火力發(fā)電廠爐膛壓力保護可靠性探討

佟春海

(神華神東電力有限責任公司郭家灣電廠，陜西 榆林 719408)

0 引言

爐膛壓力保護是火力發(fā)電廠燃煤鍋爐的重要保護手段之一。目前幾乎所有火力發(fā)電廠爐膛壓力高、低停爐保護的設計均采用壓力開關(guān)“三取二”方式實現(xiàn)，即保護系統(tǒng)總共通過6個壓力開關(guān)引入DCS，其中3個作為壓力高保護，另外3個作為壓力低保護。當3個高保護開關(guān)中有2個或2個以上的開關(guān)動作，則認為爐膛壓力高；當3個低保護開關(guān)中有2個或2個以上的開關(guān)動作，則認為爐膛壓力低。當出現(xiàn)高或低保護信號時，通過DCS中事先組態(tài)好的邏輯，可實行停爐保護。

1 引起保護拒動或誤動的原因

1.1 取樣方式不可靠

一般將爐膛壓力測點的取樣設計成防堵取樣裝置。防堵取樣裝置根據(jù)旋風分離器的原理設計，雖然有一定的防堵作用，但并不十分可靠，在某些情況下還會出現(xiàn)堵塞。發(fā)生堵塞后，如果不能及時處理，當爐膛壓力真正高或低時，壓力開關(guān)就不會動作，存在保護拒動的隱患。

一些電廠的爐膛壓力取樣設計成連續(xù)吹掃防堵取樣裝置，如圖1所示。這種取樣裝置連接壓縮空氣管路，壓縮空氣經(jīng)減壓恒流后，連續(xù)對取樣裝置進行吹掃。采用這種取樣裝置后，雖然堵塞概率有所降低，但也不是完全不堵塞。當發(fā)生堵塞時，因壓縮空氣的壓力遠遠高于爐膛壓力高保護動作值，如果有2個或2個以上的壓力高保護測點堵塞，就會引起保護誤動。另外，這種取樣方式如果將吹掃風量調(diào)得過高，則存在測得壓力高于爐膛內(nèi)實際壓力的問題(A點壓力高于B點壓力)；如果將吹掃風量調(diào)得過低，則又不能有效避免堵塞。

圖1 普通連續(xù)吹掃取樣裝置

1.2 壓力開關(guān)損壞或誤差變大

雖然對壓力開關(guān)進行定期校驗，但在運行過程中其仍會出現(xiàn)故障，如彈性元件老化、微動開關(guān)故障等。這些問題會使開關(guān)動作值發(fā)生變化。運行過程中，壓力開關(guān)出現(xiàn)此類問題是不能被及時發(fā)現(xiàn)的。

1.3 接線錯誤

正常情況下，爐膛保護壓力開關(guān)的接線應該接在C和NO這對常開接點上。在等級檢修或基建安裝時，由于工人不細心或技術(shù)水平有限，有時會將線接在NC和NO這對毫無關(guān)聯(lián)的接點上(C為公共點，C和NO為常開接點，C和NC為常閉接點)。因為是開關(guān)量信號，在運行中不會被發(fā)現(xiàn)，這種情況下無論爐膛壓力多高或多低，保護都不會動作。

另外，如果中間過渡接線盒或DCS端子板處接錯線，在運行過程中也不會被發(fā)現(xiàn)，這樣就存在保護拒動的安全隱患。

1.4 儀表管路需定期吹掃

為了防止爐膛壓力儀表管路堵塞，根據(jù)技術(shù)監(jiān)督要求，熱工檢修人員每月要對爐膛壓力管路吹掃 1—2次，每次吹掃時間一般在2—3 h，吹掃時要將保護暫時退出。這樣不僅工作量繁重，而且在吹掃期間爐膛失去壓力保護，給機組的安全運行帶來了嚴重威脅。

1.5 儀表校驗出錯

對儀表進行校驗時，由于校驗人員疏忽或技術(shù)不過關(guān)等原因，造成校驗出錯，進而導致保護誤動或拒動。爐膛保護壓力開關(guān)是微壓開關(guān)，對校驗有很多特殊要求。如在校驗時，開關(guān)要豎直擺放，若平放則實際動作值會與定值相差很多；或者校驗時，由于標準表選擇錯誤或計量單位不統(tǒng)一等，也會導致校驗出錯。這樣，在安裝到現(xiàn)場后，由于是開關(guān)量信號在運行過程中不會被發(fā)現(xiàn)，因此給安全運行埋下了隱患。

2 解決方案分析

2.1 方案1

普通連續(xù)吹掃取樣裝置不具備補償功能，如果將吹掃風量調(diào)得過高，則存在測得壓力高于爐膛內(nèi)實際壓力的問題；如果將吹掃風量調(diào)得過低，則又不能有效避免堵塞。補償式連續(xù)吹掃取樣裝置，就是在普通連續(xù)吹掃取樣裝置上增加1套補償裝置，其主要特點是可以對因吹掃產(chǎn)生的壓力偏差進行補償，從而在吹掃風量加大的情況下準確測量壓力。

補償式連續(xù)吹掃裝置是在原來普通連續(xù)吹掃裝置的基礎上增加了補償功能，如圖2所示。圖2中ΔP為普通連續(xù)吹掃取樣裝置測得壓力與爐膛內(nèi)實際壓力之間的偏差(即A點與B點的壓力差)；Pb為補償式連續(xù)吹掃取樣裝置提供的補償壓力；Pc為補償后壓力，即采用補償式連續(xù)吹掃取樣裝置后壓力開關(guān)測到的壓力。如果采用普通連續(xù)吹掃取樣裝置，將吹掃流量調(diào)整到2.25 m3/h，則測得壓力與實際壓力偏差ΔP會達到1 100 Pa，因此普通連續(xù)吹掃裝置的吹掃空氣流量不可以調(diào)得過大。如果采用補償式連續(xù)吹掃防堵取樣裝置，則吹掃流量在2.25 m3/h以下時基本沒有測量偏差，變送器測得的壓力更接近爐膛內(nèi)的實際壓力，這樣就能夠更好地避免堵塞且測得壓力又精確。

為了使系統(tǒng)更加可靠，在DCS邏輯中還要做一定的修改，即6個開關(guān)中有任一開關(guān)動作，則在DCS中觸發(fā)報警。運行人員看到報警后通知檢修人員進行確認，確保管路堵塞或開關(guān)故障時能夠及時處理。

圖2 連續(xù)吹掃取樣裝置測壓坐標

這種方式能夠較好地防止測點堵塞，且比采用普通連續(xù)吹掃取樣裝置的測量方式準確，還能夠在正壓保護壓力開關(guān)的管路堵塞時被及時發(fā)現(xiàn)。但在負壓保護壓力開關(guān)的管路堵塞、壓力開關(guān)故障、接線錯誤或校驗錯誤等情況下，就不容易被及時發(fā)現(xiàn)，存在一定的安全隱患。

2.2 方案2

有些電廠為了使系統(tǒng)更加可靠，除了將取樣裝置改為補償式連續(xù)吹掃裝置外，還在每個壓力開關(guān)的測量管路上另外增加1臺變送器，確保壓力管路堵塞或泄漏時能夠被及時發(fā)現(xiàn)。但缺點是增加了投資，且在壓力開關(guān)故障、接線錯誤或校驗錯誤等情況下不能夠被及時發(fā)現(xiàn)，存在一定的安全隱患，不建議被廣泛采用。

2.3 方案3

2.3.1 爐膛壓力保護儀表設計現(xiàn)狀

目前，爐膛壓力保護儀表采用壓力開關(guān)而不采用變送器，這是因為多年前壓力變送器技術(shù)比較落后，采樣速度比壓力開關(guān)要慢，且可靠性也較差；DCS系統(tǒng)也不是很成熟，DCS卡件采集模擬量信號比開關(guān)量信號要慢，邏輯中對變送器模擬量信號要進行處理并轉(zhuǎn)換為開關(guān)量后再參與保護，環(huán)節(jié)較多，在速度和環(huán)節(jié)可靠性方面達不到保護要求。因此，使用壓力開關(guān)實現(xiàn)爐膛壓力保護的設計方案一直延用至今。

近些年，隨著變送器與DCS技術(shù)的不斷發(fā)展，采樣速度、邏輯運算速度和組態(tài)軟件的準確性都達到了新高度，DCS的可靠性穩(wěn)步提升，變送器的可靠性也大大超出了壓力開關(guān)，因此采用變送器取代壓力開關(guān)實現(xiàn)爐膛壓力保護成為可能。

2.3.2 壓力開關(guān)和變送器的對比分析

爐膛壓力保護信號的傳輸由一次儀表測量轉(zhuǎn)換、電纜信號傳輸、DCS信號采樣轉(zhuǎn)換和DCS邏輯運算4個環(huán)節(jié)組成。現(xiàn)對采用壓力開關(guān)和變送器分別實現(xiàn)爐膛壓力保護的延遲時間加以對比分析：

(1) 經(jīng)向儀表廠家咨詢，在一次儀表測量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，變送器的響應時間為1 ms，壓力開關(guān)的響應時間為 20 ms；

(2) 在電纜信號傳輸環(huán)節(jié)，這2種測量方式的時間一致；

(3) 經(jīng)向DCS廠家硬件工程師咨詢，在DCS信號采樣轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，變送器的模擬量信號會比壓力開關(guān)的開關(guān)量信號慢25 ms(DCS模擬量卡件為單通掃描型)；

(4) 經(jīng)向DCS廠家軟件工程師咨詢，在DCS邏輯運算環(huán)節(jié)，對于開關(guān)量和模擬量是一樣的，無論何種信號，都在1個掃描周期里讀取(1個掃描周期一般在 30—100 ms)。

在硬件選擇合理的情況下，對比分析的結(jié)果是：采用變送器測量比采用壓力開關(guān)測量延遲6 ms。

爐膛壓力保護動作時，壓力以秒級速度快速上升或下降，爐膛壓力的變化速率最快可達到 1 000 Pa/s。模擬量信號的 6 ms延遲誤差為：1 000 Pa/s×0.006 s=1 Pa。 根 據(jù) 不 同 爐 型， 爐膛壓力保護動作值的取值一般為2.5—4 kPa或(-2.5)—(-4 kPa)。1 Pa 的延遲對于保護系統(tǒng)而言幾乎沒有任何影響，因此用變送器取代壓力開關(guān)實現(xiàn)爐膛壓力保護是可行的。

2.3.3 具體措施

將取樣裝置改為補償式連續(xù)吹掃取樣裝置，并采用變送器實現(xiàn)爐膛壓力保護。可以采用4臺壓力變送器，以“四取二”方式分別安裝在爐膛四角，并在邏輯中設置偏差報警，如果4臺變送器之間的偏差達到一定值，則觸發(fā)報警。另外，將4個變送器測得的壓力信號在DCS畫面中顯示，便于運行人員隨時觀察。

這種測量方式能夠較好地防止測點堵塞，且比采用普通連續(xù)吹掃取樣裝置的測量方式準確，能夠及時發(fā)現(xiàn)管路堵塞、變送器故障、接線錯誤或校驗錯誤。另外，由于單個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能夠被及時發(fā)現(xiàn)，所以檢修人員也不用定期對測量管路進行吹掃，只需在出現(xiàn)問題時進行處理。因此，這種測量方式是非常可靠的。

某電廠爐膛壓力保護初始設計為普通取樣裝置配壓力開關(guān)進行取樣，在投產(chǎn)初期，由于定期工作不到位，曾多次出現(xiàn)取樣管路堵塞問題。后來，將爐膛壓力取樣管路吹掃定期工作改為每月2次，并嚴格執(zhí)行，雖然管路堵塞的情況較少出現(xiàn)，但增加了檢修人員的工作量，更重要的是在管路吹掃期間要將保護退出，致使爐膛壓力失去了應有的保護，給機組安全運行帶來了極大的隱患。

根據(jù)以上分析，該電廠計劃對鍋爐爐膛壓力保護進行試驗性的技術(shù)改造，將原有普通取樣裝置改為補償式連續(xù)吹掃取樣裝置，并在每個壓力開關(guān)的取樣管路上另外分接出1臺變送器，并通過爐膛壓力動態(tài)保護試驗的方式進行了驗證。

3 結(jié)論

通過對3種爐膛壓力保護改進方案的分析與比較，最終確認方案3在火電廠實際運行中具有可行性，即將取樣裝置改為補償式連續(xù)吹掃取樣裝置，并采用變送器取代壓力開關(guān)實現(xiàn)爐膛壓力保護。此種測量方式解決了測點堵塞問題，且測量值準確，能夠及時發(fā)現(xiàn)管路堵塞、變送器故障、接線錯誤或校驗錯誤；還由于單個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能夠被及時發(fā)現(xiàn)，不用定期對測量管路進行吹掃，在火電廠中具有較高的實用價值。

1 楊永斌．爐膛負壓保護回路的改造[J]．電力安全技術(shù)，2012，14(11)：39-41。