FSSS在1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組中的應(yīng)用

王默（北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京 102200）

王耀（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

王疆（北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京 102200)

FSSS在1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組中的應(yīng)用

王默（北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京 102200）

王耀（東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012）

王疆（北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司，北京 102200)

FSSS作為電站鍋爐保護(hù)的重要系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大型火力發(fā)電機(jī)組的鍋爐保護(hù)中。本文根據(jù)國(guó)內(nèi)首臺(tái)1000MW級(jí)二次再熱機(jī)組——國(guó)電泰州二期2×1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組的實(shí)際情況,對(duì)該機(jī)組FSSS功能組成和邏輯設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和分析,歸納了1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組FSSS系統(tǒng)的獨(dú)有特點(diǎn)。通過典型一、二次再熱機(jī)組的對(duì)比,重點(diǎn)探討了MFT跳閘條件及跳閘后動(dòng)作的邏輯設(shè)計(jì)。

超超臨界；二次再熱；FSSS；MFT

1 引言

鑒于我國(guó)能源結(jié)構(gòu)多煤、貧油、少氣的特點(diǎn)，火力發(fā)電在今后若干年內(nèi)仍然是主要的發(fā)電方式。隨著能源的枯竭和環(huán)境污染的加劇，提高燃煤機(jī)組的效率和降低環(huán)境污染物的排放成為目前火力發(fā)電發(fā)展的首要方向。大容量超超臨界二次再熱技術(shù)能夠提高機(jī)組的熱效率，減少CO2、NOx的排放，成為火力發(fā)電機(jī)組建設(shè)的熱點(diǎn)[1]。近十年來，我國(guó)對(duì)600MW級(jí)和1000MW級(jí)一次再熱技術(shù)引進(jìn)，消化吸收，優(yōu)化創(chuàng)新，使我國(guó)在大容量超超臨界一次再熱機(jī)組的發(fā)展達(dá)到世界先進(jìn)水平，為我國(guó)發(fā)展二次再熱機(jī)組奠定了良好的基礎(chǔ)[2]。國(guó)電泰州二期2×1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組是我國(guó)發(fā)展大容量、高參數(shù)機(jī)組的示范工程，也是我國(guó)在1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組建設(shè)的首次嘗試。該項(xiàng)目的建設(shè)為我國(guó)700℃燃煤發(fā)電技術(shù)的研發(fā)提供二次再熱機(jī)組的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。本文以國(guó)電泰州二期2×1000MW機(jī)組的鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)為范例，對(duì)1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組的特點(diǎn)及FSSS系統(tǒng)控制策略進(jìn)行分析。

2 機(jī)組概況

國(guó)電泰州機(jī)組采用的二次再熱技術(shù)是指主蒸汽進(jìn)入超高壓缸做功后在一次再熱器加熱形成高壓再熱蒸汽，高壓再熱蒸汽進(jìn)入高壓缸做功后在二次再熱器中加熱形成低壓再熱蒸汽，低壓再熱蒸汽進(jìn)入中壓缸做功，整個(gè)做功過程蒸汽進(jìn)行了兩次再加熱。該機(jī)組設(shè)計(jì)蒸汽參數(shù)為31MPa/600℃/613℃/613℃，煤耗為256.2g/ kWh，發(fā)電效率將高達(dá)47.94%，比當(dāng)前世界最好的二次再熱機(jī)組提高近1%[3]。鍋爐由上海鍋爐有限公司制造，直流爐、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)塔式布置如圖1所示。一共配置6臺(tái)ZGM 133G型中速磨煤機(jī)，其中5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。燃燒系統(tǒng)采用從APBG公司引進(jìn)的低NOx切向燃燒技術(shù)，具有著火穩(wěn)定、燃燒效率高、首創(chuàng)的燃燒器擺動(dòng)調(diào)溫功能等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 二次再熱塔式爐結(jié)構(gòu)示意圖

3 FSSS功能組成

FSSS是大型火力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制和自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)的重要的組成部分。FSSS本質(zhì)功能是保證鍋爐設(shè)備的安全，其作用可分為三個(gè)階段：鍋爐點(diǎn)火前、鍋爐運(yùn)行中、鍋爐處于危險(xiǎn)工況。鍋爐點(diǎn)火前進(jìn)行油泄漏試驗(yàn)和爐膛吹掃；鍋爐運(yùn)行中進(jìn)行燃燒器的管理；鍋爐處于危險(xiǎn)工況時(shí)，依據(jù)滿足的不同條件分別進(jìn)行MFT、OFT、RB等。FSSS功能組成如圖2所示：

圖2 FSSS功能組成框圖

4 FSSS邏輯設(shè)計(jì)

國(guó)電泰州二期2×1000MW超超臨界二次再熱機(jī)組DCS系統(tǒng)采用國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司生產(chǎn)的EDPF NT+系統(tǒng)。FSSS的控制邏輯分別分布在DROP1、DROP2、DROP3、DROP4、DROP5、DROP6、DROP7、DROP8、DROP9等9個(gè)控制站共18對(duì)DPU。筆者將按照FSSS的功能組成來分析國(guó)電泰州二次再熱機(jī)組FSSS各個(gè)功能的邏輯設(shè)計(jì)。

3.1 油泄漏試驗(yàn)

油泄漏試驗(yàn)是防止燃油從油閥或管道中泄漏，避免燃料聚集。油泄漏試驗(yàn)是對(duì)進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥、回油母管燃油關(guān)斷閥及油角閥的密閉性所做的試驗(yàn)。油泄漏試驗(yàn)分為兩步：首先試驗(yàn)回油母管燃油關(guān)斷閥及油角閥；然后試驗(yàn)進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥。

3.2 爐膛吹掃

爐膛吹掃是鍋爐點(diǎn)火前和MFT跳閘后重新點(diǎn)火防止燃料聚集最為有效的手段。爐膛吹掃可以有效的吹散和稀釋聚積在爐膛內(nèi)的燃料，使其在爐膛內(nèi)的濃度不能達(dá)到爆炸的程度。NFPA-8502標(biāo)準(zhǔn)要求一定條件下，鍋爐通風(fēng)5分鐘或者換氣3次。盡管現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證換氣3次比鍋爐通風(fēng)5分鐘需要的時(shí)間更長(zhǎng)吹掃效果更好，但是換氣3次不方便邏輯判斷，“爐膛吹掃”邏輯選用5分鐘來計(jì)算吹掃強(qiáng)度。爐膛吹掃條件邏輯示意圖如圖3所示。

圖3 爐膛吹掃條件邏輯示意圖

3.3 主燃料跳閘MFT

MFT是FSSS的核心內(nèi)容，其作用當(dāng)鍋爐處于危險(xiǎn)工況時(shí)，迅速切斷進(jìn)入爐膛的所有燃料，以保證鍋爐設(shè)備和人身安全[5]。MFT邏輯部分可分為MFT跳閘條件、MFT跳閘動(dòng)作、MFT跳閘首出原因。在設(shè)計(jì)MFT跳閘條件時(shí)，可以從如下五個(gè)方面考慮：機(jī)爐聯(lián)鎖引發(fā)MFT、風(fēng)系統(tǒng)失去平衡引發(fā)MFT、燃料系統(tǒng)失去平衡或燃燒工況不穩(wěn)定引發(fā)MFT、水系統(tǒng)失去平衡引發(fā)MFT、過熱蒸汽和再熱蒸汽通道異常引發(fā)MFT。

3.3.1 MFT跳閘條件

當(dāng)下列任一條件滿足時(shí)，F(xiàn)SSS系統(tǒng)立即切斷進(jìn)入爐膛的所有燃料，使機(jī)組停止運(yùn)行，并顯示記憶首出跳閘原因：

（1）汽輪機(jī)跳閘：若鍋爐負(fù)荷＞20%，汽輪機(jī)跳閘延時(shí)10秒，鍋爐MFT；若負(fù)荷＜20%，汽機(jī)跳閘延時(shí)10秒，且旁路無效延時(shí)3秒，鍋爐MFT。

圖4 汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)

國(guó)電泰州機(jī)組汽輪機(jī)采用五缸四排氣、單軸串聯(lián)布置，五個(gè)氣缸：超高壓缸、高壓缸、中壓缸、兩個(gè)低壓缸[4]。與一次再熱機(jī)組相比，汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)在原有高、低壓旁路的基礎(chǔ)上，增加了中壓旁路系統(tǒng)，共三級(jí)旁路（如圖4所示）。三級(jí)旁路系統(tǒng)設(shè)有：四個(gè)高壓旁路調(diào)節(jié)閥、兩個(gè)中壓旁路調(diào)節(jié)閥、兩個(gè)低壓旁路調(diào)節(jié)閥。比較一次和二次再熱機(jī)組“汽輪機(jī)跳閘”邏輯設(shè)計(jì)（如圖5和圖6所示），其中“旁路無效”條件的邏輯設(shè)計(jì)二者是有區(qū)別的。二次再熱機(jī)組的“旁路無效”是指高旁閥均關(guān)、中旁閥均關(guān)、低旁閥均關(guān)至少滿足其中一條。

圖5 典型1000MW一次再熱機(jī)組汽輪機(jī)跳閘邏輯設(shè)計(jì)

（2）兩臺(tái)送風(fēng)機(jī)全停。

（3）兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)全停。

（4）兩臺(tái)空預(yù)器主、輔電機(jī)全停。

（5）爐膛壓力高高。

（6）爐膛壓力低低。

（7）爐膛總風(fēng)量＜25%

圖6 國(guó)電泰州二次再熱機(jī)組汽輪機(jī)跳閘邏輯設(shè)計(jì)

NFPA-8502標(biāo)準(zhǔn)要求從爐膛吹掃到鍋爐啟動(dòng)及鍋爐運(yùn)行的整個(gè)過程中要保持總風(fēng)量不小于吹掃風(fēng)量，由于吹掃風(fēng)量設(shè)計(jì)為25%～40%，觸發(fā)MFT跳閘的風(fēng)量設(shè)計(jì)為20%[6]。該標(biāo)準(zhǔn)同樣給出了吹掃風(fēng)量為25%～40%的原因：最小風(fēng)量控制在25%的目的是吹掃徹底，而風(fēng)量小于40%是防止將灰斗中的陰燃物揚(yáng)起。

（8）喪失火檢冷卻風(fēng)。

（9）全燃料喪失。

（10）全爐膛滅火。

（11）給水泵全停。

（12）分離器貯水箱壓力＜18MPa，分離器貯水箱水位高。

（13）主蒸汽壓力高高＞36MPa，至少持續(xù)10秒。

（14）在有燃燒記憶情況下，省煤器入口流量低低，延時(shí)10秒。

（15）最高的分配集箱進(jìn)口溫度高。

（16）再熱器保護(hù)喪失。

再熱器保護(hù)設(shè)計(jì)的原則是避免蒸汽不能進(jìn)入再熱器或者蒸汽能夠進(jìn)入?yún)s無法流出再熱器，從而導(dǎo)致再熱器干燒。國(guó)電泰州機(jī)組汽輪機(jī)部分增加了超高壓缸及超高壓主汽門和超高壓調(diào)門等設(shè)備（見圖4），再熱器也由原來的一級(jí)變?yōu)槎?jí)，二次再熱機(jī)組的再熱器分為：一次低溫再熱器、一次高溫再熱器、二次低溫再熱器、二次高溫再熱器（見圖8）。再熱器保護(hù)喪失邏輯設(shè)計(jì)如圖7所示。

（17）正常模式下多次點(diǎn)火失敗。

（18）脫硫系統(tǒng)觸發(fā)MFT跳閘。

（19）操作員手動(dòng)跳閘。

（20）FSSS保護(hù)柜電源消失。

3.3.2 MFT跳閘動(dòng)作

MFT跳閘條件滿足時(shí)，立即跳閘MFT繼電器，關(guān)閉進(jìn)油母管燃油關(guān)斷閥和回油母管燃油關(guān)斷閥及油角閥，停運(yùn)所有磨煤機(jī)、給煤機(jī)、一次風(fēng)機(jī)；關(guān)閉過熱減溫水總閥和再熱減溫水總閥；將MFT跳閘信號(hào)送到等離子點(diǎn)火系統(tǒng)、ETS、MEH、吹灰系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)及各個(gè)DPU。

圖8 再熱器減溫水系統(tǒng)

二次再熱機(jī)組增加了一級(jí)再熱器，當(dāng)“關(guān)再熱減溫水總閥”條件觸發(fā)后，需要聯(lián)鎖關(guān)閉的閥門增多（如圖8所示）?！瓣P(guān)再熱減溫水總閥”觸發(fā)后聯(lián)鎖關(guān)閉的設(shè)備包括：一次再熱再熱器事故噴水氣動(dòng)閥A、B和一次再熱器事故噴水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥A、B，一次再熱再熱器微量噴水氣動(dòng)閥A、B、C、D和一次再熱器微量噴水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥A、B、C、D；二次再熱再熱器事故噴水氣動(dòng)閥A、B和二次再熱器事故噴水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥A、B，二次再熱再熱器微量噴水氣動(dòng)閥A、B、C、D和二次再熱器微量噴水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥A、B、C、D。

為保證MFT跳閘動(dòng)作的可靠性，通常設(shè)計(jì)“軟”、“硬”兩套方案?！败洝笔侵竿ㄟ^相關(guān)的聯(lián)鎖邏輯停運(yùn)設(shè)備；“硬”是指MFT繼電器柜中繼電器的觸點(diǎn)并聯(lián)或者串聯(lián)在設(shè)備驅(qū)動(dòng)的電氣回路中來控制設(shè)備停運(yùn)。若上述兩種方法均失效，操作員可以通過操作臺(tái)上兩個(gè)MFT跳閘按鈕，來實(shí)現(xiàn)MFT跳閘動(dòng)作。

3.3.3 MFT跳閘繼電器復(fù)位

MFT繼電器跳閘后，當(dāng)MFT繼電器電源正常，不存在MFT跳閘條件，油泄漏試驗(yàn)和爐膛吹掃已完成時(shí)，DCS控制系統(tǒng)會(huì)將MFT繼電器復(fù)位，并在CRT上將跳閘首出原因自動(dòng)清除。

3.4 油燃料跳閘OFT

OFT觸發(fā)后，立即切斷所有進(jìn)入油槍的燃料。當(dāng)所有的油角閥關(guān)閉、MFT繼電器已經(jīng)復(fù)位、爐膛吹掃完成、操作員手動(dòng)OFT復(fù)位同時(shí)不存在OFT跳閘條件時(shí)，將邏輯中的表示OFT的開關(guān)量點(diǎn)復(fù)位。

圖9 油燃料跳閘條件及跳閘動(dòng)作示意圖

3.5 油燃燒器管理

油燃燒器的管理包括：油角設(shè)備的操作，油角的啟動(dòng)、停止、吹掃，以及油層的控制。油角設(shè)備的邏輯包括油角閥、油槍、吹掃閥、點(diǎn)火槍的驅(qū)動(dòng)級(jí)邏輯以及相關(guān)聯(lián)鎖邏輯。單個(gè)油角的啟動(dòng)、停止、吹掃邏輯，對(duì)于驅(qū)動(dòng)級(jí)封裝的EDPF NT+系統(tǒng)上述程序通過順控步序及驅(qū)動(dòng)級(jí)實(shí)現(xiàn)。油槍吹掃能夠清除油槍及燃燒器頭部的殘油，是油槍滅火的重要步序，吹掃介質(zhì)為空氣。當(dāng)下列條件有一條滿足時(shí)，油槍不能進(jìn)行吹掃：MFT已跳閘、油角閥未關(guān)到位、油槍未伸進(jìn)、吹掃空氣壓力低。

3.6 煤燃燒器的管理

煤燃燒器的管理包括：煤燃燒器邏輯、煤點(diǎn)火允許條件、供其它系統(tǒng)使用的中間點(diǎn)邏輯、制粉系統(tǒng)的啟停步序、制粉系統(tǒng)的跳閘條件及首出原因，以及制粉系統(tǒng)單操及聯(lián)鎖邏輯。國(guó)電泰州機(jī)組B層制粉系統(tǒng)的燃燒器設(shè)計(jì)等離子與油槍兩個(gè)點(diǎn)火源，B層煤粉點(diǎn)火分為：正常點(diǎn)火模式與等離子點(diǎn)火模式。

3.7 輔機(jī)故障減負(fù)荷RB

鍋爐主要輔機(jī)在運(yùn)行過程中發(fā)生故障而不能滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，RB邏輯將依據(jù)當(dāng)時(shí)燃燒器投運(yùn)情況和有利于爐膛火焰穩(wěn)定的原則，迅速切除部分燃燒器，把投入爐膛的燃料量降低到同主要輔機(jī)運(yùn)行相適應(yīng)的程度[7]。在DCS控制系統(tǒng)中，RB邏輯一般不做在FSSS邏輯中，而放在MCS的組態(tài)邏輯中。

5 結(jié)束語

國(guó)電泰州二次再熱機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成為我國(guó)在1000MW級(jí)二次再熱機(jī)組建設(shè)的標(biāo)志性機(jī)組。筆者以該項(xiàng)目為背景，結(jié)合二次再熱機(jī)組的特點(diǎn)全面分析了FSSS的功能組成和控制策略。針對(duì)FSSS系統(tǒng)的核心部分MFT，通過對(duì)比一次、二次再熱機(jī)組的不同，歸納了二次再熱機(jī)組MFT邏輯設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。由于二次再熱機(jī)組自身結(jié)構(gòu)的變化，使MFT中“汽輪機(jī)跳閘”和“再熱器保護(hù)喪失”的邏輯設(shè)計(jì)以及MFT跳閘動(dòng)作中“關(guān)再熱器減溫水總閥”的內(nèi)涵發(fā)生變化。對(duì)于油燃燒器的管理、煤燃燒器的管理以及RB的邏輯設(shè)計(jì)由于篇幅所限，只作概括介紹。大容量超超臨界二次再熱技術(shù)是一種節(jié)能減排，高效清潔的發(fā)電技術(shù)，已成為國(guó)內(nèi)外大型火力發(fā)電機(jī)組建設(shè)的重要選擇。通過本文的介紹，希望能為國(guó)內(nèi)后續(xù)二次再熱機(jī)組FSSS的設(shè)計(jì)起到一定的借鑒作用。

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The Application of FSSS in 1000MW Ultra-supercritical Double Reheat Unit

As an important protection system of power plant boiler , the FSSS is widely used in large-scale thermal power generating units. Guodian Taizhou Phase II is China's first 1000MW ultra-supercritical double reheat units. According to this project, the author analyzes and summarizes the functions and logic design of FSSS. This paper describes the unique characteristics of FSSS in 1000MW ultra-supercritical double reheat units. By comparing the typical single reheat unit with the typical double reheat units, the author describes the trip conditions of MFT and the action of MFT after the trip.

Ultra-Supercritical; Double reheat; FSSS; MFT

B

1003-0492(2015)06-0098-05

TM621.6

王默（1969-）,男，新疆奎屯人，本科，現(xiàn)任北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司市場(chǎng)營(yíng)銷中心總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷皯?yīng)用、先進(jìn)控制技術(shù)在熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用、DCS工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用等。

王耀（1989-）,男，山東榮成人，東北電力大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣δ馨踩珮?biāo)準(zhǔn)在電廠鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的研究和應(yīng)用。

王疆（1977-）,男，北京人，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)任北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司市場(chǎng)營(yíng)銷中心副總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷皯?yīng)用、先進(jìn)控制技術(shù)在熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用、DCS工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用等。