基于Ovation的超超臨界鍋爐FSSS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉曉莎，王 林

(1.陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，全社會(huì)用電負(fù)荷逐年增加，高參數(shù)、大容量、能夠適應(yīng)深度調(diào)峰需求的火力發(fā)電機(jī)組正受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[1]。某地2×1 000 MW燃煤機(jī)組新建工程，依托國(guó)家科技支撐計(jì)劃“1 000 MW高效寬負(fù)荷率的超超臨界機(jī)組開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”課題，選用了能夠滿(mǎn)足需求的國(guó)產(chǎn)超超臨界參數(shù)新型直流鍋爐。為實(shí)現(xiàn)機(jī)組在較寬負(fù)荷范圍內(nèi)依然保持較高效率的研究目標(biāo)，該工程采用了國(guó)產(chǎn)新一代超超臨界10 000 MW級(jí)鍋爐，設(shè)計(jì)了由多支大油槍、微油槍及多層煤粉燃燒器組成的混合燃燒系統(tǒng)。爐膛燃燒器種類(lèi)多，數(shù)量大，控制與操作難度高，使得機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行面臨極大挑戰(zhàn)[2]。本文結(jié)合國(guó)產(chǎn)新型1 000 MW超超臨界鍋爐的技術(shù)特點(diǎn)，基于Ovation工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并建立了一套穩(wěn)定高效的爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(Furnace Safeguard Supervisory System，簡(jiǎn)稱(chēng)FSSS)，經(jīng)機(jī)組長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能夠有效保障人員和設(shè)備安全，避免鍋爐發(fā)生爆燃、爆炸事故。該工程FSSS系統(tǒng)的相關(guān)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)對(duì)于同類(lèi)型火電機(jī)組具有較高的參考價(jià)值。

1 鍋爐燃料系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本工程鍋爐型號(hào)為DG3063.81/29.3-II1，為高效超超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行的直流鍋爐。鍋爐整體采用了∏式布局，前后墻對(duì)沖燃燒方式，最下層煤粉燃燒器配備有微油點(diǎn)火裝置作為啟動(dòng)點(diǎn)火源。鍋爐整體布置如圖1所示。

圖1 鍋爐整體布局

該工程鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 制粉系統(tǒng)

該工程鍋爐共配備有6套正壓直吹式制粉系統(tǒng)，每套制粉系統(tǒng)包括1臺(tái)ZGM133N-II型中速輥式磨煤機(jī)、1臺(tái)電子稱(chēng)重式皮帶給煤機(jī)以及8支旋流煤粉燃燒器。燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)，5臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，機(jī)組即能帶長(zhǎng)期滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行。煤粉燃燒器選用了自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器，每層共有8支煤粉燃燒器，對(duì)應(yīng)一臺(tái)磨煤機(jī)。所有48支煤粉燃燒器分前后墻各3層布置，其中，從上到下，前墻為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)磨，后墻為4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)磨，形成對(duì)沖燃燒方式。

1.2 燃油系統(tǒng)

全爐共有32支大油槍(對(duì)應(yīng)1號(hào)、2號(hào)、4號(hào)和5號(hào)共4臺(tái)磨煤機(jī))及16支微油槍(對(duì)應(yīng)下層3號(hào)和6號(hào)兩臺(tái)磨煤機(jī))，所有油槍均采用機(jī)械霧化方式，油角閥為氣動(dòng)閥。爐前燃油平臺(tái)設(shè)計(jì)有進(jìn)油快關(guān)閥、回油快關(guān)閥、回油調(diào)節(jié)閥以及泄露試驗(yàn)閥。

1.3 火焰檢測(cè)系統(tǒng)

該工程火焰檢測(cè)探頭(簡(jiǎn)稱(chēng)火檢探頭)基于光電傳感器，能夠可靠感受煤粉火焰及油槍火焰所發(fā)出的可見(jiàn)光，從而判斷火焰有無(wú)及強(qiáng)弱[3]。油火檢、煤火檢探頭各48個(gè)，伸入爐膛直面火焰。為保證所有火檢探頭處于正常工作溫度，本工程設(shè)計(jì)有2臺(tái)火檢冷卻風(fēng)機(jī)，利用管路將冷空氣分配給各火檢探頭降溫，1臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，另1臺(tái)處于備用狀態(tài)。整個(gè)火焰檢測(cè)系統(tǒng)可靠性較高。

2 基于Ovation的FSSS系統(tǒng)構(gòu)成

電廠鍋爐因意外故障發(fā)生滅火后，爐膛內(nèi)積聚大量煤粉、油霧、一氧化碳等各類(lèi)粉塵及可燃物，如遇明火，將引起爐膛爆炸，造成重大人員設(shè)備損失。為實(shí)現(xiàn)鍋爐安全點(diǎn)火，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)視爐內(nèi)燃燒狀況，并及時(shí)處置意外滅火，設(shè)計(jì)并建立了爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(又稱(chēng)為燃燒器管理系統(tǒng))[4-5]。

本工程FSSS系統(tǒng)基于工業(yè)自動(dòng)化控制軟件Ovation搭建，Ovation在電力領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是一款優(yōu)秀的電廠DCS軟件，具有配置靈活，可靠性高，總線(xiàn)應(yīng)用功能強(qiáng)大，人機(jī)交互性能好等優(yōu)點(diǎn)[6]。典型的火電廠Ovation系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Ovation架構(gòu)圖

從圖2中可知，Ovation系統(tǒng)主要由工作站、工作網(wǎng)絡(luò)、控制器以及就地設(shè)備[7]。工作站是編程中心(建立控制邏輯)、數(shù)據(jù)庫(kù)(存儲(chǔ)程序、歷史數(shù)據(jù))，又是操作中心(監(jiān)視和控制工業(yè)過(guò)程的操作員人機(jī)接口)。工作網(wǎng)絡(luò)基于高速以太網(wǎng)，利用交換機(jī)實(shí)現(xiàn)操作指令、就地反饋等各類(lèi)數(shù)據(jù)的傳輸交流?？刂破魇怯筛黝?lèi)卡件搭建起來(lái)的控制中樞，其一端連接工作站，一端連接受控設(shè)備。就地設(shè)備包含電廠鍋爐、汽機(jī)、電氣、化學(xué)等專(zhuān)業(yè)用于完成發(fā)電過(guò)程的所有設(shè)備。

3 基于Ovation的FSSS系統(tǒng)功能

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)包括燃燒器控制系統(tǒng)和爐膛安全系統(tǒng)，它能夠連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)視鍋爐各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，一旦出現(xiàn)危及運(yùn)行安全的事故工況，即可自動(dòng)切斷入爐所有燃料，實(shí)現(xiàn)鍋爐緊急停爐，從而避免爐膛發(fā)生爆燃爆炸[8-9]。該工程FSSS系統(tǒng)主要功能由以下部分組成：鍋爐保護(hù)系統(tǒng)、燃油控制系統(tǒng)、燃煤控制系統(tǒng)。

鍋爐保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能有：爐膛吹掃、鍋爐主燃料跳閘保護(hù)(Main Fuel Trip，簡(jiǎn)稱(chēng)MFT)、燃油泄漏試驗(yàn)、油燃料跳閘保護(hù)(Oil Fuel Trip，簡(jiǎn)稱(chēng)OFT)、鍋爐點(diǎn)火允許條件等。燃油控制系統(tǒng)主要功能包括油槍組各設(shè)備的獨(dú)立操作，成組操作，油燃燒器的保護(hù)跳閘及跳閘原因首出記憶。燃煤控制系統(tǒng)主要功能包括磨煤機(jī)、給煤機(jī)的程控操作，煤燃燒器的投入退出等。下面對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵保護(hù)功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 鍋爐吹掃

鍋爐點(diǎn)火前，必須進(jìn)行爐膛吹掃，這是鍋爐防爆規(guī)程中基本的防爆保護(hù)措施。在鍋爐對(duì)流煙井、煙道和將煙氣送至煙囪的引風(fēng)機(jī)等處均有可能積聚過(guò)量的可燃物，當(dāng)這種可燃物與適當(dāng)比例空氣混合，遇到點(diǎn)火源時(shí)，即可能引燃而導(dǎo)致?tīng)t膛爆炸。爐膛吹掃的目的是將爐膛內(nèi)的殘留可燃物質(zhì)清除掉，以防止鍋爐點(diǎn)火時(shí)發(fā)生爆燃[10]。

吹掃過(guò)程：MFT后觸發(fā)“請(qǐng)求吹掃”信號(hào)，啟動(dòng)一次吹掃條件檢查(一次吹掃條件是在MFT動(dòng)作后能自動(dòng)滿(mǎn)足的條件，主要是燃料條件)；當(dāng)無(wú)風(fēng)擋板閉鎖條件且一次吹掃條件滿(mǎn)足后，發(fā)送一個(gè)15 s的指令到調(diào)節(jié)系統(tǒng)，設(shè)置二次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板到達(dá)吹掃位(開(kāi)度100%)；煙溫調(diào)節(jié)擋板強(qiáng)制打開(kāi)至吹掃位(開(kāi)度100%)，然后檢查二次吹掃條件(二次吹掃條件主要是通過(guò)調(diào)整風(fēng)擋板來(lái)滿(mǎn)足的風(fēng)系統(tǒng)的條件)；當(dāng)二次吹掃條件滿(mǎn)足后，可以手動(dòng)觸發(fā)“吹掃啟動(dòng)”，開(kāi)始5 min的爐膛吹掃計(jì)時(shí)。各吹掃條件具體內(nèi)容如圖3所示。

圖3 鍋爐吹掃功能塊

在此期間，若有任一吹掃允許條件喪失，則自動(dòng)“吹掃中斷”，要求重新開(kāi)始計(jì)時(shí)吹掃，待條件重新滿(mǎn)足后由運(yùn)行人員重新啟動(dòng)吹掃；當(dāng)吹掃計(jì)時(shí)滿(mǎn)5 min時(shí)，DCS畫(huà)面亮起“吹掃完成”指示。吹掃完成后，發(fā)2 s脈沖信號(hào)，復(fù)位MFT跳閘輸出及首出記憶信號(hào)。鍋爐吹掃流程圖如圖4所示。

3.2 主燃料跳閘保護(hù)(MFT)

MFT是鍋爐安全保護(hù)的核心部分，由跳閘條件、保護(hù)邏輯、跳閘輸出繼電器及跳閘條件首出記憶等組成。為了保證保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，保護(hù)系統(tǒng)中所用信號(hào)都

圖4 鍋爐吹掃流程圖

由專(zhuān)用檢測(cè)元件及可靠的變送器提供，重要信號(hào)多采用多個(gè)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷后引入保護(hù)。Ovation搭建的MFT功能塊畫(huà)面如圖5所示。

圖5 鍋爐MFT功能塊

MFT功能塊中所列出的條件，任意一項(xiàng)滿(mǎn)足時(shí)，發(fā)生主燃料跳閘，即MFT保護(hù)動(dòng)作，所有入爐燃料被切斷，燃燒器停運(yùn)。

為了保證在發(fā)生MFT后，能夠迅速準(zhǔn)確地判斷事故原因，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了對(duì)MFT跳閘原因的首出記憶，并在畫(huà)面上顯示出來(lái)供運(yùn)行人員判斷跳閘原因。鍋爐吹掃完成后發(fā)脈沖復(fù)位MFT首出記憶。

MFT保護(hù)觸發(fā)后，指令信號(hào)將通過(guò)邏輯回路處理后，下發(fā)至就地設(shè)備(此方式稱(chēng)為軟邏輯)。部分重要設(shè)備，為提高可靠性，單獨(dú)連接一路線(xiàn)纜(稱(chēng)為硬接線(xiàn))至DCS，MFT觸發(fā)后，停止指令不經(jīng)邏輯處理直接下發(fā)就地跳閘。本工程鍋爐MFT后具體動(dòng)作設(shè)備如表2所示。

表2 主燃料跳閘保護(hù)動(dòng)作設(shè)備

3.3 燃油泄漏試驗(yàn)

燃油泄漏試驗(yàn)是為防止燃油泄漏而對(duì)油母管、油快關(guān)閥及各層分油閥所做的嚴(yán)密性試驗(yàn)(見(jiàn)圖6)。操作人員在每次吹掃前根據(jù)實(shí)際情況，可選擇進(jìn)行燃油泄漏試驗(yàn)或旁路燃油泄漏試驗(yàn)，但在油系統(tǒng)管路經(jīng)過(guò)維修，初次投運(yùn)或較長(zhǎng)時(shí)間未投運(yùn)油系統(tǒng)時(shí)，燃油泄漏試驗(yàn)不得旁路。

燃油泄漏試驗(yàn)允許條件有：

(1)供油母管壓力正常(油壓>3.3 MPa)；

(2)所有油槍供油閥關(guān)閉；

(3)燃油系統(tǒng)進(jìn)油快關(guān)閥關(guān)閉；

(4)燃油系統(tǒng)回油快關(guān)閥關(guān)閉；

(5)入爐總風(fēng)量>30%滿(mǎn)負(fù)荷風(fēng)量；

(6)燃油泄漏試驗(yàn)旁路按鈕未啟用；

(7)燃油系統(tǒng)儀用壓縮空氣壓力正常(氣壓>0.6 MPa)；

(8)鍋爐MFT動(dòng)作后延時(shí)>10 min。

整個(gè)燃油泄漏試驗(yàn)包括充油、保壓、泄油等步驟。

3.4 油燃料跳閘保護(hù)(OFT)

為了燃油安全性，在一定的條件發(fā)生時(shí)，必須及時(shí)切斷進(jìn)入鍋爐的油燃料。當(dāng)任一OFT條件發(fā)生，就會(huì)發(fā)出OFT信號(hào)，關(guān)閉進(jìn)油快關(guān)閥、回油快關(guān)閥和所有的油閥，當(dāng)滿(mǎn)足復(fù)位條件后，OFT信號(hào)復(fù)位。在OFT發(fā)生的同時(shí)，會(huì)通過(guò)首出記憶記錄產(chǎn)生OFT的原因。油燃料跳閘條件如表3所示。

3.5 鍋爐點(diǎn)火允許條件

為保證安全，鍋爐點(diǎn)火前必須滿(mǎn)足“點(diǎn)火允許條件”，部分點(diǎn)火許可條件有：

(1)主燃料跳閘(MFT)信號(hào)被復(fù)位；

(2)火檢冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)行，出口風(fēng)壓正常；

圖6 燃油泄漏試驗(yàn)流程圖

表3 油燃料跳閘觸發(fā)條件

(3)鍋爐總風(fēng)量>30%滿(mǎn)負(fù)荷風(fēng)量；

(4)給水流量大于386 t/h(MFT動(dòng)作低值)；

(5)爐膛吹掃完成。

投油及投煤還設(shè)計(jì)有專(zhuān)門(mén)的許可條件。

4 應(yīng)用與檢驗(yàn)

該工程1號(hào)機(jī)組于2019年12月3日首次帶滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了鍋爐過(guò)熱器側(cè)安全閥整定工作。由于升負(fù)荷速率較大，爐膛溫度在短時(shí)間達(dá)到較高數(shù)值，水冷壁及屏式過(guò)熱器結(jié)附的焦塊大量脫落，墜入撈渣機(jī)中。熔融的高溫焦塊使得撈渣機(jī)內(nèi)水迅速蒸發(fā)汽化，大量水蒸氣自下而上進(jìn)入爐膛。

升騰而起的水蒸氣干擾了火檢探頭，畫(huà)面上燃煤火檢自下而上逐層失去，最終觸發(fā)MFT，磨煤機(jī)、給煤機(jī)、一次風(fēng)機(jī)迅速跳閘，切斷入爐煤粉。供回油快關(guān)閥關(guān)閉。事后查看畫(huà)面，MFT首出原因報(bào)“失去臨界火焰”，OFT首出原因?yàn)椤癕FT”。

臨界火焰，指的是所有投運(yùn)的燃燒器在10 s內(nèi)，有超過(guò)總數(shù)1/4的燃燒器火檢信號(hào)喪失，即認(rèn)為爐膛燃燒顯著惡化，需要緊急停爐。

在上述情形下，本工程搭建的FSSS系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，判斷準(zhǔn)確，及時(shí)觸發(fā)保護(hù)，跳閘相關(guān)設(shè)備，最終有效保障了鍋爐的運(yùn)行安全。

5 結(jié) 論

隨著機(jī)組蒸汽參數(shù)不斷提高，鍋爐燃燒系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，本文以國(guó)產(chǎn)新一代1 000 MW超超臨界鍋爐為對(duì)象，基于Ovation軟件搭建了鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)，功能完備，性能可靠，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢驗(yàn)，系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作及時(shí)準(zhǔn)確，能夠有效避免爐膛爆燃與爆炸事故。該工程FSSS系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)可供后續(xù)同類(lèi)機(jī)組參考。