燃煤機(jī)組爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)方案的應(yīng)用研究

趙 軍，張曉波（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

葉云云（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

張 強(qiáng)（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

王 會（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

燃煤機(jī)組爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)方案的應(yīng)用研究

趙 軍，張曉波（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

葉云云（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

張 強(qiáng)（神華國華國際電力股份有限公司，北京 100025）

王 會（神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

某燃煤機(jī)組因送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)特性差，引起送、引風(fēng)機(jī)耦合振蕩，導(dǎo)致爐膛負(fù)壓越限，造成電除塵系統(tǒng)內(nèi)爆。結(jié)合本次事件特征，深入研究DL/T 435《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程》和美國國家防火協(xié)會NFPA85《鍋爐和多燃燒器系統(tǒng)防爆標(biāo)準(zhǔn)》，對機(jī)組主燃料跳閘后設(shè)置爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的重要性、聯(lián)跳風(fēng)機(jī)與防煤粉爆燃的關(guān)系等進(jìn)行了論證，并提出了爐膛負(fù)壓越限立即聯(lián)跳引風(fēng)機(jī)方案及聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的方式等改進(jìn)措施。

自動化技術(shù)；爐膛防爆；爐膛壓力；風(fēng)機(jī)；聯(lián)鎖；

1 事件背景

1.1 事件過程

某廠600MW亞臨界機(jī)組在317MW負(fù)荷下運行時，發(fā)生了機(jī)組跳閘，電除塵內(nèi)爆事件。該項目引風(fēng)機(jī)為引增合一型式，事故前A送風(fēng)機(jī)動葉開度為14.5%，B送風(fēng)機(jī)動葉開度為31.6%，電流均為35A左右；兩臺引風(fēng)機(jī)動葉開度為25%左右，電流為182A左右。此時機(jī)組有一小幅向下的AGC指令，爐膛負(fù)壓從-106Pa向下波動，送風(fēng)機(jī)動葉開度向下動作，如圖1所示。

圖1 事故時爐膛壓力和送、引風(fēng)機(jī)擋板開度

圖2 事故時的總風(fēng)量和爐膛壓力

如圖2爐膛壓力和風(fēng)量連續(xù)四個峰谷波動，且在此期間，A送風(fēng)機(jī)三次向下調(diào)整到動葉開度為零，由此引發(fā)送、引風(fēng)機(jī)耦合振蕩。運行人員退出送、引風(fēng)機(jī)自動，機(jī)組退出協(xié)調(diào)控制模式，但爐膛負(fù)壓繼續(xù)下降，鍋爐爐膛壓力低Ⅱ值保護(hù)動作（動作值-2.49KPa）鍋爐MFT（主燃料跳閘）。

后檢驗爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)和風(fēng)量控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，結(jié)果良好。負(fù)壓造成電除塵器右墻發(fā)生內(nèi)凹變形，三個電場無法投運，經(jīng)檢修后投運正常。

1.2 事件的原因

事件的誘因是送、引風(fēng)機(jī)耦合振蕩。事件發(fā)生后，技術(shù)人員對送、引風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了檢查，分析了風(fēng)煙系統(tǒng)各參數(shù)的歷史趨勢，確定造成負(fù)壓和風(fēng)量耦合波動的起因是由兩方面原因引起的：一是送風(fēng)機(jī)在低開度下的風(fēng)量調(diào)節(jié)特性較差，二是兩臺風(fēng)機(jī)在低開度下的電流平衡功能導(dǎo)致動葉開度偏差較大，風(fēng)量特性一致性較差。

按《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的要求，以及本項目引增合一后引風(fēng)機(jī)環(huán)境溫度下的試驗臺風(fēng)壓（TB點）的加深，除塵器強(qiáng)度壓力設(shè)計值考慮不足，是造成電除塵損壞的重要原因。

檢查風(fēng)煙系統(tǒng)保護(hù)邏輯發(fā)現(xiàn)，機(jī)組未設(shè)置爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的連鎖保護(hù)邏輯，系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計不夠完善，是致使后果擴(kuò)大的重大缺陷。事件的起因是由負(fù)壓和風(fēng)量耦合波動引起的，爐膛負(fù)壓低觸發(fā)了MFT，但因無保護(hù)手段阻止負(fù)壓效應(yīng)擴(kuò)大，導(dǎo)致負(fù)壓迅速擴(kuò)大到-6000Pa。經(jīng)計算，速率達(dá)到167Pa/秒，從-2500Pa到-5900Pa僅用了20秒。

2 爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)方案的應(yīng)用情況

基于保護(hù)設(shè)置的可行性研究，普查了公司下屬60多臺鍋爐爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的實際應(yīng)用情況，參閱了中國電力工程顧問集團(tuán)公司技術(shù)成果《鍋爐爐膛防爆壓力及煙氣系統(tǒng)設(shè)計壓力研究報告》中關(guān)于聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

對公司所有鍋爐的實際應(yīng)用調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該保護(hù)大致分為三類，第一類是無設(shè)計，如1、3、6、9號鍋爐。第二類是按照規(guī)程規(guī)定，設(shè)置了MFT后爐膛壓力越限延時跳風(fēng)機(jī)，部分機(jī)組延時時間嚴(yán)格按5分鐘設(shè)計，如4、10、15號鍋爐；第三類在MFT值的基礎(chǔ)上再擴(kuò)大500Pa，且不延時直接跳風(fēng)機(jī)，如6、7、8號鍋爐。見表1。

表1 部分機(jī)組爐膛壓力越限保護(hù)設(shè)計情況表

文獻(xiàn)[2]表明，由于設(shè)計技術(shù)不同、爐型不同、鍋爐結(jié)構(gòu)不同，爐膛壓力保護(hù)條件也有所不同，均設(shè)置報警值和主燃料跳閘值，但大多數(shù)鍋爐未設(shè)置跳風(fēng)機(jī)值，見表2，只有哈鍋的超臨界鍋爐和北京巴威鍋爐設(shè)置了聯(lián)跳風(fēng)機(jī)保護(hù)。上鍋在1000MW等級的鍋爐上跳風(fēng)機(jī)保護(hù)定值采用在MFT定值的數(shù)值上再擴(kuò)大500Pa，不延時跳風(fēng)機(jī)。

表2 與鍋爐設(shè)計和制造相關(guān)的爐膛壓力保護(hù)設(shè)計情況表

哈鍋超臨界鍋爐（三井巴布科克技術(shù)）M F T M F T送風(fēng)機(jī)跳閘引風(fēng)機(jī)跳閘哈鍋超超臨界鍋爐（三菱技術(shù)）高Ⅱ+ 2 5 0 0 P a高Ⅲ+ 4 0 0 0 P a低Ⅲ-4 0 0 0 P a高Ⅱ+ 5 8 0 0 P a低Ⅱ-5 8 0 0 P a M F T M F T美國E . W W火焰爐高Ⅱ+ 2 0 0 0 P a低Ⅱ-2 0 0 0 P a高Ⅲ+ 3 7 0 0 P a低Ⅲ-3 7 0 0 P a延時2秒發(fā)M F T延時2秒發(fā)M F T M F T M F T無聯(lián)跳風(fēng)機(jī)設(shè)計延時5秒發(fā)M F T延時5秒發(fā)M F T延時2秒送風(fēng)機(jī)跳閘延時2秒送、引風(fēng)機(jī)全跳閘東鍋亞臨界鍋爐（三井巴布科克技術(shù)）北京B . W高Ⅱ+ 1 7 0 0 P a低Ⅱ-2 5 0 0 P a高Ⅲ+ 3 7 0 0 P a低Ⅲ-3 7 0 0 P a M F T M F T無聯(lián)跳風(fēng)機(jī)設(shè)計上鍋亞臨界鍋爐（美國C E技術(shù)）M F T M F T無聯(lián)跳風(fēng)機(jī)設(shè)計東鍋超臨界鍋爐（日立技術(shù)）高Ⅱ+ 2 0 0 0 P a低Ⅱ-2 0 0 0 P a高Ⅱ+ 4 0 0 0 P a低Ⅱ-4 0 0 0 P a高Ⅱ+ 3 2 4 0 P a低Ⅱ-2 4 9 0 P a M F T M F T無聯(lián)跳風(fēng)機(jī)設(shè)計上鍋超臨界鍋爐（美國A L S T O M -原美國C E技術(shù)）高Ⅱ+ 1 5 2 0 P a低Ⅱ-1 7 8 0 P a高Ⅱ低Ⅲ-2 2 9 0 P a M F T M F T延時5分鐘后仍高跳送、引風(fēng)機(jī)延時2 0秒送、引風(fēng)機(jī)全跳閘

3 國內(nèi)外煤粉鍋爐防爆規(guī)程的規(guī)定和差異

基于上述調(diào)研結(jié)論，為了準(zhǔn)確把握規(guī)程的原則和目的，也為了新邏輯對該事件有針對性，將兩部規(guī)程的條款進(jìn)行了研究，并結(jié)合本次事件的一些特征進(jìn)行了分析論證。

3.1 DL/T 435-2004《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程》的規(guī)定

DL/T 435-2004《電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程》中，條款3.2.13.2 規(guī)定防內(nèi)爆保護(hù)系統(tǒng)必須配備下列連鎖（保護(hù)邏輯）[2]。

（1）爐膛正壓超限總?cè)剂咸l

當(dāng)爐膛正壓超過正常運行壓力達(dá)到制造廠所規(guī)定的限值時，應(yīng)觸發(fā)總?cè)剂咸l。跳閘后，風(fēng)機(jī)如果仍在運行，則應(yīng)繼續(xù)運行，但不應(yīng)手動或自動增加通風(fēng)量。

總?cè)剂咸l后，經(jīng)過5分鐘爐膛吹掃，在主燃料尚未點火前，如果爐膛壓力仍超過制造廠的規(guī)定值，則送風(fēng)機(jī)應(yīng)跳閘。

（2）爐膛負(fù)壓超限總?cè)剂咸l

當(dāng)爐膛負(fù)壓超過正常運行負(fù)壓而達(dá)到制造廠所規(guī)定的限值時，應(yīng)觸發(fā)總?cè)剂咸l(不一定是自動跳閘 )。跳閘后，如果風(fēng)機(jī)仍在運行，則應(yīng)繼續(xù)運行，但不應(yīng)手動或自動增加通風(fēng)量。

總?cè)剂咸l后，經(jīng)過5分鐘爐膛吹掃，在主燃料未點火前，如果爐膛負(fù)壓仍超過制造廠所規(guī)定的限值 ，則所有引風(fēng)機(jī)均應(yīng)跳閘。

3.2 NFPA-85-2011 Boiler and Combustion Systems Hazards Code的規(guī)定

NFPA85-2011版第6章“多燃燒器鍋爐”規(guī)定如下[3]：

6.4.2.3.6.6條款：在主燃料點火前或MFT后，如果爐膛負(fù)壓超過制造廠給定的定值，所有引風(fēng)機(jī)須跳閘，可以設(shè)置一個短延時是為了避免因主火焰喪失帶來的負(fù)壓信號瞬間波動，該定值應(yīng)大于MFT定值。

6.4.2.3.7.6條款：在主燃料點火前或MFT 5分鐘后（爐膛吹掃后），如果爐膛壓力繼續(xù)超過制造廠跳風(fēng)機(jī)定值時，送風(fēng)機(jī)應(yīng)跳閘。

3.3 國內(nèi)外規(guī)程的差異及影響后果

NFPA85標(biāo)準(zhǔn)與DL/T435標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別是無“經(jīng)過5分鐘爐膛吹掃”跳閘所有引風(fēng)機(jī)。本次事件如果按照DL/T435標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了該項保護(hù)，后果更嚴(yán)重。從普查結(jié)果中看部分新建機(jī)組或百萬千瓦機(jī)組已注意到該問題，未設(shè)置長延時。

沒有一個標(biāo)準(zhǔn)能保證完全消除爐膛內(nèi)爆和外爆，標(biāo)準(zhǔn)不是設(shè)計手冊，也不能企圖利用標(biāo)準(zhǔn)代替設(shè)計、調(diào)試、運行維護(hù)的一切工作，它只是希望設(shè)計者能夠更完整且嚴(yán)格地分析特殊的或不尋常的問題，并使設(shè)計有開拓性[3]。防煤粉爆炸和防正壓過高（或負(fù)壓過低）都是規(guī)程中爐膛防爆的內(nèi)容，DL/T435標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)化了煤粉爆燃的風(fēng)險，強(qiáng)調(diào)吹掃的必要性，但帶來內(nèi)爆風(fēng)險概率的增大。針對這一影響，兩項標(biāo)準(zhǔn)都提出了解決之道，明確聯(lián)跳引風(fēng)機(jī)后，要將風(fēng)煙通道上的擋板開到最大，至少通風(fēng)15分鐘以上，在風(fēng)機(jī)再啟動時再進(jìn)行正常吹掃。

4 針對此類事件的改進(jìn)措施

4.1 爐膛壓力越限跳風(fēng)機(jī)設(shè)計原則的改進(jìn)

MFT后爐膛正壓越限跳送風(fēng)機(jī)。MFT的結(jié)果就是爐膛正壓自然回落的效果，執(zhí)行吹掃是將風(fēng)量回調(diào)到25%～40%中低范圍的辦法，也是降正壓的輔助手段，不需要馬上跳送風(fēng)機(jī)；因此正壓越限時，可以延時，等待MFT、吹掃等功能的執(zhí)行，觀其后果，如果壓力還保持高值，再停全部送風(fēng)機(jī)；但為防備煙道堵塞等特殊情況，可直接設(shè)置正壓高Ⅲ值（大于爐膛壓力越限跳風(fēng)機(jī)值）跳全部送風(fēng)機(jī)，前提是爐膛吹掃功能的風(fēng)量定值上限要保證小于40%額定負(fù)荷下的風(fēng)量，因此DL/T 435標(biāo)準(zhǔn)中的正壓延時5分鐘方案可以采用。

MFT后爐膛負(fù)壓越限跳全部引風(fēng)機(jī)。從本事例的結(jié)果看，DL/T 435標(biāo)準(zhǔn)中的延時5分鐘不可取，20秒也顯過長。目前實際應(yīng)用中，上海鍋爐廠給定的方案是設(shè)高Ⅲ值跳風(fēng)機(jī)，武鍋廠亞臨界鍋爐采用高/低Ⅲ值延時20秒跳風(fēng)機(jī)。當(dāng)機(jī)組實施引增合一、電除塵改造、增加SCR（選擇性催化還原法）脫銷裝置、低溫省煤器、濕式電除塵等工藝改造后，鍋爐尾部煙道阻力過大，使引風(fēng)機(jī)選型點壓力超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計值, 例如風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓絕對值為7kPa以上時，煙道工作壓力已超過所計算的防內(nèi)爆設(shè)計壓力，DL／T5121《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》已不能適用[4]。同時爐膛壓力的變化速率增大，純滯后時間增大，因此延時時間的計算要慎重。

圖3是公司另一臺東鍋產(chǎn)500t/h出力的鍋爐發(fā)生爐膛負(fù)壓越限的負(fù)壓變化趨勢。該鍋爐設(shè)置了爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的邏輯，鍋爐MFT保護(hù)定值為±1470Pa，鍋爐跳閘后，爐膛負(fù)壓繼續(xù)擴(kuò)大，到-3000Pa時觸發(fā)低Ⅱ值延時10秒跳風(fēng)機(jī)保護(hù)，依據(jù)歷史趨勢數(shù)據(jù)計算，負(fù)壓-3000Pa到-4000Pa只用了不到6秒，最終是-4000Pa低Ⅲ值保護(hù)動作起了作用。即使如此，最終爐膛負(fù)壓也下降到了-4989.24Pa，速率235Pa/秒，慣性時間4秒，略顯偏大，依據(jù)該次經(jīng)驗，建議低Ⅱ值延時設(shè)為8秒。

圖3 一臺500t/h東方鍋爐發(fā)生爐膛負(fù)壓越限時的負(fù)壓趨勢

特別強(qiáng)調(diào)全部風(fēng)機(jī)跳閘后聯(lián)鎖開啟出入口擋板，保證煙風(fēng)道暢通。為消除負(fù)壓信號瞬間波動造成的誤動作，可設(shè)置2秒至5秒（具體數(shù)值應(yīng)結(jié)合實際負(fù)壓變化率和慣性時間確定）的短延時防誤動，從文獻(xiàn)[2]看到，采用美國E.W技術(shù)的W火焰爐設(shè)置了2秒的延時，北京B.W的鍋爐設(shè)置了5秒的延時。

爐膛壓力越限聯(lián)跳風(fēng)機(jī)的方式。爐膛正壓越限聯(lián)跳送風(fēng)機(jī)時，第一對送、引風(fēng)機(jī)成對聯(lián)跳，但最后一臺引風(fēng)機(jī)要保留[5]；爐膛負(fù)壓越限聯(lián)跳全部引風(fēng)機(jī)時，同時聯(lián)跳對應(yīng)的送風(fēng)機(jī)。

4.2 優(yōu)化風(fēng)機(jī)低開度特性

如果送風(fēng)機(jī)在低開度的特性較差，風(fēng)量控制系統(tǒng)在自動方式下應(yīng)設(shè)置低限，當(dāng)然，徹底的解決方案是重視送風(fēng)機(jī)選型，調(diào)整雙機(jī)動葉特性盡量一致。另外也可考慮爐膛壓力高低（可自行設(shè)計，也可選報警Ⅰ值）的定向閉鎖，即爐膛壓力低時，閉減送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉；當(dāng)爐膛壓力大時，閉減引風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉、閉增送風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉[3]。

4.3 優(yōu)化送、引風(fēng)自動調(diào)節(jié)方案

負(fù)壓自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的前饋信號可以是燃料量信號、鍋爐主控信號或其它合適的需求量指示值，但不能是送風(fēng)量測量信號或送風(fēng)動葉反饋。前饋信號選擇這兩類信號都有加劇耦合振蕩效應(yīng)的可能。

從此次事件的風(fēng)量振蕩曲線看，初始時異常現(xiàn)象很明顯，風(fēng)量調(diào)節(jié)對象是一個臨界阻尼或小超調(diào)特性對象，正常擾動下，出現(xiàn)大幅度波動可立即判定為異常。早期DDZ組裝儀表時代為防止硬手操器故障而設(shè)置的“被控變量與定值偏差大切手動”邏輯，可利用在風(fēng)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)上，在出現(xiàn)振蕩過程時將風(fēng)量自動切除手動，穩(wěn)定風(fēng)量不變[6]。

爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)的超馳作用。超馳是采用非正常調(diào)節(jié)方式直接操作負(fù)壓調(diào)節(jié)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的方式，引風(fēng)機(jī)超馳動作的前提是：（1）動作前爐膛是一個穩(wěn)定的工況；（2）發(fā)生主燃料切除；（3）爐膛負(fù)壓是向負(fù)向變化。在這個前提下，引風(fēng)機(jī)做超馳動作，暫時關(guān)閉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，然后再打開到一個預(yù)定開度。但如果是因為爐膛正壓動作導(dǎo)致的主燃料跳閘，則需要閉鎖該超馳功能。

5 結(jié)語

本次事件和研究結(jié)果對同類機(jī)組有重要的借鑒意義，無論何種鍋爐，設(shè)置爐膛壓力越限跳風(fēng)機(jī)都有必要，2014年發(fā)布的國能安全(2014)161號《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》第6.2.3.3條款也提醒600MW以上鍋爐應(yīng)考慮負(fù)壓低聯(lián)跳引風(fēng)機(jī)的保護(hù)設(shè)置。

技術(shù)在不斷進(jìn)步，事故有意想不到的狀況。本案例警示設(shè)計者在保護(hù)設(shè)計中，應(yīng)以事實為根據(jù)，以保護(hù)設(shè)備為目的，靈活應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在運行維護(hù)中，運行人員也應(yīng)熟悉可能發(fā)生外爆、內(nèi)爆的各種原因，熟悉各工藝參數(shù)的運行特征，制定相應(yīng)的反事故措施做為自控設(shè)備的后備手段。

[1] 中國電力工程顧問集團(tuán)公司. 鍋爐爐膛防爆壓力及煙氣系統(tǒng)設(shè)計壓力研究報告[R]. 2008.

[2] DL/T 435 - 2004. 電站煤粉鍋爐爐膛防爆規(guī)程[S].

[3] NFPA 85 - 2011. 鍋爐與多燃燒器系統(tǒng)防爆標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] 張建中. 鍋爐爐膛及煙氣系統(tǒng)防爆設(shè)計壓力取值標(biāo)準(zhǔn)的分析[J]. 電力建設(shè). 2012, 33(10): 13 - 19.

[5] DL/T_5428 - 2009. 火力發(fā)電廠熱控保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)范[S].

[6] 陳劍峰, 王震皓. 華能福州電廠二期300MW機(jī)組鍋爐負(fù)壓控制系統(tǒng)[J]. 熱力發(fā)電. 2004, 33(6): 51 - 53.

Application Research for the Solution of Furnace Pressure Overlimit and Intertripping Fans in Coal-Fired Unit

Because of the poor control properties of blower fan and the fan coupled oscillation, a coal-fired unit caused the furnace pressure over limit which results in electrostatic precipitator system implosion. Combined with the characteristics of this event we studied deeply the DL/T 435《Code for the prevention of pulverized coal firing furnace explosions/implosions in power plant boilers》 and the NFPA85《Boiler and Combustion Systems Hazards Code》, verified importance and sufficient conditions of that master fuel trip setting furnace pressure over limit tripping of fan &The relationship between Inter-tripping fans, and put forward some improvement measures, for example, the furnace negative pressure limit immediately tripping draft fan & tripping of fan scheme etc.

Auto control; Furnace explosion protection; Furnace pressure; Fan; Interlocking

B

1003-0492(2016)01-0090-04

TP207

趙軍（1968-），男，山西保德人，工程碩士，教授級高工，現(xiàn)任神華集團(tuán)國華電力公司高級主管，研究方向為發(fā)電廠熱工自動化。