超超臨界二次再熱機組爐膛安全監控系統設計方案

孫 漾（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

?

超超臨界二次再熱機組爐膛安全監控系統設計方案

孫 漾
（華東電力設計院有限公司，上海 200063）

摘要：超超臨界二次中間再熱燃煤機組鍋爐工藝配置復雜，相應的熱工保護系統的復雜性也大幅上升。爐膛安全監控系統是鍋爐側最重要的熱工保護系統。本文介紹了爐膛安全監控系統的常規功能設計，結合某1000 MW超超臨界二次再熱燃煤發電機組工程，介紹了機組工藝系統配置及鍋爐爐膛安全監控系統相關設備概況，匯總了系統控制對象，提出了爐膛安全監控系統的功能設計方案。

關鍵詞：超超臨界；燃煤發電機組；二次再熱；保護；爐膛安全；監控系統。

1 概述

隨著我國電力工業的發展，火力發電機組逐步采用效率更高、參數更高、單機容量更大的超臨界和超超臨界機組。大型超臨界、超超臨界燃煤發電機組工藝系統更加復雜，且鍋爐均為直流爐，沒有汽包蓄熱，工作介質和工況變化快。當系統運行工況出現問題時，運行參數惡化速度也快，且因為壓力等級高，造成事故的等級也相對提高。因此，相應的熱工保護系統的復雜性也大幅上升，熱工保護系統的控制功能、安全可靠性對保障機組的安全穩定運行更加重要。

爐膛安全監控系統（Furnace Safeguard Supervisory System，FSSS）是鍋爐側最重要的熱工保護系統。由于不同電廠機組鍋爐的形式、設計理念、以及生產管理人員的認識差異，不同機組的FSSS在系統功能設計、動作條件、指令輸出、邏輯實現方式等方面各不相同。本文結合某電廠1000 MW超（超）臨界二次再熱燃煤發電機組工程，介紹了機組工藝系統配置及鍋爐FSSS相關設備概況，匯總了FSSS的控制對象，提出了FSSS的設計思想及須實現的各項功能。

2 爐膛安全監控系統

爐膛安全監控系統（FSSS）使操作人員能夠通過控制裝置和預先編制的安全聯鎖程序對危及鍋爐安全的異常現象給予快速反應，從而防止運行人員操作事故及設備故障引起鍋爐爐膛爆炸，更有效地提高鍋爐運行的安全性。

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

（1）鍋爐點火前的燃油泄漏試驗及爐膛吹掃。

（2）主燃料跳閘（MFT）及危急工況下鍋爐的保護聯鎖。

（3）油燃燒器、燃油系統閥門等設備的控制。

（4）煤粉燃燒器的投切控制。

（5）磨煤機的啟停控制及聯鎖保護。

（6）火焰檢測、監視等。

2.1 爐膛吹掃

爐膛吹掃是指讓空氣流過爐膛及煙道，清除爐膛及煙道內積聚的可燃物，防止爐膛爆炸。完整的爐膛吹掃過程是燃燒器點火的必要條件之一。鍋爐啟動前或MFT后必須進行爐膛吹掃，否則不允許點火。

2.2 燃油泄漏試驗

燃油泄漏試驗的主要目的是在鍋爐點火前檢查整個爐前油系統在規定的油壓下有無漏油現象，以保證油系統的正常運行，包括燃油母管及至各油槍的管道和閥門。

燃油泄漏試驗一般按以下步驟進行：

第1步：試驗啟動后，打開進油母管關斷閥向油管路注油，當油管路壓力高于某一設定值后，注油完成。

第2步：關閉進油母管關斷閥，監視油壓的下降速度。經過一定時間后，如果油壓變化值小于規定的允許范圍，則證明燃油母管及各油燃燒器支管在帶壓時無泄漏。

如果燃油泄漏試驗失敗則系統發出泄漏試驗失敗信號，控制邏輯自動將爐膛吹掃設定為不成功，泄漏試驗完成后須重新進行爐膛吹掃。

2.3 主燃料跳閘

主燃料跳閘（Main Fuel Trip，MFT）是大型火電機組主保護之一，是鍋爐安全保護的核心內容，在FSSS系統中起著保護鍋爐安全的最重要的作用。在出現危及鍋爐或機組安全運行的危險工況時，MFT動作，快速切斷所有進入爐膛的燃料（包括燃煤和燃油），并按停爐的控制程序由順序控制系統（Sequence Control System，SCS）和模擬量控制系統（Modulating Control System， MCS）對有關閥門、擋板、輔機進行聯鎖和控制，遮斷汽機，發變組解列，以保證機組及人員安全，避免事故發生或擴大。如果主燃料跳閘（Main Fuel Trip， MFT）保護誤動或者拒動，會對主設備安全甚至對電網安全造成很大影響。

對于超（超）臨界燃煤發電機組，通常在以下條件發生時，鍋爐MFT動作：

（1）運行人員手動操作MFT動作。

（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）送風機全停。

（6）引風機全停。

（7）空預器全停。

（8）火檢冷卻風壓力低低。

（9）總風量低低。

（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，對于未設計停機不停爐或快速減負荷（Fast Cut Back， FCB）機組，當汽機或發變組故障時（或當鍋爐負荷高于某一設定值時汽機或發變組故障），觸發鍋爐MFT動作。有些電廠也根據自身機組情況將過熱器/再熱器出口蒸汽溫度高高、再熱器保護喪失等作為MFT的觸發條件之一。

MFT發生后，控制系統將發出以下指令：

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

（2）跳閘所有磨煤機。

（3）關閉所有磨煤機入口及出口門等。

（4）跳閘所有給煤機。

（5）跳閘所有一次風機。

（6）跳閘所有給水泵。

（7）關閉過熱器減溫水總閥、各截止閥、調閥。

（8）關閉再熱器減溫水總閥、各截止閥、調閥。

（9）開二次風擋板。

（10）送MFT信號至ETS跳閘汽輪機等。

目前大型火電機組一般在DCS中專門采用一對控制器用于實現MFT、爐膛吹掃、泄露試驗等功能。DCS基于微處理器，處理速度快，并且可以方便的設計比以往采用電氣設備（如繼電器、開關等）進行邏輯控制更復雜、更完善的聯鎖保護功能，減少了故障點，并且能夠方便的增減控制點及改變邏輯組態。同時，有關鍋爐安全的全部參數可在DCS各控制器間交換，并全面監視、記錄、存儲、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故障，一般所有觸發MFT的條件均以硬接線的方式直接接入MFT控制器。同時，為提高可靠性，設計軟、硬兩路冗余的MFT指令傳輸途徑。當MFT動作時，控制器軟件會送出相應的信號跳閘或控制相關設備，同時將信號送入MFT跳閘繼電器柜。MFT跳閘繼電器也會直接向相關設備送出一個硬接線信號進行跳閘或聯鎖。此外，在集控室運行人員操作臺上設手動MFT按鈕，并硬接線直接接入MFT跳閘繼電器柜。這樣，即使DCS出現全面故障，手動MFT按鈕動作依然能夠完成相關設備的跳閘。

3 主要工藝系統概況

3.1 三大主機及主要熱力系統概況

某電廠1000 MW超（超）臨界二次再熱燃煤發電機組采用上海鍋爐廠有限公司超超臨界參數二次再熱、直流、單爐膛、平衡通風、切圓燃燒方式、塔式爐。汽輪機采用上海汽輪機廠超超臨界二次再熱、單軸、五缸四排汽、十級回熱抽汽、凝汽式汽輪機。發電機由上海發電機廠供貨。

機組設高、中、低壓三級串聯汽機旁路系統。給水回熱系統為帶二級外置式蒸汽冷卻器的十級回熱抽汽系統（5低加、1除氧器、4高加）。凝結水系統采用2臺100%容量的凝結水泵，一臺運行，一臺備用。主給水泵采用2臺50%容量同軸汽動給水泵。

3.2 鍋爐及FSSS相關設備概況

該機組鍋爐制粉系統采用中速磨煤機正壓直吹式制粉系統，每爐配6臺磨煤機。煤粉燃燒系統在30%B-MCR到100%B-MCR使用2至5臺磨煤機運行，在100%B-MCR工況下5臺運行1臺備用。

鍋爐送風機、一次風機、引風機各按2×50%配置。啟動系統為帶再循環泵的內置式啟動系統，鍋爐設一臺再循環泵和六只內置式啟動分離器以及一只貯水箱。

鍋爐燃燒器采用高級復合空氣分級低NOx切向燃燒系統，燃燒器出口直徑375×574 mm，燃燒器數量4×12只。鍋爐啟動點火設置等離子點火裝置。每個燃燒器均裝設一個高質量的火焰檢測裝置，滿足鍋爐保護和燃燒器控制系統的要求。鍋爐燃燒器擺動時，在熱態運行中一、二次風（含燃盡風）均可上下擺動，最大擺角一次風為±20°，二次風為±30°。

油燃燒器的總輸入熱量按20%B-MCR計算。點火方式為高能電火花點燃輕油，然后點燃煤粉。鍋爐配備兩臺三分倉式回轉式空氣預熱器。

4 FSSS系統設計

4.1 FSSS系統主要控制對象

由前所述，該機組鍋爐納入FSSS系統控制的對象主要有：

（1）燃油系統：進油母管燃油關斷閥、回油母管燃油關斷閥、油角閥、燃油蓄能電磁閥、吹掃閥、油槍、點火槍等。

（2）直吹制粉系統包括：

磨煤機A～F，及其輔助設備（包括：密封風電動門、潤滑站電加熱器、減速機電加熱器、潤滑站高/低壓油泵、出口速關門、冷/熱一次風氣動隔絕門、旋轉分離器、液壓站電機、液壓站電加熱器、分離器密封風電動門、滅火蒸汽電動隔離閥、輔汽供磨煤機蒸汽滅火及吹灰電動隔離閥等）。

給煤機A～F，及其輔助設備（包括：進煤隔絕門、出煤隔絕門、密封風電動門等）。

（3）等離子點火裝置及其輔助設備（包括：冷卻水泵A/B/C、等離子火檢冷卻風機A/B、等離子載體風機A/B、加熱器蒸汽入口電動閥等）。

（4）其它雜項包括：火檢冷卻風機A/B；密封風機A/B等。

4.2 FSSS系統主要功能

4.2.1 爐膛吹掃

本機組爐膛吹掃條件及步驟與常規一次中間再熱超超臨界機組相同。采用二次風，由模擬量控制系統（MCS）負責調解爐膛總風量為30%～40%，計時5 min，如果順利結束，則爐膛吹掃完成。

4.2.2 燃油泄露試驗

本機組除2.2節所述第1步、第2步試驗外，另增加了進油母管燃油關斷閥泄露試驗：在第2步完成后，打開回油母管燃油關斷閥進行卸油后關閉回油母管燃油關斷閥，然后監視燃油母管壓力的上升速度。經過一定時間后，如果油壓變化值小于規定的允許范圍，則證明進油母管燃油關斷閥無泄漏。

燃油泄露試驗由操作員直接在操作員站上發指令進行啟動，泄露試驗的啟動允許條件包括：MFT繼電器已跳閘、進油/回油母管燃油關斷閥/油角閥全關、火檢無火。

4.2.3 主燃料跳閘及油燃料跳閘

（1）主燃料跳閘（MFT）是指切斷進入鍋爐的所有燃料，包括煤、油、等離子。根據工藝系統配置及功能設計，除2.3節所述通常MFT條件外，本機組FSSS邏輯監視以下條件，任一條件發生，則MFT動作：當鍋爐負荷＞15%時，如果汽機跳閘，則鍋爐MFT；若鍋爐負荷＜15%，如果汽機跳閘且旁路不通，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定值）。

再熱器保護喪失；正常模式下，鍋爐四次點火失敗；FGD觸發鍋爐MFT。

其中，再熱器保護喪失包括一次再熱器和二次再熱器，具體指：當鍋爐總燃料量＞25%且機組未并網時，發生以下三種情況并延遲10 s時，再熱器保護喪失條件成立。

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

此外，FSSS電源消失也將觸發鍋爐MFT。

當MFT發生后，除發出2.3節所列常規指令外，本機組控制系統還將發出MFT信號至等離子、吹灰、脫硫、脫硝等系統。

（2）油燃料跳閘（Oil Fuel Trip，OFT）是指切斷進入鍋爐的所有油燃料。本機組FSSS邏輯監視以下條件，任一條件發生，則觸發OFT動作：

主燃料跳閘（MFT）；手動OFT；燃油供油母管壓力低低，且仍有油角閥處于打開狀態；進油快關閥由打開狀態變為關閉狀態時，仍有油角閥處于打開狀態；任一油角閥關閉失敗。

當OFT發生后，本機組控制系統將發出以下指令：

關閉進油母管燃油關斷閥、回油母管燃油關斷閥；關閉所有油槍的吹掃閥，并退回所有油槍、點火槍。

4.2.4 燃油系統的管理

燃油系統的管理對象包括進油母管燃油關斷閥、回油母管燃油關斷閥、油角閥、燃油蓄能電磁閥、吹掃閥、油槍、點火槍等。鍋爐經過爐膛吹掃，并且所有油點火條件均滿足，即可手動打開進油母管燃油關斷閥，并按系統既定的程序進行油槍點火。當油槍退出運行時需執行油槍吹掃程序清除油槍及燃燒器中殘留的燃油。

4.2.5 制粉系統的管理

制粉系統的管理對象如前4.1節（2）所述。當煤燃燒器的點火源建立且點火條件滿足之后，系統及可按既定的程序進行煤粉點火。本機組點火源包括油槍和等離子兩個點火源，因此點火模式可分為油槍點火模式和等離子點火模式。

5 結語

本文根據某超（超）臨界二次中間再熱燃煤機組工藝系統的配置及特點，分析了爐膛安全監控系統（FSSS）的控制對象，介紹了FSSS的設計思想及功能。二次再熱機組的FSSS與其它型式的機組相比，控制聯鎖思想和內容基本一致，但須根據機組的配置及特點，在邏輯判斷、保護條件方面仔細進行推敲和優化，以保證機組運行安全可靠。

參考文獻

［1］ 杜強.田集電廠600 MW超臨界機組MFT系統相關邏輯分析［J］.華東電力，2008，（06）.

［2］ 呂春華，閆德遜.超超臨界1000 MW鍋爐的聯鎖保護原則［J］.電站系統工程，2008，（04）.

［3］ 朱曉星，王伯春，申愛軍.國產600 MW超臨界鍋爐FSSS系統分析［J］.湖南電力，2005，（S2）.

［4］ 張偉，馬煥軍，嚴紅通.提高600 MW超臨界機組聯鎖保護信號源可靠性分析與實踐［J］.中國電力，2007，（02）.

［5］ 朱曉星，張建玲.國產600 MW超臨界機組MFT主保護的對比分析及研究［J］.華中電力，2007，（03）.

［6］ 王玉國.淺談660 MW超臨界機組主燃料跳閘（MFT）功能［J］.中國電力教育，2009，（S2）.

［7］ 北京國電智深控制技術有限公司.國電泰州電廠2×1000 MW FSSS功能說明書［Z］.2014.

［8］ 上海鍋爐廠有限公司.2704t/h超超臨界壓力直流鍋爐爐膛安全監控系統基本技術要求［Z］.2013.

中圖分類號：TM75

文獻標志碼：B

文章編號：1671-9913（2016）02-0022-05

* 收稿日期：2016-02-17

作者簡介：孫漾（1984- ），男，吉林長春人，博士，工程師，主要從事過程建模與控制優化、大型火力發電機組自動控制的研究。

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.