600 MW超臨界機組火檢冷卻風系統改造及控制邏輯優化

張偉偉，白光遠，吳 斌

(內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

火焰檢測系統是火力發電廠鍋爐爐膛安全監控系統(furnace safety supervision system，FSSS)中的核心設備[1]，從鍋爐點火到發電機并網帶負荷的整個過程，隨時監測鍋爐內部煤粉燃燒產生火焰的穩定性情況[2]。當內部煤粉燃燒不充分導致鍋爐熄火時，應立即切斷煤粉氣流入爐，停止相應給粉機、磨煤機與一次風機等設備的運行，防止發生爆燃。

另外，即使是在點火不成功時也能及時切斷油流，即停止燃油總閥的運行，防止因爐內儲積燃料而引起爆燃，確保點火的安全。因此火焰檢測系統運行的可靠性與檢測的準確性直接關系到機組的運行安全與穩定性。

1 火焰檢測系統

火焰檢測系統主要由火檢冷卻風機(1運1備)和火檢探頭(煤火檢探頭和油火檢探頭)兩部分組成。火焰檢測系統管道如圖1所示。

圖1由2臺火檢冷卻風機、40個火檢探頭與用于監測和控制火檢冷卻風系統正常運行的熱工測點組成。在鍋爐點火之后，當煤粉或者油在爐膛內部燃燒時，必然會產生很高的溫度，這就會給火檢探頭的正常工作帶來影響，如果火檢探頭得不到及時冷卻和吹掃，將會檢測出不正常數據，嚴重情況會觸發鍋爐MFT保護，導致鍋爐停機滅火。提供火檢探頭冷卻降溫和吹掃的設備就是火檢冷卻風機。火檢冷卻風機產生的冷卻風通過火焰檢測系統風管路送至各火檢探頭處，用以保證火焰探測器能長期穩定工作的正常工作溫度。一方面，火檢冷卻風系統應能提供鍋爐在不同負荷下所有火焰探測器所需的冷卻風的風量和風壓，并且應使火焰探測器的入口風壓比鍋爐爐膛的壓力高出一定的整定值，以防當鍋爐燃燒產生正壓時而損壞火焰探測器[3]。另一方面，要求每個火焰探測器所需的冷卻風量不能少于1 m3/min，避免因溫度過高影響火焰探測器的正常工作。在鍋爐正常運行期間，不允許冷卻風機同時停運，否則將有可能燒毀火焰探測器[4-5]；火檢探頭的主要作用是通過檢測鍋爐燃燒過程中形成火焰的光譜，從而實現鍋爐內燃燒的情況及鍋爐有火與無火的判斷。

圖1 火焰檢測系統管道

2 設備概況及存在問題

內蒙古國華呼倫貝爾發電有限公司一期2×600 MW超臨界機組鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司自主開發研制的600 MW褐煤超臨界參數鍋爐，鍋爐型號HG-1913/25.4-HM15，為單爐膛，一次中間再熱、墻式切圓燃燒、平衡通風、緊身封閉、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構П型燃煤鍋爐[6-8]。汽輪機為上海汽輪機廠生產的超臨界蒸汽參數、一次中間再熱、單軸兩缸兩排汽、單背壓、直接空冷式汽輪機，額定功率600 MW。機組能夠以定-滑-定和定壓運行方式中的任何一種方式運行，同步配套火焰檢測系統。

電廠火焰檢測系統包括火檢冷卻風機系統、火檢探頭(煤火檢與油火檢)系統、電氣系統和自動控制系統。每臺鍋爐設置一套火焰檢測系統，主要由2臺火檢冷卻風機(1運1備)、12個油火檢檢測探頭和28個煤火檢檢測探頭組成。當機組正常工況運行時，火檢冷卻風系統主要存在3方面問題。首先，由于鍋爐內部粉塵的存在，會使火檢冷卻風機入口濾網經常堵塞，所以要求檢修維護人員要定期進行風機濾網清理工作，如果清理不及時，有可能導致風機運行故障，從而威脅機組運行安全。其次，在機組運行的過程中，為保證火焰檢測系統的正常運行，需要火檢冷卻風機長時間一直運行，這就給設備的安全性和穩定性埋下隱患。最后，從節能降耗的角度講，如果能夠從其他系統抽取部分風作為火檢冷卻風，從而停止運行火檢冷卻風機，則可以在一定程度上節約電能，為企業發電降低成本。

3 火檢冷卻風系統改造前工藝及控制邏輯

3.1 火檢冷卻風系統改造前工藝

本廠每臺機組配備2臺火檢冷卻風機，2臺火檢風機出口共用1個出口電動門，正常工況下1運1備，互為聯鎖，當運行中的1臺稀釋風機出現故障跳閘時，另1臺連鎖啟動。火檢冷卻風系統改造前工藝圖和原理圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 火檢冷卻風系統改造前工藝圖

圖3 火檢冷卻風系統改造前畫面組態

圖2為火檢冷卻風系統改造前工藝圖，2臺火檢冷卻風機A與B通過與其配套的各自獨立的進風過濾器、出口平衡閥和火檢冷卻風管道將產生的火檢冷卻風送入火檢探頭中。一方面起到改善火檢探頭的工作環境，使火檢探頭得到適當的冷卻降溫，使其工作在合理的溫度范圍內。另一方面火檢冷卻風的吹掃對火檢探頭也起到了清潔的作用。

本廠2臺機組的DCS系統采用的是杭州和利時自動化有限公司自主研發的MACS V6控制系統，組態軟件為MACS V6.5.3 版本，硬件為KM系列，操作系統為Win10系統[9-10]。圖3為杭州和利時自動化有限公司火電廠MACSV6.5.3版本的畫面組態，實現對2臺火檢冷卻風機的啟停及2臺風機的聯鎖投入與切除工作，同時在畫面上提供運行人員可監視的火檢冷卻風系統正常運行的各開關量點。

3.2 火檢冷卻風系統改造前控制邏輯

火檢冷卻風系統改造前控制邏輯如圖4和圖5所示。

本控制邏輯以火檢冷卻風機A為例，圖4為火檢冷卻風機HSSCS6手操器功能塊，手操器功能塊名為SCS10FSS0901。HSSCS6手操器功能塊可以實現火檢冷卻風機的啟動允許條件(L4)、停許可條件(L5)、風機的合閘狀態顯示(V1)、風機的跳閘狀態顯示(V2)、風機控制回路故障報警(L0)、風機連鎖啟動命令(L6)、聯鎖停止命令(L7)及遠方就地狀態顯示(SD)等功能。其中“HSTON”為上升沿延時輸出功能塊；“HSTP”為輸出定寬高電平脈沖的功能塊；“AND”為邏輯與功能塊；“LT”為小于功能塊；“OR”為邏輯或功能塊。

由圖4和圖5可見火檢冷卻風機A改造前停止允許條件和連鎖啟動條件控制邏輯。

其停止允許條件(L5)為“空預器A與B入口煙溫均<60 ℃或者火檢冷卻風機B在運行”。即當空預器A與B入口煙溫均<60 ℃或者火檢冷卻風機B在運行時這2個條件有1個滿足時，允許停止火檢冷卻風機A。

其連鎖啟動條件(L6)為“連鎖備用投入時，火檢冷卻風機B跳閘或者連鎖備用投入時，火檢冷卻風機B運行時，火檢冷卻風機壓力<5.6 kPa(開關量)，延時2 s”。機組正常運行時，火檢冷卻風機是1運1備，當火檢冷卻風系統運行過程中，正常運行的火檢冷卻風機由于故障導致跳閘時，這時為保證火檢冷卻風系統的正常運行，應連鎖另1臺備用火檢冷卻風機啟動，而且這個連鎖啟動應是無延時的，即當故障狀態出現的時刻連鎖啟動就應立刻動作，從而保證火檢冷卻風系統的運行正常；當機組正常運行時，雖然正在運行的火檢冷卻風機無故障輸出，但是此時1臺火檢冷卻風機運行所提供的火檢冷卻風壓力<5.6 kPa時，即這種壓力值不能夠滿足火檢探頭正常冷卻和吹掃的條件，同時也為了防止因火檢冷卻風壓力低導致火檢探頭工作異常，從而引起鍋爐MFT風險，此時需連鎖啟動另外1臺備用的火檢冷卻風機，即2臺風機同時運行保證火檢冷卻風壓力在正常值范圍內的要求。

從上述控制邏輯可以看出，在機組運行時火檢冷卻風機一直有1臺處于運行狀態，當設備長時間運轉必然會對其安全性和穩定性產生影響，這就需要運行人員定期進行火檢冷卻風機切換工作。同時由于鍋爐內部粉塵的存在，導致火檢冷卻風機入口濾網頻繁堵塞，需檢修人員進行定期清理。

圖4 火檢冷卻風機改造前手操塊控制邏輯

圖5 火檢冷卻風機改造前啟動許可條件與連鎖啟動控制邏輯

4 火檢冷卻風系統改造后工藝及控制邏輯優化

4.1 火檢冷卻風系統改造后工藝方案

基于上述問題，提出了借助冷一次風系統替代火檢冷卻風系統，使火檢冷卻風機轉為備用狀態的優化運行方案[11-16]。通過增加火檢冷卻風系統備用風道，從冷一次風管道抽取部分風作為火檢冷卻風使用，當機組運行時使火檢冷卻風機處于備用狀態，實現火檢冷卻風系統冗余配置，從而提升了火檢冷卻風系統運行的穩定性及可靠性，防止因火檢冷卻風機故障引發鍋爐MFT動作發生。另外，由于2臺火檢冷卻風機的備用狀態，可以在一定程度上節約廠用電和增加設備的使用壽命，降低企業發電運行成本。其火檢冷卻風系統改造后工藝和畫面組態如圖6和圖7所示。

圖6 火檢冷卻風系統改造后工藝圖

本廠對火檢冷卻風系統改造方案為從2號鍋爐爐西冷一次風母管處接取一根30 m風管并向上引致15.7 m，在15.7 m處加裝一個濾網，在濾網的前后和旁路各加裝一個手動蝶閥，在濾網的后部順次加裝電動蝶閥、止回閥，再與火檢冷卻風機母管相連接。在原火檢冷卻風機出口三通擋板后順次加裝電動蝶閥、止回閥，將原壓力測點移至原母管與新加裝管道碰口之后母管上。運行方式為正常運行時由冷一次風供給火檢冷卻風，2臺火檢冷卻風機作為備用。

圖7 火檢冷卻風系統改造后畫面組態

圖7為杭州和利時自動化有限公司火電廠MACSV6.5.3版本的畫面組態，通過畫面組態示意圖同樣實現對2臺火檢冷卻風機的啟停及兩臺風機的聯鎖投入與切除工作。同時在畫面上提供運行人員可操作的火檢冷卻風機出口電動門以及一次風側電動蝶閥，當一次風側提供火檢冷卻風時，需開啟一次風側電動蝶閥，同時關閉火檢冷卻風側出口電動門，并在火檢冷卻卻風側出口電動門設逆止閥，防止一次風側的風逆向流入火檢冷卻風機內部。

4.2 火檢冷卻風系統改造后控制邏輯優化

通過上述對火檢冷卻風系統管路的改造，相應的也對火檢冷卻風系統控制邏輯進行優化，改造后的火檢冷卻風系統控制邏輯優化如圖8和圖9所示。

圖8 火檢冷卻風機改造后手操塊控制邏輯

圖9 火檢冷卻風機改造后啟動許可條件與連鎖啟動控制邏輯

本控制邏輯仍以火檢冷卻風機A為例，圖8為火檢冷卻風機HSSCS6手操器功能塊，手操器功能塊名為SCS10FSS0901。由圖8和圖9可見火檢冷卻風機A改造后停止允許條件和連鎖啟動條件控制邏輯。

停止允許條件(L5)為“空預器A與B入口煙溫均<60 ℃、火檢冷卻風機B在運行或者2臺一次風機在運行且一次風側電動蝶閥開啟”3種情況之一。圖8與圖4進行對比，火檢冷卻風機A改造后停止允許條件與改造前相比多了一條“2臺一次風機在運行且一次風側電動蝶閥開啟”條件，即當從一次風側取風替代火檢冷卻風運行時，允許停止運行火檢冷卻風機，從而實現節能降耗的目的。

其連鎖啟動條件(L6)為“連鎖備用投入時，火檢冷卻風機B跳閘或者連鎖備用投入時，火檢冷卻風機壓力<5.6 kPa(開關量)，延時2 s或者連鎖備用投入時，當任意1臺一次風機停止時，無延時”3種情況之一。圖9與圖5進行對比，火檢冷卻風機A改造后連鎖啟動條件與改造前相比，優化后的邏輯將改造前“連鎖備用投入，火檢冷卻風機B運行時，火檢冷卻風機壓力<5.6 kPa(開關量)，延時2 s”修改為“連鎖備用投入時，火檢冷卻風機壓力<5.6 kPa(開關量)，延時2 s”，刪除火檢冷卻風機B運行邏輯，即：改造后的火檢冷卻風系統由于正常運行是從冷一次風管道抽取的風作為火檢探頭冷卻和吹掃使用，正常工況下2臺火檢冷卻風機都是處于備用狀態，所以，只要是火檢冷卻風機壓力<5.6 kPa時，不論什么情況，此時備用狀態的火檢冷卻風機都應該立即連鎖啟動來確保火檢冷卻風系統壓力正常，故刪除原來的火檢冷卻風機B運行這一條件；增加連鎖備用投入時，當任意1臺一次風機停止(包括跳閘或停運)連鎖啟動火檢冷卻風機條件，增加此邏輯的目的是當任意1臺一次風機停止運行時，為保證供給制粉系統的一次風量值正常，同時保證機組的安全運行，此時需切除從一次風管道抽取部分風作為火檢冷卻風這一改造通道，連鎖啟動火檢冷卻風機運行確保火檢冷卻風系統的正常工作。

5 結語

通過對火檢冷卻風系統的管道改造和控制邏輯進行優化，使得火檢冷卻風系統運行更加安全穩定，減少了火檢冷卻風機入口濾網的清理和火檢冷卻風機的定期切換工作，一定程度上起到節能降耗目的，節約了企業的運行成本，可供同類型火電廠火檢冷卻風系統借鑒。