CFB鍋爐熱工保護系統可靠性分析與優化

韓新建，韓新春

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

CFB鍋爐熱工保護系統可靠性分析與優化

韓新建1，韓新春2

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

CFB鍋爐由于其獨有的特點與煤粉鍋爐在燃燒方式上有本質的區別。結合CFB鍋爐的特點，分析和總結了提高CFB鍋爐熱工保護可靠性的措施，并對相關的熱工保護邏輯進行了優化，有效提高了CFB鍋爐熱工保護的準確性和可靠性。

CFB鍋爐；熱工保護；可靠性；優化

0 引言

CFB鍋爐具有燃燒效率高、燃料適應性廣等優點［1］，與煤粉爐相比，其熱工保護和控制系統有所不同。近年來，隨著CFB機組的大量投運，特別是超臨界CFB機組的成功投運，由于設計、建設工期短等原因，鍋爐保護系統存在諸多問題，熱工保護需進行優化改進。因此，研究和優化CFB鍋爐熱工保護邏輯，提高保護系統的可靠性，對CFB機組的安全穩定運行有重要的意義。

本文結合CFB鍋爐特點及控制要求，重點從保護信號處理、保護信號判據條件處理、邏輯優化等方面進行分析總結。

1 CFB鍋爐熱工保護特點分析

隨著CFB機組容量和運行參數的不斷提高，對熱工保護的安全性和可靠性要求越來越高。CFB鍋爐熱工保護項目的設定首先應符合鍋爐廠家設計規定，在此基礎上結合機組投運后的實際運行情況對保護控制系統進行優化。CFB鍋爐熱工保護特點如下。

（1）CFB鍋爐與煤粉爐的差別在于燃燒方式不同，燃燒時大量的循環物料在爐膛內循環流動，當CFB鍋爐主燃料跳閘（MFT）動作時，即使切斷所有燃料供應，循環流化床內可能還存有大量未燃盡的燃料和高溫循環灰，爐內存在大量的蓄熱。CFB鍋爐除了設計有MFT，油燃料跳閘（OFT）保護外，還設置有鍋爐跳閘（BT）邏輯。

（2）CFB鍋爐可壓火再次啟動。CFB鍋爐運行正常時，汽輪機或發電機由于故障停止運行，CFB鍋爐可轉入壓火狀態。當故障在規定時間內恢復且啟動條件具備時，CFB鍋爐在床溫滿足規定要求條件下可再次啟動，啟動時必須保證床料的正常流化。

（3）CFB鍋爐正常運行時必須保證爐內床料和返料器內返料的正常流化，防止因流化不好而結焦，保護系統設置最小流化風量保護。

（4）床溫是表征CFB鍋爐運行狀況的重要參數，床溫高于設定值時會造成鍋爐結焦，為防止鍋爐結焦，設置了床溫高保護。CFB鍋爐中有大量高溫物料在爐膛和返料器內循環燃燒，床溫測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置多個測點外，還需增加各床溫測點信號品質判斷邏輯，邏輯中要剔除壞的溫度點，避免對床溫計算產生影響。

2 熱工保護信號處理原則

為提高保護系統的可靠性，必須對進入保護系統的信號進行區分和處理［2-3］。

（1）進入熱工保護和聯鎖的信號應該嚴格確定來源，正確區分“設備停運”和“設備跳閘”信號。

（2）對設備的“保護”和“聯鎖”指令信號進行區別：保護指令采用長信號，聯鎖指令采用脈沖信號。

（3）嚴格區分設備故障報警和保護信號。送風機、引風機、一次風機等輔機的濾網差壓高信號只用作報警，不參與保護。

（4）高壓電動機電機線圈溫度信號不作設備跳閘條件，只作為超溫報警和設備的啟動允許條件。

（5）用于重要聯鎖保護的、通過通信網絡傳送的開關量信號，需要通過增加延時或增加硬接線的方式確保信號的可靠，減少或消除瞬時干擾造成的保護誤動作。對重要的網絡通信信號設置品質判斷保護、報警。重要的輔機增加避開分散系統、直接到電氣設備實現的停運按鈕。對設備啟停和重要開關量信號動作設置事件追憶功能。

（6）信號濾波處理。對模擬量信號如壓力等參數做保護時，需要根據其特點和工程的實際情況進行慣性濾波處理，減少干擾信號對控制系統的影響，提高信號的準確性。

（7）對采用模擬量信號經與定值比較而輸出作為開關量信號的處理。對于重要的保護如鍋爐MFT，分別采用獨立的取樣系統，至少要有3個不同的信號，分別經過（有些信號需要進行溫度等補償處理）偏差及品質判斷進行三取二判斷輸出。當1臺或2臺變送器出現故障時，保護邏輯自動切換為二取一或一取一，3臺故障時MFT動作。例如煙氣含氧量低低、給水流量低低等保護。

（8）對控制器處理網絡周期的規定應滿足保護系統要求。對于一些重要的保護，特別是對保護動作的及時性要求高的保護，要考慮控制器處理網絡周期和保護系統動作時間的差異，保證控制器處理網絡周期遠小于保護系統動作時間，以確保保護動作的及時性。

3 CFB鍋爐熱工保護項目

CFB鍋爐保護包括爐膛安全保護系統（FSSS）和鍋爐輔機保護，FSSS分為MFT，OFT及BT。CFB鍋爐MFT設計軟邏輯和MFT繼電器兩路冗余，MFT繼電器設置成兩路冗余回路，當MFT條件出現時，軟邏輯會送出跳閘信號至相對應的設備，同時MFT硬繼電器也會向這些重要設備送出兩路冗余跳閘信號。這種設計有效提高了MFT動作的可靠性。

FSSS功能包括燃油系統泄漏試驗、爐膛吹掃、MFT、OFT以及BT等子系統。當鍋爐運行條件不滿足時BT動作，切除所有燃料和風機運行，降低鍋爐燃燒效率。鍋爐輔機保護根據設備的特點和運行要求具體設定。

4 提高CFB鍋爐熱工保護可靠性的措施

熱工保護系統包括檢測工藝系統的測量元件、分散控制系統（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、保護動作回路、控制邏輯和被控對象。保護系統的任意環節出現故障，都會造成保護系統的誤動和拒動［4］，因此，應該從設備選型、信號處理、控制邏輯優化等方面深入研究提高熱工保護可靠性的措施。

4.1 提高熱工保護信號可靠性的措施

熱工測點信號的可靠性對保護控制系統尤為重要。除了對設備選型、取樣點選擇和安裝等方面有要求外，還需要對熱工測點信號采取相應措施，以保證其可靠性。

4.1.1 提高單點熱工信號可靠性的措施

熱工測點信號易受測量元件變送器故障、接線松動、信號斷線、信號干擾等因素的影響。用作單點調節或保護的信號可靠性較低，易造成保護系統誤動。提高熱工測點可靠性的措施包括：（1）選用可靠性高的熱工測量設備；（2）對于無法增加冗余測點的，應對信號進行可靠性處理，如增加信號品質判斷處理等，當信號品質判斷為壞點時，自動退出該點保護并設報警，也可選用與該點信號相關聯的信號來作為容錯邏輯；（3）對于有條件可增加測點的，改為三取二的邏輯。

4.1.2 提高熱工保護信號可靠性的其他措施

對CFB鍋爐主保護MFT，除軟邏輯外，繼電器柜內應冗余設置繼電器動作信號至相應設備，保證動作回路的可靠性。

4.2 CFB鍋爐熱工保護邏輯優化

4.2.1 RB和MFT保護信號邏輯優化

2臺一次風機均停觸發RB，MFT邏輯存在的問題：信號采用直接取自電氣開關柜的常開單點停止信號，可靠性差。每臺一次風機停止常開接點信號取自電氣開關柜并進入FSSS，運行中存在MFT保護拒動的風險，當一個開關量輸入（DI）通道故障或一臺風機檢修時開關拉出，此時若另一臺運行的風機發生跳閘，則2臺一次風機均停運觸發MFT，RB保護信號將無法成立。

邏輯優化：用風機停止信號、風機運行信號邏輯取反、風機當前電流值小于10A這3個信號三取二后作為風機停止狀態信號。將單點信號改成三取二邏輯判斷，提高了保護的可靠性，優化后的邏輯如圖1所示。

4.2.2 爐膛壓力高高和爐膛壓力低低保護優化

使用壓力開關等開關量信號，其動作響應速度較模擬量信號快，但在機組運行過程中，作為保護發訊設備的開關量儀表沒有連續監控的參數，無法實時了解設備運行狀況，在儀表失靈和測量管路泄漏、堵塞時不能及時發現和處理，將導致保護拒動和誤動。相對而言，模擬量設備在此方面具有優勢。

爐膛壓力高高和爐膛壓力低低保護邏輯存在的問題：邏輯設計采用獨立取樣的3個壓力開關量，開關量信號經三取二判斷輸出。CFB鍋爐運行中，大量的高溫床料、灰分及未燃盡顆粒易造成取樣管路堵塞，存在保護拒動的可能。爐膛壓力高高MFT邏輯如圖2所示。

圖1 優化后的一次風機均停MFT控制邏輯

圖2 爐膛壓力高高MFT邏輯

邏輯優化：為了防止因壓力開關儀表管路堵塞而引起保護拒動，將變送器產生的模擬量信號經過轉換與開關量保護信號相結合，作為爐膛壓力保護信號，在開關量信號因取樣管路堵塞，保護信號失靈的情況下，模擬量信號可作為后備保護來動作。在原有邏輯的基礎上，原爐膛壓力自動調節獨立取樣的3個壓力變送器信號作為爐膛壓力監視的同時，3個壓力信號分別經信號品質判斷和定值比較通過三取二邏輯輸出，可提高保護系統的可靠性。變送器的量程選擇應大于爐膛壓力保護定值。爐膛壓力低低保護邏輯同爐膛壓力高高保護。優化后的爐膛壓力高高鍋爐MFT邏輯如圖3所示。

圖3 優化后的爐膛壓力高高鍋爐MFT邏輯

5 結束語

CFB鍋爐有其獨有的特點，需要對其保護控制系統進行深入研究。本文對熱工保護信號處理、CFB鍋爐保護項目設置、提高CFB鍋爐熱工保護可靠性的措施等內容進行了介紹。CFB鍋爐熱工保護需要在遵循《火電廠熱工保護系統設計技術規定》和《防止電力生產安全事故二十五項反措》基礎上，結合鍋爐制造廠提供的保護設計要求和實際運行情況不斷進行優化，進一步提高熱工保護系統的可靠性。

［1］胡昌華，盧嘯風.600MW超臨界循環流化床鍋爐設備與運行［M］.北京：中國電力出版社，2012.

［2］火力發電廠熱工保護系統設計技術規定：DL/T 5428—2009［S］.

［3］王付生.電廠熱工自動控制與保護［M］.北京：中國電力出版社，2003.

［4］李建國，尹峰，劉武林，等.分散控制系統故障應急處理預案［J］.中國電力，2009，45（2）：26-30.

（本文責編：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，從事循環流化床鍋爐熱工控制技術的研究管理工作（E-mail：hanxinjian0309＠163.com）。

2016-09-07；

2016-10-08

國家重大研發計劃（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）。