒng)硬件可靠的基礎(chǔ)上,如何防止誤動(dòng)也是十分重要的。

5 結(jié)束語(yǔ)

FSSS作為現(xiàn)代化大型火電機(jī)組中最重要的保護(hù)系統(tǒng)之一,其設(shè)計(jì)的合理與否極其重要,系統(tǒng)自身的故障將直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前,FSSS已大多在DCS中進(jìn)行控制,已不再單獨(dú)分開設(shè)計(jì),但在保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)和信號(hào)的采集上,依然應(yīng)采用隔離和可靠的冗余等措施,以確保自身的可靠性。

[1] 肖大雛.超超臨界機(jī)組控制設(shè)備及系統(tǒng) [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[2] DL/T1091—2008.火力發(fā)電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程 [S].